摘 要

随着科学技术的发展和人工智能技术的不断成熟，老式船用柴油机已经无法跟上现代社会生产的步伐。因此，在现代船用柴油机工业中，为了满足柴油机动力、经济和排放等各方面的综合要求，电控柴油机成为主流。其中，现代船舶需要高压共轨电控柴油机，这也是船舶智能制造未来发展的关键。

本文首先分析了高压共轨柴油机喷油电磁阀的结构，详细介绍了其工作过程和原理。其次对喷油过程的脉宽调节做了大量的探讨，通过调节脉宽大小，研究喷油器电磁阀电流控制对喷油量的影响。最后，基于AVL BOOST软件的应用，依靠BOOST的仿真技术程序，对内燃机工作过程进行了仿真。

通过对实验室得出的燃油喷射称量的数据分析，研究分析图，控制变量，以确定当共轨压力和燃料喷射脉冲宽度分别改变时的燃油喷射量。纵向比较给出了电流控制对喷油量的影响，最后得出结论。

关键词：高压共轨；电控柴油机；电磁阀；PWM；AVL BOOST模拟；喷油喷射系统

Abstract

With the development of science and technology and the continuous maturity of artificial intelligence technology, the old marine diesel engine has been unable to keep up with the pace of modern social production. Therefore, in the modern marine diesel engine industry, in order to meet the comprehensive requirements of diesel engine power, economy and emissions, electronically controlled diesel engines have become the mainstream. Among them, modern ships need high pressure common rail electronically controlled diesel engines, which is also the key to the future development of intelligent manufacturing of ships.

In this paper, the structure of injection solenoid valve for high pressure common rail diesel engine is analyzed firstly, and its working process and principle are introduced in detail. Secondly, a great deal of discussion has been made on the pulse width adjustment of the fuel injection process. By adjusting the pulse width to be small, the influence of the current control of the solenoid valve of the fuel injector on the fuel injection quantity has been studied. Finally, based on the application of AVL BOOST software, the working process of internal combustion engine is simulated by means of BOOST simulation technology program.

By analyzing the data of fuel injection weighing obtained in the laboratory, the analysis chart and control variables are studied to determine the fuel injection quantity when the common rail pressure and the fuel injection pulse width are changed respectively. Longitudinal comparison gives the influence of current control on fuel injection quantity, and finally draws a conclusion.

Key words：High pressure common；Electrically controlled diesel engine；Solenoid valve；PWM；AVL BOOST simulation； Fuel injection system

目 录

摘 要 I

Abstract I

第1章 绪论 1

1.1 课题的提出及其研究意义 1

1.2 国内外的相关研究现状 1

1.3 本论文的内容及其结构形式 1

第2章 电磁阀 1

2.1 电磁阀分类 1

2.1.1 主要分类 1

2.2 电磁阀工作原理 1

2.2.1 基本工作原理 1

2.2.2 船用低速柴油机组成 1

2.2.3 电控喷油器电磁阀工作原理 1

第3章 PWM相关内容 1

3.1 PWM简介 1

3.2 PWM在喷油系统中的应用 1

第4章 柴油机仿真相关内容 1

4.1 柴油机仿真假设及基本方程 1

4.1.1 缸内热力过程 1

4.1.2 柴油机性能基本计算公式 1

4.2柴油机仿真分析 1

4.2.1仿真参数设定. 1

4.2.2 柴油机仿真分析 1

4.3 高压共轨喷射系统 1

4.3.1 高压共轨喷射系统结构图 1

4.3.2 喷油器相关计算 1

4.3.3 燃油系统喷射参数比较 1

4.4 高压共轨燃油喷射数据分析 1

4.4.1 燃油系统喷射规律 1

4.4.2 燃油喷射称量实验数据 1

第5章 总结与展望 1

5.1 本论文研究工作总结 1

5.2 研究工作展望 1

参 考 文 献 1

致 谢 1

第1章 绪论

1.1 课题的提出及其研究意义

随着信息技术的不断进步，计算机技术的不断成熟，人工智能技术的不断进步，特别是在航运领域的不断应用中，船用柴油发动机的智能化必将提上日程。从当今社会来看，我们的世界已经进入到了工业4.0时代，2010年5月，我国发布了《中国制造2025》，海洋工程装备和高科技船舶被视为十大重点发展领域，推进步伐加快。2016年3月，中国船级社发布了《智能船舶规范》，引领了智能船舶的发展方向。2017年7月，我国发布了《中国人工智能2.0规划》，将无人驾驶船舶列为特殊发展任务。以上表明，在大数据时代和物联网背景下的船舶行业制造已成为船舶制造和航运领域发展的一种趋势。而船舶柴油机是实现船舶智能制造的关键环节，因此船舶柴油机的智能化发展是大势所趋。是信息技术，物联网技术和计算机技术等方面发展所带来的必然，就当前的智能化水平，结合当代制造工艺水平以及航运行业的未来发展，可知船舶柴油机的智能化发展刚刚起步。

电控柴油机是将电子控制技术、计算机技术和信息处理技术集成到柴油机中而形成的一种新型柴油机。从20世纪70年代开始，柴油机制造商就开始致力于用电子控制技术取代传统机械控制系统。与传统控制相比，电控柴油机具有控制功能多，控制精度高，适应力强，调试方便等优点。尤其是具有的控制精度高和信息处理能力强这两大优点，是传统机械所远远不及的。传统柴油机到电控柴油机的转变，是原来由机械装置控制，对柴油机性能有直接影响的正时环节都被电控装置所取代，实现了柴油机燃油喷射的电子控制，柴油机起动的电子控制以及气阀开闭的电子控制。取消了凸轮轴及驱动机构，传统的高压油泵，排气阀驱动机构以及调速机构。使柴油机的结构变得更简单，重量也由此更轻。

电控柴油机还有以下优点：1.足够的可靠性，主要体现在延长柴油机的寿命和维修周期，一般情况下电控柴油机的维修周期在五年以上。2.具有多种操作模式：如经济模式，安全模式，低排放模式等。3.其具有完善的状态监测和控制系统：可以灵活监测柴油机故障和诊断。4.具有很强的运转适应性：主要在柴油机喷射系统中，通过对喷射次数的最佳控制，使柴油机更加环保；通过对燃油压力的最优控制，使低速柴油机的油耗率更低；通过精确控制燃油喷射量，使柴油机运行更稳定。所以，电控柴油机通过精确地控制，能减少油耗，避免浪费石油资源，为能源的可持续发展做出了贡献，同时减少尾气排放，很大程度上减少了空气污染，还给了人类一片湛蓝的天空。

柴油发动机的高压共轨系统是20世纪70年代开发的一种新型燃油喷射系统，在柴油机高压油泵、压力传感器和电子控制单元组合成的闭合系统中将其喷射过程与喷射压力的产生分开。通过分开喷油压力生成过程，它可以在很大的范围内改变喷射时间和喷射压力，实现柴油机的电子控制，大大提高了喷油效率与操作精度^【1】。也就是说，柴油机油泵先将所需燃料和足够的喷射压力供应到共用供油管，然后共用供油管执行油压调节后将燃料供给喷油器。然后，共轨喷油器由电磁阀调节，以实现对燃料供应的精确控制。与传统燃料喷射系统中燃料供应系统相比，公共的供油管道中压力与发动机转速无关,这可以大大减小燃料供应压力与发动机转速变化之间的关系，并且还有效地降低柴油发动机的燃料消耗，从而降低了柴油机的尾气排放。其中柴油机喷油器电磁阀是一种用电来控制阀门的一种设备，通过改变电流大小，来产生不同的电磁力，从而来实现不同的工作要求。这是实现我国低速柴油机燃油喷射系统精确控制燃油喷射的必要部件。当然其电流控制就成了研究的难点。

通过对高压共轨柴油机电磁阀电流控制的初步研究，分析了高压共轨技术中电磁阀电路的适应性，结合实验数据规律，找到最佳的电流分布，以实现柴油发动机机的最大功率。这对完善我国的柴油机高压共轨技术体系有着重要的现实意义，也对环境保护有着不凡的作用。

1.2 国内外的相关研究现状

随着社会主义现代化建设，人类生活水平的不断得到提高，并不局限于不顾环境污染而一味地发展经济，我们对自身所处的环境有了越来越多的关注，也更加具有环保意识，想要拥有一个美好的生活环境。由于现代工业的快速发展，汽车数量不断增加，汽车尾气排放和噪声等环境污染日益严重，大量污染物的排放对人们身心都造成了不好的影响，环境保护形势严峻。而且，近年来，世界环境保护的声音越来越强，各国先后制定了一系列日趋严格的排放法规。为了达到降低排放的目标，以及满足人类现代化工业生产需求，从根源去解决环境污染。针对汽车，船舶尾气污染，将传统的柴油机进行改进优化，减低排放，减少油耗，提高效率。因此，电控高压共轨技术在柴油发动机领域中起发挥着越来越重要的作用。

在世界范围内，国外因起步早而拥有较为领先的高压共轨技术，其中日本、德国这两个国家最具代表性。早在二十世纪九十年代初，日本电装公司就发表了相应的论文，提出了高压共轨系统概念，然后他们花费大量精力和资金来研发高压共轨技术。之后用于乘用车的高压共轨系统被德国博世公司推出，大大引领了全球对高压共轨技术研究的风尚。经过几十年的发展，国外在这一块具有明显的领先优势。

随着国家制定排放标准的提高，我国对柴油机先进共轨技术的研究势在必行。国内很多研究机构，大学，以及相关企业都响应国家号召，培养人才，自主研发，取得了不错的研究成果，还发表了多项专利。但因我国起步较晚，缺乏相应人才，导致我们与国外领先的技术相比仍有不足。国内电控柴油机系统仍存在诸多问题，其中制造工艺不成熟，燃油品质难以保证，柴油机后处理技术水平不高仍是挑战。但我相信，这些会随着时间而改变，并将很快得到解决。

总体上来说与国外先进技术仍存在差距，但我国在短短时间内从无到有已经迈出了一大步，未来的技术赶超也将很快实现。

1.3 本论文的内容及其结构形式

本文主要研究共轨柴油机仿真模型，并基于柴油机模型进行工作过程的仿真计算，研究其燃烧特性，通过实验数据变量分析得出结论。下面分别对本论文的结构形式进行概括性地论述。

第1章：绪论。首先，提出了电控高压共轨柴油机喷油器电磁阀电流控制研究课题和研究意义。据初步统计，全球80%的贸易依赖于船舶运输，船舶是一种载运工具，它依靠柴油机提供的动力，将人跟货物进行空间上的转移。随着“一带一路”政策的实施，海上丝绸之路也愈加繁荣，海上贸易也将越来越频繁。这也就加大了船舶柴油机与车用柴油机的使用和尾气排放的增加，加剧了环境污染。这就越来越不能满足人类正常生产需求以及于人们心中美好的环境梦想相悖。当然，时代变化，意味着信息技术，物联网技术和计算机技术等各方面快速发展，所以目前新型的电控柴油机成为人们研究重点，这里以现拥有的高压共轨技术基础上，对其喷油器电磁阀的电流控制进行研究。其次，通过查看文献，检索论文、期刊，收集国内外在高压共轨技术上的研究内容，对目前国内外的研究现状进行分析。找到目前国内在这方面落后的部分，去详细了解国外在共轨技术中燃油喷射的领先技术及研究。最后，简单介绍本论文的研究方法以及内容。

第2章：介绍柴油机喷油器燃油电磁阀的知识。解释电磁阀的基本原理并介绍其分类和特点。主要分析了船用低速柴油机电控喷油器的结构，对其中电磁铁材料进和功能进行论述，以及对两位三通阀芯中的“两位”“三通”进行阐述。最后，最重要的是解释电控柴油机喷油器电磁阀的工作原理，具体说明改变通电状态内部结构的变化过程。

第3章：研究PWM技术在柴油机燃油喷射系统中的应用。采用PWM 技术设计了喷油阀驱动控制电路，并对喷油器电磁阀的作用机理进行了具体分析。将原始的模拟信号数字化，精确控制喷油脉冲宽度，调节电磁阀通电时间，结合实验数据去研究喷射特性。

第4章：在AVL BOOST软件平台上确定电控柴油机仿真模型，以其替代试验台架的柴油机进行柴油机工况实验，从而获得动力，排放等性能参数。利用AVL BOOST软件对柴油机工作过程进行计算，预测柴油机的性能参数。最后，通过精确地电磁阀电流控制，控制燃油喷射速率，喷射束数以及喷射时间，来进一步减少油耗，减少尾气排放。通过实验研究，统计不同轨道压力和脉冲宽度下的燃油喷射量，并分析燃油喷射称量的实验数据，得到了喷油脉冲宽度以及共轨压力对柴油机喷油性能所产生的影响。

第5章：论文结论的总结和对未来的展望。对本论文所研究的领域进行简单总结，并根据在研究工作中不断积累的经验，对本课题研究工作的进一步深入提出具有重要意义的参考性建议。

第2章 电磁阀

科学技术的发展使工业生产日益自动化，生产经营逐渐用机器取代人力资源。我国船舶低速柴油发动机电控燃油喷射系统需要精确控制燃油喷射，以实现最佳效率。而普通的阀件明显达不到要求，所以电磁阀应运而生。电磁阀是一种用电来控制阀门的一种设备，通过改变电流大小，来产生不同的电磁力，从而来实现不同的工作要求。

电磁阀是用于控制液体（水，油等）的自动化部件，它适用于多种电路，可以精确控制所需介质的流动速度，方向和流量等参，灵活性较强。在船舶低速柴油机上的应用，其燃油系统中的电磁阀是根据电子信号来对控制单元（ECU）进行准确调整，电磁阀应用在控制系统中来控制燃油在气缸内的喷射，实现了喷油提前角和喷油量的双重控制。这可以在不同工作条件下实现柴油机的精确喷射量和持续时间，这极大地提高了电子控制燃料喷射系统的灵活性^【2】。

2.1 电磁阀分类

2.1.1 主要分类

1) 直动式电磁阀：

原理：直动式电磁阀处于通电状态时，内部的电磁线圈就会产生相应电磁力，这时在电磁力作用下会将阀门打开；随后，在处于断电情况时，电磁力将会消失，此时阀门会在弹簧压力的作用下关闭。

特点：直动式电磁阀能在在真空、负压等条件下工作，但是其直径相比来说较小。

2) 先导式电磁阀：

原理：先导式电磁阀处于通电状态时，产生电磁力，接着先导孔在电磁力的作用下会打开，导致上腔室的内部压力会有所下降，在关闭物周围形成较大压差（上面压力小，下面压力大），所以介质（流体）压力将会推动关闭物向上移动，这时其阀门会被打开；当期处于断电状态时，会在弹簧力最用下去把先导孔关闭，形成上下压力差（上面压力大，下面压力小），这时会在介质(流体)压力的作用下，使关闭件迅速向下移动，阀门就会关闭。

特点：结构较复杂，且动作频率不高；先导阀体积小，电磁作用力较小，所以功耗较低；因为电磁控制部分无法影响主阀芯行程，所以线圈不会因为主阀芯卡死而烧坏，能成事业怀大的流体压力，适应性强。

3) 分步直动式电磁阀：

原理：它是组合式电磁阀，将前面两种电磁阀的优点整合，取其精华而形成的的优良电磁阀。它的作用规律不仅与是否通电有关，还取决于出口与入口之间的压力差。当给它通电时，有压差会在电磁力作用下使主阀下面的压力升高，而上腔的压力会下降，从而产生主阀上下压力差，所以在压差作用下，主阀会被向上顶开；没有压差会在机械运动作用下直接打开阀门。但是断电情况下与出入口压力无关，断电的话电磁力消失，关闭阀件会在弹簧作用力下向下移动，这时阀门就会关闭。

特点：分步直动式电磁阀工作压力的工作压力弹性，适合各种压力条件的工作环境。但相比来说，其工作功率较大，应注意安装。

2.1.2 功用分类

1. 比例式电磁阀：即根据输入的电流大小不同，输出的压力就会不同，所以当改变其输入电流时，就会改变电磁阀的输出压力，所以称为比例是电磁阀。该电磁阀要用于液压系统。

2. 开关式电磁阀：顾名思义，其起到开关的作用，当其内部有电流流过时，电磁阀就会控制线路或油路的通断状态，具体状态由实际线路或油路形态不同而有所改变。

2.1.3 控制形式分类

1). 常开式电磁阀：在断电的状态下，阀门会保持打开状态，只有当它通电时，阀门才会关闭。

2). 常闭式电磁阀：在断电的状态下，阀门会保持关闭状态，只有当它通电时，阀门才会打开。

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