新型电控柴油喷射系统的开发与性能研究

论文摘要

柴油机电控化是现代柴油机发展的必然趋势。而电控喷射系统作为现代柴油机的中枢调节装置,已成为行业内竞相开发的核心课题。因此,开发具有自主知识产权且符合国情的电控高压喷射系统对提高我国柴油机的自主开发能力和市场竞争能力,保证柴油机产业持续、稳定、健康发展,具有重要的意义。本文结合成都威特电喷有限公司的“威泵”产品开发过程进行了新型电控柴油喷射系统的性能研究。采用实验分析和AMESim软件数值模拟相结合的方法,针对喷射压力、循环喷油量、喷油规律等高压喷射特性和高低压系统的压力、温度、循环喷油量耦合特性进行了深入研究,进而进行燃油喷射系统的改进方案优化,并且成功匹配发动机达到国Ⅲ排放法规要求。论文主要进行了以下几个方面的研究工作。首先,进行了决定燃油喷射系统能否成功匹配发动机的高压喷射特性研究。在通过实验研究得到了喷射压力map、喷射温度map和循环喷油量map的基础上,对显著影响喷射特性的喷射压力、循环喷油量、喷油持续期和供油系数的5大燃油系统参数的响应、以及与各种喷射特性的相关性进行了分析。研究表明燃油喷射系统是一个多参数相互作用的高度复杂的非线性系统。系统的高度复杂性导致了产品开发初期循环喷油量波动的发生。将导致循环喷油量波动的原因划分为三种形式:1)使用寿命周期内系统性能参数变化引起的循环喷油量变化;2)大批量生产中由于制造精度产生的个体之间的循环喷油量不一致;3)由于复杂的液力系统作用引起的燃油喷射系统的单缸循环喷油量波动和不同缸循环喷油量波动。利用实验设计中相关性分析方法和蒙特卡罗方法对前两种原因中影响循环喷油量波动的关键参数的量化指标进行了分析,为该系统性能的稳定和标定map的一致性提供了保障。其次,考虑到燃油喷射系统是高低压耦合的整体系统,分析了低压系统参数对喷射特性的影响,并进行了高低压耦合动态喷射特性的研究。为设计出高压喷射特性对低压系统敏感性低的系统,进而解决第三种循环喷油量波动提供了指导依据。实验揭示了高低压系统压力、温度和循环喷油量各种特性耦合现象以及强耦合引起的不正常喷射现象。为了消除这种不正常现象,提出采用加阻尼出油阀和改进低压供油压力的解耦方法,并且通过AMESim仿真模型优化了阻尼出油阀结构参数和低压系统参数,降低了高压喷射系统对低压系统的敏感性,解决了第三种循环喷油量波动问题。对低压系统进行变参数的研究表明:回油阀工作压力对吸油充分程度影响比输油泵流量敏感,并且不同低压油路对压力波动衰减、相邻缸喷射特性影响也不同。另外,为了深入分析系统特性,利用现代控制理论进行了燃油喷射系统的线性分析。系统矩阵特征值的分析表明:燃油喷射系统是一个多输入、多输出、非线性,时变、不稳定的系统;系统高压部分模态分析表明:高压喷射过程中大幅值模态出现在燃油系统泵体腔内和高压油管内,喷油器部分的模态小,满足理想喷射规律的要求。系统低压部分模态分析显示:模态的特征频率都在1000Hz以上,对低压系统各缸吸油位置的压力波动影响小,通过高低压系统解耦后的燃油喷射系统低压部分的共振频率模态对高压喷射特性没有影响。最后,为了验证所开发的燃油喷射系统的可行性,将解耦优化后的系统进行了发动机匹配标定。国Ⅲ十三点工况排放测试结果为:NOx为4.8g/kW·h,PM为0.08g/kW·h,满足了国Ⅲ排放法规要求。为了进一步降低高低压系统强耦合特性,针对低压系统的吸油油路特点,提出了新型低压吸油油路结构,并在AMESim环境中建立模型,证明了其方案的可行性。为了实现理想的喷油规律,提出了实现靴形喷油规律的新型控制电流和双柱塞系统两种方案,通过数值模拟证明了其实现靴形喷油规律的可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 引言
• 1.1 柴油机电控喷油系统的发展概况
• 1.1.1 位置控制式电控喷油系统
• 1.1.2 时间控制的脉动式电控喷油系统
• 1.1.3 压力时间控制的共轨式电控喷油系统
• 1.2 研究柴油机电控喷油系统性能的意义及目标
• 1.2.1 新型电控柴油机喷油系统的应用前景
• 1.2.2 新型电控柴油机喷油系统的喷射特性及研究目标
• 1.3 柴油机喷油系统模拟计算的发展概况
• 1.3.1 柴油机喷油系统计算模型的发展
• 1.3.2 柴油机喷油系统数值算法的发展
• 1.4 本论文工作的内容
• 2 新型电控柴油喷射系统的组成及研究方法
• 2.1 系统组成与工作原理
• 2.1.1 机械液力部分
• 2.1.2 电子控制部分
• 2.2 实验装置与仿真模型的建立
• 2.2.1 实验装置
• 2.2.2 仿真模型
• 2.2.3 AMESim数值模型的验证和标定
• 2.3 本章小结
• 3 新型电控柴油喷射系统的高压喷射特性研究
• 3.1 高压喷射特性实验研究
• 3.1.1 喷油定时特性
• 3.1.2 喷油压力特性
• 3.1.3 喷射温度特性
• 3.1.4 循环喷油量特性
• 3.1.5 生产一致性及寿命周期内性能稳定性
• 3.2 喷射系统特性参数分析
• 3.2.1 喷射特性的响应
• 3.2.2 喷射特性的相关性
• 3.3 循环喷油量波动量化分析
• 3.3.1 寿命周期内循环喷油量波动
• 3.3.2 制造精度引起的循环喷油量波动
• 3.4 高压燃油喷射系统的线性分析
• 3.4.1 稳定性
• 3.4.2 模态
• 3.5 本章小结
• 4 高低压耦合动态喷射特性的研究
• 4.1 高低压耦合实验研究
• 4.1.1 低压压力动态特性
• 4.1.2 低压燃油温度动态特性
• 4.1.3 循环喷油量特性
• 4.2 高低压系统的解耦分析
• 4.2.1 高低压系统强耦合引起的问题
• 4.2.2 高低压系统的解耦方法
• 4.2.3 解耦方法验证
• 4.3 低压油路的参数研究
• 4.3.1 输油泵流量的影响
• 4.3.2 回油阀参数的影响
• 4.3.3 低压油路结构的影响
• 4.4 高低压耦合系统的线性分析
• 4.4.1 稳定性
• 4.4.2 模态
• 4.5 本章小结
• 5 发动机系统标定与新型电控柴油喷射系统改进方案提出
• 5.1 发动机系统匹配标定
• 5.2 新型电控柴油喷射系统的改进方案提出
• 5.2.1 低压吸油油路的改进方案
• 5.2.2 喷油规律的改进方案
• 5.3 本章小结
• 总结
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文及申请专利情况
• 致谢