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共轨喷油器响应特性的仿真分析及结构优化

陈川  
【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。


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