电控汽油喷射器仿真及特性参数测试系统开发研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 6 4 2.25MB 71 页 15积分
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摘 要
电控汽油喷射器是汽油发动机喷射系统中最关键、技术难度最大的部件。其
工作过程影响因素众多，涉及电磁学、机械动力学、流体力学、材料学等多个学
科，不同喷射器流量特性对汽油发动机与电控系统的匹配有很大的影响。
本文针对我国汽车及相关产业的实际，结合我国汽车工业发展的需要，以汽
车发动机电控汽油喷射器为研究目标，利用动力学仿真软件 AMESim 对汽油喷射
器进行动力学仿真，深入研究了电控汽油喷射器的工作原理，为优化电控汽油喷
射器的结构提供参考依据。
根据电控汽油喷射器动态喷射过程的数学计算模型，本文从理论上分析了电
路参数、磁路参数以及结构参数对喷射器开启和关闭过程的影响规律，并采用
VB6.0 及SQL Sever2000 数据库管理系统完成了电控喷油器模型计算仿真系统软件
的开发。
同时以高阻式电控汽油喷射器为研究对象，本文研究开发了汽油喷射器流量
特性测试系统，并对汽油喷射器在该测试系统上进行测试，研究比较了流量特性
测试的结果，得出关于供油压力及驱动电压对喷射器喷油量的影响规律。通过多
次的试验测试，验证了电控汽油喷射器流量特性测试系统具有较好的工作可靠性
及运行稳定性，对于完成研究、检测汽油喷射器流量工作特性的工作具有实用价
值和意义。
最后，论文客观地总结了本课题所取得的成果以及存在的问题，提出了后续
的研究内容和方向。
关键词：汽油喷射器 汽油发动机 仿真 流量特性
ABSTRACT
Electronic controlled fuel injector is the most critical and most difficult part in the
gasoline engine injection system. There are many factors affecting the course of the
work, involving electromagnetic, mechanical dynamics, hydrodynamics, material
sciences and other disciplines, different injector flow characteristics affect the match
between the gasoline engine and electric control system greatly.
In view of existing situation about China's automotive and related industries and
combined with the need for development of China's automobile industry, this paper take
the automobile engine electronic control fuel injector for the study objectives and use
the dynamic simulation software AMESim to do some works. These works involve
gasoline dynamics simulation for injectors and in-depth study of electrical controlled
fuel injector’s operational principle. They provide reference basis for optimizing the
electronic control fuel injector structures.
According to EFI dynamic mathematical model for injection process, this paper
theoretically analyzes the law about the influence exerted by the circuit parameters, the
magnetic circuit parameters and structural parameters. The parameters all have an effect
on the injector opening and closing process. This paper uses VB6.0 and SQL Sever2000
Database Management system to complete a model of electronically controlled fuel
injector simulation system software development.
Taking a high resistance electronic controlled fuel injector as the research object,
this paper does some tests of their flow characteristic in the electronic testing system.
The static flow characteristic curves were obtained by researching and anglicizing the
final test results. Experimental results show that the electronic testing system have
better reliability and operational stability of the work and the testing system has
practical value and significance for the completion of the researching and testing the
fuel injector flow characteristics.
Key Words: Fuel injector, Gasoline engine, Simulation, Flow
characteristic
I
目 录
摘 要
ABSTRACT
第一章 绪 论 .................................................................................................................1
§1.1 引言 ...................................................................................................................1
§1.2 汽油机电控燃油喷射系统及喷射器的发展 ...................................................2
§1.2.1 汽车发动机电控技术的发展及现状 .....................................................2
§1.2.2 国内外汽油机电控燃油喷射系统的发展状况 .....................................5
§1.2.3 国内外汽油喷射器的发展及理论成果 .................................................6
§1.3 汽油机电控燃油喷射系统的分类和优点 .......................................................7
§1.3.1 汽油机电控燃油喷射系统的分类 .........................................................7
§1.3.2 汽油机电控燃油喷射系统的优点 ..........................................................8
§1.4 本文研究的意义、主要研究工作内容 .........................................................10
第二章 电控汽油喷射器工作原理仿真及研制 ...........................................................11
§2.1 汽油喷射器的种类 .........................................................................................11
§2.1.1 顶部供油式和底部供油式汽油喷射器 ...............................................11
§2.1.2 低阻式和高阻式汽油喷射器 ...............................................................11
§2.1.3 轴针式和孔式汽油喷射器 ...................................................................13
§2.2 汽油喷射器的结构和基本评价指标 .............................................................15
§2.2.1 汽油喷射器的结构 ...............................................................................15
§2.2.2 汽油喷射器的计算 ...............................................................................16
§2.2.3 汽油喷射器的特性 ...............................................................................17
§2.2.4 汽油喷射器的基本评价指标 ...............................................................18
§2.3 汽油喷射器的喷射方式 .................................................................................20
§2.4 基于 AMESim 的汽油喷射器的工作原理仿真 ........................................... 21
§2.5 电控汽油喷射器制造装配关键技术 .............................................................24
§2.6 小结 .................................................................................................................25
第三章 电控汽油喷射器的数学建模及仿真系统开发 ...............................................27
§3.1 电控汽油喷射器的系统分析及数学模型 .....................................................27
§3.1.1 机械运动系统分析 ...............................................................................28
§3.1.2 磁路系统分析 .......................................................................................28
§3.1.2 电路系统分析 .......................................................................................29
II
§3.2 汽油喷射器动态过程计算模型 .....................................................................30
§3.2.1 球阀开启过程计算模型 .......................................................................30
§3.2.2 球阀落座过程计算模型 .......................................................................32
§3.3 电控汽油喷射器仿真系统软件开发 .............................................................34
§3.3.1 电控汽油喷射器仿真系统软件的总体设计思想 ...............................35
§3.3.2 电控汽油喷射器仿真系统软件的总体设计结构 ...............................35
§3.3.3 电控汽油喷射器仿真系统软件的数据库设计 ...................................36
§3.3.4 电控汽油喷射器仿真系统软件的界面设计 .......................................37
§3.3.5 电控汽油喷射器仿真系统软件主要模块 ...........................................38
§3.4 电控汽油喷射器模型工作特性仿真分析 .....................................................46
§3.4.1 球阀开启滞后时间影响因素分析 .......................................................46
§3.4.2 球阀落座滞后时间影响因素分析 .......................................................47
§3.5 本章小结 .........................................................................................................49
第四章 电控汽油喷射器流量特性测试系统开发研究 ...............................................51
§4.1 电控汽油喷射器流量测试系统 .....................................................................51
§4.1.1 供油系统 ...............................................................................................52
§4.1.2 电控系统 ...............................................................................................52
§4.1.3 人机交互界面设计 ...............................................................................55
§4.2 电控汽油喷射器流量特性测试 .....................................................................56
§4.2.1 测试方法 ...............................................................................................56
§4.2.2 测试装置 ...............................................................................................57
§4.2.3 测试结果及分析 ...................................................................................57
§4.3 本章小结 .........................................................................................................61
第五章 全文总结与工作展望 .......................................................................................63
§5.1 本文研究工作总结 .........................................................................................63
§5.2 下一步工作展望 .............................................................................................63
参考文献 .........................................................................................................................65
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................68
一、论文 ..................................................................................................................68
二、科研项目 ..........................................................................................................68
致 谢 .............................................................................................................................69
第一章 绪 论
1
第一章 绪 论
§1.1 引言
汽车产业近年来已成为我国国民经济发展中的重要组成部分，城乡汽车市场
的巨大需求为我国汽车产业带来了良好的发展机遇。2008 年，我国汽车销量仅次
于美国，成为世界第 2大汽车消费国，全国汽车保有量大幅度增加。如图 1.1 所示，
截至 2009 年6月底，中国机动车保有量为 176551129 辆。其中，汽车 69626031
辆。而汽车私人拥有率也逐步提高。截至 2009 年上半年，私人汽车保有量为
46243331 辆，占汽车保有量的 66.42%，比 2008 年底上升 1.89 个百分点。事实证
明汽车工业的飞速发展能有力的推动一个国家国民经济的发展。
图1.1 2001——2009 中国汽车保有量统计
汽车工业是对相关产业带动力最强的部门之一，其带动的上游产业主要包括：
林业、黑色金属及有色金属采选和冶炼加工业、纺织业、毛皮羽绒产品制造业、
石油加工及炼焦业、化学原料及制品制造业、橡胶及塑料制品业、普通机械制造
业、电气机械和器材制造业、电子及通讯设备制造业、仪器仪表设备制造业等。
此外，金融、保险、法律咨询、产业服务、科研设计、广告公司等各种服务也因
汽车工业的发展而受益。
汽车在给人们带来便利，给社会创造繁荣的同时，也给环境带来了巨大的破
坏。根据环境健康安全理事会的报告指出，城市污染主要来自城市取暖系统、工
电控汽油喷射器仿真及特性参数测试系统开发研究
2
业体系以及汽车排放。其中进入人们支气管的细小颗粒中，有一半以上是由汽车
排放到大气中的。上世纪 70 年代初的石油危机也同时对人类提出了节约能源的警
告。于是在节能与环保的双重压力下，各国对汽车排放都做出了严格的规定。我
国也于 2000 年1月1日起，开始实施《轻型汽车污染物排放标准》（GWPBI—1999），
等同于欧 I排放标准，2001 年4月16 日该标准被《轻型汽车污染物排放限值及测
量方法（I）》（GB18352.1—2001）取代。2004 年7月1日，开始实施《轻型汽
车污染物排放限值及测量方法（Ⅱ）》（GB18352.2—2001），等同于欧Ⅱ排放标
准。2005 年4月15 日，国家又颁布了《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中
国Ⅲ、IV 阶段）》（GB18352.3—2005）[1~4]，等同于欧Ⅲ、欧Ⅳ排放标准，规定
从2007 年7月1日开始实施，2010 年达到与欧洲排放标准同步。
面对日益严格的排放标准要求，各国汽车企业均不断探索开发新技术来节省
燃料并降低汽车污染物排放，主要采用的方法包括：电子控制技术、稀混合气燃
烧技术、多气门技术、混合动力技术等，而采用电子控制技术已成为目前解决汽
车诸多问题的最有效措施。
汽油机电控燃油喷射技术的研究大量涉及减少燃油消耗、降低排放和提高零
部件的安全性的应用，目前已被推广使用。作为汽油机电控燃油喷射系统中的关
键组成部分和执行元件，电控汽油喷射器的工作特性直接影响了汽油机在不同工
况下的动力性、经济性及排放性。
电控汽油喷射器在汽油发动机工作过程中，必须精确的计量燃油并且形成喷
雾。其流量特性对汽油机与电控系统的匹配有很大的影响，因此，建立数学模型
来研究其工作过程，分析各种结构参数对喷射器性能的影响对提高控制精度，进
一步降低电控汽油发动机尾气排放都具有重要的实用意义。此外，对于喷射器喷
射过程数学模型分析及流量特性的测试研究结果，可广泛用于电控汽油喷射器设
计过程中的性能预测及评定。
§1.2 汽油机电控燃油喷射系统及喷射器的发展
§1.2.1 汽车发动机电控技术的发展及现状
1886 年，德国工程师戴姆勒（Gottlieb Daimler）打造了世界上第一辆公认的
以内燃机为动力的四轮汽车。国了百余年的发展，特别是进入 21 世纪以来，汽车
整体技术日新月异，而作为汽车的心脏——发动机技术的进步显得更受关注。
1892 年，美国人杜里埃（Duryea）发明了化油器，经过几十年的不断改进探
索，上个世纪后期，装备化油器的发动机已较为成熟，一般主要由五部分组成：
第一章 绪 论
3
主供油系统、起动系统、怠速系统、加速系统和大负荷加浓系统。它们的作用在
于：根据发动机在不同工况下的要求，将汽油气化，并与空气按一定比例混合成
可燃混合气，及时适量供给发动机。
随着汽车发动机技术的进步，传统化油器的许多缺点制约了发动机动力性能、
经济性能和排放性能的发展。化油器相对固定的供油方式无法全面满足引擎的运
转需要，一部分采用了电子控制装置的化油器也只能将发动机空燃比大体控制在
一个范围内，其控制精度较低，而且化油器发动机由于结构上的原因致使各缸混
合气浓度不均匀，从而导致各缸燃烧的不均匀。
发动机电控技术一直是汽车电子控制系统的核心内容。如图 1.2 所示，汽车发
动机电子控制系统的主要工作是根据汽车各种性能指标通过不同的执行元件来实
现发动机系统的最佳特性，使发动机具有较大的柔性，可以相适应于各种工况、
环境和状态，自动做出响应调整和补偿，让发动机始终保持在最优状况运行。
图1.2 汽车发动机电子控制系统示意图
上世纪 60 年代以来，由于受电子技术的迅猛发展以及各国汽车排放法规要求
日益严格的影响。大量电子新技术被运用于汽车发动机控制系统中。发动机控制
技术已从最初的机械式简单控制发展到现代的电子控制[5~6]。目前汽油发动机电子
控制系统控制内容一般包括：燃油喷射电子控制、点火正时及爆震电子控制、怠
电控汽油喷射器仿真及特性参数测试系统开发研究
4
速转速电子控制、废气再循环电子控制、增压电子控制、可变气门正时电子控制、
发动机自诊断和故障安全系统等。各种发动机电子控制项目组成的综合电子系统
称为发动机管理系统（Engine Management System，缩写为 EMS），即较完整的发
动机电子控制系统。
目前及今后一段时间，各国汽车公司和研究单位主要积极开展的对于电控汽
油发动机的研究方向主要包括：
1. 汽油机缸内直接喷射技术（GDI，Gasoline Direct Injection)
汽油机缸内直接喷射技术是指将燃油直喷喷射到缸内，并采用电控和现代供
油系统对喷油时间及喷雾特性加以精确的控制，加上适当的组织气流运动，使燃
油和空气充分混合，实现快速燃烧，大幅度提高热效率[7]。
2. HCCI 技术（Homogenous Charge Compression Ignition）
HCCI 技术是指均匀的可燃混合气在气缸内被压缩直至自行着火燃烧的方式。
随着压缩过程的进行，气缸内的温度和压力不断升高，已混合均匀或基本混合均
匀的可燃混合气多点同时达到自燃条件，使燃烧在多点同时发生，而且没有明显
的火焰前锋，燃烧反应迅速，燃烧温度低且分布较均匀，因而，只生成极少的 NOx
和微粒（PM），在低负荷时具有很高的热效率。
3. 汽油机稀薄燃烧技术（Lean Burn）
缸内直喷汽油机稀薄燃烧技术可以分为均质稀燃和分层燃烧两种燃烧模式。
中小负荷时，在压缩行程后期开始喷油，在火花塞附近形成较浓的可燃混和气，
在远离火花塞的区域，形成稀薄分层混和气；大负荷及全负荷时，在早期进气形
成中将燃油喷入气缸，形成完全的均质化学计量比进行燃烧。以分层稀薄燃烧缸
内直喷汽油机为代表的新型稀薄燃烧模式的研究和应用很大程度上提高了汽油机
的燃油经济性[8]。
4. 可变气门正时和升程电子控制系统（VTEC，Variable Valve Timing and Lift
Electronic Control）
可变气门正时和升程电子控制系统即根据燃油经济性、动力性和排放控制的
要求对不同的工况采用不同的气阀正时相位、气阀升程或气阀开启时间，以达到
进气系统的优化，提高发动机性能。
综上所述，当前的汽车发动机可借助于先进的电子控制技术能准确地调节燃
油的供给，并根据需要改变喷油定时和喷油次数，自由控制气缸内的混合状态、
燃烧室内的燃油分布，从而实现高燃油经济性的同时大大地降低排放污染。
摘要：

摘要电控汽油喷射器是汽油发动机喷射系统中最关键、技术难度最大的部件。其工作过程影响因素众多，涉及电磁学、机械动力学、流体力学、材料学等多个学科，不同喷射器流量特性对汽油发动机与电控系统的匹配有很大的影响。本文针对我国汽车及相关产业的实际，结合我国汽车工业发展的需要，以汽车发动机电控汽油喷射器为研究目标，利用动力学仿真软件AMESim对汽油喷射器进行动力学仿真，深入研究了电控汽油喷射器的工作原理，为优化电控汽油喷射器的结构提供参考依据。根据电控汽油喷射器动态喷射过程的数学计算模型，本文从理论上分析了电路参数、磁路参数以及结构参数对喷射器开启和关闭过程的影响规律，并采用VB6.0及SQLSever...

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