（輪機工程專業(yè)論文）柴油機電控泵管嘴燃油噴射系統(tǒng)仿真研究.pdf

哈爾濱r 程人學碩十學位論文 摘要 隨著近年來對柴油機燃油經(jīng)濟性和排放要求的不斷提高，柴油機電控 噴油技術已經(jīng)成為發(fā)展趨勢。本論文借鑒電控泵管閥嘴燃油噴射系統(tǒng)的特 點和原理，對某型中高速柴油機的傳統(tǒng)機械式噴油系統(tǒng)進行電噴化改造。 利用a v l 公司的液力系統(tǒng)仿真軟件h y d s i m 建立了此型柴油機電控泵管閥 嘴燃油噴剁系統(tǒng)的仿真模型。通過仿真計算，獲得了電噴化改造后燃油噴 射系統(tǒng)的關鍵性結構參數(shù)。并且對電磁閥在高壓油路中的安裝位置，電磁 閥的響應速度以及電磁閥旁通泄油口流通截面積對噴油特性的影響作了 分析和研究，以便能對以后的試驗工作有所借鑒。 山于電磁閥是電控噴油系統(tǒng)中的關鍵器件，因此本論文針對某型電磁 閥的結構和特點，建立了數(shù)學模型。并運用s i m u l i n k 軟件對其進行了仿 真研究，分析了驅(qū)動電壓，回位彈簧預緊力以及運動件質(zhì)量等對電磁閥響 應特性的影響。研究發(fā)現(xiàn)影響電磁閥響應特性的因素是十分復雜的，一種 因素往往在加速電磁閥關閉響應的同時卻會延遲電磁閥開啟的響應。因此 鷹根據(jù)具體情況柬調(diào)節(jié)相關參數(shù)獲得最佳的關閉和丌啟響應速度。 關鍵詞：柴油機：燃油噴射系統(tǒng)；電磁閥；仿真 哈爾濱i 科人學碩十學位論文 a b s t r a c t w i t ht h eh i g h e ra n d h i g h e rd e m a n do n t h e e c o n o m ya n dd i s c h a r g e t e c h n o l o g yo fd i e s e le n g i n e t h et e c h n o l o g y o fe l e c t r o n i c c o n t r o l l e df u e l i n j e c t i o nh a sb e c o m et h ed e v e l o p i n gt r e n d i nr e c e n ty e a r s t h i se s s a yh a s a p p l i e dt h ee l e c t r o n i ci m p r o v e m e n to nt h et r a d i t i o n a lf u e li n j e c t i o ns y s t e m ， w i t ht h er e f e r e n c eo ft h ee l e c t r o n i c c o n t r o lf u e li n j e c t i o ns y s t e mt h e o r i e s a n e m u l a t i o n a lm o d e lo fe l e c t r o n i c c o n t r o lf u e li n j e c t i o nm o d e lh a sb e e ns e t ， u s i n gh y d s i md e v e l o p e db ya v lc o m p a n y 。t h r o u g ht h ee m u l a t i o n a la n a l y s i s ， t h e k e y f r a m e w o r k p a r a m e t e r s h a v eb e e n g o t f o rt h e i m p r o v e d e l e c t r o n i c - c o n t r o lf u e li n j e c t i o ns y s t e m m e a n w h i l e ，s o m ec o n c l u s i o n sh a v e a l s ob e e ng o tt h r o u g ht h ea n a l y s i so nt h ei n s t a l ll o c a t i o n ，r e s p o n d i n gs p e e d a n dd i s c h a r g es e c t i o na r e ao ft h ee l e c t r o n i cc l i q u e a ss o l e n o i dv a l v et h ek e yc o m p o n e n ti nt h ee l e c t r o n i c c o n t r o ls y s t e m ，t h e e s s a yf o c u s e so nc e r t a i ns o l e n o i dv a l v ec o n s t r u c t i o na n dc h a r a c t e r i s t i c s ，a n d s e tt h em a t h e m a t i c sm o d e l w h i c hu s e dt h es i m u l i n kt oa n a l y z et h ed r i v i n g v o l t a g e ，s p r i n gt e n s i o na n dm o b i l eq u a l i t y ，a n df o u n dt h a ti t i sc o m p l i c a t e do i l t h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n tf a c t o r so ns o l e n o i dv a l v e ，o n ef a c t o rc a na c c e l e r a t e t h et u r n i n go f fr e s p o n s e ，b u tm a ys l o w e rt u r n i n go nr e s p o n s e b a s e do nt h o s e a n a l y s e s ，t h i se s s a yw i l ls u g g e s tt h er i g h tp a r a m e t e r sf o rt h eo p t i m i z e d r e s p o n s es p e e do ft h es o l e n o i dv a l v e k e y w o r d ：d i e s e le n g i n e ；f u e li n j e c t i o ns y s t e m ；s o l e n o i dv a l v e ；s i m u l a t i o n 哈爾濱工程大學 學位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：本論文的所有工作，是在導師的指導 卜，由作者本人獨立完成的。有關觀點、方法、數(shù)據(jù)和文 獻的引用已在文中指出，并與參考文獻相對應。除文中已 注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已 經(jīng)公開發(fā)表的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻的個 人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到 本聲明的法律結果由本人承相。 作者( 簽字) - 億! ：叁透 日期：年 ；月鄉(xiāng)目 ， 哈爾濱l ：樣人學碩十學位論文 第1 章緒論 1 1 引言 18 9 3 德國人r o d o l f d i e s e l 發(fā)表了“一種合理的熱力發(fā)動機的設計”一 文，l8 9 7 年第一臺柴油機在實驗臺上運轉(zhuǎn)成功，這臺柴油機缸徑2 5 0 m m ， 是用6 m p a 胍縮空氣將燃料( 當時是煤油) 噴入氣缸，高壓空氣是由柴油 機帶動的兩紱式壓縮機中產(chǎn)生的，其耗油率為3 2 6 9 k w h ，熱效率為 2 6 3 t u 。自此以后的3 0 多年中，柴油機技術一直處在摸索徘徊中，其間 丌發(fā)出來的一些柴油機由于性能不高，并沒有得到迅速的發(fā)展和廣泛的應 用。 l9 2 7 德聞人r o b e r tb o s c h 研制成功直列式噴油泵，解決了制約柴油機 發(fā)展的關鍵技術一一燃油噴射系統(tǒng)。這是柴油機發(fā)展史上的重大突破，為 柴油機的迅速發(fā)展和廣泛應用奠定了基礎。自此以后的5 0 多年中，柴油 機進入了人類生活的各個領域，推動了社會的快速發(fā)展。 進入2 0 世紀7 0 年代，能源危機和同益嚴重的環(huán)境污染對柴油機的發(fā) 展提出了新的要求，柴油機在提高功率，節(jié)約能源和改善排放方面遇到了 f | l 所未有的挑戰(zhàn)。與此同時，另一場技術革命，電子信息技術的飛速發(fā)展 為柴油機技術的發(fā)展提供了機遇。電控噴油技術根據(jù)實時轉(zhuǎn)速和實際負荷 以及溫度、進氣壓力、運行狀態(tài)等對燃油噴射進行綜合控制能夠有效的提 高燃油經(jīng)濟性和改善排放1 2 。 1 2 柴油機電控噴油技術的發(fā)展 柴油機電控噴油技術經(jīng)過3 0 多年的發(fā)展，己經(jīng)經(jīng)歷了三代變化。 1 2 1 第一代：位置控制 第一代電子控制燃油噴射系統(tǒng)中，電子控制機構取代了傳統(tǒng)的機械式 調(diào)速器和提前器。e c u 根據(jù)各種傳感器檢測出發(fā)動機的狀態(tài)及環(huán)境條件 等，計算出發(fā)動機當前狀態(tài)的最佳噴油量，發(fā)出指令，通過電磁驅(qū)動器調(diào) 節(jié)齒桿或溢油環(huán)的位置進行控制。這種電子控制系統(tǒng)一般叫作電子調(diào)速 哈爾濱工程大學碩士學位論文 器，在早期的電子調(diào)速器中，e c u 采用的是模擬電子控制回路，如圖1 1 所示【2 】。 圖1 1 模擬式電子控制調(diào)速器框圖 1 2 2 第二代：時間控制 圖1 2 電子控制泵噴嘴系統(tǒng)一一時間控制式 第二代電控噴油系統(tǒng)是在第一代位置控制式的基礎上發(fā)展起來的。采 哈爾濱工程大學碩士學位論文 用高速電磁閥對噴油量和噴油時間進行控制。其主要特征就是燃油升壓由 噴油泵或發(fā)動機的凸輪來實現(xiàn)的。升壓開始的時候( 與噴油時間對應) 以 及升壓終了時間( 從升壓開始到升壓終了的時間與噴油量相當) 是由電磁 閥的接通、斷開控制的，也就是說噴油量和噴油時間是由電磁閥直接控制 的。高速電磁閥的采用，使得對噴油控制的自由度大大提高。 第二代電控噴油系統(tǒng)的代表產(chǎn)品有：電子控制分配泵系統(tǒng)和電子控制 泵噴嘴系統(tǒng)。如圖1 2 所示 2 】。 1 2 _ 3 第三代：壓力、時間控制 第三代電控燃油系統(tǒng)又稱為共軌燃油系統(tǒng)，在第一、二代電控燃油系 統(tǒng)中，燃油壓力都是由凸輪驅(qū)動噴油泵產(chǎn)生的，燃油壓力隨發(fā)動機的轉(zhuǎn)速 及負荷變化。為了克服前兩代電控燃油系統(tǒng)中壓力不可控制的缺點，第三 代系統(tǒng)中采用了具有可以獨立控制壓力的蓄壓器一一油軌。這樣對噴油控 制就有了更大的靈活性。圖1 3 所示為共軌燃油系統(tǒng)的典型結構圖【2 j 。 圖1 3 電控共軌式燃油系統(tǒng)典型的結構圖 1 3 燃油噴射系統(tǒng)仿真計算的發(fā)展 燃油在高壓油路的流動過程中存在壓力波動的現(xiàn)象，而壓力波的存在 使得燃油系統(tǒng)的實際噴油規(guī)律與柱塞泵的幾何供油律有著很大差別。因 此燃油系統(tǒng)的仿真計算主要就是對燃油在高壓油路中流動過程的仿真計 算，而燃油系統(tǒng)仿真計算的發(fā)展則包括兩部分：一是仿真模型的改進；二 哈爾濱工程大學碩士學位論文 是針對仿真模型所用的計算方法。文獻 1 】【4 - 6 】對燃油噴射系統(tǒng)仿真計算 的發(fā)展作了較詳細的闡述。 1 3 1 仿真模型的發(fā)展 燃油系統(tǒng)仿真模型的發(fā)展也包括兩個方面：一是燃油流動控制方程的 完善：二是從整個燃油系統(tǒng)著眼，綜合考慮因素的增多。在早期的燃油系 統(tǒng)計算中，由于受到計算手段的限制，流動控制方程的形式也都較簡單， 計算精度也較低。如公式卜l 和公式1 - 2 分別是早期圖解法和小擾動法所 用的流動控制方程 1 1 1 4 。 壘：魚 ( 1 1 ) “a 隨著計算機軟硬件水平的發(fā)展以及求解偏微分方程算法理論的深入， 流動控制方程也愈加精確，公式1 3 為特征線法所用的流動控制方程1 4 】。 有學者在對流動控制方程卜3 作了詳細的考察后，從質(zhì)量守恒定律， 動量守恒定律和能量守恒定律出發(fā)推出了適用于各種噴油系統(tǒng)管道流動 的三方程模型，如公式卜4 【4 】。 塑+ 旦遜：生一旦絲一坐絲 8 t a ) c a 面ca 氆ai k , a ( p u ) + 叢旦! ：旦2 ：! ! 竺! 竺! ：! ! 絲! ! ! 竺二i 蘭! 竺竺! 二蘭生! 1 2n = o 碟睪印一髓印一(毽 卸 枷 輦拋一知劫一缸 o( p 肼一 以瓦 絲 等墜西 慨m厄一4。舭喇絲4。 2 - i 州急 諺 斗 嘣 田 絲西吐 蓋盤知 絲研 出一4一研 出一4懈一研 哈爾濱二 程火學碩十學位論文 公式卜l 至公式1 4 中：p 為密度，“為流速，口為燃油音速，f 為時 間，x 為沿管軸方向的坐標，a 為管道截面積，p 為壓力，r h 。為管道支管 流體的質(zhì)量流量，“為管道支管流體的流速，口為支管軸線與坐標x 負方 向的夾角，k 為管壁粘性阻力系數(shù)，e 為單位質(zhì)量流體的總能量，4 為單 位時間內(nèi)單位質(zhì)量流體與外界的換熱量。 在燃油流動控制方程不斷完善的同時，燃油系統(tǒng)中其他因素的綜合考 慮也不斷增多，以便使得整個模型更好的符合實際物理模型。目前綜合考 慮的因素有：( 1 ) 空泡現(xiàn)象；( 2 ) 彈性模量，燃油密度，粘度以及聲速隨 壓力的變化；( 3 ) 噴油過程中燃油的泄漏：( 4 ) 集中容積的細化處理；( 5 ) 燃油流動過程中沿程摩擦損失和變截面引起的局部損失；( 6 ) 各零件自身 的彈性變形；( 7 ) 在電控噴油系統(tǒng)中電磁模型的加入等m n “。 1 3 2 計算方法的發(fā)展 應用于燃油噴射系統(tǒng)模擬計算的方法有：圖解法、小擾動法、特征線 法、有限差分法和有限體積法。圖解法是利用表示壓力一速度復雜關系的 狀態(tài)平面圖來說明高壓油管壓力波的物理現(xiàn)象，這種方法很粗略，只能定 性的分析各種不正常噴射現(xiàn)象川。小擾動法是利用聲波傳播的理論來解決 管內(nèi)流動問題，僅適用于小振幅的擾動傳播。由于這兩種方法的精度很低， 目前基本已不再使用。 特征線法的思路來源于流體力學方程組存在特征線以及擾動以特征 速度沿特征線傳播的特點。特征線法的缺點是邊界條件處理比較困難，流 量誤差較大，尤其在特征線彎曲較大的地方。優(yōu)點是在求解特征線所用的 流動控制方程時在理論上有嚴格的體系，可考慮的綜合因素較多，并且計 算機編程容易實現(xiàn)，因此，在整個燃油系統(tǒng)模擬計算的發(fā)展過程中，特征 線法占據(jù)著絕對重要的地位，并在今后的一段時間內(nèi)還會得到一定應用。 有限差分法和有限體積法是目前應用較為廣泛的方法。而又以有限差 分法應用最為廣泛的，其基本思想是利用合適的差分格式對偏微分方程在 時間和空間域上進行離散，將偏微分方程化成與其具有相似適定性的差分 方程進行數(shù)值求解【4 】。有限體積法的基本思想是將流動控制方程所依賴的 計算區(qū)域離散化為有限個較小體積的控制容積，然后將控制方程在每個控 制容積上對時間和空間域積分并選擇適當?shù)牟罘指袷綄⑵⒎址匠剔D(zhuǎn)化 哈爾濱二 程大學碩士學位論文 為離散的守恒型的線性代數(shù)方程組進行數(shù)值求解【4 】。有限差分法和有限體 積法與特征線法相比較有計算速度快，計算精度高的優(yōu)點。有限差分法與 有限體積法在壓力波模擬精度上差不多，但是后者計算速度快，流量誤差 小，并且在計算節(jié)點的安排和邊界條件的處理上更為簡單。因此有限體積 法在燃油系統(tǒng)仿真中將會占據(jù)越來越重要的位置。 1 4 本論文主要工作 1 借鑒電控泵管閥嘴燃油噴射系統(tǒng)的特點和原理，對某型柴油機的 傳統(tǒng)機械式噴油系統(tǒng)進行電噴化改造。利用a v l 公司的液力系統(tǒng)仿真軟 件h y d s i m 建立了此型柴油機電控泵管閥嘴燃油噴射系統(tǒng)的仿真模型。通 過仿真計算，獲得了電噴化改造后燃油噴射系統(tǒng)的一些關鍵性結構參數(shù)。 并且對電磁閥在高壓油路中的安裝位置，電磁閥的響應速度以及電磁閥旁 通泄油口流通截面積對噴油特性的影響作了分析和研究。 2 針對某型電磁閥的結構和特點，建立了數(shù)學模型。并運用s i m u l i n k 軟件對其進行了仿真研究，分析了驅(qū)動電壓，回位彈簧預緊力以及運動件 質(zhì)量等對電磁閥響應特性的影響。 哈爾濱工程大學碩士學位論文 第2 章電控泵管嘴燃油系統(tǒng)仿真模型 2 1 電控泵管嘴燃油系統(tǒng)工作原理及組成 在傳統(tǒng)噴油泵中，柱塞同時承擔供油加壓和調(diào)節(jié)功能。供油與調(diào)節(jié)機 構在結構上是分不開的。但采用電磁閥溢流調(diào)節(jié)原理后，柱塞只承擔供油 加壓功能，而供油調(diào)節(jié)任務則由電磁控制閥單獨執(zhí)行，故供油與調(diào)節(jié)機構 在結構上是相互獨立的，把電磁閥溢流控制閥作為一個獨立部件移到泵 外，放置在油泵和油嘴之間的某一特定位置，如圖2 。l 所示。其優(yōu)點是傳 統(tǒng)油泵結構的簡化與強化。油泵不僅沒有因為增設電磁控制閥而復雜，而 且還因為取消傳統(tǒng)的出油閥、齒條齒桿、螺旋槽、進回油口等而簡化，這 將使高壓供油能力大大加強。該系統(tǒng)的另個重要意義在于，如果為控制 閥在噴嘴和油泵之間選擇一個最佳位置，那么傳統(tǒng)泵管嘴中的壓力波傳播 模式將被打破，噴射特性將因此而得到改善。以上述兩點為基礎，新型電 控泵管嘴產(chǎn)生了一個獨特的噴射調(diào)節(jié)機理。 1 初期噴射調(diào)節(jié) 當柱塞上升，而電磁閥仍開啟時，燃油從電磁閥口高速泄流；當電磁 閥快速關閉時，它將引起一個“油錘”壓力波，此壓力波同時朝油泵和油 嘴兩個方向傳播。當下行壓力波到達噴嘴時，如果其壓力高于啟噴壓力， 則噴嘴打開。而上行壓力波到油泵時，它與油泵供油壓力波相疊加，然后 再往噴嘴方向傳播，形成主供油壓力波。因為在首先到達噴嘴的“油錘” 壓力波與遲后到達的主供油壓力波之間，噴射能量有限，故形成了低速率 的初始噴油段。 2 噴射過程 這一階段噴射是由來自油泵供油壓力波產(chǎn)生的，完全由供油率控制。 由于新系統(tǒng)中油泵的簡化與強化，故可以通過凸輪和柱塞的設計達到理想 的高主噴油速率。 3 。噴射切斷調(diào)節(jié) 傳統(tǒng)泵噴嘴系統(tǒng)是由柱塞溢流機構與出油閥共同來調(diào)節(jié)噴射切斷過 程的。而在此系統(tǒng)中，噴射切斷過程是在電磁溢流閥的控制下完成的。當 哈爾濱工程大學碩士學位論文 電磁閥快速打開時，高壓燃油與低壓燃油直接相通，高速泄流。而且由于 電磁閥溢流位置比傳統(tǒng)柱塞溢流位置離噴嘴更近，因此，噴射被迅速終止， 實現(xiàn)所謂“高壓切斷”。應當注意的是，如果僅僅是快速切斷，燃油將會 降低到零壓以下，出現(xiàn)空穴。但電磁閥打丌所引起的減壓波傳到油泵需要 定時間。在這段滯后期，控制閥處燃油壓力雖在迅速下降，但油泵供油 過程仍在繼續(xù)。這一壓力波對高壓卸載過程起到了緩沖作用。雖然在開始 泄壓時由于電磁閥口兩邊過大的壓差使得油管壓力迅速下降，但當壓力逐 步減小時，供油壓力波的緩沖作用將愈加明顯，從而形成“先急后緩”的 理想卸載特性1 。 電控泵管嘴燃油噴射系統(tǒng)主要包括電子控制單元、噴油泵、高速電磁 閥、噴油器以及低壓油路系統(tǒng)。如圖2 1 所示。本論文只針對噴油泵、高 壓油管、高速電磁閥和噴油器組成的高壓油路系統(tǒng)進行仿真計算研究。 圖2 1 電控泵管嘴系統(tǒng)示意圖 哈爾濱 ：程人學碩十學位論文 2 2 電控泵管嘴燃油系統(tǒng)的h y d si m 模型的建立 2 2 1h y d s i m 簡介 h y d s i m 是奧地利a v l 公司開發(fā)的用于液力系統(tǒng)和液力一機械系統(tǒng)動 態(tài)分析的軟件。它是以流體動力學和多剛體振動理論為基礎，主要應用在 柴油機燃油噴射系統(tǒng)仿真計算方面。 h y d s i m 給用戶提供了友好的圖形界面，基本上為柴油機燃油系統(tǒng)中每 個特定物理元件定義了一個圖標，用戶可以通過這些圖標用各種連接構建 一個的完整的燃油噴射系統(tǒng)模型。h y d s i m 中定義的基本物理元件包括： 容積( v o l u m e ) 、邊界條件( b o u n d a r y ) 、凸輪( c a m ) 、搖臂( l e v e r ) 、 剛體( s o l i d ) 、管( l i n e ) 、泵( p u m p ) 、泄露( l e a k a g e ) 、閥( v a l v e ) 、 活塞( p i t o n ) 、節(jié)流( o r i f i c e ) 、油孔( p o e ) 、壓電晶片( p i e z o ) 、噴嘴 ( n o z z l e ) 、針閥( n e e d l e ) 以及各種連接等。 2 2 2 電控泵管嘴燃油系統(tǒng)的h y d s i m 模型 本論文對電控泵管嘴燃油系統(tǒng)中噴油泵、高壓油管、高速電磁閥和噴 油器組成的高壓油路系統(tǒng)建立了h y d s i m 模型。如圖2 2 所示。 與傳統(tǒng)的噴油泵相比，電控泵管嘴中的噴油泵取消了出油閥、齒條齒 桿、螺旋槽和進回油孔；噴油泵的驅(qū)動仍然采用傳統(tǒng)的凸輪驅(qū)動。因此抽 象成h y d s i m 模型包括凸輪、泵、體積，考慮到柱塞泵的泄漏還需要一個 泄漏單元及其邊界條件泄漏壓力。 高壓油管抽象成h y d s i m 模型就只是一個管( l i n e ) 單元。高壓油管被高 速電磁閥分隔成前后兩部分，以便更好的控制壓力波在油路內(nèi)的傳播，保 證良好的噴油特性。 高速電磁閥是柴油電控燃油噴射系統(tǒng)中非常關鍵的元件。由于僅對燃 油系統(tǒng)中的油路進行仿真，因此這里把高速電磁閥門抽象成由時間控制流 通截面積的理想元件。它包括時間控制閥( s w i t c h v a l v e ) 、容積( v o l u m e ) 、 泄露( l e a k a g e ) 以及為了能使在噴油開始前油路內(nèi)建立一定的油壓還需 要一節(jié)流單元( o r i f i c e ) 來起節(jié)流作用。 噴油器抽象成h y d s i m 模型包括噴嘴( n o z z l e ) 、針閥( n e e d l e ) 、泄露 ( l e a k a g e ) 、容積( v o l u m e ) ，噴嘴內(nèi)的油道抽象成管單元( l i n e ) ，以及 缸內(nèi)及針閥的邊界條件。 圖2 2 電控泵管嘴燃油系統(tǒng)h y d s i m 模型 1 0 嗡a ；漩l 袖1 人。i 碩 j 學能論文 2 2 3h y d s i m 模型中各主要單元的選擇 1 油管單元的選擇 在整個燃油系統(tǒng)數(shù)值計算的發(fā)展過程中，對油管內(nèi)流動控制方程的選 擇直是關鍵問題，也是決定整個系統(tǒng)計算精度和計算量大小的關鍵因 素。從最初的定音速定彈性模量的簡單控制方程到現(xiàn)在的有限差分法、有 限體積法，控制方程的復雜程度是隨著人們對流體在高壓下流動本質(zhì)規(guī)律 的認以的不斷提高和汁算機處理能力的不斷提高而提高的，同時模擬計算 的精度也此捩甜了，較人改善。在- - 定程度上，油管內(nèi)控制方程的精確程 度年u 復雜程f 復就足燃油噴劓系統(tǒng)數(shù)值計算水平的精確程度和復雜程度。因 此，對于這個關系到計算水平高低的關鍵性因素必須給予足夠的重視“。 在h y d s i m 中，管單元包括五個模型，分別是達郎伯特管( d a l e m b e r t l i n e ) 、特征線管( c h a r a c t e r i s t i c sl i n e ) 、古德諾夫管( g o d u n o vl i n e ) 、麥 克馬克管( m a c c o r m a c kl i n e ) 。其控制方程的復雜程度由低到高，求解時 | _ 日j 由短到長，但是精度也逐漸增高。其中麥克馬克管是用來計算氣相一液 相混合體的兩相流的管模型。在此處的仿真計算中，共有兩處需要用到管 模型，處是被高速電磁閥分成前后兩段的高壓油管，另一處是噴油器內(nèi) 油道抽象成的油管。這兩處管模型在f 常工作情況下都是單一的液相，因 t l - ：1 i 需要采川寵兜馬兜管模型。考慮到計算精度的問題并綜合求解時問的 凼素后決定選定占德諾夫管模型。占德諾夫管的訓算方法是采用的有限體 積法，這是計算精度最好對實際情況模擬最真實的一個管模型，同時求解 時問也在可接受的范圍內(nèi)。 2 邊界條件的選擇 h y d s i m 中t 仃四種邊界條件可供選擇，包括壓力、流量、機械以及機械 液力混合邊界條件。本模型中共有三處用到邊界條件，分別是噴油泵端的 柱塞泄漏邊界壓力、高速電磁閥的回油壓力以及在噴嘴端用一個機械液力 混合邊界條件對噴嘴泄漏壓力和針閥預緊彈簧進行定義。 3 容積單元的選擇 h y d s i m 中自標準容積( s t a n d a r dv o l u m e ) 、彈性容積( c o m p l i a n t v o l u m e ) 和兩相容積( t w o - p h a s ev o l u m e ) 這三個單元。標準容積與彈性 容積的區(qū)別在于前者是剛性壁，腔容積大小不會受腔體內(nèi)壓力而膨脹，后 哈爾濱t ：程大學碩士學位論文 者是彈性壁，腔容積會受腔內(nèi)壓力影響：兩相容積單元主要用于氣液兩相 混合物的計算。在本模型中容積單元用于抽象柱塞腔、電磁閥容腔以及噴 嘴內(nèi)容腔，它們的內(nèi)壁剛性大，同時一般都是液體，不會出現(xiàn)氣液兩相混 合的情況，因此模型中的容積單元都選用標準容積。 4 其他單元的選擇 油管、容積、邊界條件這些關鍵因素確定之后，其他單元根據(jù)實際物 理元件的具體結構就相對比較容易確定了。 凸輪，選擇c a mp r o f i l e 單元。 柱塞，選擇p l u n g e r 單元。 泄露，就一個a n n u l a rg a p 單元可供選擇。 電磁閥，選擇s w i t c hv a l v e 單元。 溢流孔，選擇o r i f i c e 下的s t a n d a r d 單元。 針閥，為單一彈簧支撐結構，因此選擇n e e d l e 下s t a n d a r d ( o b s o l e t e ) 單元。 噴嘴，根據(jù)結構特點，采用帶有壓力室的噴嘴，選用n o z z l e 下s a c ( e x t e n d e dm o d e l ) 單元，與b a s i c 單元的區(qū)別在于計算時考慮到氣穴情況 的發(fā)生。 如圖2 2 所示，整個模型包括2 1 個h y d s i m 基本模塊單元，各基本單 元之間依次用流體連接方式( 圖中藍色箭頭線) ；凸輪與柱塞、針閥與邊 界條件之間用機械連接方式( 紅色箭頭線) ；泄露單元用特殊連接方式( 綠 色連接線) 與實際產(chǎn)生泄露的元件相連接；針閥與噴嘴在實際物理結構中 是一體的，而h y d s i m 中把這一結構拆分成兩個獨立單元以方便建模，因 此為了表達這種關系兩者之間用特殊連接方式相連。至此整個模型搭建完 成。 2 3 模型中主要單元基本數(shù)學方程 2 3 1 凸輪單元基本數(shù)學方程 v o 川 一 j昂 l lli x x j-1 o h 一 、i，i 一 卜 _ + 、l x x ，fi 己m 、，巧 一 哈爾濱工程大學碩士學位論文 k ( y7 一) + ( y - y ，) = 氐。峨 i = 1 ，= 】i = 1 vn vh ，w 一叫) 十釓，( w - - ) = 五，峨 式中：x 、y 凸輪基圓圓心坐標； w 凸輪旋轉(zhuǎn)角度； f 、，分別為標輸入端和輸出端； c 、k 分別為阻尼系數(shù)和剛度系數(shù)； n 、z 分別為輸入輸出連接單元的個數(shù)； c 、為預緊力和預加的扭矩： f ，凸輪正應力y 方向的分力： 只= o 。s i n ( p - 4 - 盧) = e t a n ( p + a , a ) 毛正應力作用在凸輪上產(chǎn)生的扭矩： f = e n 刪一冊= 磊南r 刪+ 一t ) s i n 圖2 3 凸輪幾何圖形 哈爾濱工程大學碩士學位論文 圖2 4 凸輪振動與扭轉(zhuǎn)變形示意圖 2 3 2 柱塞單元基本數(shù)學方程 其運動控制方程為 圖2 5 柱塞機械模型 4 哈爾濱工程大學碩士學位論文 ” ，懈”+ x + x + c ， 一_ ) 一y j c ，( 一一弓) + t 一一) 一 i = 1 ，= 1 j = l ，n， ， 一弓) = 一塌+ 戊，一，一一。一瓦。 j = l i = 1 j - 1 巧。= ( p 。，一p 。一。) _ ，。 式中：m 柱塞質(zhì)量； x 坐標； f 、j 分別為輸入輸出端連接單元； c 、女阻尼系數(shù)和剛度系數(shù)； c o 、柱塞彈簧的阻尼系數(shù)和剛度； n 、卜一輸入輸出連接單元的個數(shù)； e 預緊力； e 。液壓力； f _ 。一一庫倫摩擦力： 瓦。，泄露造成的粘滯摩擦力； 、p 。輸入輸出端壓力； 凸輪腔壓力； d 咖柱塞直徑。 2 3 3 容積單元基本數(shù)學方程 j u lj 幽迸?！?v o n 口 i l i 廠 圇。一 圖2 6 容積單元示意圖 加) = 志 薯糾嘻盼套印圭i = 1 刪 礦( x ) = v o 一芝a i x , + 藝4 z ， 式中：p ( f ) 容積壓力對時間的微分； 礦( z ) 真實容積； z 坐標； e 一一體積彈性模量： q 一一流量； i 、j 輸入端和輸出端； 行、卜一輸入端和輸出端的個數(shù)： a 橫截面積。 2 3 4 泄漏單元基本數(shù)學方程 圖2 7 蚧彤消捅不總圖 q 2 三警 丟( 霹一只一( r + r v ) ( 霹群) + 互1r q ( 群一枷 毗1 ) 雖簧- r p ( 棚帆( 秈，2 ) 接觸副上的黏性力計算公式： 一鈕彤( p , , - p o ”1 ) ( r p - + 2 掣去，) 哈爾濱工程大學碩士學位論文 瓦一一，2 萬咒( 一兒w ) 一r ，) + 2 掣i 專- - l 。p ) 式中： r b 、r 為活塞套內(nèi)徑和活塞直徑； 、v 。為活塞套和活塞速度： 、只。為活塞頭部和尾部壓力； “動力粘度； k 泄露環(huán)長度。 2 3 5 油管單元基本數(shù)學方程 m t a 。蘭 0 生 口 i ! ! 0 連續(xù)性方程 動量守恒方程 圖2 8 管單元幾何圖形 一+ ( p v ) ，= 0 p v , + p w x + p ，= r 式中：x 流體流動方向 v 速度； p 壓力； p 一一密度： 月摩擦力。 2 3 6 溢流子l 單元基本數(shù)學方程 善 薯 譬 案 蓍 正向流動 反向流動 q = 9 _ = - 圖2 9 孔幾何圖形 焉乒五 艫隆一蠆1 2 l 茗一蠆j 2 薏 i 一+ i 2 芎一巧 矗歷j 刪警一匆 石* = 警 a f 8 一i57“v茸#e量口 哈爾濱工程大學碩士學位論文 。一塵立坐一上 “礁。爿三， 式中： q 為體積流量； p 一一為壓力； f 一一為阻力系數(shù)； 下標+ 、一表示正方向和反方向； 下標i n 、o u t 表示入口和出口； 小標t h r 一一表示節(jié)流孔喉處。 2 - 3 7 針閥單元基本數(shù)學方程 圖2 1 0 單彈簧針閥 動量守恒方程： n1月 m x ”+ q ( x 一) + c 肛一x ：) + 鼻( x 一一) 一，( x - - x ，) = i = l j = l i = i l = l nl 矗，一r ，+ 一。一一。一。一瓦，一只。一只， ，= 1，= 1 f 叫。= f m ? h + f “p f 。m = p 。o a 。m a 。、= 去p ? ，q j m d ：。、) f ，= 每p 。d j 。 式中：m 一一為針閥質(zhì)量； x 一一位移； c 、k 組尼系數(shù)和剛度系數(shù)； i 、j 分別表示針閥頭部和尾部； e 。、e 。針閥頭部液壓力、針閥尾部液壓力： 。摩擦力； 、盛油漕內(nèi)壓力和蓄壓腔內(nèi)壓力； 如。、屯，針閥導套直徑和針閥底座直徑： r ，、昂，針閥頭部和尾部機械連接的預緊力； 。針閥關閉時擠壓流體產(chǎn)生的阻尼力： k 、針閥座和上部擋塊作用力。 2 3 8 噴嘴單元基本數(shù)學方程 n o z z l e m o d e l n o z z l e c o n f i g u r a 舯z 矗c v d h ，l n c 5 p 馮7 ( c 蚵b u 醯。吣 c h a m b e r 圖2 1 1s a c 噴嘴流體流動模型 根據(jù)伯努力方程，噴嘴流量： 垂2 s f g 行( p m p m “) f i ：j _ = 圭：互j 吾f p 。，一只。， 薏+ 薏+ 茇 爿。，= 去石葺ms i n 曼詈i ( z 。+ 丸。 - 州1 ： 毛島。、毛。一一為閥座、n 賁o l 八口處和噴孔的流動阻力系數(shù)： 、。闡脅處戢小流通截肼積： 一釗闌升程； 口一一針閥座面央角； d 。、d 。，一一噴孔處的座面直徑和針閥密封底徑。 2 4 本章小結 本章分析了電控泵管嘴燃油噴射系統(tǒng)的原理及組成，運用h y d s i m 軟 件建立了仿真模型，并闡述了在建模過程中各h y d s i m 模塊單元是如何選 擇的。 哈爾濱i 。群人學碩十學位論文 第3 章高速電磁閥仿真研究 隨著柴油機電子控制技術的不斷發(fā)展，高速電磁閥已經(jīng)成為其不可或 缺的關鍵之。無論足i 乜挖泵噴嘴，茚體泵，分配泵還是目前研究最熱門 的共軌式噴油系統(tǒng)都離4 i 丌高速電磁閥。高速電磁閥承擔著精確控制噴 油的任務，因此它必須具有快速的響應特性，這也是電磁閥技術的關鍵和 研發(fā)的難點。同時隨著噴油壓力的不斷提高，對電磁閥的驅(qū)動力和密封性 提出了更高的要求。電磁閥工作環(huán)境惡劣，丌啟閉合的頻率高，這就要求 i _ 乜磁閥具有很好的可靠h ：。 在早期的l 乜控噴油系統(tǒng)中大多采用比例電磁鐵作為執(zhí)行器，這種執(zhí)行 具有功耗大，響應慢，尺寸大的缺點。因此隨著第二，第三代電控噴油系 統(tǒng)的出現(xiàn)，這種執(zhí)行器已經(jīng)不能適應現(xiàn)代噴油系統(tǒng)對低功耗，快響應，小 j 0 、j 的要求。吲外各大公司根掘自身噴油系統(tǒng)的特點和要求都己丌發(fā)處各 褂1 州蟲i u 墩州。1 1 塒郇引女【作位胃數(shù)及通路數(shù)可以分為二位二通，二位三 通以及還有三位四通，其中以二位二通的電磁閥應用最廣。按閥j 吝結構來 分又可分為滑閥式，球閥式以及錐閥式等，而其中又以錐閥式應用最廣。 滑閥式閥芯結構容易獲得液壓平衡和液壓力的補償，可以在較大壓力和流 量下工作。但是其行程大，響應慢，密封性也不夠理想。球閥式閥芯結構 的優(yōu)點是行程短，h 向應快，密封性好，但由于作用在鋼球上的壓力不平衡， 電磁鐵直接承受壓力，因此只能做成小通徑閥或先通閥“。如美國b k m 公司的s e r v o j e t 蓄壓式共軌噴油系統(tǒng)中，采用的是螺管式電磁鐵控制的二 位三通高速電磁丌關球閥柬控制噴油過程。錐閥式閥芯結構的電磁閥既可 以克服滑閥r i 作行程大，密封性不夠好的缺點又可以克服球閥壓力不平衡 的缺點，它小易做成= 二通或p u 通閥，一般作為二位二通閥用。但也有做成 三通閥使用的，如美國c a t 公司丌發(fā)的中壓共軌液力增壓式電控噴油系 統(tǒng)中使用的的電磁閥就是- 位三通常閉式錐閥型結構；同本電裝公司開發(fā) 的高壓共軌e c d - u 2 的早期產(chǎn)品中使用的也是二位三通常丌式錐閥型結 構。日 j 1 罔外電磁閥研發(fā)1 f 朝著更高的技術方向，很多公司f 在研制壓電 捌糊電磁閥，這種電磁閥尺寸更小，響應速度更快。德國s i e m e n s 公司用 壓電材料做的常閉錐型電磁閥工作壓力達1 6 0 m p a ，響應時間僅為0 3 m s 。 ：墮璽堡三堡盔堂亟主堂焦堡塞 國內(nèi)電磁閥的技術水平與國外有很大差距，目前國內(nèi)各大高校和科研 院所都進行了大量研究，并已經(jīng)做出一些產(chǎn)品。如武漢理工大學丌發(fā)的應 用在中壓共軌液力增壓式電控噴油系統(tǒng)中的電磁閥，開啟延時0 7 r m s ， 關閉延時為1 t o m s 。清華大學為電控泵管嘴系統(tǒng)研制的電磁閥開啟延時 僅為0 5 6 m s ，關閉延時為i m s ，并且尺寸較小。 3 1 電磁閥結構與原理 蝌嫩彈 入 圖3 1 電磁閻結構不意圖 圖3 1 為一種二位三通電磁閥的結構示意圖，該電磁閥由電磁鐵，回 位彈簧，銜鐵，閥芯，閥體等構成。電磁閥初始位置是常開的，高壓燃油 從入口進入電磁閥，從出口和旁通泄油口流出，由于泄油口是打開的，因 此電磁閥出口不能建立起很高的油壓。噴油時刻到來后，驅(qū)動電路給螺線 圈電磁鐵施加一驅(qū)動電流，電磁鐵產(chǎn)生電磁力克服回位彈簧的阻力，錐形 閥芯向上運動關閉泄油口，此時高壓燃油完全從出口進入噴油器開始噴 油：噴油結束時，驅(qū)動電路切斷給螺線圈的電流，電磁力消失，閥芯在回 位彈簧的作用下，向下運動泄油口又重新打開，高壓燃油從泄油口流出， 噴油結束。 3 2 電磁閥數(shù)學模型 電磁閥的工作過程是一個典型的電生磁，磁生力，力又產(chǎn)生運動的過 程，因此電磁閥數(shù)學模型主要包括電路方程，磁路方程和運動方程。 哈爾濱工程大學碩士學位論文 3 2 1 電路方程 電磁閥的驅(qū)動一般都是先施加一很高的電壓而后再施加一較低的維 持電壓，這樣做的好處是開始時的高電壓可以加速電磁閥閥芯關閉泄油口 的響應速度，而后較低的維持電壓既可以降低功耗又可以使電流在切斷后 加速螺線圈內(nèi)電感的衰弱，提高重新開啟泄油口的響應速度。 給螺線圈施加的電壓u 應等于線圈電阻r 分擔的電壓與磁路中磁鏈 渺變化產(chǎn)生的感應電壓之和，即： u ：氓+ 皇竺：f r + 旦生( 3 1 ) d td t 式中：u 驅(qū)動電壓； f _ 線圈中的電流； r 線圈電阻； v 磁路中的磁鏈； 西磁通量； 線圈扎數(shù)。 3 2 2 磁路方程 由基爾霍夫磁壓定律： i n = 心廬 ( 3 2 ) 式中的如為磁路中的總磁阻，主要包括電磁鐵鐵芯磁阻q 和電磁鐵 與銜鐵之間空氣間隙的磁阻r 。 j _ = ( 彤訓一_ ( 去+ 去弘 又= b s b = 協(xié) 氣隙長度： = f 。一z 毗 l _ = h 1 ，+ 寄 式中： o 乇、f m 。鐵芯長度，氣隙長度和氣隙最大長度 ( 3 3 ) ( 3 4 ) 哈爾濱工程大學碩士學位論文 s ，、e 鐵芯和氣隙截面積； x 閥芯行程； 日一一磁場強度； b 磁感應強度； 、“一一真空磁導率和鐵芯材料的磁導率。 3 2 3 電磁閥運動方程 電磁閥閥芯在在實際工作過程中受力有電磁力c ，回位彈簧作用力 只，摩擦力f ，液壓力以及與上下止點接觸時產(chǎn)生的阻力f p 、。，這 里僅對電磁閥干閥進行仿真研究，因此不考慮液壓力。 根據(jù)麥克斯韋電磁力公式： f ：坐：上二( 3 5 ) o 2 2 o 只 由胡克定理，回位彈簧作用力： 只= k ( x o + x ) ( 3 - 6 ) 式中：k ?；匚粡椈蓜偠?； 回位彈簧預緊量； x 閥芯行程。 摩擦力： ，= c 等 ( 3 - 7 ) 式中：c 運動阻尼。 上下止點的阻力： = k u p ( x - x m a ，) + 面d x ( 3 - 8 ) 瓦。= 瓦。x + 。面d x ( 3 - 9 ) 式中： k 、屯。上下止點限位器的剛度；x 0 時 k d 。n = 0 。 巳、。上下止點限位器的阻尼系數(shù)。x 0 時。= 0 。 哈爾濱工程大學碩士學位論文 根據(jù)動量守恒定律，閥芯運動方程為： 聊孑d 2 x = 吒一只一廠一一屹。 ( 3 1 0 ) 式中：m 閥芯運動件質(zhì)量。 3 2 4 電磁鐵鐵芯磁化曲線 f o 0 1 1 h 3 一o 1 6 3 i h 2 + o 0 8 5 1 5 h0 h 6 b = 曰( h ) = - o 0 0 0 4 h 2 + o 0 2 0 4 h + 1 5 3 1 1 6 h 2 5( 3 一1 1 ) i1 8h 2 5 圖3 2 純鐵( d t 2 、d t 3 、d t 4 ) 等磁質(zhì)磁化曲線 3 3 電磁閥模型s im uiin k 實現(xiàn) s i m u l i n k 是m a t l a b 提供的一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分 2 6 哈爾濱工程大學碩士學位論文 析的工具包，它支持線性和非線性，能夠在連續(xù)時間域、離散時間域或者 兩者的混合時間域里進行建模1 。s i m u l i n k 為用戶省去了許多重復代碼的 編寫工作，讓用戶把精力從編程轉(zhuǎn)向模型的構造。 根據(jù)3 2 小節(jié)中電磁閥數(shù)學方程，為使比較清晰和結構化，在s i m u l i n k 建模時分成三個子模塊：磁場強度日子模塊，電磁作用力疋子模塊和閥 芯運動阻力置子模塊。 3 3 1 磁場強度子模塊 由公式3 - 1 和公式3 - 4 可得 n u 一 v z 塑， 丑一! m * 二。 抒： 墨1 2 羔： f ， 該方程中有三未知量需要輸入：驅(qū)動電壓u ；磁通量礦；閥芯位移工， 這是在電磁作用力子模塊中求得的。磁場強度h 是需要求解的輸出量。 其他都是已知的電磁閥結構參量。 圈3 3 磁場強度h 子模塊 3 3 2 電磁作用力子模塊 由公式3 - 3 ，公式3 - 1 1 及公式3 - 4 可得： = b s 。= 口( 日) s o 2 7 哈爾濱工程大學碩士學位論文 只= 去 圖3 ，4 電磁作用力巴子模塊 3 3 - 3 閥芯運動阻力子模塊 閥芯運動時主要阻力有摩擦力和運動到上下止點受到的阻尼，由公式 3 6 、公式3 7 及公式3 - 8 得： c = ，+ + = c 魯+ 一_ 一+ 魯+ 如一+ 。等 囂 f h 目 田制 8 群籀 一口竺 一 。器剛 圖35 閥芯運動阻力f _ 子模塊 哈爾濱工程大學碩士學位論文 3 3 4 仿真結果 綜合以上三個子模塊以及公式3 - 7 和公式3 一1 0 ，得電磁閥動態(tài)仿真 s i m u l i n k 模型，如圖3 6 所示。 圖3 6 電磁閥動態(tài)仿真模型 模型構建完成以后，輸入電磁閥結構參數(shù)，驅(qū)動電壓峰值為i i o v ，持 續(xù)時間為0 9 m s 一2 2 m s ，維持電壓2 4 v ，持續(xù)時間為2 2 m s l o m s 。仿真 結果如圖3 7 。從圖中可以看出電磁驅(qū)動力達到了1 8 2 6 4 n 。驅(qū)動電壓施 加時刻為0 9 m s ，電磁閥完全關閉時刻為2 3 4 m s ，延遲1 4 4 m s ：驅(qū)動電 壓在l o m s 時刻關閉，電磁閥重新完全打開時刻為1 1 9 6 m s ，延遲1 9 6 m s 。 從位移曲線上看在完全關閉和重新開啟的的時刻閥芯運動有點抖動