高压共轨摘要

9.1概述 错误！未定义书签。Bosch公司CRS系统最新进展 错误！未定义书签。Bosch第五代共轨系统 错误！未定义书签。Bosch第四代共轨系统 错误！未定义书签。9.2.3改进的Bosch第一•、三代共轨系统 错误！未定义书签。Delphi公司DCR系统最新进展 8MTU公司共轨系统最新进展 错误！未定义书签。9.5总结 10高压供油泵早期的Bosch-CP-1共轨系统采用高压溢流式这种方式消耗大量的能量，又引起油箱过热，现在已经被淘汰了。Denso的ECD-U2共轨系统采用进油开关式结构复杂，成本较高。进油节流式在柱塞进油阀前加一个比例电磁铁控制的节流阀，控制柱塞的进油流量，其结构简单、成本低、容积效率高，所以在目前的共轨系统得到广泛应用。在高压共轨系统中，高压供油泵只起产生和输送高压燃油的作用，供油量的大小由比例节流阀控制，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，高压供油泵中的主要部件有：输油泵、比例节流阀、凸轮偶件、出油阀偶件、进油阀偶件、柱塞等。高压供油泵按其结构主要分为直列泵和转子泵共轨系统中喷油压力的产生与燃油喷射过程无关，？喷射是由ECU控制电磁阀，接通高压共轨与喷嘴实现的。压力可按转速与负荷进行控制，进油阀的开启情况直接会影响柱塞腔的压力波动情况和柱塞的容积效率由于高压共轨系统供油过程和喷油过程分开调压阀的作用是根据发动机的负荷状况调整和保持共轨中的压力，当共轨压力过高时，调压阀打开，一部分燃油流经集油管流回油箱；当共轨管中压力过低时，调压阀关闭，高压端对低压端密封。新型200MPa共轨喷油系统，这种泵基于双凸轮的工作原理只采用1个柱塞泵油单元，因而，CP4共轨泵只需较小的结构空间，并且质量明显较轻。针对高转速要求而设计，CP4油泵通过选择适当的传动比，能够满足3~8缸发动机的同步供油需要共轨管总成由共轨管、共轨内部压力传感器、压力限制器、流动缓冲器组成。起到储存高压燃油、稳定高压燃油压力波动的作用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。限流器主要有两个作用，一是减少喷油时的压力波动，并防止针阀关闭的压力反射波的反向流动作用。二是安全保护作用，在油管破裂、大量泄漏或者电磁阀常开故障时，起到切断共轨管内燃油向外流动的作用（断流），避免浪费和污染共轨管将供油泵提供的高压燃油分配到各喷油器中,起蓄压的作用容积过大则在动态过程时，压力响应特性不好，容积过小则会引起压力波动较大带蓄压室的新共轨喷油器FLUENT是用于计算复杂几何条件下流动和传热问题的程序。FLUENT的求解方法有非耦合求解法、耦合隐式求解法以及耦合显式求解法。非耦合求解方法主要用于不可压缩或压缩性不强的流体流动。FLUENT默认设置是非耦合求解，，但对于高速可压流动，有强的体积力（浮力或离心力）的流动，求解问题时网格要比较密，建议采用耦合隐式求解方法，可以耦合求解能量和动量方程，能比较快地得到收敛解。GAMBIT软件是面向CFD的专业前处理器软件，它包含全面的几何建模能力,既可以在GAMBIT内直接建立点、线、面、体几何，也可以从主流的CAD/CAE系统如PRO/E、UGII、IDEAS、CATIA、SOLIDWORKS、ANSYS、PATRAN导入几何和网格，GAMBIT功能强大的网格划分工具，可以划分出包含边界层等CFD特殊要求的高质量的网格。GAMBIT中专有的网格划分算法可以保证在较为复杂的几何区域可以直接划分出高质量的六面体网格。ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件利用ANSYS可以对高压共轨系统的结构强度、高压共轨系统电磁阀进行三维仿真分析。，STAR-CD在网格生成方面，采用非结构化网格，还可以处理滑移网格的问题在STAR-CD中，动网格有以下三种形式：普通的网格运动，内部滑移网格和网格单元增减。利用STAR-CD中的动态网格来实现瞬态数值模拟计算，现将动态网格形成的大致过程叙述如下:在STAR-CD的预处理模块即PROSTAR中直接生成所需的计算模型，或从其他软件中导入；再在PROSTAR中定义边界条件、初始条件、流体和固体的材料属性及分析控制等；随后编写事件文件和网格改变文件，事件文件用以指定每一瞬时单元的连续性和单元的增减，网格改变文件用以指定每一瞬时节点的确定位置，例如运用网格单元增减的方法时，首先要在求解初始时刻（t=0）前把不参与计算的网格预先暂时移去，生成求解初始时刻的计算网格，然后对应于每个事件时间发生相应的事件，事件指定哪些网格单元增加及哪些网格单元减除，每一求解时间步长内将调用网格改变文件一次，用以确定相关节点的位置；然后保存几何文件和问题文件，再在求解器RUN中进行瞬时模拟计算。模型流体力学基本方程海姆霍兹速度分解牛顿流体的本构方程质量守恒方程动量守恒方程能量守恒方程混合多相流空穴模型混合相的连续方程和运动方程非守恒型连续方程：体积分数方程为了封闭方程组所需附加的方程。湍流模型混合相湍动能k方程和耗散率£方程在壁面函数方法中，与壁面剪切应力有关的切向速度服从对数分布规律：Huh雾化模型喷嘴端的湍流及其衰变表面波增长液滴粒径的分布喷雾锥角和初始速度引入连续介质模型的目的就是为了使流体宏观特性连续，进而可以运用高等数学中连续函数的方法处理流体问题。这个假设是流体力学的基础。当前尚不存在非常合适的湍流模型。作为初步的研究，我们采用了用于单相流动的标准k一£模型来模拟气液混合相的流动。数值模拟算法概述进行喷油过程的模拟计算，也主要是针对高压燃油流动特性进行的喷油过程的数值计算方法主要有图解法、小扰动法和特征线法还有有限差分法和有限容积法图解法是一种很粗略很原始的分析高压油管内压力波动效应的方法一般常用来定性分析各种不正常喷射现象，如二次喷射、断续喷射、隔次喷射、断流现象、滴漏现象、空泡穴蚀等小扰动法依据的是线性声波原理具有一定局限性，仅适用与小振幅的扰动波的传播有限差分法的基本思想是利用合适的差分格式，对偏微分方程在时间域和空间域上进行离散，将偏微分方程化成与其具有相似适定性的差分方程进行数值求解。？？3.4.5有限容积法的基本思想是将流动控制方程所依赖的计算区域离散化为有限个较小体积的控制容积（或称控制体），然后将控制方程在每个控制容积上对时间和空间域积分并选择适当的差分格式将偏微分方程组转化为离散的守恒型的线性代数方程组（连续的函数变量被离散成有限个结点值）进行数值求解当出油阀孔直径较小时，由于节流作用较强，使高压油泵柱塞压力波动较大，高压油泵出油阀孔的大小，影响到高压油泵的流通性能高压油泵出油阀预紧力，直接影响到出油阀的开启压力和流通特性，不同出油阀预紧力情况下的高压油泵柱塞腔压力、出油阀升程、出油阀腔压力以及共轨轨压变化随着供油次数的增加，高压油轨压力波动逐渐减小，循环供油量低共轨压力不能保持稳定。供油量增加共轨压力可保持稳定但随着供油量的增大，共轨压力脉动增大，经溢流阀流回低压系统的燃油量增多，使高压油泵消耗功率增大，降低了柴油机的经济性，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，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，因此共轨管容积对这些参数影响不大。共轨系统的高压容积不仅影响共轨压力波动幅度，还影响共轨压力建立过程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，随管长的增加喷油速率增加。随着节流孔面积的减小，共轨压力的下降缓慢，控制腔压力下降变快，喷油开始时喷射压力、针阀升程和喷油规律提前，喷油结束时它们相位滞后。主要因为电磁阀通电后，随着节流孔面积的减小，燃油不能迅速从共轨重通过节流孔补充到控制腔，使针阀提前开启，喷油提前。同理，电磁阀断电后，随节流孔面积减小，针阀关闭滞后。随着初始轨压的增加，喷油速率、喷油量、喷油压力相应增加，这种趋势在喷油要结束时表现更明显不同的轨压初压下，轨压的波动幅度大体相当，比较稳定，随着初始轨压的增大波动幅度略有增大控制腔容积的影响控制腔体积大，压力下降慢；反之，控制体积小，压力下降快。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。小的容积会使蓄压腔的压力波动幅度变大；分布式共轨系统与整体式式共轨系统的比较喷油率的对比采用分布式共轨系统时喷油率最大值比整体式共轨系统低，这主要是因为集油器入口节流孔产生的影响各喷油器的喷油率表现出“中间大，两边小”的对称分布规律这主要是燃油在油管内流动的沿程流动损失导致。布式共轨系统6个蓄压器内的压力平均值一致性非常好，但压力波动幅值表现出“中间小，两边大”的对称分布规律，也就是距高压油接入点越近压力波动越小，这主要是因为燃油在油管内的压力波传递引起。采用分布式共轨系统可使油泵集油器内的压力更稳定，是为实现压力闭环控制集油器是安装压力传感器的理想位置。分布式共轨系统蓄压器内的压力波动幅度明显减小，一次喷射所引起的压力降低幅度也明显减小，也有利于改善系统压力的稳定性。电式喷油器（左）的喷油率曲线较电磁阀喷油器（右）的喷油率曲线波动更小。喷嘴流通特性指喷孔流通面积与针阀升程的关系。结合考虑瞬态状态下的空穴现象对于指导喷嘴结构参数的优化设计将具有参考意义通过控制针阀升程可以控制喷油速率，空穴首先发生在喷孔的顶角并延伸至出口，在低针阀升程下，空穴气泡被稀释高针阀升程下空穴区域只在喷孔顶部。下排喷孔的流量系数大于上排喷孔扩展型喷孔空化程度较圆柱型喷孔高，而收缩型喷孔能抑制喷孔内的空化过程。在小h下，与STD喷油嘴相比,C0和IMPROVED喷油嘴中射压力和速度均自然要高于STD喷油嘴VCO和IMPROVED喷油嘴比STD喷油嘴严重对IMPROVED喷油嘴而言孔流量系数会比VCO喷油嘴的有所增加，流动的综合特性好于VCO喷油嘴。空穴造成的液流紊乱在VCO喷油嘴中又最为微弱，认为IMPROVED喷油嘴雾化特性好于VCO喷油嘴。钢球密封式共轨燃油限压阀的设计节流小孔直径的确定与钢球接触孔直径大小的初定限压阀弹簧刚度大小的初定导向孔直径大小的确定阀芯削平宽度的确定削平部位升程日的确定喷油器偶件间隙的设计偶件间隙中流体流量及剪应力计算偶件间隙中的燃油流量计算偶件间隙中流体的粘性摩擦剪切力计算偶件间隙中燃油流量及作用在活塞上的剪切力仿真计算，共轨系统按照其发展历程及性能需求可分为四个阶段：第一代实现蓄压式喷射方式的实现，均采用电磁式喷油器。1.二十世纪90年代2.2000至2002年这一阶段共轨系统的主要发展方向是提高喷射压力，提高控制器（电磁阀和压电晶体）的响应速度，缩短喷射间隔，增加喷射次数。2.2000至2002年方向是提高喷射压力提高控制器（电磁阀和压电晶体）的响应速度，缩短喷射间隔，增加喷射次数。代表型号：BoschCRS2（2000年，控制方式同CRS1）,DensoECD-U2第二代（2002年，控制方式同第一代），DelphiMultecDRC1400（2001年，采用电磁式喷油器，平衡式液力伺服控是目前国内三种应用最广泛的高压共轨系统。别:油咕讪I讨I丄緘I诃低鼻何諭高片油迥口挫制闽进論孔廿阀輕謝宅渣诂孔图9.3DelphiMultecDCR电磁式喷油器图9.5DensoECD-U2电磁式喷油器3.2003至2007年这一阶段共轨系统的主要发展方向是增加喷射次数，提高喷射的精确性，进一步缩短喷射间隔，压电式喷油器开始成为主流。4.2007年至今这一阶段共轨系统的主要发展方向是进一步提高喷射压力，提高控制精度，实现更好的喷油率形状第五代共轨系统第五代共轨系统CRS5.1,适用于升功率75Kw以上的机型，满足欧六排放标准提升了多次喷射的能力，同时优化了喷油器内部的液力特性。第四代共轨系统被称为增压活塞式共轨系统(APCRS—AmplifierPistonCommonRailSystem)革命性的改进是使用了HADI(HydraulicallyAmplifiedDieselInjector)艮卩液力增压式喷油器依然采用电磁阀作为控制器现高压喷射革命性的改进是使用了HADI(HydraulicallyAmplifiedDieselInjector)艮卩液力增压式喷油器依然采用电磁阀作为控制器实现高压喷射主要1高了喷射压力，同时减少了高压零件的数量2.减少了喷射次数，但优化了喷油规律。第三代共轨系统最大喷油压力从160MPa提升到200MPa，应用于功率密度较高的车型，采用了技术先进的CP4系列高压油泵Bosch公司进行的最新改进是在第二代共轨系统基础上研发了CRS2.5系统，如图2.4。该系统采用模块化概念，可以适用于3-8缸的多种柴油机。CRS2.5采用CP4系列高压油泵，最大供油压力180MPa。最新改进的电磁式喷油器采用了压力平衡阀，在很短的时间内可以实现多次喷油。由于技术上的改进，电磁阀几乎与压电晶体控制器具有相同的性能。CRS2.5可以满足2014年开始实施的欧六排放法规。9.3Delphi公司DCR系统最新进展Delphi公司最新直驱式共轨系统（DADCR,如图2.5）的技术优势在于直驱式压电喷油器的应用。不同于传统利用电磁阀或者压电晶体的液力伺服式喷油器，Delphi直驱式喷油器采用压电晶体驱动器直接驱动针阀，因此取消了液压回路，免除了相关的迟滞和能量消耗。其它优势还包括，整个使用周期的稳定性，喷油参数变换时喷油量的可靠性，高的喷射一致性和高的喷雾动量。Delphi直驱喷油器采用压电晶体驱动器直接驱动喷油器的针阀做初始提升，例如预喷时用到的，而一个液压放大器则帮助针阀做完全提升用于完成大油量喷射。相比目前的系统，喷油器能够更高效的，在更高的压力下（高达2000bar）以更快的速度和更高的喷油精度将燃油注入发动机燃烧室。最具革新性的改进是该喷油器完全没有回油油路，能够节约目前伺服系统消耗的大约1KW功率，同时也不需要昂贵的燃油冷却器。其他重要改进还包括：喷油器内的蓄压器避免了喷油器和供油之间的压力波，以及其对喷油针阀动作和喷油量的影响；在两次喷射之间可达到零间隔；喷油器喷油针阀的快速开启、关闭针阀速度将近3m/s）；多次喷射灵活性（七次喷射或更多）。高压油泵根据油量控制方式可分为高压溢流式、进油开关式以及进油节流式三种方式，以进油节流式最好。，在非平衡式液力伺服喷油器中，针阀和控制活塞导套之间存在低压区导致有静态泄漏现象，该现象引起发热和摩擦，是影响喷油器寿命的一个重要因素，不符合商用车发动机长寿命的需求。需要具有20年或以上的使用寿命并且能够适应各种使用条件。为解决上述问题，MTU公司开发了两种应用于大功率柴油机的新型共轨系统，用蓄压器代替共轨实现蓄压的功能（新型共轨系统和带蓄压器的喷油器如图2.7-2.9），并且已经应用在新型Deutz628型柴油机和MTU2000CR系列柴油机。图9.17Deutz628型柴油机用新型共轨系统总结近年来柴油机高压共轨系统的发展经历了由实现蓄压式喷射功能向高压喷射以及灵活的燃油喷射控制（包括喷油时间、喷油规律的控制）的过程，这些发展的最终目的是实现更高的发动机功率、更高的燃油效率以及更低的排放。高压油泵根据油量控制方式可分为高压溢流式、进油开关式以及进油节流式三种方式，以进油节流式最好。高压共轨在小型车上应用较为方便，在大型商用车及Off-road车上应用有先天不足，但可采用带有蓄压室的喷油器代替或者部分代替共轨的功能。电控高压共轨喷油器由最