高压共轨燃油实验系统平台论文xx

概述电控高压共轨式燃油喷射系统是现代柴油机燃油系统的发展方向,为了研究其可靠性,本研究给出了一个高压共轨系统可靠性测试平台的设计方案。该平台还可以和部件性能试验平台相结合,进行部件的可靠性测试。在保证其他部件可靠的前提下,被测部件先在该平台上进行长时间运行,然后再转到部件性能试验台上进行性能测试从而判断其可靠性. 根据系统部件的常见故障来设定系统的可靠性判据。被测的高压共轨系统由高压油泵、高压油管、共轨管、喷油器组成。燃油进入高压油泵,经泵压缩后由高压油管进入共轨管,最后从喷油器喷出。高压油泵的常见故障有密封不良与柱塞副咬死等,密封不良会导致燃油泄漏,柱塞副咬死会导致油泵不供油,因而轨压会迅速下降,同时电机的驱动扭矩也会迅速升高。高压油管的破裂将直接导致燃油泄漏,同时轨压也将迅速下降。喷油器常见的故障有喷油器堵塞或泄漏、电磁线圈老化等,这些故障都将导致喷油量的不正常,通过比较各缸喷油量可判断喷油器是否正常工作。故轨压稳定、各缸喷油量均匀、扭矩不超限、没有泄漏时认为系统可靠.AbstractCommon rail fuel electric controlled high-pressure injection system is the development direction of modern diesel fuel injection system, in order to study the reliability, this study gives the design scheme of a high pressure common rail system of reliability test platform. The platform can also platform and components performance test combination, reliability testing of component. Under the premise of ensuring other parts under the first reliable, long time running on the platform components to be measured, then go to the component performance test bench for performance testing to judge the reliability. To set the reliability criterion system according to the common faults of the system components. High pressure common rail system was measured by a high pressure oil pump, high pressure oil pipe, common rail pipe, an oil atomizer. The fuel to the high-pressure pump, through the pump after compression by high-pressure tubing into the common rail pipe, and finally from the injectors to spray. The common faults of high pressure oil pump plunger pair has bad sealing and seizure, bad sealing lead to fuel leakage, will cause the pump plunger pair killed no oil supply, so the rail pressure decreased rapidly, at the same time, the driving torque of the motor will increase rapidly. Rupture of the high-pressure oil pipe will lead directly to a fuel leak, and rail pressure will also decrease rapidly. The fault injector are common injector blockage or leakage, electromagnetic coil aging, these faults will cause the fuel injection quantity is not normal, by comparing the cylinder fuel injection quantity can determine whether the normal work of the fuel injector. The rail pressure stable, each cylinder injection quantity equality, torque is not overrun, no leakage that the system is reliable.目录一， 高压共轨燃油实验系统平台功能及其意义二， 高压共轨燃油实验系统平台特点2.1共轨式喷油系统的优点2.2，高压共轨燃油喷射系统主要部件介绍三， 支架设计3.1支架的作用3.2支架的结构设计3.3支架力学分析3.3.1有限元介绍3.3.2支架受力分析四， 设计方案分析五， 总结六， 参考文献一，高压共轨燃油实验系统平台功能及其意义电控高压共轨式燃油喷射系统是现代柴油机燃油系统的发展方向,为了研究其可靠性,本研究给出了一个高压共轨系统可靠性测试平台的设计方案。该平台还可以和部件性能试验平台相结合,进行部件的可靠性测试。在保证其他部件可靠的前提下,被测部件先在该平台上进行长时间运行,然后再转到部件性能试验台上进行性能测试从而判断其可靠性. 根据系统部件的常见故障来设定系统的可靠性判据。被测的高压共轨系统由高压油泵、高压油管、共轨管、喷油器组成。燃油进入高压油泵,经泵压缩后由高压油管进入共轨管,最后从喷油器喷出。高压油泵的常见故障有密封不良与柱塞副咬死等,密封不良会导致燃油泄漏,柱塞副咬死会导致油泵不供油,因而轨压会迅速下降,同时电机的驱动扭矩也会迅速升高。高压油管的破裂将直接导致燃油泄漏,同时轨压也将迅速下降。喷油器常见的故障有喷油器堵塞或泄漏、电磁线圈老化等,这些故障都将导致喷油量的不正常,通过比较各缸喷油量可判断喷油器是否正常工作。故轨压稳定、各缸喷油量均匀、扭矩不超限、没有泄漏时认为系统可靠.二，高压共轨燃油实验系统平台特点2.1共轨式喷油系统的优点共轨式喷油系统于二十世纪 90 年代中后期才正式进入实用化阶段。这类电控系统可分为：蓄压式电控燃油喷射系统、液力增压式电控燃油喷射系统和高压共轨式电控燃油喷射系统。高压共轨系统可实现在传统喷油系统中无法实现的功能，其优点有：a. 共轨系统中的喷油压力柔性可调，对不同工况可确定所需的最佳喷射压力，从而优化柴油机综合性能。b. 可独立地柔性控制喷油正时，配合高的喷射压力（ 120MPa200MPa ），可同时控制 NOx 和微粒（ PM ）在较小的数值内，以满足排放要求。c. 柔性控制喷油速率变化，实现理想喷油规律，容易实现预喷射和多次喷射，既可降低柴油机 NOx ，又能保证优良的动力性和经济性。d. 由电磁阀控制喷油，其控制精度较高，高压油路中不会出现气泡和残压为零的现象，因此在柴油机运转范围内，循环喷油量变动小，各缸供油不均匀可得到改善，从而减轻柴油机的振动和降低排放。由于高压共轨系统具有以上的优点，现在国内外柴油机的研究机构均投入了很大的精力对其进行研究。比较成熟的系统有：德国 ROBERT BOSCH 公司的 CR 系统、日本电装公司的 ECD-U2 系统、意大利的 FIAT 集团的 unijet 系统、英国的 DELPHI DIESEL SYSTEMS 公司的 LDCR 系统等。2.2，高压共轨燃油喷射系统主要部件介绍图 1 为高压共轨电控燃油喷射系统的基本组成图。它主要由电控单元、高压油泵、共轨管、电控喷油器以及各种传感器等组成。低压燃油泵将燃油输入高压油泵，高压油泵将燃油加压送入高压油轨，高压油轨中的压力由电控单元根据油轨压力传感器测量的油轨压力以及需要进行调节，高压油轨内的燃油经过高压油管，根据机器的运行状态，由电控单元从预设的 map 图中确定合适的喷油定时、喷油持续期由电液控制的电子喷油器将燃油喷入气缸。1 、高压油泵高压油泵的供油量的设计准则是必须保证在任何情况下的柴油机的喷油量与控制油量之和的需求以及起动和加速时的油量变化的需求。由于共轨系统中喷油压力的产生于燃油喷射过程无关，且喷油正时也不由高压油泵的凸轮来保证，因此高压油泵的压油凸轮可以按照峰值扭矩最低、接触应力最小和最耐磨的设计原则来设计凸轮。bosch 公司采用由柴油机驱动的三缸径向柱塞泵来产生高达 135Mpa 的压力。该高压油泵在每个压油单元中采用了多个压油凸轮，使其峰值扭矩降低为传统高压油泵的 1/9 ，负荷也比较均匀，降低了运行噪声。该系统中高压共轨腔中的压力的控制是通过对共轨腔中燃油的放泄来实现的，为了减小功率损耗，在喷油量较小的情况下，将关闭三缸径向柱塞泵中的一个压油单元使供油量减少。日电装公司采用了一个三作用凸轮的直列泵来产生高压，如图 2 所示。该高压油泵对油量的控制采用了控制低压燃油有效进油量的方法，其基本原理如图 3 所示。a 柱塞下行，控制阀开启，低压燃油经控制阀流入柱塞腔；b 柱塞上行，但控制阀中尚未通电，处于开启状态，低压燃油经控制阀流回低压腔；c 在达到供油量定时时，控制阀通电，使之关闭，回流油路被切断，柱塞腔中的燃油被压缩，燃油经出油阀进入高压油轨。利用控制阀关闭时间的不同，控制进入高压油轨的油量的多少，从而达到控制高压油轨压力的目的；d 凸轮经过最大升程后，柱塞进入下降行程，柱塞腔内的压力降低，出油阀关闭，停止供油，这时控制阀停止供电，处于开启状态，低压燃油进入柱塞腔进入下一个循环。该方法使高压油泵不产生额外的功率消耗，但需要确定控制脉冲的宽度和控制脉冲与高压油泵凸轮的相位关系，控制系统比较复杂。2 、共轨管共轨管将供油泵提供的高压燃油分配到各喷油器中，起蓄压器的作用， ECD-U2 系统的供轨管如图 4 所示。它的容积应削减高压油泵的供油压力波动和每个喷油器由喷油过程引起的压力震荡，使高压油轨中的压力波动控制在 5Mpa 之下。但其容积又不能太大，以保证共轨有足够的压力响应速度以快速跟踪柴油机工况的变化。 ECD-U2 系统的高压泵的最大循环供油量为 600mm3 ，共轨管容积为 94000mm3 。高压共轨管上还安装了压力传感器、液流缓冲器（限流器）和压力限制器。压力传感器向 ECU 提供高压油轨的压力信号；液流缓冲器（限流器）保证在喷油器出现燃油漏泄故障时切断向喷油器的供油，并可减小共轨和高压油管中的压力波动；压力限制器保证高压油轨在出现压力异常时，迅速将高压油轨中的压力进行放泄。从上述分析可见，精确设计高压共轨管的容积和形状适合确定的柴油机是并不容易的。3 、电控喷油器电控喷油器是共轨式燃油系统中最关键和最复杂的部件，它的作用根据 ECU 发出的控制信号，通过控制电磁阀的开启和关闭，将高压油轨中的燃油以最佳的喷油定时、喷油量和喷油率喷入柴油机的燃烧室。BOSCH 和 ECD-U2 的电控喷油器的结构基本相似，都是由于传统喷油器相似的喷油嘴、控制活塞、控制量孔、控制电磁阀组成，图 5 为 BOSCH 的电控喷油器结构图。在电磁阀不通电时，电磁阀关闭控制活塞顶部的量孔 A ，高压油轨的燃油压力通过量孔 Z 作用在控制活塞上，将喷嘴关闭；当电磁阀通电时，量孔 A 被打开，控制室的压力迅速降低，控制活塞升起，喷油器开始喷油；当电磁阀关闭时，控制室的压力上升，控制活塞下行关闭喷油器完成喷油过程。控制了喷油率的形状，需对其进行合理的优化设计，实现预定的喷油形状。控制室的容积的大小决定了针阀开启时的灵敏度，控制室的容积太大，针阀在喷油结束时不能实现快速的断油，使后期的燃油雾化不良；控制室容积太小，不能给针阀提供足够的有效行程，使喷射过程的流动阻力加大，因此对控制室的容积也应根据机型的最大喷油量合理选择。控制量孔 A 、 Z 的大小对喷油嘴的开启和关闭速度及喷油过程起着决定性的影响。双量孔阀体的三个关键性结构是进油量孔、回油量孔和控制室，它们的结构尺寸对喷油器的喷油性能影响巨大。回油量孔与进油量孔的流量率之差及控制室的容积决定了喷油嘴针阀的开启速度，而喷油嘴针阀的关闭速度由进油量孔的流量率和控制室的容积决定。进油量孔的设计应使喷油嘴针阀有足够的关闭速度，以减少喷油嘴喷射后期雾化不良的部分。此外喷油嘴的最小喷油压力取决于回油量孔和进油量孔的流量率及控制活塞的端面面积。这样在确定了进油量孔、回油量孔和控制室的结构尺寸后，就确定了喷油嘴针阀完全开启的稳定、最短喷油过程，同时就确定了喷油嘴的稳定最小喷油量。控制室容积的减少可以使针阀的响应速度更快，使燃油温度对喷油嘴喷油量的影响更小。但控制室的容积不可能无限制减少，它应能保证喷油嘴针阀的升程以使针阀完全开启。两个控制量孔决定了控制室中的动态压力，从而决定了针阀的运动规律，通过仔细调节这两个量孔的流量系数，可以产生理想的喷油规律。由于高压共轨喷射系统的喷射压力非常高，因此其喷油嘴的喷孔截面积很小，如 BOSCH 公司的喷油嘴的喷孔直径为 0.169mm 6 ，在如此小的喷孔直径和如此高的喷射压力下，燃油流动处于极端不稳定状态，油束的喷雾锥角变大，燃油雾化更好，但贯穿距离变小，因此应改变原柴油机进气的涡流强度、燃烧室结构形状以确保最佳的燃烧过程。对于喷油器电磁阀，由于共轨系统要求它有足够的开启速度，考虑到预喷射是改善柴油机性能的重要喷射方式，控制电磁阀的响应时间更应缩短。关于电磁阀的研究已由较多的文献报道，本文不再对此进行分析。4 、高压油管高压油管是连接共轨管和电控喷油器的通道，它应有足够的燃油流量减小燃油流动时的压降，并使高压管路系统中的压力波动较小，能承受高压燃油的冲击作用，且起动时共轨中的压力能很快建立。各缸高压油管的长度应尽量相等，使柴油机每一个喷油器有相同的喷油压力，从而减少发动机各缸之间喷油量的偏差。各高压油管应尽可能短，使从共轨到喷油嘴的压力损失最小。 BOSCH 公司的高压油管的外经为 6mm ，内径为 2.4mm ，日本电装公司的高压油管的外经为 8mm ，内径为 3mm 。 三，支架设计3.1支架的作用支架再本系统中有着很重要的作用。支撑着很多的管路部件，要给这些部件提供称重，和稳定性。稳定性是本系统的一个重要影响因素。管路的稳定性，能够防止泄露，防止元器件在工作过程中发生震动而松弛。所有本系统中支架的设计至关重要3.2支架的结构设计如下图所示为支架的设计结果其主要功能为支撑管路部件，防止工作过程中产生震动，固定管路部件，使其在工作过程中稳定。支架采用不锈钢板，厚度为10mm3.3支架力学分析3.3.1有限元介绍本设计使用有限元方法对支架进行力学分析在数学中，有限元法（FEM，Finite Element Method）是一种为求解偏微分方程边值问题近似解的数值技术。求解时对整个问题区域进行分解，每个子区域都成为简单的部分，这种简单部分就称作有限元。它通过变分方法，使得误差函数达到最小值并产生稳定解。类比于连接多段微小直线逼近圆的思想，有限元法包含了一切可能的方法，这些方法将许多被称为有限元的小区域上的简单方程联系起来，并用其去估计更大区域上的复杂方程。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。有限单元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。它是50年代首先在连续体力学领域-飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效的数值分析方法，随后很快广泛的应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题。有限元法分析计算的思路和做法可归纳如下：物体离散化将某个工程结构离散为由各种单元组成的计算模型，这一步称作单元剖分。离散后单元与单元之间利用单元的节点相互连接起来；单元节点的设置、性质、数目等应视问题的性质，描述变形形态的需要和计算精度而定（一般情况单元划分越细则描述变形情况越精确，即越接近实际变形，但计算量越大）。所以有限元中分析的结构已不是原有的物体或结构物，而是同新材料的由众多单元以一定方式连接成的离散物体。这样，用有限元分析计算所获得的结果只是近似的。如果划分单元数目非常多而又合理，则所获得的结果就与实际情况相符合。3.3.2支架受力分析本设计使用solidworks的simulation模块进行理学分析首先选择静力分析进入分析模块，需要对模型赋予材料。如下图所示，选择不锈钢材料，点击应用，赋予材料。材料的泊松比为0.28许用应力为2.1e11接下来需要对模型施加载荷，包括，约束和载荷先选取，支架下面两个螺丝空，固定，这样就成功将模型进行了约束，模拟现实中，底部固定的结构接下需要对模型施加载荷，载荷分为压力，力，等支架在工作过程中主要收到如下力，1， 支撑压力表等部件2， 油笔部分所有对支架进行如下载荷施加选取圆面向下施加载荷10N，在油笔处向下施加力载荷，如下图所示载荷施加完毕，进入解析模块，首先需要对模型进行王哥划分。如下图，点击网格，右击进入设置界面，点击生成网格。可以设置网格质量。质量越高所划分的网格越细腻，但是更加耗费电脑配置。所有，在设置过程中，需要根据实际进行设计。网格划分效果如上图所示。最后进入运算模式。点击solve，软件进入解析状态。最后得出应力，应变和位移三个结果。我们可以根据彩虹图进行评定。图中分别列出了支架在受力以后的最大应力部位，最大位移部位。经过评定，位移值和应力值没有超过许用范围，支架能够保证正常工作。四，设计方案分析由于高压共轨式燃油喷射系统具有可以对喷油定时、喷油持续期、喷油压力、喷油规律进行柔性调节的特点，该系统的采用可以使柴油机的经济性、动力性和排放性能都会有进一步的提高。这就需要我们加大对高压共轨系统的研究力度，使我国的柴油机水平跨上一个新的台阶。本设计中支架结构强度足够满足使用条件。能够为系统提供稳定的工作要求五，总结踉踉跄跄地忙碌了两个月，我的毕业设计课题也终将告一段落。点击运行，也基本达到预期的效果，虚荣的成就感在没人的时候也总会冒上心头。但由于能力和时间的关系，