本文關(guān)鍵詞：柴油機(jī)高壓共軌噴油器噴油特性和結(jié)構(gòu)創(chuàng)新研究

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【摘要】：柴油機(jī)是現(xiàn)代社會(huì)不可或缺的動(dòng)力機(jī)械。近年來(lái),隨著能源與排放標(biāo)準(zhǔn)的日益提高,作為柴油機(jī)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的核心技術(shù)之一,電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱高壓共軌系統(tǒng))的研發(fā)和應(yīng)用對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)環(huán)境的健康發(fā)展意義重大。我國(guó)在高壓共軌系統(tǒng)(尤其是該系統(tǒng)的關(guān)鍵部件高壓共軌噴油器)的自主研發(fā)過(guò)程中,存在與產(chǎn)業(yè)化相關(guān)的若干問(wèn)題亟待解決。由此,國(guó)家非常重視該項(xiàng)研究,且在中國(guó)第一汽車股份有限公司無(wú)錫油泵油嘴研究所設(shè)立了國(guó)家科技重大專項(xiàng)(2011ZX04001-061)。本文屬于該專項(xiàng)的部分內(nèi)容,同時(shí)也得到了國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(51239005)的資助。本文的研究?jī)?nèi)容主要包括如何改善高壓共軌噴油器的噴油特性一致性,提高其噴油可靠性,以及研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)且適合我國(guó)當(dāng)前制造加工水平的新型高壓共軌噴油器等。在高壓共軌噴油器的噴油特性一致性研究方面,采用一維建模仿真和魯棒性Monte Carlo相結(jié)合的方法。根據(jù)主要零部件結(jié)構(gòu)、動(dòng)力學(xué)特性和工作原理等特點(diǎn),所建高壓共軌噴油器模型由多個(gè)模塊構(gòu)成。通過(guò)試驗(yàn)對(duì)整體模型和關(guān)鍵模塊進(jìn)行了驗(yàn)證。其中,關(guān)鍵模塊化驗(yàn)證包括電磁鐵模塊的吸力驗(yàn)證、銜鐵桿的位移驗(yàn)證和油嘴模塊的流量驗(yàn)證等。在不同工況條件下,激勵(lì)電流、壓力波動(dòng)和噴油速率等動(dòng)態(tài)特性曲線的計(jì)算值和試驗(yàn)值基本相符；單次噴油量計(jì)算值和試驗(yàn)值的相對(duì)誤差小于4.8%。通過(guò)檢測(cè)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),待考察的參數(shù)在批量生產(chǎn)的制造加工和裝配調(diào)試過(guò)程中存在近似正態(tài)分布的散差。本文對(duì)噴油特性一致性的研究基于這種參數(shù)散差的統(tǒng)計(jì)學(xué)特征(包括均值μ和標(biāo)準(zhǔn)差σ),從而彌補(bǔ)了目前相關(guān)的仿真計(jì)算研究在工程應(yīng)用方面的不足。研究中分別采用了單因素法和多種多因素分析法。在全工況條件下,通過(guò)單因素法分析了各因素在“±3σ”范圍內(nèi)變化所引起的單次噴油量偏差特性。研究表明,油嘴噴孔檢測(cè)流量和針閥升程因素在小激勵(lì)脈寬條件時(shí)因針閥未完全開(kāi)啟而對(duì)噴油量相對(duì)偏差影響較�。欢渌麕醉�(xiàng)因素對(duì)噴油量相對(duì)偏差的影響皆隨軌壓和激勵(lì)脈寬條件的增大而減小。由中心復(fù)合法的多因素交互作用研究發(fā)現(xiàn),影響噴油量的各因素存在一定的耦合性。將魯棒性Monte Carlo法和響應(yīng)面模型相結(jié)合,提出一種Monte Carlo-RSM方法,可使多因素研究的效率得到較大的提高。研究表明,對(duì)噴油量一致性影響較大的三個(gè)因素依次為電磁閥升程、進(jìn)油節(jié)流孔檢測(cè)流量和出油節(jié)流孔檢測(cè)流量,分別約為24.76%、24.75%和15.75%。在高壓共軌噴油器的噴油可靠性研究方面,采用了結(jié)構(gòu)可靠度Monte Carlo方法,且由MATLAB實(shí)現(xiàn)計(jì)算程序的編譯。先建立了“泄漏-限流”失效模型。該模型的功能函數(shù)主要由一些隨機(jī)變量組成,包括限流臨界量、循環(huán)噴油量、動(dòng)態(tài)回油量,以及與余隙泄漏量有關(guān)的控制活塞偶件和油嘴針閥偶件的結(jié)構(gòu)參數(shù)。這些隨機(jī)變量的統(tǒng)計(jì)學(xué)特征也是由試驗(yàn)獲得。通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)可靠度Monte Carlo方法的直接抽樣和重要抽樣方式的對(duì)比得知,在相同計(jì)算精度要求下,后種方式所需樣本容量較小,即計(jì)算效率更高,更適用于噴油可靠性研究。計(jì)算結(jié)果表明,油嘴針閥偶件間隙、限流臨界值和控制活塞偶件間隙等變量的標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)失效率存在顯著影響,因而此三者在批量生產(chǎn)過(guò)程中需盡可能縮小。其中,油嘴針閥偶件工作間隙的標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)失效率的敏感性約為控制活塞偶件對(duì)應(yīng)量的3.1倍。在研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)且適合我國(guó)當(dāng)前制造加工水平的新型高壓共軌噴油器方面,完成了概念創(chuàng)新、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和專利申報(bào)工作,且由一維液力和三維CFD流動(dòng)仿真方法對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行了校核。此250MPa級(jí)共軌噴油器的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新性主要體現(xiàn)在一種蕈形閥式控制活塞。在工作過(guò)程中,此蕈形閥式控制活塞在液力作用下會(huì)自動(dòng)啟閉,從而適時(shí)激活輔助進(jìn)油節(jié)流孔的功能,進(jìn)而增強(qiáng)噴油器的伺服響應(yīng)性。通過(guò)一維液力設(shè)計(jì)校核表明,新型高壓共軌噴油器主要具有以下優(yōu)良性能：(1)具備良好的噴射柔性；(2)較快的噴油響應(yīng)性,在額定軌壓條件下啟、閉延遲可分別縮短約24.8%和38.5%；(3)實(shí)現(xiàn)無(wú)靜態(tài)泄漏,回油量指標(biāo)可降低約15.5%。通過(guò)流量測(cè)試等試驗(yàn)對(duì)用于設(shè)計(jì)校核的三維CFD流動(dòng)仿真模型進(jìn)行了驗(yàn)證。由CFD仿真設(shè)計(jì)校核表明,新結(jié)構(gòu)噴油器控制閥處的空化穴蝕狀況得到明顯改善,有利于控制閥密封可靠性的提升；在250MPa入口壓力條件時(shí),控制閥關(guān)鍵區(qū)域的平均流速可降低約65.36%,且平均氣液兩相質(zhì)量交換率可降低約70.22%。本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)可凝煉為：(1)提出了一種適用于高壓共軌噴油器噴油特性一致性的敏感性分析方法；(2)建立了高壓共軌噴油器“泄漏-限流”失效模型和相關(guān)可靠性分析算法；(3)研發(fā)了一種帶有蕈形閥式控制活塞的新型高壓共軌噴油器結(jié)構(gòu)。
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TK423

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本文編號(hào)：1236863