柴油機(jī)高壓共軌燃油系統(tǒng)――高速電磁閥的控制及其測(cè)試系統(tǒng)研究與

1、東南大學(xué)博士學(xué)位論文柴油機(jī)高壓共軌燃油系統(tǒng)高速電磁閥的控制及其測(cè)試系統(tǒng) 研究與開發(fā)姓名:張靖申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別:博士專業(yè):精密儀器及機(jī)械指導(dǎo)教師:翟羽健20030501東南大學(xué)博士學(xué)位論文摘要作為滿足柴油機(jī)排放、節(jié)能和提高性能的重要途徑,柴油機(jī)電子控制技術(shù)已成為當(dāng)前柴油機(jī)技 術(shù)的重要發(fā)展領(lǐng)域。其中,高壓共軌式柴油機(jī)電控燃油系統(tǒng)就是當(dāng)前研究的新技術(shù)之一。共軌式燃 油系統(tǒng)是最近十幾年來發(fā)展起來的新型燃油系統(tǒng),其噴油壓力與噴油量無關(guān),也不受發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷和 轉(zhuǎn)速的影響,能根據(jù)要求任意改變壓力水平,使NOx和顆粒排放都大大降低。在柴油機(jī)的噴射控制 中,高速?gòu)?qiáng)力電磁閥作為系統(tǒng)的執(zhí)行元件是關(guān)鍵性器件,共軌式燃油系統(tǒng)

2、通過高速電磁閻實(shí)現(xiàn)對(duì)柴 油機(jī)的預(yù)噴油量、主噴油量、預(yù)噴聞隔、噴油正時(shí)和噴油速率等參數(shù)的精確柔性控制,高速電磁閥 的特性直接影響燃油噴射系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)。本文結(jié)合一汽集團(tuán)柴油機(jī)高壓共軌噴油系統(tǒng)的研究課題,針對(duì)噴油器高速?gòu)?qiáng)力電磁閥及其控制 技術(shù)進(jìn)行了研究,取得了具有實(shí)用價(jià)值的成果和技術(shù)數(shù)據(jù),開發(fā)了相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器及測(cè)試設(shè)備,并投 入使用。(1從工程應(yīng)用和控制的角度建立了具實(shí)用價(jià)值的高速電磁閥靜態(tài)及動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型,電磁閥靜 態(tài)模型對(duì)電磁閥的結(jié)構(gòu)、工作機(jī)理和參數(shù)設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義;電磁閻動(dòng)態(tài)模型對(duì)高速電磁閥的動(dòng)態(tài) 特性及其驅(qū)動(dòng)器研制具有指導(dǎo)意義。(2針對(duì)高壓共軌噴油器電磁閻的工作性質(zhì)和環(huán)境特點(diǎn),研制開發(fā)了具

3、有多種參數(shù)調(diào)節(jié)、可實(shí) 現(xiàn)最佳電磁閥驅(qū)動(dòng)波形的驅(qū)動(dòng)器,提出了適用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)境條件下的電磁閥驅(qū)動(dòng)器智能控制方 案,提高了驅(qū)動(dòng)器的穩(wěn)定性和適應(yīng)性;提出了升壓放電配合功率吸收提高電磁能充放速度的技術(shù)方 法,解決了高速電磁閥開關(guān)過程中電磁能快速加載和卸載的技術(shù)問題,使驅(qū)動(dòng)器在有效提高電磁閥 開關(guān)速度的同時(shí),不降低自身的效率。(3為能準(zhǔn)確得到電磁閥的定量參數(shù),以及為電磁閥的設(shè)計(jì)和控制提供依據(jù)和參數(shù)評(píng)定,研制 了電磁閥靜態(tài)特性測(cè)試系統(tǒng)。介紹了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、原理及數(shù)據(jù)采集方案,提出了在輸出電流大范圍 調(diào)整時(shí)保證脈沖電流發(fā)生器電流輸出精度的技術(shù)方法。針對(duì)目前使用的電磁閥樣品,根據(jù)電磁閥測(cè) 試系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制了

4、電磁閥靜態(tài)特性曲線,給出了分析結(jié)果并驗(yàn)證了電磁閥模型的有效性。關(guān)鍵詞:柴油機(jī)。高壓共軌,噴油器。高速電磁閥,噴射控制查墮查蘭苧主蘭j至蘭L墨一 Research And Development on Control and Test System ofHighspeed Solenoid Valve For HighpressureCommon RailInjecting System of Diesel EngineAbstractAt present,electronic control technology is a key area of diesel engine developme

5、nt, and Common Rail(cRinjection system is one of the advanced electronic control injection system.Through the usage of a highspeed powerful switching Solenoid Valve(SVof CR system,the flexible and precise control of injection quantity,injection tinting and injection rate can be realized.A high.speed

6、 powerful solenoid valve and its control technique based highpressure common rail injection system are researched in this doctorate paper.The investigation achievements and technical data that are of practicality value are presented.and corresponding electronic drive unit(EDUand test equipment are a

7、lso developed.(1Practical static and dynamic mathematic models of solenoid valve are provided in this paper.The static model is of advantage to the structure,mechanism design and parameter optimization of solenoid valve;and the dynamic model is applied in the research of solenoid valve dynamic chara

8、cter and EDU development.(2A multiparametersadjustable EDU with optimizeshaped current output is developed.The paper proposes a power absorb principle and a boost charge method used in the EDU,which can promptly loading and unloading magnetic energy of solenoid with great efficiency.The Paper also i

9、ntroduces an intelligent EDU control strategy that can greatly improve the stability and adaptability of EDU when applied in vehicle of diesel engine.(3As a means of acquiring precise numerical parameters used in design and control evaluation of solenoid valve,a static performance test system of sol

10、enoid valve is developed. A technical strategy of implementing output precision of solenoid valve drive current with the range widely adjustable is carried out,which is applied in pulse current generator of the test system.Relying on the static performance chart obtained from developed test system,t

11、he paper gives the analyses resultsand verifies the validity ofsolenoid valve mathematic model.Keywords:Diesel engine High-pressure common-rail Injection systemHighspeed solenoid valve Injection control東南大學(xué)學(xué)位論文獨(dú)創(chuàng)性聲明及使用授權(quán)的說明一、學(xué)位論文獨(dú)創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究 成果。盡我所知,除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外,論文中不

12、包含其他人已經(jīng)發(fā) 表或撰寫過的研究成果,也不包含為獲得東南大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用 過的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明 并表示了謝意。簽名:籀翁日期:苧墮:塞仝 .二、關(guān)于學(xué)位論文使用授權(quán)的說明東南大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)信息研究所、國(guó)家圖書館有權(quán)保留本人所送交學(xué)位論文的 復(fù)印件和電子文檔,可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論文。本人電子文檔的內(nèi) 容和紙質(zhì)論文的內(nèi)容相一致。除在保密期內(nèi)的保密論文外,允許論文被查閱和借閱,可 以公布(包括刊登論文的全部或部分內(nèi)容。論文的公布(包括刊登授權(quán)東南大學(xué)研 究生院辦理。始互豇翮簽名:/緝縋吼巡【堡查墮查蘭

13、堡.!蘭堡壘苧 一 .一 第一章緒論1.1課題研究的應(yīng)用背景與意義11.1汽車排放法規(guī)日趨嚴(yán)格隨著世界范圍內(nèi)的能源危機(jī)及環(huán)境污染的日益嚴(yán)重,人們對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)在節(jié)能和排放方面的要 求日趨嚴(yán)格。柴油機(jī)的顯著優(yōu)點(diǎn)就是起油耗低。除此之外,柴油機(jī)還有扭矩特性好,可靠性高,使 用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn),并且柴油機(jī)排氣中CO,HC,S02等的排量相當(dāng)?shù)汀５裼蜋C(jī)中顆粒排放相當(dāng)高, 是汽油機(jī)的幾十倍甚至更多。在一些城市中,柴油機(jī)顆粒排放占54%,而汽油機(jī)排放顆粒僅占O 8 %1591。因此,世界各國(guó)在采用柴油機(jī)汽車的同時(shí)對(duì)其排放提出了越來越高的要求,各汽車廠商也對(duì) 柴油機(jī)汽車采取了越來越先進(jìn)的控制技術(shù)來控制其污染物的生

14、成和排放。今天,柴油機(jī)不僅在貨車市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)中表現(xiàn)卓越,也步入了轎車領(lǐng)域。燃油價(jià)格的持續(xù)升高和 公眾環(huán)境意識(shí)的日益提商推動(dòng)了經(jīng)濟(jì)性優(yōu)越和低污染柴油機(jī)的普及。在這種環(huán)境下.車jj柴油機(jī)今 后發(fā)展最重要的問題不再是比功率.而是耍顯著降低燃油耗、噪聲和廢氣排放。20世紀(jì)7080年代歐洲汽車的排放標(biāo)準(zhǔn)是比較寬松的。1993年歐洲聯(lián)盟開始實(shí)施相對(duì)嚴(yán)格的 排放法規(guī)ECE R 83Ol,即歐l法規(guī),或稱MVEGl。該法規(guī)是對(duì)原ECE R8300法規(guī)的修訂, 它們的不同表現(xiàn)在測(cè)試方法的改進(jìn)、CO和HC排放標(biāo)準(zhǔn)的提高等方面,數(shù)值見圖1.1中歐1法規(guī)所 對(duì)應(yīng)量值(對(duì)于總質(zhì)量不超過2500kg的轎車與輕型貨車。其對(duì)柴

15、油車排放的要求只是在汽油車排放 的標(biāo)準(zhǔn)上加上對(duì)柴油車微粒(PM排放量的限制。其后ECE R83oo又進(jìn)行了兩次修訂。 ECE R8303即歐2法規(guī),對(duì)柴油車HC+NOx排放的限值降低為歐l法規(guī)的71%9l%,PM排放的限制更 是比歐l法規(guī)降低了將近一半。按照歐盟的計(jì)劃,2000年歐3法規(guī)對(duì)CO,HC+NOx和PM的限值 都降低到了歐2法規(guī)的96%以上,其中PM的限制變化最大,接近60%。而到2005年,歐4法規(guī) 規(guī)定各污染物要在歐3法規(guī)限值的基礎(chǔ)上再減少50%左右f見圖1.1。固l-l歐洲柴濁機(jī)轎車與輕型貨車排放法規(guī)1.1.2電子控制技術(shù)應(yīng)用于柴油機(jī)作為滿足柴油機(jī)排放、節(jié)能和提高性能的重要途徑

16、,柴油機(jī)電子控制技術(shù)已成為當(dāng)前柴油機(jī)技 術(shù)的重要發(fā)展方向。柴油機(jī)電子控制以其快速靈活的特點(diǎn)。保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和精確性,并可根 據(jù)需要采用不同的控制算法和調(diào)節(jié)規(guī)律,從而突破了傳統(tǒng)機(jī)械調(diào)節(jié)系統(tǒng)速度慢和適應(yīng)性差的弱點(diǎn)。 電控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)多參數(shù)的采集、管理,可提高系統(tǒng)的控制水平。同時(shí),電控系統(tǒng)故障診斷的 應(yīng)用提高了系統(tǒng)的可靠性。 降低排放的關(guān)鍵是進(jìn)一步完善柴油機(jī)的燃燒過程,即完善柴油機(jī)中空氣、燃油的混合和燃燒問東南大學(xué)博士學(xué)位論文佳效果,因此提高噴油系統(tǒng)的性能就成為提高柴油機(jī)整體性能的關(guān)鍵措施現(xiàn)在,汽車柴油機(jī)電子控制的內(nèi)容主要有最佳噴油量控制,最佳噴油正時(shí)控制、噴油壓力控制、 噴油率曲線類型控制

17、、增壓壓力控制、電熱塞通電時(shí)間控制和自診斷等,其中最重要的是燃油系統(tǒng) 的控制。11.3燃油噴射壓力不斷提高提高燃油噴射壓力,可以改善贏噴式柴油機(jī)的燃油霧化效果,促進(jìn)混合氣的形成和充分燃燒, 降低油耗和排放。十幾年來,提高噴油壓力一直被作為直噴式柴油機(jī)降低排放的關(guān)鍵手段。目前的 高壓燃油系統(tǒng)主要有共軌系統(tǒng)、電控分配泵、泵噴嘴等。共軌式燃油系統(tǒng)是最近十幾年來發(fā)展起來的第三代燃油系統(tǒng),其噴油壓力與噴油量無關(guān),也不 受發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷和轉(zhuǎn)速的影響,能根據(jù)要求任意改變壓力水平,使NOx和顆粒排放都大大降低。共軌 燃油系統(tǒng)能通過高速電磁閥實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)噴油量、主噴油量、預(yù)噴間隔、噴油正時(shí)和噴油速率的精確柔 性控制。目

18、前,各國(guó)已開始研制噴油壓力達(dá)到150MPa160MPa的第二代共軌式燃油噴射系統(tǒng),預(yù) 計(jì)噴油壓力將來可能突破180MPa。據(jù)估計(jì),到2010年,將有90%的柴油機(jī)采用共軌式燃油系統(tǒng)。泵噴嘴系統(tǒng)是一個(gè)帶電磁閥控制組件的單體系統(tǒng),通過機(jī)械液壓蓄壓閥的控制,可實(shí)現(xiàn)分段 式預(yù)噴射,是目前噴射壓力最高的系統(tǒng)。圖I.2所示為三種汽車噴射系統(tǒng)的比較,通過比較可以看出,共軌系統(tǒng)具有較高的技術(shù)和經(jīng)濟(jì) 優(yōu)勢(shì)。 噴射壓力預(yù)噴射噴油定時(shí)裂活性(多點(diǎn)噴射1盤動(dòng)帆澄計(jì),景轡性油桑囅礎(chǔ)系統(tǒng)成奉乜括發(fā)動(dòng)饑總哦;古 。 進(jìn)+表示。好 o喪示中”一喪示“壁”圖I-2汽車噴射系統(tǒng)的比較西歐轎車市場(chǎng)中集油噴射系統(tǒng)所占份額 圖I-3西

19、歐轎車柴油機(jī)市場(chǎng)噴油系統(tǒng)比例電子控制技術(shù)和高壓噴射技術(shù)帶動(dòng)了直噴式柴油機(jī)的發(fā)展。直噴式柴油機(jī)較非直噴式柴油機(jī)有一2一塞童一更高的效率,但相對(duì)非直噴式柴油機(jī)而言,直噴式柴油機(jī)存在噪聲火、顆粒和No#排放鬲的l司題-因此應(yīng)用相對(duì)較晚。隨著燃油噴射研究的進(jìn)展和相關(guān)產(chǎn)品的出現(xiàn),特別是共軌式噴油系統(tǒng)出現(xiàn)以后, 直噴式柴油機(jī)在提高升功率、降低振動(dòng)和噪聲、減少排放等方面取得了進(jìn)展。圖I-3所示為19962004年西歐轎車市場(chǎng)柴油機(jī)直噴化以及共軌噴油系統(tǒng)所占比例的增加。1.1.4我國(guó)汽車污染排放日益嚴(yán)重我國(guó)對(duì)柴油機(jī)微粒排放控制起步較晚,標(biāo)準(zhǔn)也較松散。隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,汽車的生產(chǎn)量和社 會(huì)保有量也迅速增長(zhǎng),特

20、別是一些大城市的增長(zhǎng)速度更是驚人。所以,在我國(guó)(尤其是一些較大的 城市中汽車的尾氣排放問題也變得十分突出。政府根據(jù)中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)法和中華 人民共和國(guó)大氣污染防治法制定了一系列旨在控制汽車排放污染的標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī),將分階段逐步實(shí) 施執(zhí)行。攝近正式頒布的GBl4761-99汽車排放污染物限值及測(cè)試方法于2000年1月1日正式 實(shí)施。GBl769卜_99壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)和裝用壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的車輛排氣污染物限值及測(cè)試方法于2001年1月1日正式實(shí)施。由于我國(guó)目前城市道路和車流密度與歐洲當(dāng)時(shí)情況相近,因此上述標(biāo)準(zhǔn)等效 采用聯(lián)合國(guó)歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)(ECER49關(guān)于壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)及裝備壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的汽車污染物排放

21、認(rèn) 證的統(tǒng)一條款法規(guī)(1993年12月1日頒布的全部技術(shù)內(nèi)容p。1.1.5發(fā)展我國(guó)柴油機(jī)新技術(shù)具有重要意義目前,發(fā)展汽車柴油機(jī)不僅可以緩解我國(guó)的能源危機(jī),而且可以有效地保護(hù)人類賴以生存的自 然環(huán)境:同時(shí)可以填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白。逐步縮短與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距。共軌式電控燃油噴射系統(tǒng)代表了目前電噴技術(shù)的最新技術(shù)和今后的發(fā)展方向。共軌系統(tǒng)目前已 在歐美和日本的部分新開發(fā)機(jī)型上應(yīng)用,而國(guó)內(nèi)該系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化開發(fā)才剛剛開始,目前國(guó)內(nèi)尚無成 熟的柴油機(jī)電控共軌噴油系統(tǒng)投產(chǎn).因此,共軌式電控燃油噴射系統(tǒng)的研究有助于填補(bǔ)我國(guó)在柴油 機(jī)燃油噴射技術(shù)研究及產(chǎn)品的空白,對(duì)減少我國(guó)柴油機(jī)的污染排放,提升我國(guó)的柴油機(jī)的技術(shù)水平 具有重

22、要的意義。1.2國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)1.2.1柴油機(jī)電子控制技術(shù)的發(fā)展在歐洲轎車柴油機(jī)發(fā)展過程中,歐2階段開始引入了電控技術(shù),使發(fā)動(dòng)機(jī)工作得到優(yōu)化。為了 改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)在低速時(shí)的響應(yīng)特性,變幾何截面的渦輪增壓技術(shù)得到應(yīng)用。當(dāng)轎車柴油機(jī)進(jìn)入歐3階 段,則發(fā)動(dòng)機(jī)廣泛地采用高壓噴射技術(shù)、四氣門技術(shù)和預(yù)噴射技術(shù),以把燃燒噪聲降到可接受的程 度。到2000年,直噴式柴油機(jī)的比例已提升到85%,幾乎目前所有歐洲轎車柴油都采用渦輪增壓、 帶中冷、氧催化劑、廢氣再循環(huán)技術(shù)。為了降低噪聲,還引入了雙彈簧噴油器和預(yù)噴射技術(shù)。滿足 歐4嚴(yán)格排放標(biāo)準(zhǔn)的研發(fā)工作目前已開始,需要用到排氣后處理技術(shù),如采用顆粒過濾器及采用除 NOx

23、催化劑(DeNOx。圖l-4所示為轎車柴油機(jī)不同排放標(biāo)準(zhǔn)階段的實(shí)施技術(shù)。對(duì)重型車用柴油機(jī)來說,要達(dá)到歐2排放標(biāo)準(zhǔn),需采用可調(diào):霄的燃燒特性、渦輪增壓中冷技術(shù)、 遲后噴射定時(shí)、采用高壓噴射等措施。如要達(dá)到歐3排放標(biāo)準(zhǔn),則需要求電控噴射系統(tǒng)有140MPa -160MPa的噴射壓力、低渦流燃燒系統(tǒng)、采用部分EGR系統(tǒng)等技術(shù)。歐洲從1999年年初己開始討 論到2005年和2008年將要實(shí)旅的歐4和歐5排放標(biāo)準(zhǔn)。這將需要采用排氣后處理技術(shù),即要用顆 粒過濾器和/或帶DeNOx催化劑。圖l一5所示為重型柴油機(jī)不同排放標(biāo)準(zhǔn)階段降低排放的技術(shù)措旃。.3.查查查蘭堡圭蘭竺壘蘭 一一一一 圖I-4轎車柴油機(jī)不同排

24、放標(biāo)準(zhǔn)階段的實(shí)施技術(shù) 圖l5重型柴油機(jī)不同排放標(biāo)準(zhǔn)階段降低排放的技術(shù)措施1.2.2國(guó)外柴油機(jī)電控共軌噴油系統(tǒng)發(fā)展基本情況柴油機(jī)噴油系統(tǒng)電控技術(shù)經(jīng)歷了三個(gè)階段:時(shí)間控制階段、壓力控制階段、壓力一時(shí)間控制階 段,目前正處于第三階段的發(fā)展與成熟期,電控共軌噴油系統(tǒng)采用壓力一時(shí)間控制方式工作。目前,國(guó)外已有的電控共軌噴射系統(tǒng)盡管結(jié)構(gòu)各不相同,但可分為兩大類:一種是高壓共軌系 統(tǒng),即共軌中壓力等于噴油嘴壓力,共軌壓力較很高,一般在120160MPa,典型的如日本電裝公 司的ECDU2和Bosch公司的CR系統(tǒng):另一種是中壓共軌系統(tǒng),其共軌中壓力較低,一般在425MPa,但在噴油器結(jié)構(gòu)中有增壓機(jī)構(gòu),通過增

25、壓使噴射壓力達(dá)到150MPa以上。典型的如卡特公 司HEUI系統(tǒng),但在中壓共軌系統(tǒng)中還有一種蓄壓式共軌系統(tǒng),噴油器中通過增壓使燃油達(dá)到高壓, 高壓油儲(chǔ)存在蓄壓室中.典型的是BKM公司的Servojet系統(tǒng)。目前,在世界范圍內(nèi)使用量最多的電控共軌系統(tǒng)有三家公司的產(chǎn)品:Bosch公司的Unijet(或稱 CR系統(tǒng)、日本電裝公司的ECDU2系統(tǒng)和美國(guó)矗特公司的HEUI系統(tǒng)。1Bosch公司的共軌噴射系統(tǒng)Bosch公司是目前國(guó)際上生產(chǎn)柴油機(jī)噴射設(shè)備規(guī)模最大的一家公司。Bosch公司在柴油燃料噴射 系統(tǒng)的領(lǐng)域內(nèi)在國(guó)際上一直處于領(lǐng)先的地位,其燃油噴射系統(tǒng)的發(fā)展史具有定的代表性。Bosch公司于1927年開

26、始批量生產(chǎn)柴油機(jī)用噴油泵和噴油器。1962年開始推出分配泵,1986年開始生產(chǎn)電控分配泵,1987年開始推出電控直列泵,1989年開始推出直噴式轎車柴油機(jī)用屯控噴 射系統(tǒng),1994年開始批量生產(chǎn)卡車用泵噴嘴,1995年開始生產(chǎn)單體泵.1996年推出徑向柱塞的VP44.4.東南大學(xué)博士學(xué)位論文分配泵,1997年開始批量供應(yīng)轎車用共軌系統(tǒng)。圖16所示為Bosch生產(chǎn)的各種柴油機(jī)燃油噴射系 統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合,圖1.7所示為適用于中重型柴油機(jī)用帶電磁閥控制的噴射系統(tǒng),圖1.8所示為最近 】0年里,Bosch電控噴射系統(tǒng)進(jìn)入市場(chǎng)的先后順序I“】。韭軌末統(tǒng) I￥g-景垃“In惰景繾袍¨柱舔舟亂裂挑們

27、L據(jù)仆配禾兄n輪單1牟禁dq強(qiáng)蹦I-6Bosch生產(chǎn)的各種紫油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)臺(tái) 圖l-7中重型柴油機(jī)用帶電磁閩控制的噴射系統(tǒng) 盟】-8最近lo年直噴式柴油機(jī)中屯控噴射系統(tǒng)的開入表11為Bosch公司柴油燃料噴射部門1999年和2000年的銷售額和主要產(chǎn)揣產(chǎn)量情況?？梢? Bosch公司近年來產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的調(diào)整趨向是分配泵和直列泵產(chǎn)量在逐年減少,共軌、電控泵噴嘴和電 控單體泵系統(tǒng)產(chǎn)量在逐年增加。.5.東南大學(xué)博士學(xué)位論文表I.1Bosch 1999/2000年柴油機(jī)燃料噴射系統(tǒng)生產(chǎn)情況1999正 2000正 增減(%銷售額(億馬克 734484.96十157分目C泵產(chǎn)量(萬臺(tái) 3993369

28、7.3.4直列泵產(chǎn)量(萬臺(tái) 48246144共軌系統(tǒng)、電控泉噴嘴系統(tǒng)、16053090+905電控單體泵系統(tǒng)(萬臺(tái)EC Lj(萬臺(tái) 36504967+36l近年來Bosch公司在共軌系統(tǒng)的開發(fā)研究方面注入了大量的人力和物力。目前,公司集中了 800900名工程技術(shù)人員從事共軌噴射系統(tǒng)的開發(fā)和研究,這數(shù)字還不包括從事共軌系統(tǒng)生產(chǎn)的工 程技術(shù)人員。第一代共軌噴射系統(tǒng)己于1997年7月批量投放市場(chǎng),其噴射壓力達(dá)135MPa,可用于 38缸轎車柴油機(jī),能滿足歐3排放法規(guī)的要求。由于共軌噴射系統(tǒng)的噴油量、噴油始點(diǎn)、噴油壓 力和噴油速率能自由控制,具有更大的靈活性,加之具有較高的噴射壓力和較低的驅(qū)動(dòng)扭矩等

29、優(yōu)勢(shì), 得到汽車發(fā)動(dòng)機(jī)工業(yè)的認(rèn)可。現(xiàn)在越來越多的發(fā)動(dòng)機(jī)都傾向配置Bosch共軌式噴射系統(tǒng),這也促使 Bosch公司不得不從其它部門抽調(diào)人力來開發(fā)、匹配共軌系統(tǒng),以滿足用戶不斷增長(zhǎng)的需要。圖l9所示為Bosch公司第一代用于轎車柴油機(jī)的共軌式噴射系統(tǒng)。其主要特點(diǎn)是:(I噴射 壓力達(dá)135MPa;(2具有靈活的預(yù)噴射能力:(3采用油量控制的高壓泵;(4執(zhí)行器采用電磁閥 /壓電石英閥:(5控制單元采用閉環(huán)控制;(6零件集成化,尺寸較小。圖1.10所示為Boseh公司 帶壓電石英執(zhí)行器的共軌噴濁器。帶口口口口圖I一9Bosch公司第一代共軌噴射系統(tǒng)圈I10Bosch帶壓電石英執(zhí)行器的共軌噴油器Bosc

30、h公司計(jì)劃于2002ilz/2003年推出使用壓電石英作為執(zhí)行器替代原高速電磁閻的第二代共 -6.東南大學(xué)博士學(xué)位論文軌噴射系統(tǒng),噴射壓力將提高到160MPa,可以適用于升功率在5255Kw/L以下發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配需要,井可滿足歐.4排放法規(guī)要求。為降低發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲,預(yù)噴油量可控制在1mm/SI之內(nèi),每個(gè)噴射循環(huán)可以由預(yù)噴射、主噴射和多級(jí)后噴射等4-5次噴射組成,如圖1-11所示。通過預(yù)噴射技術(shù),降低發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲,通過后噴射技術(shù),降低發(fā)動(dòng)機(jī)NO。和顆粒等排放,因此,第二代共軌噴射系統(tǒng)的性能特點(diǎn)為具有更高的噴射壓力、噴油器尺寸緊湊、外形小、噴油量差別小、實(shí)行閉環(huán)控制、便于實(shí)現(xiàn)多級(jí)噴射等。Bosch的第三

31、代共軌噴射系統(tǒng)壓力將提升到180MPa.以滿足2008年歐5排放標(biāo)準(zhǔn)的需要。pl壩噴射州豐噴射Pd后噴射 圖1-I 1Bosch第二代共軌噴射系統(tǒng)噴射過程在噴油系統(tǒng)的電子控制方面.Bosch公司十幾年前使用的是8位的控制器.而現(xiàn)在已用新一代32位控制器,共具有相當(dāng)于以往700萬只晶體管的功能,幾乎具有相當(dāng)于PentiuIn11處理器的工作能力-處理能力提高了4倍,記憶功能增加了30倍。十年前匹配發(fā)動(dòng)機(jī)僅需要用到500個(gè)參數(shù),由于功能擴(kuò)大,而今匹配發(fā)動(dòng)機(jī)需要用到6000個(gè)參數(shù),因此,接插座在1989年時(shí)大約要用55針,現(xiàn)在轎車電控用的接插座已用到154針,現(xiàn)在不用電控發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)已很難想象能滿

32、足今日發(fā)動(dòng)機(jī)不斷增長(zhǎng)的各種要求。圖1-12給出了轎車柴油機(jī)管理系統(tǒng)所需要的信息量,并說明所需的處理速度。采樣間隔 ¨補(bǔ)ml瞄噴7囂針N贄動(dòng)饑軸啦艿輒K J調(diào)甜#鷹氣再譜jf(EGRI增難雎h控制船熱釋,r印*點(diǎn)止冪絨詮慚燈土雛電器m打連接!竺!E二二二正歪匠二j亟互二圖I-12轎車電控柴油噴射系統(tǒng)計(jì)算機(jī)性能要求意大利的VM公司從1999年開始推出3種麩軌式柴油機(jī)新機(jī)型,第一種機(jī)型是在原25L 2氣門發(fā)動(dòng)機(jī)上采用共軌電控噴射系統(tǒng),有利于提高效率、降低油耗和排放、改善駕駛性及起動(dòng)性能;第二種機(jī)型是在2000年推出的4氣門2,5L的TD發(fā)動(dòng)機(jī),該發(fā)動(dòng)機(jī)除采用共軌噴射系統(tǒng)外,還采用2根頂置凸

33、輪軸,與克萊斯勒汽車配套:第三種機(jī)型為在2000年初推出的新一代高速直噴式柴油機(jī),包括直立3缸I.5L發(fā)動(dòng)機(jī)和4缸2L發(fā)動(dòng)機(jī),該新一代發(fā)動(dòng)機(jī)在性能、經(jīng)濟(jì)性、排放和成本等方面在世界上同類發(fā)動(dòng)機(jī)中處于領(lǐng)先水平,其噴油系統(tǒng)采用的是Bosch公司的共軌系統(tǒng)。.,., 蘭 曩東南大學(xué)博士學(xué)位論文2日本電裝公司的共軌噴射系統(tǒng)繼Bosch公司之后,日本電裝公司(Denso已成為向歐洲轎車制造商提供共軌噴射系統(tǒng)的第二 大供應(yīng)商。Denso公司的共軌噴射系統(tǒng),是和日本豐田公司的工程師在1995年聯(lián)合開發(fā)的,最初是 為日野公司的一種柴油機(jī)設(shè)計(jì)的。日野公司是豐田公司的卡車附屬公司,電裝公司因此在1999年春 天獲得

34、了日本機(jī)械j二程師協(xié)會(huì)的榮譽(yù)表彰。這種系統(tǒng)的共軌壓力為135MPa,使用后減少了柴油機(jī)的 噪聲和NOx,并使柴油機(jī)工作得更平穩(wěn)。電裝公司開發(fā)的EcDu2電控共軌系統(tǒng)在1999年己達(dá)到年產(chǎn)30000臺(tái)的水平,在日本國(guó)內(nèi)大 簧用于i車柴油機(jī),但轎車柴油機(jī)中的用量較少,這主要是由于日本國(guó)內(nèi)柴油機(jī)轎車產(chǎn)量較少。屯 裝公司己在匈牙利建了一個(gè)工廠,生產(chǎn)ECD-U2P高壓共軌系統(tǒng),產(chǎn)品供給歐洲轎車市場(chǎng)。電裝公 司計(jì)劃在以后的柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)的產(chǎn)品全部采用電子控制式產(chǎn)品,傳統(tǒng)的機(jī)械式噴油產(chǎn)品將逐 步減少,贏至停止生產(chǎn)”。日本日野汽車公司的J08cJ1A型自然吸氣式柴油機(jī)于1998年首先采用EcDu2共軌系統(tǒng)

35、。 該發(fā)動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)是缸徑114mm,行程130ram,壓縮比9.2,最大功率147kW/2900r/min,最 大扭矩30Nm/I 700r/min.全負(fù)荷最低燃油耗2109/kwh/1000r/rain.排放量符合日本1998年法 規(guī)要求。進(jìn)入1999年,日野公司已經(jīng)停止生產(chǎn)自然吸氣式的J08cJlA型柴油機(jī),但是J08C系列 的增壓及增壓中冷柴油機(jī)全部采用EcDu2系統(tǒng)。此外,三菱公司、日產(chǎn)公司等也有逐步擴(kuò)大采 用EcDu2共軌系統(tǒng)的計(jì)劃。3其它公司的共軌噴射系統(tǒng)表1-2所示為上世紀(jì)80年代以來國(guó)外柴油機(jī)電噴技術(shù)的發(fā)展情況l”I,表中反映了共軌噴油技術(shù) 在柴油機(jī)電控技術(shù)中所處的地位。目

36、前,正在或已經(jīng)開發(fā)研究的電控共軌燃油系統(tǒng)還有美國(guó)DELPHI 的LDCR系統(tǒng)、德國(guó)MTU公司的共軌系統(tǒng)、瑞士GANSER公司的共軌系統(tǒng)、Siemens公司和漢諾 威大學(xué)的壓電晶體共軌系統(tǒng)、美國(guó)Stanadyne公司的共軌噴射系統(tǒng)等等f”I。l 2.3國(guó)內(nèi)柴油機(jī)電控共軌噴油系統(tǒng)發(fā)展基本情況我國(guó)與世界發(fā)達(dá)國(guó)家柴油汽車微粒排放控制水平存在較大的距離,柴油汽車微粒排放控制技術(shù) 整體水平還比較低,滿足歐0標(biāo)準(zhǔn)的柴油機(jī)剛被廣泛使用,相應(yīng)的凈化技術(shù)措施基本限于對(duì)燃油系 統(tǒng)和進(jìn)氣系統(tǒng)的改進(jìn),柴油機(jī)電噴、中冷渦輪增壓、催化轉(zhuǎn)化器、濾清器等較為先進(jìn)的控制排放技 術(shù)還處于研究開發(fā)和試使用階段。我國(guó)的汽車柴油機(jī)動(dòng)力最

37、早只用在重型車輛上,進(jìn)入80年代后,中輕型車輛才逐漸開始采用柴 油機(jī)作動(dòng)力。我國(guó)民用柴油機(jī)市場(chǎng)上的技術(shù)水平較高的產(chǎn)品基本上是引進(jìn)產(chǎn)品,如引進(jìn)日本五十鈴 公司的Sofim8140系列柴油機(jī)、美國(guó)康明斯公司的B系列柴油機(jī)和珀金斯公司的Phaser系列柴油機(jī), 這些產(chǎn)品都具備國(guó)外80年代末和90年代初的技術(shù)水平。國(guó)外先進(jìn)的柴油機(jī)產(chǎn)品和技術(shù)的引進(jìn),促 進(jìn)了國(guó)內(nèi)輕型柴油機(jī)車輛的迅速普及,目前,我國(guó)輕型車輛的柴油機(jī)裝機(jī)量接近該檔車輛保有量的 50%。但轎車領(lǐng)域的柴油機(jī)動(dòng)力仍是空白。南京依維柯汽車公司在1999年底推出的Sofim 2.8L柴油 機(jī)為國(guó)內(nèi)最早的轎車動(dòng)力,該機(jī)型在歐洲裝在中高級(jí)轎車上,在國(guó)內(nèi)目

38、前用丁依維柯輕型車,其排 放指標(biāo)符合國(guó)家和北京市最新的排放法規(guī),井達(dá)到歐2排放標(biāo)準(zhǔn)。共軌系統(tǒng)目前己在歐美和日本的部分新開發(fā)機(jī)型上應(yīng)用,在國(guó)內(nèi)該系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化開發(fā)才剛剛開 始,目前國(guó)內(nèi)尚無成熟的柴油機(jī)電控共軌噴油系統(tǒng)投產(chǎn)。北京理工大學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)室1999年做過柴 油機(jī)電控高壓共軌噴油系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究,重點(diǎn)設(shè)計(jì)并加工出用于該系統(tǒng)上的高速電磁閥、噴油器, 并在臺(tái)架試驗(yàn)上取得了階段性的成功。“,該試驗(yàn)室在2000年完成了柴油機(jī)電控蓄壓共軌噴油系統(tǒng)與 柴油機(jī)的初步§a機(jī)實(shí)驗(yàn),最高噴射壓力達(dá)129MPa,噴濁定時(shí)實(shí)現(xiàn)了靈活可調(diào)與糖確控制。天津大 .8.一東墮查蘭豎.!蘭堡壘蘭 一 丐五五爵聶云i瓦豪

39、麗磅瓦嚼再喬爵爵再吾福西兩五夏i弭云夏再面。鬲粟油機(jī)為對(duì)蒙,開發(fā)出Sc rvoj“型柴油機(jī)電控蓄壓共軌噴油系統(tǒng),該系統(tǒng)具有預(yù)噴射和快速停油功能。表12國(guó)外柴油機(jī)電噴技術(shù)水平分析蟛油j寶制 噶泊正力囝霉 。司 型號(hào) 特 點(diǎn) 應(yīng)用情配芹璉 對(duì)霉焉蓮電磁閘茬制嚶幗時(shí)到.可變電￥位 19虬軍用于車孳眄發(fā)王JI機(jī)臼奉移信葛器控制嚼昭器焉通電磁用茬制蠡壬垃暨.可鶘凸鴕相德躅1085軍用下葷筘。塒2:L位直無晨力矩電機(jī)拉制藍(lán)條位置線性電位19盯軍用于辜鲴心同340(,111生嗣器1空制哮油時(shí)剝包 列高遵電磁圍控制齒蒹位置.可瑚凸乾相B擊 事田 I%7囂用于三蔓6D盟r等 囊 位譬肓速電磁田譬制拄塞譽(yù)筒衛(wèi)齒菜

40、位置9R?年投產(chǎn),I 992蘋:萬寫 日奉可變陵亍程酊調(diào)凸牛皂逐覃J也墨高速電磁同拄制掛塞謄筒及出最位霉989匿投產(chǎn),j 993篳2,萬古控 可查幀行程曰革 電鞋 線性龜聰鐵耋制滑套位置.電磁隔控制q8z手嗣于豐口:L-TE型甸l 贄哆泊時(shí)刻蔓瞄 n仟磚 4臥年在vb、上_;i【駐配 日毒 用干五十斡4F目蔓雷 993年帶于豐置d氣門落油機(jī) 囊旋轉(zhuǎn)電磁鐵桂制滑霉也暨.電鞋閥空制 16午并j于車茬口qo,4氣門 德匿噴油時(shí)剝 5缸在機(jī)槭象唼嘴油遵中最高速電磁_(tái)j!旨電 985年投產(chǎn)I 993羊1o 75百. 羹匿 底輯薄磁菏差矯皓噴,汗一浮噎 T 5l中蒙 鍶匿嚷 蓑田先進(jìn)燃燒嚼日奉_阱憲所日豐

41、 彖京工文時(shí)丹 日本 舟溢抽控制閥調(diào)譬泊量 987年用于豐日3缸直唑機(jī)上 配錄 羹墨 凸.RS 用高速電毫四控制噎油盱剝種油蕾 994年用于GMb.jL妊油機(jī)問軸向拄幕象.電子壓力誦節(jié)墨.高蓮電1995年曹在貴弊6】j,粲油機(jī)上 雄墊重 量f“d 磁用.鏨=_由曛力增壓.苗壓置,2Mh油世過試駐 檀O Mh拉壓壓 臼車 ￥镕 闈蟪繾臂靶動(dòng)憎壓話謇 996平試驗(yàn)制 共蔓嗣稈盤掛基蒙.高通電鞋閘電子壓力調(diào) 994年P(guān)cekiml 3策科.五十鋒 機(jī) 節(jié)器.機(jī)油蘸力增壓4M一23Mm 顯奉口0司卡車326型軌 油匣 羹圈壓日本 小縐 1口B2年試駐高日事 龜蓑 高壓拄塞薏.鬲蘧宅磁聞.礤哆舸 992

42、年試驗(yàn)壓德雷 電磁用竭電一括噴聯(lián)電一薄唼 998年羊茬柴油轷車1o萬旨 共軌萎國(guó) 菲韭鋅辛f車MT山J菜列1.2.4電控噴油系統(tǒng)電磁閥發(fā)展基本情況無論是時(shí)間控制系統(tǒng),還是壓力一時(shí)間控制的高壓共軌系統(tǒng),對(duì)噴油量和噴油規(guī)律的最佳控制 都是通過對(duì)高速電磁閥的精確控制實(shí)現(xiàn)的,電磁閥是柴油機(jī)電控共軌噴油系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件。系統(tǒng) 要求電磁儡具有快速嚷應(yīng)能力、工作精確性、重復(fù)性、可靠性以及良好的流通能力,其中響應(yīng)特性9一東南大學(xué)博士學(xué)位論文是最重要的,一般要求響應(yīng)時(shí)間僅為幾個(gè)毫秒,甚至更高。德國(guó)FEV發(fā)動(dòng)機(jī)研究所認(rèn)為,重型柴油 機(jī)要達(dá)到2005年歐4排放法規(guī),就須采用先進(jìn)的電控方案(如共軌系統(tǒng)、電控泵噴嘴、可

43、變預(yù)行程 直列泵,提高噴射壓力,燃油噴射系統(tǒng)應(yīng)具有噴油率曲線形狀成形能力。為了提高燃油室中混合氣形成質(zhì)量,控制噴油壓力及其變化過程,在噴油過程中可采用多次噴 射的方法。利用共軌式柴油機(jī),在噴油過程中,除了主噴射外,還可方便地加入一次或多次預(yù)噴射 或后噴射,使每循環(huán)的燃油噴射次數(shù)達(dá)到2次到4次之多,這對(duì)電磁閥的快速響應(yīng)特性提出了很高 的要求。在電控柴油噴射系統(tǒng)工作過程中.高速電磁閥承擔(dān)著所有噴射控制功能,它必須要快速、 準(zhǔn)確地開啟、關(guān)閉以便精確控制噴油正時(shí)和噴油量.電磁閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性直接影響著燃油噴射系 統(tǒng)的主要性能指標(biāo)。在高壓共軌電控噴射系統(tǒng)中。電磁閥的工作條件惡劣、復(fù)雜,必須有足夠的可 靠

44、性,能快速、準(zhǔn)確、無反沖地實(shí)現(xiàn)其開啟和關(guān)閉。在國(guó)外,除了高速電磁閥作為噴油器的控制器以外,已有一些公司開發(fā)了基于壓電晶體技術(shù)的 共軌噴油系統(tǒng)。德國(guó)FEV及西門子公司已經(jīng)展示了他們的產(chǎn)品.BOSCH公司和電裝公司也計(jì)劃2002年以后推出用壓電晶體的共軌噴油系統(tǒng)。圖1一13所示為西門子公司用在共軌系統(tǒng)中的壓電晶體的控 制器部件,圖1.14為帶壓電執(zhí)行器的噴油器。 圖1-I 3壓電晶體和控制器部件 圖I14帶壓電執(zhí)行器的噴油器在國(guó)內(nèi),一些高校及科研機(jī)構(gòu)對(duì)高速電磁閥進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)研究,清華大學(xué)開發(fā)了一種高速?gòu)?qiáng) 力電磁閥用于泵一管一閥一嘴(PPVI電控柴油噴射系統(tǒng)中I”,電磁閥的開啟和關(guān)閉時(shí)間在毫秒級(jí)。

45、 文獻(xiàn)【601認(rèn)為采用稀土超磁致伸縮材料對(duì)上述電磁閥對(duì)改進(jìn)后用于泵.管一閥一嘴(PPVI柴油噴射系 統(tǒng)時(shí),開環(huán)控制的開啟和關(guān)閉時(shí)聞可以進(jìn)一步提高,響應(yīng)時(shí)間控制在O.45ms以內(nèi),在0.45ms內(nèi)輸 出位移和輸出力基本穩(wěn)定。文獻(xiàn)65】采用剩磁保持的設(shè)計(jì)方法研制出雙電磁鐵滑閥結(jié)構(gòu)的高速電磁閥 用于電控蓄壓式共軌噴油系統(tǒng)中,電磁閥的驅(qū)動(dòng)電路為PWM離電壓大電流驅(qū)動(dòng)電路附加反向消磁 電路,在滿足大流量的情況下能提升電磁閥的開關(guān)響應(yīng)速度,其開關(guān)響應(yīng)時(shí)間可達(dá)0.89ms。目前,我國(guó)研制的電磁閥在響應(yīng)速度、電磁吸力、體積和成本都與國(guó)外有較大差距,在高壓共 軌噴油系統(tǒng)中尚無成熟的產(chǎn)品。文獻(xiàn)【641提出將稀土超

46、磁致伸縮材料用于上述電磁閥,改進(jìn)后的高速 電磁閥開戈頻響1500Hz,頂桿推力1500N,位移0I 5mm,能滿足高壓共軌用柴油機(jī)電噴系統(tǒng)對(duì)電 磁閥的要求,但在位移輸出熱補(bǔ)償、開環(huán)輸出的振動(dòng)、變結(jié)構(gòu)控制所引起的微弱抖振的影響、電磁 一10.查墮查蘭堡主蘭些墾蘭一 閥小型化和降低成本方面尚需進(jìn)一步研究a1.3現(xiàn)有研究中存在的問題從我國(guó)柴油機(jī)的研究開發(fā)實(shí)力來看,目前存在著基礎(chǔ)薄弱和產(chǎn)品開發(fā)能力差等不足,這主要是 因?yàn)槿狈ν陚涞目茖W(xué)理論,不具各現(xiàn)代化的設(shè)計(jì)、試制和試驗(yàn)手段,投入費(fèi)用也嚴(yán)重不足。新產(chǎn)品 從設(shè)計(jì)一試制一定型,再到投入批量生產(chǎn),要經(jīng)歷漫長(zhǎng)的過程,難以與需求同步,而國(guó)外采用計(jì)算 機(jī)模擬和分析

47、的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法進(jìn)行定量設(shè)計(jì)。不過分依賴于純經(jīng)驗(yàn).通過發(fā)動(dòng)機(jī)性能模擬、計(jì)算機(jī) 輔助設(shè)計(jì)、快速樣品制作(CFD、摩擦磨損分析及產(chǎn)品協(xié)同工程(ECE等過程完成新產(chǎn)品的虛擬 設(shè)計(jì)并形成虛擬產(chǎn)品,其結(jié)果是使設(shè)計(jì)高度優(yōu)化,研制周期大大縮短。歐美的一些著名廠家,新產(chǎn) 品從設(shè)計(jì)到定型生產(chǎn)一般不超過36個(gè)月,甚至更短。對(duì)于共軌式噴油系統(tǒng)來說,國(guó)內(nèi)還處在研究與試制的階段,在解決柴油機(jī)噪聲、振動(dòng)、攤放、 質(zhì)量和體積等關(guān)鍵技術(shù)尚有難點(diǎn),目前尚無具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高壓共軌式燃油噴射系統(tǒng)。 1.4本文研究解決的問題在電控柴油機(jī)高壓共軌噴油系統(tǒng)中,噴油控制閥的執(zhí)行器囡其技術(shù)要求高,工藝復(fù)雜,控制難 度大,是電控噴油系統(tǒng)

48、研究的關(guān)鍵,鑒于我國(guó)的研究現(xiàn)狀和工藝水平,有關(guān)執(zhí)行器的研究主要集中 在高速電磁閥的研究上。本文結(jié)臺(tái)一汽集團(tuán)柴油機(jī)高壓共軌噴油系統(tǒng)的研究課題,針對(duì)噴油器高速 電磁閥及其控制技術(shù)進(jìn)行了研究,開發(fā)了相應(yīng)的電磁閥測(cè)試系統(tǒng)與電磁閥驅(qū)動(dòng)器。本文研究解決的 問題主要有:(1在理論方面,本文根據(jù)高壓共軌噴油系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn),建立高速電磁閥的數(shù)學(xué)模型。依據(jù)電 磁閥的靜態(tài)模型提出了電磁閥的參數(shù)評(píng)定和測(cè)試的手段;依據(jù)電磁閥的動(dòng)態(tài)模型提出高效節(jié)能、性 能穩(wěn)定的控制方法。(2在硬件方面,研究開發(fā)了實(shí)用的高速電磁間的驅(qū)動(dòng)電路,并研制成功了高速電磁閥的靜態(tài)特性 測(cè)試系統(tǒng),解決了高壓共軌噴油系統(tǒng)中高速電磁閥的控制問題。.11

49、.東南大學(xué)博士學(xué)位論文第二章高速電磁閥在共軌燃油系統(tǒng)的應(yīng)用目前,柴油機(jī)電控噴射系統(tǒng)中控制燃油噴射的執(zhí)行器主要為高速電磁閥,利用高速開關(guān)電磁閥 的快速啟閉動(dòng)作可以實(shí)現(xiàn)特定的燃油噴射規(guī)律,因此本文首先分析共軌式燃油噴射系統(tǒng)及其對(duì)高速 電磁閥的性能要求。2.1電控共軌噴油系統(tǒng)的分析圖2.I所示為一種共軌式電控噴油系統(tǒng),在共軌式噴油系統(tǒng)中,通過高壓油泵將燃油加壓,高 壓燃油存儲(chǔ)在高壓燃油存儲(chǔ)器即“共軌”中,根據(jù)預(yù)定的噴油量,在柴油機(jī)的電子控制單元(ECU 中由存儲(chǔ)的特性曲線(MAP圖算出噴油正時(shí)和噴油壓力.然后由裝在每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸上噴油器內(nèi) 的電磁閥實(shí)現(xiàn)噴油控制,與其它噴油系統(tǒng)不同的是,共軌式噴油系統(tǒng)

50、噴油壓力的建立不取決于發(fā)動(dòng) 機(jī)轉(zhuǎn)速和噴油量,高壓燃油的壓力穩(wěn)定而獨(dú)立。圖2-I 典型的柴油機(jī)共軌噴油系統(tǒng)2.1.1共軌式噴油系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)共軌式噴油系統(tǒng)和一般的電控噴油系統(tǒng)一樣,包括機(jī)械和電子兩部分。共軌式噴油系統(tǒng)的機(jī)械 部分的關(guān)鍵部件是噴油器、共軌、高壓油泵等;電子控制部分主要實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)的控制和車輛的一些 控制要求.主要包括三類部件:控制器、傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。控制器一般稱為電子控制單元ECU, 它根據(jù)柴油機(jī)的工況和工作要求控制燃油噴射的時(shí)間和油量;柴油機(jī)的傳感器有凸輪軸轉(zhuǎn)速傳感器、 曲軸轉(zhuǎn)速傳感器、加速踏板位置傳感器、冷卻水溫傳感器、進(jìn)氣溫度傳感器、增壓壓力傳感器和燃 油溫度傳感器等;執(zhí)行機(jī)構(gòu)有

51、電控液壓伺服噴油器,高壓油泵壓力控制閥等。.12.至亙查蘭堡主蘭焦蘭L墨一 1高壓油泵高壓油泵的作用是將燃油壓縮,經(jīng)壓縮的高壓燃油通過高壓油管被送到共軌中。不同的共軌噴 油系統(tǒng)中所采用的高壓油泵也不同。Bosch公司利用現(xiàn)有的噴油器件來產(chǎn)生高達(dá)160MPaT左右的共軌壓力,三缸徑向柱塞泵(見圈 2-2用于小型柴油機(jī),而多缸直列泵用于功率較大的柴油機(jī)。共軌系統(tǒng)中的高壓油泵按照峰值鈕矩 最低、接觸應(yīng)力最小和最耐磨的準(zhǔn)則來設(shè)計(jì)。有些高壓泵的一個(gè)壓油單元采用多個(gè)均布?jí)河屯馆? 減少了每次壓油量,這樣就使高壓油泵的峰值扭矩降低,約為傳統(tǒng)高壓油泵的1/9,負(fù)荷也l:k較均接頭共軌圖2-2高壓油泵日本電裝公

52、司采用一個(gè)多凸起凸輪驅(qū)動(dòng)的直列泵,同樣可產(chǎn)生160MPa的共軌壓力,其高壓油 泵采用可變壓縮始點(diǎn)來調(diào)節(jié)供油量,供油脈寬的后沿正對(duì)壓油凸輪頂點(diǎn)固定不變,此方法雖然不會(huì) 額外增加柴油機(jī)的功率消耗,但是不僅要確定控制信號(hào)的脈沖寬度,而且要確定它與柴油機(jī)曲軸間 的相位關(guān)系,這比Bosch公司的PWM控制方法更復(fù)雜;同時(shí)EcDu2高壓油泵中安裝了柴油機(jī)的 判缸傳感器,從而使高壓油泵與柴油機(jī)曲軸之間有確定的相位關(guān)系,給安裝帶來了不便。此外ECD u2高壓油泵用潤(rùn)滑油潤(rùn)滑,對(duì)防止?jié)B漏燃油稀釋潤(rùn)滑油提出了更高的要求。共軌式噴油系統(tǒng)的效 率不高.因?yàn)閲娪推鞯目刂朴土?、泄漏油量和壓力控制閥釋放的油量都是高壓油,因

53、此較傳統(tǒng)噴油 系統(tǒng)有更大的能量損失。2共軌共軌中用于存放經(jīng)高壓油泵壓縮的高壓燃油,其壓力即噴油器的噴射壓力。高壓油泵供油及噴 油器噴油產(chǎn)生的壓力波動(dòng)應(yīng)由共軌容積來緩沖,在整個(gè)噴油過程中共軌中的壓力應(yīng)幾乎保持不變, 只允許有小于5MPa的小幅壓力波動(dòng)。如果高壓泵的供油壓力波及每個(gè)噴油器開啟關(guān)閉時(shí)壓力的反 饋引起共軌中壓力的振蕩,會(huì)影響到噴油嘴的燃油計(jì)量和定時(shí)功能。一般共軌被設(shè)計(jì)成一個(gè)鍛造的管道,如圖2.3所示。管道的內(nèi)部容積應(yīng)能存儲(chǔ)足夠的壓能,并 有效地阻尼噴射過程和供油過程中燃油壓力的振蕩。但共軌的容積不能太大。以保證共軌有足夠的 壓力響應(yīng)速度以快速跟蹤柴油機(jī)工況的變化。此外共軌上還裝有燃油壓

54、力傳感器、限流器和溢流閻。 一13.東南大學(xué)博上學(xué)位論文溢流閥為機(jī)械式應(yīng)急超壓保護(hù)裝置.可防止因高壓泵油量調(diào)節(jié)閥的失效引起的系統(tǒng)損壞。從共軌蓄 壓管到噴油嘴密封座面均為高壓燃油,如果高壓油管損壞,有可能引起燃油的大量泄漏,容易造成 火災(zāi)等事故;噴油嘴的泄漏如果使柴油機(jī)燃燒室內(nèi)充滿燃油,則不可壓縮的燃油將在柴油機(jī)的壓縮 沖程造成災(zāi)難性的后果,因此耍在共軌上為每一個(gè)噴油器加裝一個(gè)流量限制器,使其能立即關(guān)閉有 問題的高壓油管通路。流量限制器的閥芯上有一節(jié)流孔,燃油必須經(jīng)過節(jié)流孔才能流向噴油器,因 此噴油器噴油時(shí)閥芯前后產(chǎn)生壓力差,而且壓力差隨流量的增加而增大,當(dāng)流向噴油器的流量超過 可能值時(shí),閥芯前

55、后的壓力差就克服彈簧力使閥芯關(guān)閉流向噴油器的入口,以防止可能出現(xiàn)的泄漏。 共軌壓力軌到油回油管匕麟瓣圖2-3共軌蓄壓器3噴油器共軌式噴油系統(tǒng)中最關(guān)鍵和最復(fù)雜的部件應(yīng)該是噴油器,它是一個(gè)電控液壓伺服噴射系統(tǒng)。如 圖24所示,燃油從高壓接頭經(jīng)一進(jìn)油通道送往噴油嘴,并經(jīng)進(jìn)油節(jié)流孔送入閥控制室。閥控制寶 經(jīng)可用電磁閥打開的出油節(jié)流孔與回油孔連接?！綼噴油器關(guān)閉(靜止?fàn)顟B(tài) (b噴油器打開(噴油狀態(tài)圖2-4噴油器示意圖出油節(jié)流孔在關(guān)閉狀態(tài)時(shí),作用在閥控制活塞上的液力大于作用在噴油嘴針閥承壓面上的力、 因此噴油嘴針閻被壓在其座面上,緊緊關(guān)閉了通往發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)腔的高壓通道,從而沒有燃油進(jìn)入燃燒 室(見圈2.4a。

56、.14.只要此液壓力低于作用在噴油嘴針閥承壓面上的力,噴油嘴針閥立即打開,燃油可通過噴孔進(jìn)入燃 燒室(見圖2-4b。受柴油機(jī)缸蓋安裝空間的限制,電磁閩一般設(shè)計(jì)得很小,不能提供足夠使噴油嘴 針閥快速開啟的力,所以在噴油器上應(yīng)用了一個(gè)類似增壓活塞的液力放大機(jī)構(gòu),采用很小的回流孔 徑使電磁閥關(guān)閉的彈簧力很小,電磁閥僅僅需要克服該彈簧關(guān)閉回流孔的彈簧力-控制回流孔開啟 使控制室內(nèi)燃油泄壓,使作用在噴油器控制活塞上的液力發(fā)生很大的變化,因而能保證噴油嘴針閥 有很大的開啟速度。此間除噴入的燃油量之外,附加的所謂控制油量經(jīng)控制室的節(jié)流孔進(jìn)入回油通 道。除控制油量外,還有針閥導(dǎo)向和閥活塞導(dǎo)向部分的泄油。這種控

57、制油量和泄油量經(jīng)帶有集油管 (溢流閥、高壓泵和調(diào)壓閥也與集油管接通的回油通道回流到油箱。4電子控制單元(ECU電子控制單元(ECU或EDC一般封閉在一個(gè)金屬殼體中,采用金屬殼體主要是為了散山控制 單元驅(qū)動(dòng)級(jí)產(chǎn)生的熱量。共軌式噴油系統(tǒng)的核心是電控單元,電控單元是共軌式噴油系統(tǒng)開發(fā)的難 點(diǎn)和重點(diǎn),其控制策略決定了柴油機(jī)在起動(dòng)、怠速、正常運(yùn)轉(zhuǎn)和故障運(yùn)行的模式和性能,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī) 的性能有決定性影響。電控柴油機(jī)主要應(yīng)用在轎車和其他路用車輛上,隨著微處理器性能的提高, 柴油機(jī)電控單元集成了柴油機(jī)和車輛的所有控制功能,柴油機(jī)電控單元和其它一些控制單元組成了 車輛的分布式控制局域網(wǎng),共享信息和資源,共同協(xié)調(diào)控制使車輛成為一個(gè)有機(jī)的整體,因此在設(shè) 計(jì)柴油機(jī)的電控單元時(shí),不僅要考慮柴油機(jī)的控制要求,而且要考慮車輛的使用性、安全性和舒適 性等不斷增多的控制要求,只有充分考慮了柴油機(jī)和車輛的控制要求后,才有可能設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良 的柴油機(jī)電控單元。ECU借助于傳感器獲取司機(jī)的要求(加速踏板位置以及發(fā)動(dòng)機(jī)和車輛的實(shí)時(shí)工作狀態(tài),它