共轨喷油器响应特性的仿真分析及结构优化

发布时间：2017-09-23 11:26

  本文关键词：共轨喷油器响应特性的仿真分析及结构优化

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【摘要】：柴油发动机因其热效率高、低速扭矩大、功率范围广、耗油量低、可靠性强和耐久性好等优点在机械、船舶、汽车等各个领域都有着广泛的应用。然而,随着世界能源资源的不断枯竭、自然环境的日益恶化,对于柴油机的动力和排放性能方面上的要求在不断地提高。采用高压共轨燃油喷射系统是当前柴油机提高动力性和排放性的必要举措,高压共轨喷油器的响应特性则是决定柴油机工作特性的重要特性指标,它直接影响喷油量、喷油启止时刻、控制的灵活性,乃至发动机的动力和排放性能。因此,针对高压共轨燃油喷射系统,研究高压共轨喷油器的响应特性是柴油机技术发展领域的重要内容和研究焦点。为了进一步提高共轨喷油器的响应特性,本文对影响喷油器响应特性的关键结构参数以及由响应特性所影响的控制阀流通能力进行了深入的研究和分析。 首先,本文基于喷油器的结构和工作原理,梳理了影响喷油器响应特性的核心结构,并藉此对喷油器进行了合理简化,建立相应的数学和物理模型,应用AMESim软件建立了喷油器工作过程仿真模型。模型的计算结果(包括喷油量和喷油持续期)与相同工况下的试验结果高度吻合,结果表明用于本文所建立的仿真模型系统完全可以用于后续的关于高压共轨喷油器响应特性的仿真研究。 其次,本文在基于所建立的仿真模型系统,系统且深入地研究了包括喷油压力、控制阀驱动力、控制阀弹簧预紧力、控制阀最大升程、控制室容积、进油量孔孔径、出油量孔孔径、控制柱塞直径、针阀弹簧预紧力、针阀密封直径、针阀密封座面锥角等结构参数在内的对于喷油器响应特性的影响,总结各参数对响应特性的影响规律,并确定了各参数的最优值选取范围。 随后,本文依托三维计算流体力学的方法,深入且系统地研究了控制室组件的流通特性。通过三维计算,研究并分析了包括油道圆角、控制阀型式、密封面锥角、出油量孔结构对于控制室组件流通特性的影响规律,研究结果为提高控制室组件流通能力的结构优化指明了方向。 最后,本文基于所获得的研究结果,采用正交试验方法,以提升喷油器响应特性为优化目标,对影响喷油器响应特性的关键参数进行优化匹配,并得到了喷油器响应特性的优化设计方案。具体结论如下：当控制室进、出油量孔孔径0.26mm、0.28mm,控制柱塞直径4.25mm,针阀弹簧预紧力140N,控制阀弹簧预紧力90N,针阀密封直径2mm,出油量孔流量系数0.95时,喷油器响应特性最佳。优化后的喷油器在开启响应和关闭响应两方面都得到显著提升,喷油器总体响应特性提高了13.3%,同时喷油量特性也有一定提升,在保证喷油持续期不变的前提下,单次喷油量提高了3.87%,实现了以提高响应特性为目标的喷油器结构参数优化。
【关键词】：柴油机 共轨喷油器 响应特性 数值模拟计算 正交优化设计
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK423
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-10
• 目录10-14
• 1 绪论14-26
• 1.1 研究背景14-15
• 1.2 国内外高压共轨燃油系统发展现状15-21
• 1.2.1 国外高压共轨燃油系统发展现状15-20
• 1.2.2 国内高压共轨燃油系统发展现状20-21
• 1.3 喷油器响应特性与柴油机工作性能关系21-22
• 1.3.1 喷油器响应特性与喷油规律的关系21
• 1.3.2 喷油规律与柴油机工作性能关系21-22
• 1.4 研究目的与意义22-23
• 1.5 论文主要内容23-26
• 2 高压共轨喷油器模型建立与试验验证26-50
• 2.1 喷油器结构组成与原理分析26-29
• 2.1.1 喷油器结构组成26-27
• 2.1.2 喷油器工作原理27-29
• 2.2 高压共轨喷油器数学模型建立29-36
• 2.2.1 喷油器系统模型假设29-30
• 2.2.2 电磁系统数学模型30-33
• 2.2.3 液力系统数学模型33-36
• 2.3 高压共轨喷油器仿真模型建立36-44
• 2.3.1 AMESim软件介绍37-38
• 2.3.2 建模思路与主要流程38-40
• 2.3.3 主要结构参数与求解器设置40-41
• 2.3.4 喷油器仿真模型建立41-44
• 2.4 喷油器仿真模型的试验验证44-48
• 2.4.1 高压共轨燃油喷射系统试验平台简介44-45
• 2.4.2 试验方案与结果45-46
• 2.4.3 仿真结果与试验结果对比46-48
• 2.5 本章小结48-50
• 3 喷油器关键结构参数对响应特性的影响分析50-72
• 3.1 喷油器响应特性的评价指标50-51
• 3.2 供油压力对响应特性的影响分析51-53
• 3.3 控制阀参数对响应特性的影响分析53-57
• 3.3.1 控制阀驱动力53-54
• 3.3.2 控制阀弹簧预紧力54-56
• 3.3.3 控制阀最大升程56-57
• 3.4 控制室结构对响应特性的影响分析57-64
• 3.4.1 控制室容积57-59
• 3.4.2 进油量孔59-61
• 3.4.3 出油量孔61-62
• 3.4.4 控制柱塞直径62-64
• 3.5 针阀组件结构对响应特性的影响分析64-69
• 3.5.1 针阀弹簧预紧力64-66
• 3.5.2 针阀密封直径66-68
• 3.5.3 针阀密封座面锥角68-69
• 3.6 本章小结69-72
• 4 喷油器控制室组件瞬态流动特性分析72-92
• 4.1 喷油器内部流动数学模型72-78
• 4.1.1 多相流模型的基本方程72-75
• 4.1.2 标准κ-ε湍流模型75-76
• 4.1.3 空化模型76-78
• 4.2 喷油器控制室组件三维CFD流动模型建立78-84
• 4.2.1 求解区域界定78-79
• 4.2.2 控制阀组件几何模型建立及网格划分79-81
• 4.2.3 动网格与UDF81-82
• 4.2.4 边界条件及求解器设置82-84
• 4.2.5 模型验证84
• 4.3 控制室组件瞬态流动特性分析84-89
• 4.3.1 流通能力分析85
• 4.3.2 压力分布分析85-86
• 4.3.3 流动速度分析86-88
• 4.3.4 空化特性分析88-89
• 4.4 本章小结89-92
• 5 控制室组件结构对流通特性影响分析92-114
• 5.1 油道圆角对流通特性影响分析92-97
• 5.1.1 油道圆角对流通能力影响分析92-93
• 5.1.2 油道圆角对压力分布影响分析93-94
• 5.1.3 油道圆角对流动速度影响分析94-95
• 5.1.4 油道圆角对空化特性影响分析95-97
• 5.2 控制阀型式对流通特性的影响分析97-102
• 5.2.1 控制阀型式对流通能力影响分析98
• 5.2.2 控制阀型式对压力分布影响分析98-99
• 5.2.3 控制阀型式对流动速度影响分析99-100
• 5.2.4 控制阀型式对空化特性影响分析100-102
• 5.3 密封面锥角对流通特性的影响分析102-107
• 5.3.1 密封面锥角对流通能力影响分析102-103
• 5.3.2 密封面锥角对压力分布影响分析103-104
• 5.3.3 密封面锥角对流动速度影响分析104-105
• 5.3.4 密封面锥角对空化特性影响分析105-107
• 5.4 出油量孔结构对流通特性的影响分析107-112
• 5.4.1 出油量孔结构对流通能力影响分析107-108
• 5.4.2 出油量孔结构对压力分布影响分析108-109
• 5.4.3 出油量孔结构对流动速度影响分析109-110
• 5.4.4 出油量孔结构对空化特性影响分析110-112
• 5.5 本章小结112-114
• 6 喷油器关键结构参数的正交试验与优化分析114-124
• 6.1 正交试验设计方法114-115
• 6.2 正交试验方案115-117
• 6.3 正交试验结果及结果分析117-120
• 6.4 优化前后喷油器响应特性对比120-121
• 6.5 本章小结121-124
• 7 工作总结与展望124-128
• 7.1 工作总结124-126
• 7.2 工作展望126-128
• 参考文献128-132
• 作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果132-136
• 学位论文数据集136

【参考文献】

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本文编号：904997