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1、北京交通大学高压共轨系统喷油器仿真研究工作阶段总结专业名称：动力机械及工程导 师：学生姓名：学 号： 2012年1月4日目 录一、研究背景及意义1二、高压共轨系统的变参数研究现状22.1共轨系统结构参数影响的研究概况22.1.1高压油泵参数的影响22.1.2共轨参数的影响32.1.3喷油器参数的影响52.2共轨系统控制参数影响的研究概况82.2.1喷油器喷油时刻和高压油泵泵油时刻间隔大小的影响82.2.2喷油器电磁阀的开启脉宽对共轨内压力波动的影响92.2.3喷油器电磁阀的开启脉宽对喷射特性的影响11三、主要研究内容123.1高压共轨喷油器仿真模型和控制模型的建立及试验台搭建133.2结构参数
2、对共轨喷油器喷射性能的影响规律研究133.3高压共轨喷油器控制参数对喷射性能的影响13四、技术路线14五、预期目标15六、现阶段已完成工作156.1 完成文献综述156.2 初步学习掌握Hydsim软件166.2.1 HYDSIM仿真软件简介166.2.2 HYDSIM系统仿真喷油器模型的建立166.3 建立高压共轨系统闭环控制模型246.3.1 带有闭环控制的共轨系统仿真模型246.3.2 Simulink控制模型的原理与嵌入方法246.4根据研究内容修改高压共轨系统的仿真模型306.4.1 无控制的喷油器仿真模型306.4.2 含有共轨组件和轨压控制后的仿真模型316.4.3 高压油泵取代
3、边界条件后的仿真模型326.4.4 目前采用的仿真模型中存在的问题和不足37七、已完成进度和预计安排37一、研究背景及意义柴油机电控高压共轨燃油喷射技术作为内燃机行业公认的20世纪三大突破之一，在实际的研究与应用中越来越显示出在减轻环境污染、节约能源及柴油机智能化等方面有着突出的技术优势、独特的产业优势和巨大的社会效益，被行业普遍认为是最具发展前途的柴油机电控技术。作为一项传统行业的全新技术，电控高压共轨技术集成了计算机控制技术、现代检测技术以及先进的喷油器设计技术于一体，相对于传统燃油喷射系统有着无与伦比的优越性。目前世界上主要的共轨系统制造和供应商为德国的BOSCH公司，美国DELPHI公
4、司和日本的DENSO公司。自1997年博世公司推出第一代乘用车用共轨系统以来，博世公司的共轨系统已经发展到了第四代，与此同时其他公司的共轨系统也取得了很大的发展。共轨系统的不断发展，主要体现在喷油压力的不断提高，从第一代的135MPa提高到第四代的200MPa以上，喷油率的柔性控制能力也大为提高，实现了多级喷射，使得柴油机能够兼顾动力性和日益严格的排放法规。电控喷油器是高压共轨系统中最复杂最核心的部件，它承担者系统喷射功能的控制和实现。电控喷油器的结构参数以及工作性能的好坏，直接影响了整个高压共轨系统的工作性能，从而对发动机性能产生重要影响。高压共轨系统的不断改进和升级，其核心都在于电控喷油器
5、性能的不断提升。第一代共轨系统的电控喷油器采用电磁阀控制的液力伺服阀，第二代则采用高速电磁阀，为了进一步提高响应速度，第三代共轨系统采用了压电执行器控制式喷油器。2008年博世第四代共轨系统开始投入生产，该系统中的喷油器采用了内置增压模块的电磁控制喷油器，使得系统喷油压力进一步提高。可见，对于电控喷油器的深入研究，对于高压共轨系统的优化和性能提升有着重要的决定意义。随着计算机技术以及计算流体力学仿真软件的发展，利用仿真手段可以得到越来越多较为准确的仿真结果，减少了对实验的依赖，利用Fluent、HYDSIM等软件可以很好地对柴油机高压共轨系统的工作过程进行三维或者一维的仿真模拟，丰富了高压共轨
6、系统的研究手段。目前对高压共轨系统液力特性的研究主要采用仿真的方法，进行变参数分析，总结各参数对液力特性的影响。在共轨压力波动和喷嘴流动的研究中以三维仿真为主，由于喷油器和高压油泵的结构相对复杂，因此在研究中采用一维模型。因此，针对目前共轨系统喷油器研究中存在的问题进行深入的研究和对比分析，能够为共轨喷油器的设计、优化及与燃烧系统的匹配提供有价值的参考依据，对柴油机动力性、经济性和排放性能的进一步提高有着重要的意义。二、高压共轨系统的变参数研究现状2.1共轨系统结构参数影响的研究概况在对喷油器的仿真研究方面，国内外较多的是使用一维液力仿真软件，如Hydsim、AMESim、GT-FUEL等，以
7、及使用数值模拟软件MATLAB/Simulink进行系统仿真。2.1.1 高压油泵参数的影响高压油泵出油阀孔径、高压油泵出油阀预紧力、高压油泵供油次数、循环供油量、凸轮轴转速等都对共轨压力波动、高压油泵内部压力波动产生一定的影响。出油阀孔径的影响高压油泵出油阀孔径影响到高压油泵的流通性能。出油阀开启时，高压油泵出油阀孔大小对高压油泵柱塞腔压力的变化影响较大，而对出油阀腔压力的变化影响较小。当出油阀孔直径较小时，高压油泵柱塞压力波动较大；当出油阀孔直径较大时，出油阀孔直径对高压油泵柱塞腔压力的影响较小，高压油泵柱塞腔的压力主要受出油阀开启时产生的压力波的影响，且随着供油过程的进行，波动逐渐减小。
8、出油阀预紧力的影响高压油泵出油阀预紧力，直接影响到出油阀的开启压力。出油阀预紧力对高压油泵柱塞腔以及高压油泵出油阀升程的影响较大，随出油阀预紧力的提高，高压油泵柱塞腔的压力波动越来越大。高压油泵出油阀预紧力对出油阀腔和高压油轨压力的影响较小，只是在出油阀预紧力较大时，由于出油阀开启的不稳定使出油阀腔产生较小的压力波动，而对共轨压力几乎没有影响。凸轮轴转速的影响在各种凸轮轴转速和初压下共轨管压力波动能控制在初始值上下3%的范围之内，轨压初始值相同时转速增大，在初始值上下压力波动的幅度没有显著改变，转速的增大对波动的影响不大；轨压初始值不变，随着转速的增大，压力波动的瞬间最大值略有上升。2.1.2
9、共轨参数的影响共轨内压力的波动主要是由于油泵供油压力的波动和按一定时序向各喷油器供油而产生的。而共轨的结构尺寸及容积大小对轨内的压力波动有很大影响。共轨容积的影响仿真结果显示随共轨容积的增大，喷油速率、喷射体积、喷嘴燃油压力及针阀有效开启面积都明显增加。则认为由于容积的增大，燃油储量增加，抗波动能力增加，喷油量相对于共轨容积的比例减小，因此伴随喷射，共轨压力的下降减小。但这种压力的波动与共轨容积的变化相比是非线性的，共轨容积越大，这种波动的变化就越缓。共轨容积很大时，波动幅度几乎与共轨容积无关。另外不同容积共轨对应控制腔压力、喷油压力、针阀升程、电磁阀升程、线圈电流、喷油规律则几乎相同，因此共
10、轨管容积对这些参数影响不大。共轨管长度和直径的影响通过仿真研究，认为随高压油管内径的增加，喷油压力、喷油速率和喷油量增加，喷射中的压降减小，内径大的油管喷射后期的喷射压力明显高于内经小的油管，并且由于喷射过程中明显的压力波动，喷射压力和喷射速率由一个向下波动的过程。油管内径对针阀开启响应的影响几乎可以忽略不计。不同的管长对喷油量、针阀开启响应的影响很小，但对喷油速率有影响。随管长的增加喷油速率增加。在允许的条件下，共轨容积的取值应该取较大值。共轨容积变化、内径不变时，长径比越大，共轨内的压力波动越小，共轨内的压力越稳定；反之，长径比越小，共轨内的波动越大共轨容积变化时，容积越大对共轨内压力波动
11、的稳定作用越好。长径比的影响长径比指的是共轨油管的长度与直径的比值，长径比的值决定了共轨油管的形状。保持共轨容积不变(22mL)，同时改变共轨直径和长度，直径越小，截面积越小，长度越大，即长径比越大。从图可以看出，长径比在较小的范围内(100)，压力波动没有太大的变化；而且长径比较低时，压力波动值较低，轨压的大小对压力波动数值的影响不大。当长径比增加到一定程度，共轨压力波动会随着长径比的增大而增大，而且随着轨压的增大，压力波动有增大的趋势。这说明了共轨形状对压力波动有较大影响。过于细长的共轨油道会使轨压波动增大。总体而言压力波动在长径比小于200时比较平稳，而超过200以后就会显著上升。长径比
12、的选择也并不是只参考压力波动，必须要同时考虑共轨容积的影响和喷油器的安装等问题。在本文的模拟条件下，最佳长径比在60200之间。高压油管长度的影响高压油管是连接共轨管和喷油器的通道。高压油管应具有足够的燃油流量以减小燃油流动时的压降，并使高压管路系统中的压力波动减小，同时能承受高压燃油的冲击作用；共轨管到各缸喷油器之间的高压油管长度应该尽量相等，使柴油机每一个喷油器有相同的喷油压力，从而减小柴油机各缸之间喷油量的偏差，同时各高压油管应尽可能短，以使压力损失最小。连接共轨和喷油器的高压油管的直径对共轨内的压力波动影响不大，而随着工况从低到高，压力波动也会相应增大。最佳数值在400-500mm之内
13、。2.1.3喷油器参数的影响喷油器结构参数及电磁阀控制参数对高压共轨系统的液力特性均有明显影响。蓄压腔容积的影响在针阀蓄压腔容积较小时，针阀初期抬起时的运动状况比容积稍大的情况波动较为明显，在压力波动情况上，小的容积会使蓄压腔的压力波动幅度变大；在容积较大时，针阀落座后的压力波动迅速衰减，蓄压腔压力波动幅度较小。控制腔容积的影响减小控制腔体积可以使喷油器更快地响应电压输入信号，并且控制活塞在控制腔里的摆动幅度较小。随响应频率增加，喷油器的性能更加线性化。由于控制腔内的压力控制着控制活塞和针阀升程，进而控制着喷油率，所以控制腔的减小会导致预喷射控制困难。控制室容积较大时，电磁阀开启，控制室压力下
14、降过程相对缓慢，针阀开启速度相对缓慢；电磁阀关闭，控制室中的压力建立过程也相对缓慢，由于电磁阀关闭式控制室产生的压力波动及针阀关闭过程中在针阀腔产生的压力波动会使针阀二次抬起，产生二次喷射。控制腔容积过小虽然会使针阀抬起提前，减少液力响应时间，但同时还使得喷油速率在最大值持续时间过长，对针阀最大升程有所限制。控制腔进出口孔径的影响进油孔直径的大小对于针阀抬起速度的影响是比较大的。进油节流孔直径过小时，当电磁阀一旦打开，通过回油孔迅速回油，从而控制腔压力下降较快，针阀迅速开启：当电磁阀断电，关闭回油通道后，进油孔径较小则进油速度较慢，控制腔的压力升高比较缓慢，则针阀落座比较缓慢。当进油孔孔径过小
15、时，由于针阀腔的压力波动，可能还会造成二次喷射。进油节流孔直径越大，针阀抬起时刻越晚，上升越慢，且最大速度越小；喷油结束后，控制腔压力迅速建立，针阀落座迅速，不会产生二次喷射。但是当进油孔孔径增大到一定程度时，电磁阀通电，衔铁抬起后，控制腔压力降低的速度会比较慢，针阀开启过程变慢直至完全不能开启。当出油节流孔直径过小，电磁阀通电后，控制腔的压力不能迅速降低，喷油器的针阀抬起就会很慢甚至不能抬起，喷油速率就达不到预期值；当出油节流孔直径变大 电磁阀通电厉，控制腔压力迅速降低，针阀速度抬起时刻变早，上升变快一且最大速度变大，快速到达喷油状态。出油节流孔直径越大喷油率上升速度越快，保持最大喷油率的时
16、间越长，喷油量大。当直径增大到一定值时，会带来控制腔内压力下降过于迅速，导致针阀抬起时刻过于提前，从而不利于形成先缓后急的喷油率曲线。针阀关闭过程几乎与A孔直径无关，这主要是因为电磁阀关闭后，控制腔内压力的变化主要取决于经过Z孔的流量，而几乎不受A孔直径大小影响的缘故。更主要的是，从针阀升程曲线可以看出，随着A孔直径的增加，喷油器针阀开启速度先是明显增加，后来增加趋势见缓。电磁阀开启后，随着泄压腔压力的快速下降，控制腔内的压力将较快下降到针阀开启压力。针阀的影响针阀等运动件质量从5g到20g时喷油器喷油规律的变化，随针阀等运动件质量的增加，喷油规律略微有向先缓后急变化的趋势，且喷油中器喷油速率
17、波动减小。但由于针阀惯性的增加，当针阀等运动件质量取到20g时甚至会产生微量的二次喷射，同时针阀等运动件质量的增加，会对针阀座面带来更大的冲击从产生不利的影响。在喷油器设计过程中为了减小针阀质量给针阀座面带来的冲击，通常通过采用缩短针阀长度来实现，如bosch公司CRIN2喷油器采用了短针阀结构，相对CRIN1喷油器针阀运动质量减小了75%。针阀弹簧预紧力对喷油规律和针阀升程的影响，随着针阀弹簧预紧力的增加，在喷射开始时，针阀开启滞后，针阀升程、喷油压力和喷油规律的相位均滞后，而喷射结束后，针阀又会提前关闭，针阀升程、喷油压力和喷油规律的相位相应提前，相应的循环喷油量也会减小，但当发生轻微二次
18、喷射时，适当增加针阀弹簧预紧力可以消除二次喷射。针阀升程的大小应保证密封座面处有必要的流通面积，使压力室压力不因座面节流而过分下降，但针阀升程也不宜过大，升程增大，会加大座面的冲击载荷，引起磨损，也会增加针阀落座时间，增加了燃气回窜。张乔斌通过研究发现压力室的压力随着针阀的升程增加，但增加到一定程度，压力室内的压力已不再增加，说明此时针阀升程对喷油器内的节流损失已无明显影响。控制活塞的影响控制活塞直径的大小，影响到控制室燃油作用到针阀上的作用力，对针阀的运动产生影响。当控制活塞直径较小时，控制室燃油作用在控制活塞上部的液压力较小，控制电磁阀开启时，针阀开启迅速，而控制电磁阀关闭时，针阀关闭缓慢
19、，且由于针阀腔的压力波动有可能会使针阀再次抬起产生二次喷射;当控制活塞直径较大时，控制室燃油作用在活塞上部的液压力较大，使得控制电磁阀开启时针阀开启比较缓慢，但在控制电磁阀关闭时针阀关闭迅速，保证了喷油过程的迅速截止。喷孔直径、喷孔数的影响当针阀升程比较小时，燃油流通截面积等于针阀与针阀座之间的截面积，随着针阀升程的增加，针阀与针阀座之间的截面积大于喷孔面积时，燃油流通截面积等于喷孔面积。喷孔直径增大，提高了燃油流通截面积，提高了最大喷油速率。燃油喷射速率增大使喷孔处的压力迅速下降，降低了针阀上升速度，这样便减缓了喷射速率增加的速度。燃油流通面积成为影响喷射速率的重要因素，喷孔直径，喷孔数都通
20、过燃油流通面积影响喷射速率，流通面积与喷射速度成正比，流通面积变化速度与喷射速度变化速度成正比。喷孔总流通面积不变的情况下，改变喷孔孔径和喷孔数，对泵端压力、喷油器端压力、循环喷油量以及针阀升程的没有明显影响。但是，索特平均直径、贯穿距离、喷雾锥角都随喷孔的减小而碱小，因此在贯穿距离、喷雾锥角与燃烧室匹配较含理的情况下，喷孔宜采取小孔径多孔数的设计。2.2共轨系统控制参数影响的研究概况2.2.1 喷油器喷油时刻和高压油泵泵油时刻间隔大小的影响在高压共轨喷射系统中，喷油过程的控制和喷射压力（共轨压力）的建立及控制相对独立，这为供油系统和喷油系统控制部分前期的独立设计提供了便利，但在后期，供油系统
21、和喷油系统需要匹配运行。而共轨管起到连接供油系统和喷油系统的纽带作用，两者的匹配效果会直接在共轨管内体现，所以在此研究喷油器喷油时刻和高压油泵泵油时刻的间隔大小对轨道压力波动的影响。共轨系统压力调节方式是由 ECU 根据共轨管上的压力传感器实时调整PCV 阀关闭时刻，通过调整高压泵泵油始点来改变泵入共轨管内油量进行的，所以共轨高压泵泵油始点是时时变动的。为了本部分研究有一个固定的时间基准，在此将高压油泵供油终点（即柱塞最大升程时刻）定义为共轨高压泵泵油时刻。在保持喷油控制脉宽不变的情况下，改变油嘴喷油始点和高压油泵泵油时刻（即柱塞最大升程时刻）间隔对共轨内压力波动的影响。分为：（1）喷油始点相
22、对柱塞最大升程时刻提前；（2）喷油始点相对柱塞最大升程时刻滞后。（1）喷油始点相对柱塞最大升程时刻提前对于喷油始点相对柱塞最大升程时刻提前，由于高压油泵此时正处于压缩并且向共轨管供油过程，所以喷油器在此过程中喷油的话，共轨管同时进、出油，则共轨管内无法建立起更高的压力，在此就不做模拟计算分析。（2）喷油始点相对柱塞最大升程时刻延迟在实际的共轨系统中，喷油器的喷油时刻滞后于柱塞最大升程时刻，大致为0.6ms 左右为佳，一般认为“喷油器的喷油时刻图在两泵泵油的中间时刻为最佳时刻” 。图 5.1 为轨压1200bar、喷油器喷油时刻滞后依次为0.15ms、0.3ms、0.45ms、0.6ms、0.7
23、5ms 的轨压波动图。结论：本部分通过两大类情况研究：a. 喷油始点相对柱塞最大升程时刻提前；b. 喷油始点相对柱塞最大升程时刻延迟。综合图5.1、图5.2，可发现喷油始点的变化对共轨内压力波动的最大值和最小值影响不大，但是随着喷油始点的推迟，共轨内高压维持时间延长。共轨内高压维持时间过长，会导致共轨内平均压力增大，从而对共轨部件强度、可靠性的要求提高；高压维持时间过短，会导致喷油器喷油时，共轨内压力仍处于非稳定状态，从而影响喷油过程的一致性。为了兼顾上述两种情况，并考虑到压力波从高压泵泵端传播到喷油器油嘴处需要经历一定时间，所以喷油器喷油始点相对高压油泵柱塞最大升程时刻延迟0.6ms 左右为
24、佳。2.2.2 喷油器电磁阀的开启脉宽对共轨内压力波动的影响喷油器电磁阀开启脉宽的长短直接反映了发动机所需喷油量的多少，发动机所需油量增加，喷油器电磁阀开启脉宽随之增加，为了维持共轨管内压力稳定，高压油泵供油量也同时增加，此时进、出共轨管的燃油量增加，最终导致共轨管内压力波动幅度加大。而且，电磁阀开启脉宽与共轨内压力波动是非线性的，随着电磁阀开启脉宽的增加，压力波动幅度急剧增大。为了准确掌握共轨管内压力波动特性，研究进、出共轨管的油量对共轨内压力波动的影响，所以分析高压油泵压力控制阀开启脉宽和喷油器电磁阀的开启脉宽对油压的影响是十分必要的，而高压油泵压力控制阀开启脉宽是由ECU 根据共轨内压力
25、自动进行闭环控制，因此本文仅研究喷油器电磁阀开启脉宽对共轨内压力波动的影响。保持喷油器电磁阀开启始点不变（即喷油始点不变）时，研究喷油器电磁阀开启脉宽分别为0.6ms、0.9ms、1.2ms、1.5ms 和1.8ms 时，共轨管内压力波动随之变化的情况。喷油始点不变、改变电磁阀开启脉宽时，共轨内压力波动幅度随喷油器电磁阀开启脉宽变化曲线见图5.3。为了考察可能出现的最大的轨压波动，模拟了轨压1200 bar，控制脉宽3ms 时的轨压波动，结果如图5.4 所示。图5.5 为轨压1200 bar，不同控制脉宽的轨压波动值结论：1) 随着控制脉宽的增大，即喷油量的增大，轨中的压力波动增大。2) 控制
26、脉宽与轨中的压力波动是非线性变化的，随着控制脉宽的增大，轨压波动急剧增大。3) 由轨压1200 bar、 控制脉宽3000us 时的轨压波动为22 bar，根据喷油器的喷油量实验可以得出，轨压波动引起的喷油量变化比较小。但是这样的轨压波动对喷油量精度要求较高的多次喷射是不利的。2.2.3 喷油器电磁阀的开启脉宽对喷射特性的影响共轨系统的喷射特性是在共轨压力、喷油器结构（包括针阀及控制活塞形式）和电控参数（主要为喷油器电磁阀控制）等因素的共同作用下形成的，其中共轨压力和喷油器电磁阀控制的影响最为明显。本处主要研究喷油器电磁阀的开启脉宽对喷射特性的影响。保持喷油器电磁阀开启始点不变（即喷油始点不变
27、）时，研究喷油器电磁阀开启脉宽分别为0.3ms、0.6ms、0.9ms、1.2ms、1.5ms、1.8ms 情况下，喷射特性随之变化的情况。喷油始点不变、改变电磁阀开启脉宽时，针阀升程、累计喷油量和喷油速率的曲线分别见图5.6 至图5.9。在图5.6 中，当电磁阀开启脉宽为0.3ms 时，针阀几乎没有离座；当开启脉宽0.6ms 时，从图5.7 中可以看出，针阀略微抬起后迅速落座；当开启脉宽0.9ms 时才升至最大位置，随着电磁阀开启脉宽继续加大，针阀在最大位置维持时间相应增加，从而形成了不同的喷油持续期。从图5.8 中可以明显看出，单次喷油量受到电磁阀开启脉宽的直接影响，电磁阀开启时间越长，喷
28、油量也越大。图5.9 中，喷油速率随电磁阀开启脉宽变化规律与针阀升程随其变化的规律相类似。通过上述研究，我们可以利用电磁阀较短的开启脉宽来控制针阀部分升起，进行小油量的喷射，实现多次喷射中的预喷射和后喷射，从而达到控制喷油速率形状和降低发动机排放的最终目的。为了达到较好的效果，预喷射和后喷射的油量数值以及和主喷射的时间间隔还需要进一步研究，同时还需要喷油器各个零件的精密制造和较快的响应速度来保证。三、主要研究内容针对高压共轨喷油器的结构特点，建立高压共轨喷油器的物理模型和数学模型。分别以HYDSIM 软件和Matlab软件为仿真平台，建立仿真计算模型和控制模型，同时改变结构参数以及调整控制模型
29、进行耦合仿真计算，获得高压共轨喷油器的基本喷射特性，在此基础上研究结构参数和控制模型对喷射特性的影响，具体研究内容如下：3.1高压共轨喷油器仿真模型和控制模型的建立及试验台搭建（1）通过理论分析，在建立高压共轨喷油器液力、机械和电磁单元数学模型的基础上，利用Hydsim软件建立高压共轨喷油器的仿真计算模型。（2） 利用Matlab软件模拟轨压闭环控制，建立高压共轨喷油器的控制模型。（3）搭建高压共轨喷油器特性试验台架，使其能进行不同共轨压力、控制脉宽以及不同轨压控制方式下，单次喷油量和喷油延迟时间的测量，对样品喷油器进行较为全面的特性试验，并利用所得结果修正和完善喷油器的仿真计算模型。3.2结
30、构参数对共轨喷油器喷射性能的影响规律研究共轨喷油器结构参数众多，各个结构参数对于喷油器性能均有不同程度的影响，包括进、回油节流孔直径、控制活塞直径、控制室容积、调压弹簧预紧力、油嘴针阀座面直径以及油嘴喷孔直径等各个参数对于喷油器性能的影响进行系统研究，量化影响，总结影响规律，因此提出研究内容如下：1) 高压油道、电磁阀、控制腔、控制活塞及针阀、喷嘴等处对喷油器喷射有影响的结构参数选取；2) 喷油器结构参数对喷射压力影响规律研究；3) 喷油器结构参数对喷油率曲线影响规律研究；4) 喷油器结构参数对喷油量影响规律研究；3.3高压共轨喷油器控制参数对喷射性能的影响利用控制模型模拟共轨系统在压力闭环控
31、制的条件下的工作特性，进行控制参数，包括喷油持续期、持续期间隔、多次喷射次数、多次喷射时间间隔等对喷油器特性影响的仿真计算。1) 利用Matlab软件模拟轨压闭环控制，建立PID控制逻辑模型，并植入高压共轨喷油器的仿真模型中；2) 进行控制参数包括喷油持续期、持续期间隔等对喷射压力影响规律研究；3) 多次喷射次数、多次喷射时间间隔等对喷油器特性影响的规律研究；4) 喷油器控制参数对喷油量影响规律研究。四、技术路线根据所确定的研究内容和相关国内外研究现状，确定课题总体技术路线如下：1) 高压共轨系统Hydsim仿真模型的建立和校准。建立高压共轨系统一维流动数学模型，并利用AVL公司的燃油系统一维
32、仿真软件Hydsim软件建立高压共轨系统各部件详细模型，主要包括高压油泵模块、共轨管组件和电控喷油器模块。模型建立之后以单循环累积喷油量为基准对模型进行试验校准，验证模型的正确性。2) 高压共轨系统中Matlab控制模型的建立、植入和校验。基于PID控制原理建立以Matlab为平台的控制模型，并植入已经建立和经过试验校准的高压共轨系统一维仿真模型，实现对仿真模型共轨压力的闭环控制。3) 喷油器结构参数对于喷射特性影响的仿真研究。利用已经建立和经过试验校准的高压共轨系统一维仿真模型，对共轨系统主要结构参数进行单因素变参数研究，确定其对燃油喷射过程的影响规律。喷油器结构主要结构参数研究内容如下：进
33、、回油节流孔直径、控制活塞直径、控制室容积、调压弹簧预紧力、油嘴针阀座面直径以及油嘴喷孔直径4) 喷油器控制参数对于喷射特性影响的仿真研究在植入控制模型的仿真系统中，保持结构参数不变，对共轨压力控制参数做单因素变参数研究，确定它对喷射特性及共轨压力的影响规律。主要的控制参数研究对象如下：喷油持续期、持续期间隔、多次喷射次数、多次喷射时间间隔等。五、预期目标1) 建立高压共轨系统一维仿真模型，并经试验校准，为高压共轨系统的仿真研究提供可用的研究工具和可靠的边界条件。2) 建立高压共轨系统闭环控制模型，并植入仿真系统中，调试共轨压力的控制参数达到理想控制结构。3) 通过变参数控制模型对喷射特性影响
34、的仿真研究，得到控制参数对共轨压力和喷射特性的影响规律。4) 喷油器主要结构参数对液力过程的影响规律分析，在此基础上以喷油量和液力响应为目标进行变参数研究。5) 搭建高压共轨喷油器特性试验台架，使其能进行不同共轨压力、控制脉宽以及不同轨压控制方式下，单次喷油量和喷油延迟时间的测量并利用所得结果修正和完善喷油器的仿真计算模型。六、现阶段已完成工作6.1 完成文献综述1) 阅读了大量的文献，完成了文献综述部分，对国内外的研究现状进行了调研，并总结了前人所做的工作；2) 在总结前人工作的基础上，根据文献综述结合设计任务书确定了主要的研究内容、具体的研究路线和初步研究目标；6.2 初步学习掌握Hyds
35、im软件6.2.1 HYDSIM仿真软件简介AVL Workspace软件下HYDSIM模块是一个用于水压和流体动力学系统的动态分析建模程序，HYDSIM主要用于非定常液力系统、流体机械系统的动态分析仿真计算，它基于液压、力学、机械等学科基础之上而编写的，HYDSIM软件主要应用于内燃机燃油喷射系统的仿真计算领域。早期的HYDSIM软件是为了实现柴油机喷油系统的仿真计算而开发的。如今，HYDSIM软件不仅用于汽油机、柴油机和其他燃料内燃机的燃油喷射系统的建模仿真计算，而且还可以用于和流体液压有关的其它新领域的建模仿真计算，如用于电液控制阀等流体液压元件的建模计算等。AVL HYDSIM具有非产
36、强大的功能，如单位和仿真系统参数可以完全的自由设置，柔性化和模块化的建模方式，特定的元素让使用者可以很快就建立液压流体系统的仿真模型。系统提供强有力的系列化仿真计算可以对系统参数进行快速的优化。系统提供matlabsimulinkTM接口，可以使MATLAB和HYDSIM结合使用以实现更复杂的计算。6.2.2 HYDSIM系统仿真喷油器模型的建立二位二通式喷油器结构模型搭建根据原理图我们可以将喷油器结构简化至上图形式利用软件自带模型构建如下（2）二位二通式喷油器模型参数设置A边界条件模型结构一共采用了四个边界条件，其中三个压力条件，一个机械边界一、压力源边界条件，现阶段采用压力边界条件取代凸轮
37、泵供油系统作为喷油器压力源。一般采用1500bar1800bar二、缸内喷射背压条件，作为模拟缸内压力，一般设置为100bar三、泄漏及回油部分的压力条件，一般采用1.5barB管路模型参数管路参数包括长度和内径，可直接按照实际尺寸设计，注意填写时的单位为转化，默认为mC. 容积模型参数容积参数主要包括就是体积，容易理解，模型的其他部分如阀体或管路是默认没有体积的，所以容积模型大体在计算中作为体积参数使用。D节流孔模型参数该模型中以供使用了三个节流孔1. 进油节流孔2. 回油节流孔3. 集油槽节流孔节流孔的设计参数包括管道截面积和孔径截面积，和流动阻力系数同样面积单位是可以转换的，也可以用直径
38、表示E针阀模型参数针阀模型较为复杂，参数比较关键在确定了针阀类型后，设计参数需要包括移动质量，开启阻力，针阀座和导体直径，以及弹簧刚度等F 泄漏模型参数模型中采用两个泄漏模型来表示针阀和柱塞部分发生位移时的压力泄漏，参数包括柱塞数量和初始沟槽长度以及泄漏直径G喷嘴模型参数喷嘴模型是其中最为复杂和重要的结构，在变参数研究中是比较重点的一部分，其结构参数包括喷孔数量，喷孔直径，喷孔分布直径，针阀座倾角，已经针阀升程相应的开启面积所代表的开启特性。H柱塞模型主要模型参数有质量，阻力，直径，刚度和最大升程I时间控制阀模型这个模型采用的是时间控制阀简化代替电磁阀，所以我们直接通过对开启关闭时间的设定来控
39、制喷油时刻。他的主要参数分成两大部分，左侧是控制开启关闭时间的，在这里可以实现一次或多次喷射的控制。右侧是开启关闭特性的设置，包括在某时刻阀体开启关闭面积的大小设定，从而定义控制阀的开关特性。J弹簧参数设置弹簧参数设置也非常重要，包括预紧力，刚度，运动阻尼系数，保证针阀在喷油前能够处于关闭状态。K其他参数主要是运算参数，在control界面中设定，包括发动机转速，计算步长，计算起始时间，储存数据数量等。设计时需要注意计算步长不能过小，软件有计算步骤的上线，如果超过上限，计算报错。储存数量过大会使运算时间拉长，在调试过程中要配合参数的调整。另外一个就是初始条件主要是容积室的起始压力温度，如果压力
40、温度与边界条件不同，会使喷油器自动打开，无法按照设定的喷油规律进行。6.3 建立高压共轨系统闭环控制模型6.3.1 带有闭环控制的共轨系统仿真模型采用PID控制原理对轨压进行闭环控制的喷油器系统模型如上图，依旧才用边界条件模拟油泵压力，采用两个由matlab程序控制的时间控制阀对共轨部分控制。右侧喷油器部分和之前的建立方法一致，主要工作集中在左侧共轨及控制系统的建立上。6.3.2 Simulink控制模型的原理与嵌入方法其他参数设置无太大变化，主要是两个时间控制阀和matlab接口的参数设置。A时间控制阀模型参数和喷油器的参数设计不同的是，这里的时间参数利用的是全局参数设定，定义了三个参数，开
41、启时间，关闭时间和开启面积。在matlab程序中会用到这些参数，设定为全局参数才能保证正确传入接口和控制器。B. matlab模型接口参数接口参数设定非常复杂首先要导入matlab程序，导入语句如图可见然后是控制选项，这里主要包括他的启动和响应时间，同样采用的是全局参数，在matlab程序中会用到。再是接口向量的设定，在参数和向量的定义名称上和后面matlab中的参数名称保持一致。这个模型中采用三种向量：第一是面积向量，把模型中定义的开启面积输给模拟控制器，如图第二种是时间向量，传输的是控制阀的时间状态值，如图定义第三种是PID参数，也在这里定义再者是输入端口的设定，这一步非常关键，这些端口的
42、定义是为了将模型中的仿真数值传送到matlab程序中的，是两个软件耦合的直接部位，matlab需要几个参数值，这里就给出相应的定义和指向。这里分别定义了目标压力值，共轨容积内的压力，体积和液体的弹性模量和密度，以及泵段压力，而这些将在后面的matlab的控制理论中用到。最后的输出端口较为简单，就只有两个时间控制量。C. Simulink控制模型及设计原理该控制模型的基本思路是依靠输入共轨容积的实际压力值和目标压力值的比较，得出进油阀和泄油阀的开关时间，并输送回执行器。首先由PID控制理论计算处实际与目标的差值和变化率在基于此项计算时间，具体开启时间是由连续性方程和伯努利方程计算出来的，PID计
43、算的系数可以得出如下结论最终我们得出的控制模型如下其中包含连个子程序一个是PID控制程序另一个是利用连续性方程和伯努利方程计算出来的计算时间值在主程序中计算出来的时间，需要做比较后才能直接输出，比较方法是6.4根据研究内容修改高压共轨系统的仿真模型6.4.1 无控制的喷油器仿真模型最初构建的是无控制系统的喷油器仿真模型，简化处理共轨压力，采取边界条件代替设定共轨压力恒定为1500bar。完成的模型构建如下图：通过运算得出比较满意的结果：该模型的喷嘴压力、针阀升程以及喷油量、喷油率基本符合实际情况，证明喷油器模型建立没有问题，为下一步加入共轨模型做好了准备。6.4.2 含有共轨组件和轨压控制后的
44、仿真模型在之前建立的喷油器模型基础上，加入了共轨管和电磁控制阀，并把之前建立的闭环控制模型嵌入系统，得到如下系统：在这个系统中，采用边界条件来代替了高压油泵系统，直接向共轨管供油，故控制策略为主要控制共轨管前的进油阀和出油阀，保持在管内压力偏离目标值时，浸出油阀能够响应开启，但该模型的缺点是只能在短期内供油，不能完全模拟油泵的工作状态，控制方式也与实际控制方案不尽相同。就仿真结果来看，在短时间内还是接近实际的，如下图为喷油率的结果图：6.4.3 高压油泵取代边界条件后的仿真模型在完成以上工作后，考虑到加入高压油泵的供油系统，对原有系统进行了一些改造，逐步形成以下方案。采用两个控制阀控制高压油泵
45、的进油量，一套位于油泵内柱塞前的低压油路区，另一套则是在高压油路进入共轨腔之前的一段，两套控制原理基本相似，都是根据压力差值计算进油量从而计算处电磁阀开启的时间。该模型分为三大部分，由泵系统，共轨组件和喷油器组成，这里的喷油器和共轨组件就是沿用之前的模型组件的，结构参数没有太大的变化。高压油泵部分如下图该系统主要由凸轮、柱塞体、柱塞腔、单向阀和进油电磁阀组成，并由一套PID控制模型进行闭环控制。最终在泵腔内初步形成一个压力控制。共轨组件部分如下图主要由共轨容积、控制阀和泄压阀组成，在共轨容积前同样采用PID控制理论作为进油量闭环控制的依据。最后是喷油器部分，沿用之前的模型，现阶段还没有改变参数
46、或结构在现有模型基础上进行仿真计算的结果并不理想，与实际结果还有较大差距，以下是其计算结果：（基准转速设为1000）共轨压力趋势喷油器控制腔压力针阀开启状态喷油率情况柱塞升程上述结果是在550转角范围内得出的，可以看出结果还是存在一定的问题。例如在喷射之前出现大幅度的压力上升趋势，实际轨压在目标轨压附近波动等主要问题依然存在。6.4.4 目前采用的仿真模型中存在的问题和不足1) 喷油器与共轨连接部分没有考虑弯管的影响；2) 共轨容积采用简化的集中容积代替，没有具体的根据实际构建；3) PID控制参数没有亲自整定，采用的是经验值；4) 共轨压力的控制上存在问题，喷射前轨内无故出现大幅压力升高趋势
47、，未查明原因；5) 轨内压力波动频繁，需要通过调整结构参数或者控制参数来稳定；6) 油泵采用的是简化的模型只有单凸轮柱塞机构，可能会影响结果；7) 下一步争取建立六缸机的嵌入控制式仿真模型七、已完成进度和预计安排已完成进度2011年10月25日11月13日1) 进行论文的调研和资料收集工作；2) 撰写文献综述；3) 确定课题研究内容和研究目标；2011年11月13日11月28日1) 初步学习掌握Hydsim软件基本使用方法2) 根据算例和软件说明书尝试建立Simulink控制模型并自学嵌入方法3) 了解简单的PID控制原理2011年11月28日12月28日1) 建立无控制嵌入的喷油器模型2) 建立有共轨组件代替边界条件的模型并控制嵌入3) 进一步加入简单高压油泵供油的喷油器模型并嵌入控制系统2011年12月2012年1月1） 调试
