柴油机高压共轨喷油器喷油特性和结构创新研究

发布时间：2017-11-29 08:34

  本文关键词：柴油机高压共轨喷油器喷油特性和结构创新研究

  更多相关文章： 高压共轨 喷油器 蒙特卡罗方法 喷油一致性 可靠性 控制阀空化 结构设计创新

【摘要】：柴油机是现代社会不可或缺的动力机械。近年来,随着能源与排放标准的日益提高,作为柴油机实现节能减排的核心技术之一,电控高压共轨燃油喷射系统(简称高压共轨系统)的研发和应用对国民经济和社会环境的健康发展意义重大。我国在高压共轨系统(尤其是该系统的关键部件高压共轨喷油器)的自主研发过程中,存在与产业化相关的若干问题亟待解决。由此,国家非常重视该项研究,且在中国第一汽车股份有限公司无锡油泵油嘴研究所设立了国家科技重大专项(2011ZX04001-061)。本文属于该专项的部分内容,同时也得到了国家自然科学基金重点项目(51239005)的资助。本文的研究内容主要包括如何改善高压共轨喷油器的喷油特性一致性,提高其喷油可靠性,以及研发具有自主知识产权且适合我国当前制造加工水平的新型高压共轨喷油器等。在高压共轨喷油器的喷油特性一致性研究方面,采用一维建模仿真和鲁棒性Monte Carlo相结合的方法。根据主要零部件结构、动力学特性和工作原理等特点,所建高压共轨喷油器模型由多个模块构成。通过试验对整体模型和关键模块进行了验证。其中,关键模块化验证包括电磁铁模块的吸力验证、衔铁杆的位移验证和油嘴模块的流量验证等。在不同工况条件下,激励电流、压力波动和喷油速率等动态特性曲线的计算值和试验值基本相符；单次喷油量计算值和试验值的相对误差小于4.8%。通过检测试验发现,待考察的参数在批量生产的制造加工和装配调试过程中存在近似正态分布的散差。本文对喷油特性一致性的研究基于这种参数散差的统计学特征(包括均值μ和标准差σ),从而弥补了目前相关的仿真计算研究在工程应用方面的不足。研究中分别采用了单因素法和多种多因素分析法。在全工况条件下,通过单因素法分析了各因素在“±3σ”范围内变化所引起的单次喷油量偏差特性。研究表明,油嘴喷孔检测流量和针阀升程因素在小激励脉宽条件时因针阀未完全开启而对喷油量相对偏差影响较小；而其他几项因素对喷油量相对偏差的影响皆随轨压和激励脉宽条件的增大而减小。由中心复合法的多因素交互作用研究发现,影响喷油量的各因素存在一定的耦合性。将鲁棒性Monte Carlo法和响应面模型相结合,提出一种Monte Carlo-RSM方法,可使多因素研究的效率得到较大的提高。研究表明,对喷油量一致性影响较大的三个因素依次为电磁阀升程、进油节流孔检测流量和出油节流孔检测流量,分别约为24.76%、24.75%和15.75%。在高压共轨喷油器的喷油可靠性研究方面,采用了结构可靠度Monte Carlo方法,且由MATLAB实现计算程序的编译。先建立了“泄漏-限流”失效模型。该模型的功能函数主要由一些随机变量组成,包括限流临界量、循环喷油量、动态回油量,以及与余隙泄漏量有关的控制活塞偶件和油嘴针阀偶件的结构参数。这些随机变量的统计学特征也是由试验获得。通过对结构可靠度Monte Carlo方法的直接抽样和重要抽样方式的对比得知,在相同计算精度要求下,后种方式所需样本容量较小,即计算效率更高,更适用于喷油可靠性研究。计算结果表明,油嘴针阀偶件间隙、限流临界值和控制活塞偶件间隙等变量的标准差对失效率存在显著影响,因而此三者在批量生产过程中需尽可能缩小。其中,油嘴针阀偶件工作间隙的标准差对失效率的敏感性约为控制活塞偶件对应量的3.1倍。在研发具有自主知识产权且适合我国当前制造加工水平的新型高压共轨喷油器方面,完成了概念创新、结构设计和专利申报工作,且由一维液力和三维CFD流动仿真方法对设计进行了校核。此250MPa级共轨喷油器的结构创新性主要体现在一种蕈形阀式控制活塞。在工作过程中,此蕈形阀式控制活塞在液力作用下会自动启闭,从而适时激活辅助进油节流孔的功能,进而增强喷油器的伺服响应性。通过一维液力设计校核表明,新型高压共轨喷油器主要具有以下优良性能：(1)具备良好的喷射柔性；(2)较快的喷油响应性,在额定轨压条件下启、闭延迟可分别缩短约24.8%和38.5%；(3)实现无静态泄漏,回油量指标可降低约15.5%。通过流量测试等试验对用于设计校核的三维CFD流动仿真模型进行了验证。由CFD仿真设计校核表明,新结构喷油器控制阀处的空化穴蚀状况得到明显改善,有利于控制阀密封可靠性的提升；在250MPa入口压力条件时,控制阀关键区域的平均流速可降低约65.36%,且平均气液两相质量交换率可降低约70.22%。本文的主要创新点可凝炼为：(1)提出了一种适用于高压共轨喷油器喷油特性一致性的敏感性分析方法；(2)建立了高压共轨喷油器“泄漏-限流”失效模型和相关可靠性分析算法；(3)研发了一种带有蕈形阀式控制活塞的新型高压共轨喷油器结构。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK423

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本文编号：1236863