本發(fā)明屬于柴油機(jī)領(lǐng)域，具體涉及一種高壓共軌式柴油機(jī)及其設(shè)計方法。
背景技術(shù)：
：高壓共軌式柴油機(jī)是指在高壓油泵、壓力傳感器和電子控制單元組成的閉環(huán)系統(tǒng)中，將噴射壓力的產(chǎn)生和噴射過程彼此完全分開的一種供油機(jī)器。高壓共軌系統(tǒng)能夠達(dá)到低油耗、低排放、高壓噴射、柔性的噴油特性和噴油壓力的控制等其它噴油系統(tǒng)很難達(dá)到的要求。可以說，高壓共軌電控燃油系統(tǒng)能夠有效降低柴油機(jī)的排放，提升柴油機(jī)的性能。薩巴德循環(huán)又稱混合加熱理想循環(huán)，它主要由兩個定熵過程、兩個定容過程和一個定壓過程構(gòu)成?，F(xiàn)有的柴油機(jī)大多是在薩巴德循環(huán)的基礎(chǔ)上設(shè)計制造的?，F(xiàn)有技術(shù)在計算薩巴德循環(huán)的過程中存在以下不足：1)平均有效壓力值的計算比較煩瑣，需要計算各點比體積及循環(huán)功。2)現(xiàn)有技術(shù)通常采取定積分的方法計算循環(huán)功，計算量大，十分復(fù)雜，實際應(yīng)用中不易采用。復(fù)雜、繁瑣的薩巴德循環(huán)過程計算得到的結(jié)果精確度不高，導(dǎo)致很難根據(jù)該結(jié)果得到精確、實用的高壓共軌式柴油機(jī)。技術(shù)實現(xiàn)要素：為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，本發(fā)明提供了一高壓共軌式柴油機(jī)及其設(shè)計方法。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：一種高壓共軌式柴油機(jī)的設(shè)計方法包括以下步驟：根據(jù)薩巴德循環(huán)中點1的空氣溫度和空氣壓力、壓縮比、可逆絕熱指數(shù)、薩巴德循環(huán)中點3和點4的循環(huán)最高壓力、定壓預(yù)脹比、定容比熱容以及定壓比熱容，計算循環(huán)吸收熱量；根據(jù)定容比熱容、薩巴德循環(huán)中點5的空氣溫度以及薩巴德循環(huán)中點1的空氣溫度，計算循環(huán)放熱量；根據(jù)循環(huán)吸收熱量和循環(huán)放熱量計算循環(huán)熱效率；根據(jù)循環(huán)吸收熱量和循環(huán)熱效率計算循環(huán)平均壓力；根據(jù)薩巴德循環(huán)中點1的空氣溫度、空氣壓力和薩巴德循環(huán)中點5的空氣溫度，計算薩巴德循環(huán)中點5的空氣壓力；根據(jù)計算得到的循環(huán)吸收熱量、循環(huán)放熱量、計算循環(huán)熱效率、循環(huán)平均壓力和薩巴德循環(huán)中點5的空氣壓力，設(shè)計高壓共軌式柴油機(jī)。進(jìn)一步地，所述計算循環(huán)吸收熱量步驟的具體過程為：點1到點2為定熵過程，由t2v2κ-1＝tavaκ-1和則計算得到點2的空氣溫度t2；由p2v2κ＝pavaκ和則計算得到點2的空氣壓力p2；點2到點3為定容過程，由則計算得到點3的空氣溫度t3；由t4＝ρt3，計算得到點4的空氣溫度t4；點4到點5為定熵過程，由t5v5κ-1＝t4v4κ-1，va＝v5，以及v4＝ρ×v3，則計算得到點5的空氣溫度t5；由q23＝cv(t3-t2)和q34＝cp(t4-t3)，計算得到循環(huán)吸收熱量qb＝q23+q34。進(jìn)一步地，所述計算循環(huán)放熱量步驟的具體過程為：循環(huán)放熱量q2為：q2＝cv(t5-ta)。進(jìn)一步地，所述計算循環(huán)熱效率步驟的具體過程為：循環(huán)熱效率ηt為：進(jìn)一步地，所述計算循環(huán)平均壓力步驟的具體過程為：循環(huán)平均壓力pt為：進(jìn)一步地，所述計算薩巴德循環(huán)中點5的空氣壓力步驟的具體過程為：點5到點1為定容過程，由計算得到點5的空氣壓力p5為：一種高壓共軌式柴油機(jī)包括供油泵總成、噴油器總成、共軌總成和電控單元，所述電控單元控制供油泵總成、噴油器總成和共軌總成動作，所述供油泵總成將燃油壓縮到所需的壓力，并將燃油輸送到所述共軌總成中，等待分配到相應(yīng)所述噴油器總成中。進(jìn)一步地，所述供油泵總成包括高壓供油泵、輸油管道和功能閥件，所述高壓供油泵與輸油管道連接，所述功能閥件安裝在所述輸油管道上。更進(jìn)一步地，所述高壓供油泵內(nèi)部三個泵組件相互以120°間隔角度徑向布置，所述泵組件由偏心凸輪驅(qū)動。進(jìn)一步地，所述共軌總成包括共軌管、壓力限制器、限流器和共軌壓力傳感器，所述共軌管的一端通過所述壓力限制器與到油箱的回油管連接，所述限流器和共軌壓力傳感器均與所述共軌管連接。由于采取以上技術(shù)方案，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：本發(fā)明設(shè)計方法在計算高壓共軌式柴油機(jī)的設(shè)計參數(shù)時更簡便、更精確、更實用，能夠簡化現(xiàn)有技術(shù)中繁瑣的計算過程。本發(fā)明高壓共軌式柴油機(jī)具有以下優(yōu)點：1)可實現(xiàn)高壓噴射，噴油壓力比一般直列泵系統(tǒng)高出一倍，最高可達(dá)200mpa以上；2)噴油壓力獨立于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，可以改善發(fā)動機(jī)低轉(zhuǎn)速、低負(fù)荷的性能；3)可以實現(xiàn)預(yù)噴射和后噴射，調(diào)節(jié)噴油率形狀，實現(xiàn)理想噴油規(guī)律；4)噴油定時和噴油量可自由選定；5)具有良好的噴油特性，優(yōu)化燃燒過程，使發(fā)動機(jī)油耗、煙度和排放等綜合性能指標(biāo)得到明顯改善，并有利于改進(jìn)發(fā)動機(jī)扭矩特性；6)結(jié)構(gòu)簡單、可靠性好、適用性強(qiáng)，可在新老發(fā)動機(jī)上應(yīng)用。附圖說明為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖1是示功器記錄的四沖程柴油機(jī)的實際循環(huán)p-v圖；圖2是本發(fā)明一實施例中提供的一種高壓共軌式柴油機(jī)的設(shè)計方法的流程圖；圖3是本發(fā)明一實施例中提供的薩巴德循環(huán)p-v圖；圖4是本發(fā)明一實施例中提供的薩巴德循環(huán)t-s圖；圖5是四種軌壓下的柴油機(jī)薩巴德循環(huán)p-v圖；圖6是四種軌壓下的柴油機(jī)薩巴德循環(huán)t-s圖；圖7是軌壓對氣缸內(nèi)壓力的影響結(jié)果圖；圖中，—表示p＝900bar，n＝1400rpm；——表示p＝1200bar，n＝1900rpm；---表示p＝1500bar，n＝2200rpm；—--表示p＝1700bar，n＝3300rpm；—-—-—表示上止點。具體實施方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的描述。顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所得到的所有其它實施方式，都屬于本發(fā)明所保護(hù)的范圍。薩巴德循環(huán)即混合加熱理想循環(huán)，以四沖程柴油機(jī)為例討論如何從實際循環(huán)概括得出理論循環(huán)。圖1為示功器記錄的四沖程柴油機(jī)實際的循環(huán)p-v圖。0-1是活塞右行的吸氣過程，到下止點1，進(jìn)氣閥關(guān)閉。活塞左行，進(jìn)行壓縮過程1-2，由于缸壁內(nèi)的冷卻水套的作用，壓縮過程并不完全絕熱?；钊笮械缴现裹c之前的2’點時，柴油被高壓油泵噴入氣缸，此時被壓縮空氣的壓力可達(dá)40-50bar，溫度也達(dá)到800-1000k以上，超過了柴油的自燃溫度(約600k左右)，噴入的柴油需有1個滯燃期才會燃燒，而現(xiàn)代柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速很高，所以要到活塞運行到上止點2時才可燃燒起來。由于燃燒過程非常迅猛，壓力很快上升到50-90bar以上，而活塞移動并不明顯，燃燒過程接近定容過程，如圖1所示的過程2-3，活塞到達(dá)上止點3后，又開始右行，此時燃燒還在繼續(xù)，氣缸內(nèi)的氣壓基本保持不變，3-4接近于定壓。到點4時缸內(nèi)氣體溫度可達(dá)到2000-2100k以上。活塞繼續(xù)右行，4-5為氣缸內(nèi)氣體膨脹作功過程，由于過程中向冷卻水套放熱，所以并非絕熱過程。到達(dá)點5時缸內(nèi)氣體溫度、壓力均降低。此時排氣閥打開，部分廢氣排入大氣，氣缸內(nèi)壓力突然降低，接近定容過程，即5-1’過程?；钊笮校瑥U氣壓力稍高于大氣壓即排出氣缸，實現(xiàn)排氣過程1’-0，完成循環(huán)。此循環(huán)是開環(huán)不可逆過程，循環(huán)中工質(zhì)的成分、質(zhì)量也在改變。為了便于理論分析，須忽略一些次要因素，引用空氣標(biāo)準(zhǔn)假設(shè)對實際循環(huán)加以合理的概括：燃料定容及定壓加熱氣體的過程簡化成工質(zhì)從高溫?zé)嵩纯赡娑ㄈ菁岸▔何鼰徇^程；排氣過程簡化成向低溫?zé)嵩纯赡娑ㄈ莘艧徇^程；循環(huán)工質(zhì)簡化為空氣，作為理想氣體，比熱容取定值；忽略實際過程的摩擦阻力及進(jìn)、排氣閥的節(jié)流損失，進(jìn)、排氣壓力視為相同，進(jìn)、排氣推動作功相互抵消，即圖1中0-1和1-0重合，變更為加熱后再忽略燃燒耗氧問題，開環(huán)即抽象為閉式循環(huán)；忽略膨脹和壓縮過程中氣體與氣缸壁間的熱交換，簡化為可逆絕熱過程。通過上述簡化，圖1所示的循環(huán)便可理想化為以空氣為工質(zhì)的混合加熱理想氣體可逆循環(huán)，即薩巴德循環(huán)。本發(fā)明在缸內(nèi)燃燒模型的建立上，主要采取了準(zhǔn)維模型。這里要說明的是，準(zhǔn)維模型中，考慮了缸內(nèi)的非均勻性，依據(jù)缸內(nèi)燃油空氣非均勻分布的經(jīng)驗式把燃油噴注劃分成若干小區(qū)域，每個小區(qū)域即是一個獨立的熱力學(xué)系統(tǒng)。同時也考慮了有關(guān)區(qū)域中進(jìn)行的過程都受到氣缸內(nèi)紊流的影響。整個模型是由柴油機(jī)中概念化了的單個過程：噴油、噴霧破碎、混合氣形成、放熱、傳熱以及排放物的生成等組成。如圖2所示，本發(fā)明提供了一種高壓共軌式柴油機(jī)的設(shè)計方法，其包括以下步驟：s1、根據(jù)薩巴德循環(huán)中點1的空氣溫度ta和空氣壓力pa、壓縮比εc、可逆絕熱指數(shù)κ、循環(huán)最高壓力p3＝p4、定壓預(yù)脹比ρ、定容比熱容cv以及定壓比熱容cp，計算循環(huán)吸收熱量qb；如圖2和圖3所示，已知薩巴德循環(huán)中點1的空氣溫度ta，空氣壓力pa，壓縮比εc，可逆絕熱指數(shù)κ，定容比熱容cv，定壓比熱容cp，定壓預(yù)脹比ρ，循環(huán)最高壓力p3＝p4，求循環(huán)熱效率及循環(huán)平均壓力值等技術(shù)指標(biāo)。計算循環(huán)吸收熱量qb的過程為：點1到點2為定熵過程，由t2v2κ-1＝tavaκ-1和則可以計算得到點2的空氣溫度t2。由p2v2κ＝pavaκ和則可以計算得到點2的空氣壓力p2。點2到點3為定容過程，由則可以計算得到點3的空氣溫度t3。由t4＝ρt3，可以計算得到點4的空氣溫度t4。點4到點5為定熵過程，由t5v5κ-1＝t4v4κ-1，va＝v5，以及v4＝ρ×v3，則可以計算得到點5的空氣溫度t5。由q23＝cv(t3-t2)和q34＝cp(t4-t3)，可以得到循環(huán)吸收熱量qb＝q23+q34。s2、根據(jù)定容比熱容cv、點5的空氣溫度t5以及點1的空氣溫度ta，計算循環(huán)放熱量q2；循環(huán)放熱量q2為：q2＝cv(t5-ta)。s3、根據(jù)循環(huán)吸收熱量qb和循環(huán)放熱量q2計算循環(huán)熱效率ηt；循環(huán)熱效率ηt為：s4、根據(jù)循環(huán)吸收熱量qb和循環(huán)熱效率ηt計算循環(huán)平均壓力pt；循環(huán)平均壓力pt為：s5、根據(jù)點1的空氣溫度ta、空氣壓力pa和計算得到的點5的空氣溫度t5計算點5的空氣壓力p5；點5到點1為定容過程，由可以計算得到點5的空氣壓力p5為：s6、根據(jù)計算得到的循環(huán)吸收熱量qb、循環(huán)放熱量q2、計算循環(huán)熱效率ηt、循環(huán)平均壓力pt和點5的空氣壓力p5等設(shè)計參數(shù)，設(shè)計高壓共軌式柴油機(jī)。實施例：以濰柴國v排放標(biāo)準(zhǔn)的車用柴油機(jī)為例，說明本發(fā)明高壓共軌式柴油機(jī)的設(shè)計方法。濰柴國v排放標(biāo)準(zhǔn)的車用柴油機(jī)的相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表1所示。表1柴油機(jī)相關(guān)技術(shù)參數(shù)四種軌壓下薩巴德循環(huán)的計算舉例，表2為四種目標(biāo)軌壓下所對應(yīng)的薩巴德循環(huán)最高壓力。表2四種目標(biāo)軌壓下所對應(yīng)的循環(huán)最高壓力需要說明的是：四種軌壓下的柴油機(jī)薩巴德循環(huán)最高溫度和壓力是不同的，但理想氣體的進(jìn)排氣溫度是相同的，也就是圖5和圖6中的點1和點5的氣體狀態(tài)相同。表3給出了薩巴德循環(huán)的相關(guān)參數(shù)。其中，環(huán)境溫度為-3℃，-10號柴油。表3薩巴德循環(huán)相關(guān)參數(shù)其中，循環(huán)平均壓力可用式(1)表示：式(1)中，壓縮比εc＝17，可逆絕熱指數(shù)κ＝1.4，點1的狀態(tài)為：pa＝1.85bar，ta＝300k；空氣定容比熱容cv＝0.718kj/(kg·k)，空氣定壓比熱容cp＝1.005kj/(kg·k)，研究與計算結(jié)果：i、已知p3＝p4＝128bar，定壓預(yù)脹比ρ＝2。計算循環(huán)吸收熱量qb：點1到點2為定熵過程：將相應(yīng)數(shù)據(jù)帶入t2＝taεcκ-1，得到t2＝932k。將相應(yīng)數(shù)據(jù)帶入p2＝paεcκ，得到p2＝97.7bar。點2到點3為定容過程：將相應(yīng)數(shù)據(jù)帶入得到t3＝1221k。最高溫度t4＝ρt3＝2×1221k＝2442k。計算進(jìn)氣比體積：由則va＝targ/pa，rg為氣體常數(shù)，計算得到v4＝ρ×v3＝0.0548m3/kg，點4到點5為定熵過程：將相應(yīng)數(shù)據(jù)帶入得到t5＝1038k。q23＝cv(t3-t2)＝0.718(1221-932)kj/kg＝207.5kj/kg。q34＝cp(t4-t3)＝1.005(2442-1221)kj/kg＝1227kj/kg。qb＝q23+q34＝(207.5+1227)kj/kg＝1434.5kj/kg。循環(huán)放熱量：q2＝cv(t5-t1)＝0.718(1038-300)kj/kg＝530kj/kg。循環(huán)熱效率：循環(huán)平均壓力pt：分別將ηt、qb、ta帶入式(1)中，得到pt＝20.6bar。點5到點1為定容過程：將相應(yīng)數(shù)據(jù)帶入得到p5＝6.4bar。ii、已知p3′＝p4′＝140bar。計算循環(huán)吸收熱量qb′。點1、點2和點5理想氣體狀態(tài)以及研究與計算結(jié)果與i相同，本發(fā)明理論研究內(nèi)容或?qū)嶒炑芯績?nèi)容只涉及缸內(nèi)熱力循環(huán)過程，并不涉及排氣系統(tǒng)的任何改變。由p4′v4′κ＝p5v5κ，計算得到點2到點3′為定容過程：由得到t3′＝1335.5k。點3′到點4′為定壓過程，得到t4′＝ρ′t3′＝2497k。點2到點3′為定容過程，則q′b23′＝cv(t3′-t2)＝0.718(1335.5-932)kj/kg＝290kj/kg。點3′到點4′為定壓過程，則q′b3′4′＝cp(t4′-t3′)＝1.005(2497-1335.5)kj/kg＝1167kj/kg。則q′b＝q′b23′+q′b3′4′＝(290+1167)kj/kg＝1457kj/kg。循環(huán)熱效率循環(huán)平均壓力pt′：分別將η′t、q′b、ta帶入式(1)中，得到pt′＝21.1bar。iii、已知p3″＝p4″＝160bar。計算循環(huán)吸收熱量q″b。點1、點2和點5理想氣體狀態(tài)以及研究與計算結(jié)果與i相同。由p4″v4″κ＝p5v5κ，計算得到點2到點3″為定容過程：由得到t3″＝1526k。點3″到點4″為定壓過程，得到t4″＝ρ″t3″＝2594k。點2到點3″為定容過程，則q″b23″＝cv(t3″-t2)＝0.718(1526-932)kj/kg＝426kj/kg。點3″到點4″為定壓過程，則q″b3″4″＝cp(t4″-t3″)＝1.005(2594-1526)kj/kg＝1073kj/kg。則q′b＝q″b23″+q″b3″4″＝(426+1073)kj/kg＝1499kj/kg。循環(huán)熱效率循環(huán)平均壓力pt″：分別將η″t、q″b、ta帶入式(1)中，得到pt″＝22.1bar。iv、已知p3″′＝p4″′＝170bar。計算循環(huán)吸收熱量q″′b。點1、點2和點5理想氣體狀態(tài)以及研究與計算結(jié)果與i相同。由p4″′v4″′κ＝p5v5κ，計算得到點2到點3″′為定容過程：由得到t3″′＝1622k。點3″′到點4″′為定壓過程，得到t4″′＝ρ″′t3″′＝2644k。點2到點3″′為定容過程，則q″′b23″′＝cv(t3″′-t2)＝0.718(1622-932)kj/kg＝495kj/kg。點3″′到點4″′為定壓過程，則q″′b3″′4″′＝cp(t4″′-t3″′)＝1.005(2644-1622)kj/kg＝1027kj/kg。則q″″b＝q″′b23″′+q″′b3″′4″′＝(495+1027)kj/kg＝1522kj/kg。循環(huán)熱效率循環(huán)平均壓力p″′t：分別將η″′t、q″′b、ta帶入式(1)中，得到p″′t＝22.6b。表4為四種軌壓下定壓預(yù)脹比、循環(huán)吸熱量、循環(huán)熱效率及循環(huán)平均壓力等計算結(jié)果的對照。表4四種軌壓下計算結(jié)果對照表iiiiiiivqb(kj/kg)1434.5145714991522ρ21.871.701.63ηt(％)63.0563.6264.6465.18pt(bar)20.621.122.122.6通過上表可以看出，隨著共軌壓力的升高，循環(huán)吸熱量qb、循環(huán)熱效率ηt以及循環(huán)平均有效壓力pt均上升，而定壓預(yù)脹比ρ降低。圖7為軌壓對氣缸內(nèi)壓力的影響，由圖7可看出，四個不同目標(biāo)軌壓下缸內(nèi)燃燒壓力、溫度和循環(huán)熱效率等隨著軌壓的提升，缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力和燃燒溫度提升，燃燒初始期其放熱率增加而且放熱率峰值升高，后期的放熱率減小，燃燒時間縮短。這主要是由于共軌目標(biāo)軌壓的升高致使供油泵供油壓力升高，供油時間延長，從而導(dǎo)致實際軌壓升高，噴油壓力和噴油率隨之增加，噴油率和噴油壓力的升高，縮短了燃油的噴射持續(xù)時長，同時更高質(zhì)量的可燃混合氣的形成過程和燃燒過程又縮短了擴(kuò)散燃燒期，這些使得柴油機(jī)缸內(nèi)的燃燒更近似于定容燃燒，提升了柴油機(jī)的循環(huán)熱效率，氣缸內(nèi)流動的動能提升，流動動能提升能夠改善油氣混合，從而提升缸內(nèi)燃燒壓力和溫度。基于本發(fā)明高壓共軌式柴油機(jī)的設(shè)計方法，本發(fā)明還提供了一種高壓共軌式柴油機(jī)，其包括供油泵總成、噴油器總成、共軌總成和電控單元。其中，供油泵總成包括高壓供油泵、輸油管道和功能閥件。高壓供油泵與輸油管道連接，功能閥件安裝在輸油管道上。電控單元控制供油泵總成、噴油器總成和共軌總成動作。供油泵總成將燃油壓縮到所需的壓力，并將燃油輸送到共軌總成中，等待分配到相應(yīng)噴油器總成中。進(jìn)一步地，共軌總成包括共軌管、壓力限制器、限流器和共軌壓力傳感器。共軌管的一端通過壓力限制器與到油箱的回油管連接，限流器和共軌壓力傳感器均與共軌管連接。限流器是為了防止噴油器可能出現(xiàn)的持續(xù)噴油現(xiàn)象，當(dāng)共軌管流出的油量超過最大流量時，限流器將自動關(guān)閉流向相應(yīng)噴油器的進(jìn)油口，停止繼續(xù)噴油。進(jìn)一步地，高壓供油泵內(nèi)部三個泵組件相互以120°間隔角度徑向布置，泵組件被具有一定型線的偏心凸輪驅(qū)動。燃油由三個柱塞交替進(jìn)行壓縮，使系統(tǒng)供油頻率和噴油頻率同步，并且每一轉(zhuǎn)供油三次驅(qū)動扭矩的峰值較低，同時也減小了燃油的壓力波動和驅(qū)動扭矩的波動。采用本發(fā)明計算各參數(shù)時更簡便，計算結(jié)果精度更高，根據(jù)計算得到的參數(shù)設(shè)計出的高壓共軌式柴油機(jī)更精確、更實用。以上所述，僅為本發(fā)明的具體實施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本
技術(shù)領(lǐng)域：
的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以所述權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。當(dāng)前第1頁12