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1、第 29 卷 第 5 期2005 年 10 月武 汉 理 工 大 学 学 报 (交 通 科 学与 工 程 版 )Jou rnal of W uhan U n iversity of T echno logy(T ran spo rtation Science & Engineering)V o l. 29 N o. 5O ct. 2005电 控 喷 油 器 工 作 过 程 分 析 3收 稿 日 期 : 2005 06 16张 静 秋 : 男 , 25 岁 , 硕 士 , 主 要 研 究 领 域 为 动 力 机 械 建 模 仿 真 与 优 化3 国 防 “ 十 五 ” 预 研 项 目 资 助 (
2、批 准 号 : 401010401)张 静 秋 1) 李 育 学 1) 吴 庭 翱 2)(海 军 工 程 大 学 船 舶 与 动 力 学 院 1) 武 汉 430033)(海 军 驻 温 州 地 区 军 事 代 表 室 2) 温 州 310000)摘 要 : 分 析 了 电 控 喷 油 器 的 工 作 原 理 , 确 定 了 喷 油 器 的 物 理 模 型 、 数 学 模 型 及 边 界 条 件 , 提 出 了 一个 影 响 仿 真 精 度 的 关 键 参 数 流 量 系 数 的 计 算 方 法 , 建 立 了 喷 油 器 的 sim ulink 仿 真 模 块 并 进 行了 仿 真 . 通
3、过 仿 真 发 现 了 喷 油 器 结 构 尺 寸 参 数 对 其 动 态 响 应 的 影 响 关 系 , 确 定 了 影 响 喷 油 器 动 态响 应 的 关 键 参 数 , 即 控 制 室 进 出 油 量 孔 直 径 . 建 立 了 高 压 共 轨 电 控 喷 油 器 液 力 响 应 特 性 测 试 试 验台 , 验 证 了 仿 真 结 果 的 正 确 性 .关 键 词 : 共 轨 ; 喷 油 器 ; 流 量 系 数中 图 法 分 类 号 : T K42在 高 压 共 轨 系 统 中 , 电 控 喷 油 器 是 一 个 十 分重 要 的 部 件 , 它 可 以 精 确 地 计 量 燃 油
4、并 形 成 喷 雾 .其 流 量 特 性 对 内 燃 机 与 电 控 系 统 的 匹 配 有 很 大 影响 , 因 此 , 研 究 其 工 作 过 程 具 有 重 要 实 用 意 义 . 电控 喷 油 器 在 工 作 时 , 其 中 的 燃 油 流 动 和 电 路 、 磁 路都 达 不 到 稳 定 工 作 状 态 , 几 乎 都 工 作 在 过 渡 过 程中 , 这 一 特 点 决 定 了 电 控 喷 油 过 程 建 模 的 复 杂 性及 存 在 众 多 的 影 响 仿 真 精 度 的 因 素 . 文 中 根 据 流体 动 力 学 的 基 本 原 理 , 抓 住 影 响 仿 真 精 度 的 关
5、 键因 素 流 量 系 数 , 建 立 了 基 于 sim u link m atlab的 电 控 喷 油 器 喷 射 过 程 的 仿 真 模 型 , 并 进 行 了 试验 验 证 .1 电 控 喷 油 器 的 工 作 原 理电 控 喷 油 器 在 工 作 过 程 中 是 由 电 磁 铁 实 现 针阀 的 开 启 与 关 闭 的 . 通 过 控 制 腔 将 电 磁 阀 与 针 阀连 接 起 来 , 利 用 控 制 腔 内 燃 油 的 液 力 性 能 完 成 以较 小 的 功 率 来 实 现 较 高 燃 油 压 力 下 的 高 速 响 应 控制 功 能 . 其 工 作 原 理 如 图 1 所 示
6、 . 当 电 磁 阀 未 激 励时 , 由 于 阀 内 弹 簧 的 作 用 , 平 面 阀 使 出 油 节 流 孔 B关 闭 ; 此 时 , 喷 油 器 体 中 的 控 制 腔 、 针 阀 腔 的 压 力等 于 共 轨 压 力 . 由 于 控 制 腔 内 控 制 活 塞 上 的 作 用面 积 大 于 针 阀 腔 内 针 阀 下 面 的 作 用 面 积 , 这 样 , 作用 于 控 制 活 塞 上 面 的 压 力 可 以 使 针 阀 关 闭 , 喷 油器 处 于 不 喷 油 状 态 . 当 ECU 给 电 磁 阀 激 励 时 , 由于 电 磁 铁 的 吸 力 作 用 , 衔 铁 向 上 运 动
7、, 平 面 阀 在 液力 作 用 下 离 开 阀 座 , 出 油 孔 B 开 启 泄 油 , 控 制 腔 压力 下 降 , 这 时 作 用 于 针 阀 下 面 的 液 压 力 使 针 阀 顶起 , 喷 油 嘴 打 开 , 开 始 喷 油 .图 1 喷 油 器 工 作 原 理 及 仿 真 模 型2 仿 真 建 模2. 1 数 学 模 型根 据 喷 油 器 各 部 件 的 液 力 特 性 , 将 其 分 为 容器 类 、 压 力 驱 动 阀 类 、 流 道 类 、 短 管 类 、 薄 片 流 类 .按 相 互 之 间 的 关 系 及 相 应 的 边 界 条 件 , 通 过 液 力 ,机 械 等 方
8、 式 连 结 , 形 成 模 型 .在 模 拟 计 算 中 , 作 如 下 假 设 : (1) 在 喷 油 过 程中 , 燃 油 的 温 度 保 持 不 变 ; (2) 不 考 虑 各 部 件 的 弹性 变 形 ; (3) 假 设 喷 油 器 在 工 作 过 程 中 共 轨 压 力 ,气 缸 压 力 恒 定 ; (4) 仅 考 虑 控 制 活 塞 偶 件 及 针 阀偶 件 的 泄 漏 . 具 体 的 数 学 模 型 见 参 考 文 献 1 .各 节 流 孔 流 量 系 数 的 确 定 直 接 影 响 到 仿 真 计算 的 准 确 性 . 而 流 量 系 数 受 节 流 孔 尺 寸 结 构 及
9、流速 的 影 响 较 大 . 流 量 系 数 按 厚 壁 孔 口 确 定 如 下 .C d = 1 1 + N式 中 : N为 孔 口 的 总 阻 力 系 数 . N= N1 + N2 + Ne式 中 : N1 为 入 口 阻 力 系 数 ; N2 为 突 然 扩 大 阻 力 系数 ; Ne 为 沿 程 阻 力 系 数 .N1 = N (v c v ) 2 = N (A A c) 2N2 = (A A c - 1) 2Ne = Kl 2d其 中 : v c 为 孔 中 流 束 收 缩 断 面 处 流 速 ; v 为 孔 中 流束 收 缩 前 的 流 速 ; A 为 孔 截 面 积 ; A c
10、为 流 束 收 缩断 面 的 截 面 积 ; N 为 与 厚 壁 孔 口 孔 径 相 同 的 薄 壁孔 口 的 总 阻 力 系 数 ; K为 管 道 沿 程 阻 力 系 数 ; l 为孔 长 ; d 为 孔 径 .2. 2 建 立 sim ulink 仿 真 模 型根 据 电 控 喷 油 器 各 组 成 部 分 的 物 理 及 结 构 关系 建 立 sim u link 仿 真 模 块 (图 2) , 包 括 : 控 制 室 模块 、 蓄 压 室 模 块 、 压 力 室 模 块 、 针 阀 运 动 模 块 、 电 磁p rail 为 共 轨 腔 压 力 ; dcfsc 为 电 磁 阀 升 程
11、; dydt 为 针 阀 速度 ; pcon 为 控 制 室 压 力 ; p re 为 压 力 室 压 力 ; y 为 针 阀 升 程(位 移 ); pacc 为 蓄 压 室 压 力 ; out1, out2, out3, out4, out5,out6 为 各 模 块 计 算 结 果 输 出 .图 2 电 控 喷 油 器 的 仿 真 模 块 示 意 图阀 运 动 模 块 2 (包 含 在 控 制 腔 模 块 中 ). 仿 真计 算 算 法 采 用 ode45 (Dom and2P rince) , 自 适 应 步长 , 总 时 间 为 一 次 完 整 的 喷 射 过 程 .3 仿 真 结 果
12、 分 析利 用 仿 真 程 序 , 对 不 同 结 构 尺 寸 的 高 压 共 轨喷 油 器 进 行 了 仿 真 计 算 . 仿 真 结 果 表 明 : 喷 油 器 结构 参 数 对 针 阀 的 开 启 和 关 闭 响 应 时 间 都 有 极 大 影响 . 验 证 了 文 献 3 中 的 结 论 . 下 面 以 两 组 具 有 不同 控 制 室 进 出 油 节 流 孔 的 喷 油 器 为 例 进 行 比 较 说明 : 一 组 的 进 油 孔 为 0. 25 mm , 出 油 孔 为 0. 27mm ; 另 一 组 的 进 油 孔 为 0. 21 mm , 出 油 孔 为 0. 35mm. 比
13、较 了 两 种 情 况 下 控 制 室 压 力 , 电 磁 阀 及 针阀 升 程 的 变 化 情 况 (图 3). 进 油 孔 与 出 油 孔 面 积 之比 越 大 , 电 磁 阀 通 电 后 , 在 单 位 时 间 内 控 制 室 的 压力 下 降 越 慢 , 总 的 开 启 响 应 时 间 加 长 . 当 电 磁 阀 断电 后 , 单 位 时 间 内 控 制 室 的 进 油 量 增 多 , 控 制 室 的压 力 将 迅 速 回 升 , 使 总 的 关 闭 响 应 时 间 缩 短 .图 3 电 控 喷 油 器 仿 真 计 算 结 果4 试 验 验 证喷 油 器 动 态 响 应 测 试 台 架
14、 组 成 如 图 4. 利 用 高压 共 轨 试 验 台 上 的 BO SCH 喷 油 规 律 测 试 仪 测 取了 不 同 结 构 尺 寸 喷 油 器 的 喷 油 规 律 信 号 . 共 轨 压力 100 M Pa, 喷 油 脉 宽 4 m s. 并 将 所 测 喷 油 规 律 信号 与 模 拟 计 算 的 电 磁 阀 针 阀 运 动 规 律 相 比 较 . 现以 A , B 两 量 孔 直 径 相 差 最 小 和 最 大 值 为 例 , 进 行比 较 . 如 图 5, 6 所 示 , 仿 真 结 果 与 试 验 配 合 较 好 .由 图 5 可 知 , 当 A ,B 量 孔 直 径 相 差
15、 较 小 时 , 恰 值 喷976 第 5 期 张 静 秋 等 : 电 控 喷 油 器 工 作 过 程 分 析油 控 制 脉 冲 快 结 束 时 , 喷 油 器 针 阀 才 开 始 抬 起 , 其响 应 时 间 较 长 , 喷 油 量 很 小 . 而 由 图 6 可 知 , 当 A ,B 量 孔 直 径 相 差 较 大 时 , 恰 又 加 给 喷 油 控 制 脉 冲时 , 喷 油 器 针 阀 就 迅 速 抬 起 , 其 响 应 时 间 较 短 , 喷油 量 较 大 .图 4 喷 油 器 动 态 响 应 测 试 台 架 组 成图 5 d in= 0. 25 mm , dout= 0. 27 mm
16、 时 试 验 与 仿 真 比 较图 6 d in= 0. 21 mm , d out= 0. 35 mm 时 试 验5 结 束 语抓 住 了 影 响 仿 真 准 确 性 的 关 键 因 素 , 合 理 地与 仿 真 比 较 计 算 了 节 流 孔 流 量 系 数 , 计 算 与 实 测结 果 对 比 表 明 , 文 中 建 立 的 计 算 模 型 是 符 合 电 控喷 油 器 实 际 工 作 情 况 的 . 试 验 结 果 表 明 , 喷 油 器 控制 室 进 出 油 量 孔 的 尺 寸 对 喷 油 器 有 显 著 的 影 响 .参 考 文 献1 安 士 杰 , 欧 阳 光 耀 . 电 控 喷 油 器 仿 真 模 块 化 研 究 . 车 用发 动 机 , 2002 (4): 23 262 邹 开 凤 , 李 育 学 , 欧 阳 光 耀 等 . 共 轨 喷 油 器 高 速 电 磁 阀驱 动 电 路 设 计 与 仿 真 . 武 汉 理 工 大 学 学
