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基于AMESim软件的GDI高压泵液力特性模拟仿真与性能研究

一、选题简介、意义

一方面汽车市场前所未有的繁荣景象带给社会了巨大的经济效益，另一方面从而也带来了越来越严重的环境和能源等污染问题。由于对能源危机和环境保护的规定趋于更加的严格，直接反应喷射气缸燃烧技术在气缸动力方面，由于表现出众和潜力大，燃料燃烧经济性，排放特性等，在目前作为第三种燃烧模式直接喷射到燃料缸中的技术慢慢的成为人们关注和研究的主题。由此可见。对于GDI技术的研究已经成为汽车行业发展的主流方向。在欧洲，日本和美国等处于汽车发展比较先进国家，GDI发动机已经达到或超过了燃油经济性，同时还保持了能源效益。在未来的发展中汽车GDI技术将得到进一步发展。就目前汽车发展形势来看来，国外主要汽车制造产商一直在积极研发气缸直喷式发动机（GDI）技术。三菱公司（日本）在1996年成功研发出第一套GDI系统，采用传统的涡轮螺旋桨发动机和后向散射技术。德国大众公司在2000年的时候成功的在汽车市场上展示了FSI型直接反应汽油发电机;并在2001年直喷式点火发动机d-4首次投入市场使用。再国外的汽车发展相比之下，国内对于汽油缸直喷技术的研究起步比较晚，再汽油机缸内直喷技术的研发等方面存在很多缺陷和不足。本文设计的高压泵符合排放标准，为进一步提高了喷油压力，关键部件设计的泵油压泵系统可为改进提供理论依据。在高压泵的可靠性和供应能力上。在满足发动机排放要求规定的的前提下，改善发动机的燃油经济性变得尤为紧迫和重要。由于汽油发动机在燃油经济性与柴油发动机相比比较差。汽油直喷汽油机（GDI）对提高汽油机燃油经济性的作用显得非常的重要，而汽油直喷过程中重要的部件之一是高压泵，因此在对高压泵性能的研究和实现显得尤为重要。

二、课题综述（课题研究，主要研究的内容，要解决的问题，预期目标，研究步骤、方法及措施等）

1、课题研究

高压泵液力特性仿真与性能研究

2、主要研究的内容

为了解汽油缸内直喷高压泵内部工作过程，在AMESim软件中建立高压泵的一维液力计算模型，利用试验数据对模型进行标定。并利用标定后的模型分析关键结构参数对高压泵供油特性的影响

3、要解决的问题

通过计算模型的标定以及计算模型的建立了解各种关键结构参数对高压泵供油特性的影响，从而得到影响高压泵的因素。

4、预期目标

在AMESim软件中搭建了相应的计算模型，利用试验数据对模型进行标定。并利用标定后的模型分析关键结构参数对高压泵供油特性的影响

5、研究步骤的方法及措施

◆了解本篇论文所相关的课题背景和研究意义、国内外的GDI系统发展状况

◆了解GDI系统的结构以及工作原理

◆了解高压泵的结构以及工作原理，对以前的课程进行复习

◆对本文对象进行模型的标定及建立，分析各种结构参数对高压泵供油特性的影响

◆完成毕业设计资料的准备及外文资料的翻译工作

◆拟定整体设计方案

◆运用软件进行仿真，观察干涉性，仿真性能

◆设计资料汇总，编写设计说明书、打印以及装订

◆核毕业设计并做好毕业答辩的准备

三、设计（论文）体系、结构（大纲）

一、引言

（一）课题的背景及研究的意义

（二）国内外GDI技术的发展

（三）GDI系统的工作原理

（四）GDI发动机发展的难题

二、高压泵的结构与设计

    （一）高压泵的结构

（二）总体方案

    （三）控制方式及过程

（四）主要参数设计

三、高压泵的工作过程与工作原理

四、计算模型的建立

五、计算模型的标定

(一)最大供油量

(二)供油角度-供油量曲线

六、关键结构参数对高压泵供油特性的影响

（一）高压腔死区容积

（二）阀杆弹簧

（三）阀板弹簧

（四）出油阀弹簧

（五）出油阀最大升程

（六）控制阀板最大升程

（七）阀杆直径

（八）阀座结构尺寸

七、小结

致谢

参考文献

 

一、引言

 （一）课题的背景及研究的意义

 一方面汽车市场前所未有的繁荣景象带给社会了巨大的经济效益，另一方面从而也带来了越来越严重的环境和能源等污染问题。由于对能源危机和环境保护的规定趋于更加的严格，直接反应喷射气缸燃烧技术在气缸动力方面，由于表现出众和潜力大，燃料燃烧经济性，排放特性等，在目前作为第三种燃烧模式直接喷射到燃料缸中的技术慢慢的成为人们关注和研究的主题。在欧洲，日本和美国等处于汽车发展比较先进国家，GDI发动机已经达到或超过了燃油经济性，同时还保持了能源效益。在未来的发展宏图下中汽车法人GDI技术还会得到更进一步发展。就目前汽车发展形势来看来，国外主要汽车制造产商一直在积极研发气缸直喷式发动机（GDI）技术。三菱公司（日本）在1996年成功研发出第一套GDI系统，采用传统的涡轮螺旋桨发动机和后向散射技术。德国大众公司在2000年的时候成功的在汽车市场上展示了FSI型直接反应汽油发电机;并在2001年直喷式点火发动机d-4首次投入市场使用。在国外的汽车发展相互比较之下，在国内对于汽油缸直喷技术的研发还是处于起步比较晚的阶段，在汽油机缸内直喷技术的开发等方面还是存在很多漏洞和不足之处。本文设计的高压泵符合排放标准，为进一步提高了喷油压力，关键部件设计的泵油压泵系统可为改进提供理论依据。在高压泵的可靠性和供应能力上。当在符合发动机排放要求规定的基础上，使发动机的燃油经济性变得更为节约显得尤其的紧迫和重要。由于在汽油发动机在燃油经济性与柴油发动机相比之下显得比较差。汽油直喷汽油机（GDI）对增大汽油机燃油经济性的用处就显得非常非常的关键，而且汽油直喷的过程中关键的部件之一就是高压泵，因此在对高压泵性能的研发和实现就显得尤为重要。

（二）国内外GDI技术的发展  `

在汽油机直喷技术的发展的阶段中，德国奔驰公司在20世纪20年代展示出3000SL车型和在60年展示了MAN系统，texacotccs系统和福特PROCO系统方面这些第一种技术是基于两个阀门和每个气缸的活塞室气缸的技术，喷射后的泵和喷射器。在早期的GDI发动机的发展过程中不受大多数负载的排气阀的控制，并且在燃油经济性快接近间接喷射的时候。它的主要缺点就是在于使用机械的喷油系统，由于喷射后的负载时间是不变的，又因为燃烧的限制空燃比不能超过20：1，所以说燃料系统和功率采用涡轮增压技术，类似于柴油发动机性能和汽油发动机的输出，从而使汽车在特定负载下产生较低的HC排放。低效率的空气实用以及对机械供油系统的速度限制从而使发动机的输出功率非常低。因此所研发的GDI发动机的动力和排放性能并不在理想的范围之内，并且由于当时z内燃机制造的技术的限制以及电子控制下的喷射装置的缺乏。从20世纪90年代往后，使用精度高，响应迅速的电控燃油喷射直喷系统使得改善过的制造技术快速开发GDI发动机的研究和应用逐渐成为可能。 GDI发动机具有正确的瞬态响应，可以精确控制空燃比，以及系统的潜在优化的性能。综上所述，所有这些都表明它比柴油发动机更好。先进的电子控制技术已被用于解决第一台直喷发动机的许多控制和排放问题。新技术和电子控制策略的发展导致很多发动机制造商重新审视GDI发动机的潜在优势。在目前，国内唯一的GDI发动机是进口的FSI发动机。对于直喷技术，由于汽油质量测试的严格，目前中国的FSI发动机已经逐渐的淘汰大量的燃烧技术并且保持了均匀的燃烧模式。由于排放性能，燃烧稳定性，燃料的质量可靠性，性能，国内发动机生产技术被广泛使用GDI技术从而完全取代PFI技术，但仍然还存在很多没有攻克的技术难题。国内外的公司和许多研究机构也证在积极的研究和开发新的直喷式发动机。比如。 GDI和PFI气体喷射技术的比较是PFI和GDI发动机之间还是存在很多区别。 位于PFI电机后盖喷射口的20％是朝向气缸的顶部，80％的安装位置靠近进气管上的气缸盖的位置上。在发动机点火的时候，在高速进气口处形成液膜。在燃烧的期间，油逐渐蒸发。入口处的隔膜看起来很像一个电容器。但喷油器不能精确控制发动机的即时供油。导致控制的延迟和由部分蒸发带来的测量偏差，因为蒸发冷启动的原因，实际所需油量远高于理论燃料量，从而导致冷启动发动机的燃烧不稳定至10个循环，并且发动机未消耗的HC排放明显增多。GDI技术避免了由气门引起的冲击，在燃烧时。每个阶段都能以低燃料强度产生更加精确的燃烧，减少了汽缸与汽缸之间的循环和循环变化，在开始第一次冷循环时不要进行强劲的控制，并减少瞬态HC排放。然而GDI发动机为蒸汽和燃料混合物的形成提供了更为严格的环境，所以这要求用更高的燃料喷射压力从而来提高燃料雾化率。 PFI发动机还有一个限制就是：中小负载可以控制排气门，排气门损失，GDI发动机的平均负载和小负载，可以通过控制发动机负载从而来控制发动机负载注油缸数量和排气阀从而来减少泵送损失和热量损失。除了消除湿膜壁现象和截流阀流量损失的优点之外，PFI发动机的热特性小于GDI发动机的热特性。 GDI系统可以很明显提高供气压力，改善雾化效率和雾气质量，在两次循环之前从而使发动机启动，不需要额外燃料即可实现燃烧的稳定，这就减少了冷起动时发动机的HC排放量。因为这会减少或消除发动机附近的膜。并在入口附近的空气中建立稳定几个膜循环的瞬时过程，这可导致在燃烧室中形成非常精细的混合物并引发火灾造成损失。另一个潜在的好处是GDI可以降低入口温度，增加出口温度，燃料则通过气化冷却空气入口，气化吸热主要来自新鲜空气并不是燃烧室壁的表面，并且喷射后的初始喷射可以在进气过程中冷却进气口，从而提高燃烧室的燃烧效率。从而 GDI发动机的燃油经济性可以得到明显的改善。在于PFI系统相比之下，GDI系统仍然具有一些优势，比如PFI发动机进气管的预蒸发室，这可以增加燃料蒸发时间。将直接喷射气体混合物形成送到GDI发动机的汽缸中，其必须足够压力以提供燃料和燃料液滴的在有限时间的蒸发，否则蒸发可能导致产生未消耗的颗粒并且产生HC。此外，直接将燃油喷入汽缸会对顶部和活塞壁造成冲击，从而导致颗粒物和HC排放量增加以及发动机磨损增加。例如低压喷射系统，三元催化转化器，更高排气温度和三元催化转化器的效率等PFI发动机的其他优势使得发动机开发变得困难。

 （三）GDI系统的工作原理

 汽油机通过安装在汽缸盖上的喷油器将燃油直接喷入汽缸内并使其燃烧。当燃油直接喷入汽缸时，可以利用优化设计形成进汽与活塞之间的空气流动，实现汽缸内混合空气的分层分布，获得燃烧比率在常规发动机中不可行的稀有真空，并实现超稀气体混合物的稳定燃烧。

（四）GDI发动机发展的难题

GDI发动机相比于其他发动机有着更大的优势，例如优异的燃油经济性和足够多的动力性能，但GDI发动机在技术发明存在很多问题，技术方面的难题难以攻克，这些都限制它的进一步发展，所以我们需要加以改进。

1、排放污染的控制难题

GDI发动机目前的燃烧方式就是分层燃烧。在分层混合的过程中，混合气的浓度没有被均匀的发混合，所以每个地方的混合气浓度可能不一样，有些地方浓度过高或者是过低，在混合气浓度过高的地方，局部的燃烧会使温度升高，进而导致污染物排放增多，还有就是GDI发动机的压缩比比较大，所以说它的反应放热率也比较高，这些因素都可能引起污染物排放的增加。

2、元催化器转化效率的难题

GDI发动机在工作的时候在比较稀的空燃比的条件下，可能会造成比较原始的三元催化装置对NO的转化效率降低。在低温度的排放的废气中对不利于三元催化器的工作，但如果想要GDI发动机研发的更加环保，则需要研制技术更为先进的三元催化器。

 

小结

本文通过利用GI3000综合性能试验台上所得到的试验数据对AMESim软件中所构建的汽油缸内直喷高压泵液力计算的模型进行了标定。计算结果显示：

（1）高压腔死区的容积逐渐增加，从未导致高压腔内的压力上升逐渐推迟，有效的供油区间缩短，使供油量下降；

（2）加大阀板弹簧的预紧力或通过减小控制阀板的最大升程，然后才可以减少阀板的结束过程，进一步的使有效的供油区间延长，从而增加供油量；

（3）增加出油阀弹簧的预紧力或弹簧的刚度、减小出油阀的最大升程，进一步可以减少出油阀的结束过程，使出油阀回流的减小，使供油量的量增加；

（4）增大阀杆下段直径，控制阀板在低压腔侧的承压面积大幅度的缩小，使阀板的关闭过程加快，使有效供油区间逐渐延长，使供油量增加。

  5）速度是引起GDI高压泵低压室压力脉动的主要因素。膜盒的主要功能是稳定低压室高压脉动，从而保证高压泵具有优良的充油效果，从而减少低压管道的所带来的冲击负荷。

（6）将电子控制计量阀的动静态电磁力仿真与试验进行对比，验证了设计的合理性，并获得了预期的设计效果。

（7）在不同的轨压下，供油效率先上升后平稳后下降。在相同的速度下，随着轨道压力的增加，最大油泵量开始减少，效率开始下降。

（8）随着凸轮轴转速的增加，高压泵的驱动力矩先增大后减小，然后保持稳定。

（9）高压泵的设计基本掌握了GDl高压泵的研制过程，分别设计了高压泵性能测试平台，这是离高泵系统设计和评估的一步。

 

参考文献

[1]百度 王老师 大众奥迪 缸内直喷 高压泵的工作原理

[2]GDI高压泵设计以及性能研究（房志红 宋睿智 管磊 袁亚飞 李丽 耿文娟 张格林）（中国一汽无锡油泵油嘴研究所 江苏无锡214063）

[3]3-cylinder turbocharged gasoline direct injection:a high value solution for low CO2 and NO emissions. John E K,Mark S,Gregory R,et al. SAE2010-01-0590 . 2010

[4]The Effects of GDi Fuel Pressure on Fuel Economy. Husted Harry,Spegar Timothy D,Joseph Spakowski. 2011

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[6]Optimization research for a high pressure common rail diesel engine based on simulation[J] . Y. Liu,Y. -T. Zhang,T. Qiu,X. Ding,Q. Xiong.  International Journal of Automotive Technology . 2010 (5)

[7]Nonlinear modelling and control of a common rail injection system for diesel engines[J] . Paolo Lino,Bruno Maione,Alessandro Rizzo.Applied Mathematical Modelling . 2006 (9)

[8]Virtual prototyping of mechatronic systems[J] . Gianni Ferretti,GianAntonio Magnani,Paolo Rocco.Annual Reviews in Control . 2004 (2)