燃油喷射系统的维护

燃油喷射系统的维护（精选9篇）

燃油喷射系统的维护 第1篇

本文以某小型二冲程发动机为研究对象, 该发动机喷油量控制方式是按工况来控制的。该发动机的工况可分为怠速喷油控制、起动喷油控制、稳定工况喷油控制及每个工况下的喷油量修正控制。

1 起动工况喷油控制

在发动机起动时, 发动机转速较低, 一般在200r/min, 而且转速极其不稳定, 进气温度较低, 必须要向发动机供给较浓的混合气。但当发动机运行一段时间熄火后, 此时的发动机温度较高, 发动机的热量就能够作为加热油气混合物的能量以加速汽油和空气的混合时间, 此时的发动机就不再是冷起动了, 因此, ECU喷油控制就必须要根据温度和转速信号来确定喷油量。

2 怠速工况喷油控制

发动机起动后, 当转速维持在1500r/min时, 发动机进入怠速工况模块, 此时根据怠速转速控制喷油量是最主要的控制方式。为了使发动机的怠速转速始终维持在1500r/min左右, 当怠速转速高于1500r/min时就会自动减少喷油量, 当怠速转速低于1500r/min时就会自动增加喷油量。

3 稳定工况喷油控制

当我们检测到发动机的转速大于1800r/min时, 此时的发动机处于稳定的运转状态, 此时的工况也称作常态工况。在该工况下, 需要根据气节门开度、转速以及各种修正参量进行二维差值运算来控制喷油量。在实际的控制中, 通常把喷油量分为基本喷油量和修正喷油量。基本喷油量就是有转速和节气门的开度决定的喷油量, 而修正的喷油量是指除了发动机转速和节气门开度外影响发动机喷油量的参数。本文主要研究由进气温度、曲轴箱温度、蓄电池电压等参数对喷油量的影响。

4 喷油量修正

本文采用查表控制方法研究发动机, 修正喷油脉宽和基本喷油脉宽之和为最终的喷油脉宽。发动机的转速和节气门的开度决定了基本喷油脉宽, 即由主喷油MAP图确定;而修正喷油脉宽则是根据曲轴箱温度、进气温度、蓄电池电压以及大气压力等参数进行修正。

基本喷油脉宽T0已经由发动机试验和BOOST软件建模获得, 本文主要研究曲轴箱温度、进气温度和蓄电池电压等修正参数对发动机喷油量的影响。

4.1 进气温度修正

由热力学常识可知进气温度高低影响着进气密度的大小。因此, 发动机必须要根据不同温度对发动机的进气量做出改变, 以达到控制空燃比的浓度在理想空燃比14.7附近。为此, 随着进气温度的改变, 发动机的喷油脉宽控制也要及时做出调整。通过对发动机进行多次试验并分析试验数据可知, 基本喷油脉宽T0和进气温度修正喷油脉宽T1的关系如公式 (1) 所示。

式中, t1—发动机的进气温度。

4.2 曲轴箱温度修正

该发动机是个二冲程发动机, 汽油和空气的混合都是在曲轴箱内进行的。因此曲轴箱的温度对发动机的喷油控制是有较大的影响, 需要根据该曲轴箱温度来调整喷油量的大小, 以达到调整适当空燃比的目的。在发动机进行多次试验, 分析试验数据可知基本喷油脉宽T0和曲轴箱温度修正后喷油脉宽T2是成比例的, 两者的关系如公式 (2) 所示。

式中, t2—发动机曲轴箱的温度。

4.3 蓄电池电压修正

蓄电池供给发动机起动和喷油所需的电量, 但是由于蓄电池本身不是一个恒压源, 其电压随着时间的变化而变化。从本质来看, 发动机的喷油器是一个电磁阀, 喷油时间以及工作电压都会影响喷油量。如果蓄电池的电压偏高, 那么可以快速开启喷油器的电磁阀以增加喷油时间, 从而增加喷油量;如果蓄电池的电压偏低, 那么可以通过减慢喷油器的电磁阀开启速度, 随之喷油时间和喷油量也会随着减少。蓄电池电压修正主要是减少并修正蓄电池电压波动对喷油量的影响, 电压偏高时则减少喷油脉宽, 电压偏低时则增大喷油脉宽。分析大量的试验可知, 基本喷油脉宽T0和蓄电池电压修正后喷油脉宽T3是成比例的, 两者的关系见公式 (3)

式中, U—蓄电池电压值。

5 结论

通过以上分析, 发动机喷油指控策略受到发动机工况和该工况下的喷油修正量的影响。在工况确定后, 发动机喷油器的每循环喷油量有公式 (4) 来确定。

上式中, T—每循环发动机工作的喷油量;

T0—每循环基本喷油脉宽。

参考文献

[1]陈家辉.小型二冲程电控汽油机ECU喷油控制策略的研究[D].南京:南京航空航天大学, 2006.

[2]沈秀娟.电子控制燃油喷射系统的模拟仿真研究[D].武汉:武汉理工大学, 2005.

[3]张翠平.电控汽油机燃油喷射及点火控制系统的设计与实验研究[D].太原:太原理工大学.

燃油喷射系统的维护 第2篇

发动机电控燃油喷射系统常用部件的作用和检测

发动机电控燃油喷射系统取消传统的.机械系统(如化油器),采用电子控制装置来控制发动机的供油过程.任何一种电子控制燃油喷射系统,都是由喷油油路及各执行部件、传感器和电子控制单元三大部分组成.

作 者：张焦军 ZHANG Jiao-jun 作者单位：河南省焦作市东环路东方花苑一号楼,454002刊 名：汽车电器英文刊名：AUTO ELECTRIC PARTS年，卷(期)：“”(7)分类号：U464.136.1关键词：

超临界燃油喷射 第3篇

纽约的研究人员已经证明，超临界柴油机的燃油喷射系统可以减少80％的发动机废气排放，并能提高10％的效率。

柴油发动机比汽油机的效率高，但代价是它们会造成更多污染。相比于汽油，柴油重、黏稠且更不容易挥发，因此并非所有的燃料都得到燃烧，导致碳化合物以有害的煤烟颗粒形式排放。柴油需要更高的燃烧温度，这也增加了氮氧化物的排放。

当一种液体的温度和压力超过一个临界点之后，它将成为超临界态，使其以全新的性能存在于液态和气态之间。纽约州雪城大学生物医学和化学工程系助理研究员乔治·阿尼特斯库研发了这种新型的发动机，他说，超临界柴油可以更高效更清洁地燃烧。

阿尼特斯库说，把柴油注入到发动机的燃烧室之前将其提升到临界状态，此时柴油的黏稠性就不成问题了。此外，超临界流体的高分子扩散意味着燃料和空气几乎在瞬间就混合在一起了。这一过程的目的不是试图燃烧被空气环绕的相对较大的燃料液滴，而是让气态燃料更均匀地和空气混合，使其燃烧更迅速、更清洁，更充分。2009年8月初，阿尼特斯库在美国密歇根州迪尔伯恩(Dearbom)举行的一次发动机效能和排放研讨会(Directions in Engine-Efficiency and Emissions Research)上介绍了自己的研究，他认为，从某种意义上说，这就像是柴油和汽油的中间体，同时具备两者的优点。

过去，另一项被称之为均质充量压缩点燃(homogeneous chargecompression lgnition)的相关技术已经用于改善柴油的性能。它包括在高压下将柴油和空气预混合，然后以蒸汽形式被注入到燃烧室中。尽管这种混合气体燃烧更充分，却使燃烧过程变得更难控制，这会导致发动机产生爆震：气缸内一些未正常燃烧的燃料和空气产生的冲击波。阿尼特斯库说，与此相反，超临界柴油喷射产生很小像水蒸气一样的液滴，但燃料密度却像液体一样。

英国伦敦大学学院(UniversityCollege London)内燃机和燃料系统研究小组的研究员安德里亚斯·贝厄盖尔(Andreas Birgel)说，生产更容易蒸发的柴油有很多好处，比如，用玉米或菜籽油来生产黏度相对较低的生物柴油。他说，另一种方法是在传统柴油中加入添加剂。

为使柴油达到临界状态，阿尼特斯库的燃料系统先在约为6000万帕斯卡的压强下将燃料加热至450℃。阿尼特斯库说，要达到这个压力并不是问题，但使温度提高更费力。

由于燃料系统经常在80℃下工作，阿尼特斯库和他的同事使用来自于发动机废气的热量来为燃料加温，但这也产生了新的问题。他说：“你需要防止其焦化。”焦化物是碳氢化合物在燃烧反应时产生的会导致燃料系统故障的黏性沉淀物。这种现象可以通过使用添加剂稀释燃料来避免，比如二氧化碳或水。在雪城大学设计的发动机中，引入少量的废气作为反焦化剂，这被称为废气再循环技术。

阿尼特斯库表示，这个系统仅仅处于实验室测试阶段，但今年底将有一台样机准备用于测试。该燃料系统设计使用传统的喷油器，即使这些喷油器是设计用于传统液体的也没有关系。阿尼特斯库说，在接近于超临界态时改变液体状态有可能改善性能。当喷油器获得更好的性能时，也有可能产生汽化现象。他说：“这里我们可以有很多选择。”

在同一个会议上，总部位于加利福尼亚州卡马里罗市(Camarillo)的创世尼克内燃技术研发公司(TransonicCombustion)具体介绍了另一种使用超临界燃料的方法，包括新的喷油器、重新设计的整个发动机阀门系统和燃烧室。

贝厄盖尔认为，不管是哪种方法，达到超临界状态都需要付出代价。他说：“你仍然需要黏性，因为大多数的柴油燃料系统依赖于燃料进行润滑。”

汽车电控燃油喷射系统故障分析 第4篇

电控燃油喷射系统正常工作时, 其工作信号都在设定的范围内变化。当某一单元电路的信号出现异常值或送人电控单元的信号不能被识别时, 电控单元就可以判定为发生故障。

1.1 传感器故障的诊断过程

燃油喷射系统中, 设有较多的传感器 (空气流量、进气压力、节气门位置、曲轴位置、水温和进气温度、氧气传感器等) , 工作中各传感器的信号不断地输入电控单元。在电控单元内设置有传感器信号监测系统, 用来判别输入的信号是否正常, 每一种被监测的传感器都设定有正常的工作范围, 当某一传感器的信号或信号电压超出正常范围值时, 信号监测系统分析比较后, 判断出该传感器的故障或连接电路的问题, 使驱动电路中的指示灯亮, 并将该故障以代码的形式储存在存储器中。例如, 设定的发动机冷却水的温度范围在-30℃-120℃, 对应的冷却水温度传感器正常的信号电压变化范围是0.3V-4.7V, 如果电控单元检测出信号电压超出了该范围, 监测系统就判定为水温传感器 (或其电路) 有故障, 自诊断系统故障指示灯亮, 并使RAM存储器储存故障代码, 以便技术人员在维修时读取。此时, 为防止冷却水温度异常, 发动机失去控制, 从另一ROM存储器取出水温为80℃的代用值, 来控制发动机工作。

当故障状态存在超过一定时间, 故障代码就以稳定的形式储存。如果在一定时间里该故障状态不再出现, 监控系统则视为偶然性故障。当发动机起动若干次后故障不再出现时, 该偶发故障代码就会自动消除。

1.2 电控单元故障的自诊断过程

电子控制单元是控制燃油喷射系统的中枢, 它根据各种传感器送来的信号, 确定满足发动机运转状态的燃油喷射量、点火正时和怠速转速等。

电控单元出现故障时, 自诊断系统显示并记录其故障代码。其监测方法是:电控单元内设置一监视回路, 其监视计时器按时对微机进行复位。当出现故障监视器不能复位时, 电控单元启用其备用电路, 防止该系统出现异常造成汽车不能运行。

1.3 执行器故障的自诊断过程

汽车上装有很多执行器, 如电动燃油泵、喷油器、冷起动喷油及热限时开关、怠速空气调节器, 点火线圈等执行器。电控单元发出指令后, 执行器完成各项动作。

执行器工作中没有信号返回到电控系统, 为了监测执行器的工作状态, 一般都增设有监视回路, 及时将显示执行器的工作状态的信号反馈给电控系统。当没有反馈信号或信号不在正常范围内时, 故障指示灯亮, 并开始储存故障代码。

2 进入故障自诊断系统的方法

读取故障代码时, 首先要进入自诊断测试状态。由于制造厂和车型的不同, 其方法也不一样, 大致有以下几种:

2.1 用跨接线连接“诊断输入”和“搭铁”接头法

如连接丰田轿车的“TE1”和“E1”、韩国大宇轿车的“A”和“B”接头时, 便进入自诊断系统。

2.2 按下“诊断”按钮开关法

沃尔沃、天津三峰客车等使用此方法。

2.3 打开设在电控单元上的诊断开关

日产轿车等采用此方法。

2.4 同时按下空调面板上的“WARMER”和“OEF”键

福特林肯、凯迪拉克, 大陆轿车等都采用此方法。

2.5 利用点火开关上的约定法

转动点火开关从ON→OFF→ON→OFF→ON循环一次。纽约人、幻影、太阳舞及北京切诺基等汽车使用方法。

2.6 利用加速踏板的约定操作法

打开点火开关, 不起动发动机, 在5 s内踩加速踏板5次即可。德国宝马轿车采用此方法。

2.7 利用专门的解码器读取

所有的车型故障代码读取均可采用专用解码器进行。但有些轿车只用此方法, 如奥迪100、桑塔纳2000型轿车等。

3故障代码的显示方法

3.1 数字显示

利用车上仪表以数字形式显示故障代码, 显示直观, 操作简单 (一般只需按下设定按键即可) 。

3.2 利用指示灯的闪烁情况显示

大部分自诊断系统均采用这种方法, 它是利用脉冲电压的宽度驱动仪表板上“检查发动机”指示灯的闪烁来实现的, 有以下几种:

a.宽脉冲 (灯亮时间较长) 表示十位, 窄脉冲 (灯亮时间短) 表示个位。十位与个位间有一较短的暂停时间, 故障码与故障码之间有一个较长的暂停时间。如图1所示, 表示故障码为13和22。

b.电脉冲宽度相同, 位与位之间有一较短的暂停时间, 故障码与故障码之间有一较长的暂停时间。如图2所示, 表示故障码为13和22。

c.表示故障码的脉冲宽度相同, 在位与位之间有一个暂停时间, 在故障码与故障码之间有一较宽的电压脉冲, 如图3所示, 表示故障码为12和23。

d.以5V的电压脉冲表示十位, 以0V的电压脉冲表示个位, 故障码与故障码之间以较长的2.5V电位区分。如图4所示, 表示故障码为21和32。

3.3 利用发光二极管 (IED) 显示

有的汽车上利用1个或多个发光二极管来显示故障代码。发光二极管一般就装在电控单元上, 其指示代码的方式有所不同。

a.采用1个发光二极管。其指示方式与仪表板上的故障指示灯显示故障的方式相同。

b.采用2个发光二极管。一般为2个不同颜色的发光二极管, 红色发光二极管显示十位码, 绿色发光管显示个位码。

c.采用4个发光二极管。各发光二极管 (从前至后) 分别代表数字8、4、2、1。显示故障码时, 发光二极管显示的代码相加即为显示的故障码。

4 故障代码的清除

在对发动机电控燃油喷射系统的故障排除后, 就应清除存储器内电控单元中的故障代码, 以防止与以后记录的故障代码相混淆。故障代码在存储器中是以系统接电后得以保存的, 一般说来, 只要系统断电30s后, 故障代码即可清除 (但应注意, 彻底断电后, 存储在内存的石英钟和音响的信息也会被清除, 应查阅具体车型的故障代码清除方法) 。

参考文献

[1]肖永清, 陆刚.新型轿车电喷系统的原理与故障检修[M].北京:人民邮电出版社.

燃油喷射系统的维护 第5篇

高压共轨燃油喷射系统可灵活控制喷油规律,被誉为世界内燃机行业20世纪三大突破之一[1]。目前此系统已在发动机单循环内实现了多次(>5)喷射,为进一步降低发动机排放、噪声和燃油消耗率提供了新思路,成为当前研究的热点[2,3,4,5,6,7,8]。

多次喷射可以分为预喷射、主喷射和后喷射3种。通常,在单循环内主喷射只发生1次,预喷射和后喷射则根据高压共轨燃油喷射系统硬件特征可实现多次。预喷射的主要作用是缩短主喷射的滞燃期,使气缸内的燃烧压力升高但燃烧峰值压力得到抑制从而形成柔性燃烧,降低燃烧噪声,间接影响发动机输出的转矩[9,10]。主喷射的作用是为发动机提供主要的动力输出。后喷射的作用是在保证达到相关排放法规的前提下促进缸内未燃尽碳烟进一步燃烧。本文的研究对象为2次预喷射、1次主喷射和2次后喷射构成的共5次喷射的高压共轨燃油喷射系统,其喷射时序如图1所示。

本文采用分层设计的思想,设计了多次喷射协调控制策略,确定了不同工况下最佳喷油组合方式,编写了相应的控制算法,并在某2.5 L高压共轨柴油机和某型号样车上实现了其功能。

1 多次喷射协调器控制策略

多次喷射协调策略分3个层次来实现。第1层次为目标层,由发动机的环境变量(如冷却水温度、进气温度等)控制的各次喷射的组合方式确认;第2层次为设定层,在目标层的基础上进行最大喷射次数和喷射优先级的计算;第3个层次为实际层,是在目标层的基础上,结合各次喷射喷油量和喷油定时计算过程中的判定条件,产生的直接决定各次喷射发生与否的计算。

将各种喷射的触发情况用一个8位的控制字来处理,若哪次喷射触发则将相应位置“1”即可。控制字的分配如表1所示。

1.1 目标层的计算

1.1.1 预喷的触发

2次预喷射共有4种组合方式:不发生预喷、只有第1次预喷、只有第2次预喷、第1次+第2次预喷。这4种预喷射的组合情况也可以通过设置控制台来实现,其组合情况见表2。

首先以发动机冷却水温度和进气温度为横纵坐标进行插值得到一个对应预喷组合序号(表2中第1列内容),如图2所示。图2中为了避免发生震荡,设定了相应的偏差范围。

由于2次预喷射可以有4种组合方式,基于发动机工况(本文指发动机转速和当前喷油量)就有4种不同的MAP图与之相对应,因此采用图2中得到的序号在基于发动机工况的4种MAP中进行相应选择,如图3所示。在此基础上根据大气压力、变速箱的齿轮信号及车速等情况进行修正和判断,最终可得预喷的触发组合方式。

1.1.2 主喷和后喷的触发

通常情况下,主喷射油量较多,是转矩的主要来源。一般主喷射在每循环喷射中都会发生。故其相应位总置“1”。

后喷射的触发与预喷射触发不同,主要是依据尾气处理系统(包括微粒捕集器和氧化催化器)的启用情况来决定的,如图4所示。

1.2 设定层的计算

设定层的任务是确定最大喷射次数和各次喷射间的优先级,并按照优先级对喷射进行相应处理。

1.2.1 确定最大喷射次数

最大喷射次数是由高压油泵的燃油平衡、升压电容负荷平衡及系统本身决定的,如图5所示。在燃油系统中高压油泵是燃油高压部分和低压部分的通道和分界面,高压油泵的泵油能力决定了燃油系统的最大燃油喷射量。电池的升压电容负荷平衡决定了电池的充放电性能和驱动电控喷油器的能力,因此升压电容负荷平衡也决定了最大喷射次数。燃油系统本身的软硬件系统对最大燃油喷射次数起决定性作用。将各次喷射情况触发按位“或”后得到的喷射次数与高压油泵燃油平衡、升压电容负荷平衡及系统本身确定的最大喷射次数求最小值,即为最大喷油次数。

1.2.2 喷射优先级的确定

如果目标喷油次数大于最大喷油次数,那么就要根据优先级来关闭相应的喷射。表3为正常模式和尾气处理再生模式下的优先级安排。从表3中可以看出,再生模式时后喷的优先级比预喷的优先级要高。

图6为正常模式下根据喷射优先级对喷油次数进行运算的示意图。

首先从已触发的喷射字中按位逐位取出,若为“1”则次数加1,为“0”则不计入次数;得到喷射次数为5次,然后判断喷射次数与最大喷射次数间的关系(本文采用的系统中最大喷射次数系统设置为3),如果喷射次数≤最大喷射次数,则按照优先级顺序和触发喷射次数进行喷射;若喷射次数>最大喷射次数,则按照优先级顺序关闭优先级最低的(喷射次数-最大喷射次数)次喷射后(图中将优先级为“4”和“5”的第1次后喷和第2次后喷关闭),再按照优先级顺序喷射。尾气处理再生模式下优先级对喷油次数的运算结构与此相似,只是优先级顺序不同。

1.3 实际层的计算

事实上,每次喷射的发生都有其相对独立的触发条件。如第1次预喷射发生条件是在设定层确定其发生的条件下,喷油量>可调整下限值,标定的最大喷油提前角>最小喷油提前角,且主喷残留量≥最小值。而对于第2次预喷,除满足以上条件外,还要考虑压力变化的补偿问题。下面就以第1次喷射为例,简要说明实际层的运算,如图7所示。

从图7中可以看出,预喷的状态是由设定层状态中对应位和触发条件组成的,将这些条件对应的位取出后进行位与运算,并将结果送至实际层状态中的相应位,同时送至预喷状态位的最低位进行保存,用来在喷射过程中进行条件判断。预喷状态中置“0”的位表示未使用。同时需要注意的是,预喷状态中高位的优先级最高,这样,如果设定层状态位为“0”的话,就直接将实际层状态置“0”。

2 多次喷射协调控制器的实现

综上所述,高压共轨多次喷射协调控制最终是通过目标层、设计层和实际层的计算,再转化为各次喷射状态的控制来实现的。为了验证高压共轨多次喷射协调控制策略,进行了发动机台架及装车试验验证。

2.1 发动机台架试验

在某2.5 L高压共轨柴油机(参数见表4)上安装采用多次喷射协调控制的控制器开展试验验证。

协调控制首先根据进气温度和冷却水温度在4种MAP中进行选择,然后从对应MAP中得到相应的喷射组合模式,再经过优先级关闭相应次数的喷射,最后根据实际喷射计算条件确定各次喷射最终是否触发。

此款发动机在正常模式时(图8),若冷却水温度和进气温度都低于17 ℃,则采用第3张MAP;若高于17 ℃,则采用第2张MAP。尾气再生模式时(图9)所有的MAP都选择第3张MAP。

在第2张MAP中(图10),当发动机转速低于3 250 r/min时,均采用第2种组合方式。查表2可知,第2种组合方式为第2次预喷。这是因为此时发动机冷却水温度和进气温度均属于暖机工况,由于此时发动机转速还不够高,采用第2次预喷射可保证发动机运行的稳定性。

当发动机转速高于3 250 r/min时,则采用第1种组合方式。通过查表2可得到,此时不触发预喷射。这是因为虽然此时仍为暖机工况,但转速较高,只通过主喷即可保证发动机稳定运行。

在第3张MAP中(图11),在所有发动机转速和喷油量条件下均采用第2种组合方式,即只有1次预喷射。这是因为此时发动机属于冷机工况,采用预喷+主喷方式一方面可以最大限度抑制柴油机冷起动时的恶劣排放,另一方面怠速时又可保证发动机稳定性,同时加速时也可保证足够的油量供应。

该发动机在单循环内最大喷油次数为3,其喷射优先级为320145,则当发动机冷却水温度为20℃,进气温度为30℃且发动机未处于再生状态时,最终得到的喷射组合为主喷+第2次预喷。

发动机台架试验结果表明:该控制策略可根据冷却水温度和进气温度确定预喷组合方式及喷射组合模式,通过优先级对约束喷射次数及确定各次喷射,完全达到了预期设计目标。

2.2 装车试验

完成发动机台架验证试验及500 h可靠性试验后,为了进一步验证高压共轨多次喷射协调控制策略的性能,在某款样车(参数见表5)上安装了采用多次喷射协调控制的控制器,开展了装车试验。

装有此喷射协调控制策略控制器的试验样车已安全运行超过2×104 km,通过了各种路况、工况及环境条件的试验。结果表明:本文设计的多次喷射协调控制策略完全达到了设计要求,能够稳定运行并有效对预喷、主喷和后喷实现自动调节。

3 结论

(1)本文通过划分目标层、设定层和实际层,设计了各次喷射触发、各种喷射的组合、最大喷射次数、喷射优先级、最终喷射计算及协调控制器的控制算法,实现了高压共轨多次喷射协调控制。将采用本文控制策略的控制器安装在某型号发动机上开展了发动机台架试验,验证了喷射组合模式、喷射次数限制、最终喷射计算及协调控制器的算法,结果表明完全达到了预期设计目标。

(2)将采用本文控制策略的控制器搭载在某样车上开展了装车运行试验,经过2×104 km的各种工况环境条件试验,结果表明本文设计的多次喷射协调控制策略运行稳定可靠,有效实现了多次喷射的协调控制,对进一步优化多次喷射协调控制具有借鉴意义。

参考文献

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燃油喷射系统的维护 第6篇

现代经济快速发展, 能源消耗对环境的影响受到全世界的关注。而车用发动机则是当下能源消耗大户, 持续降低油耗、节约能源成为一项漫长而艰巨的任务。当前, 车用发动机排放物是造成环境污染的重要来源, 其中有害排放物有氮氧化物、未燃烧碳氢化合物、颗粒、一氧化碳等, 这些物质对人体和环境有极大的危害。为了进一步解决氮氧化物和颗粒的排放较高问题, 诸多柴油机喷射系统采用了高压共轨喷射系统。该系统既提高柴油机整机性能, 又减少了排放。高压共轨泵作为高压共轨系统重要部件, 关系到系统的整体运行, 本文重点从结构方面对其分析和研究, 并对高压泵供油能力进行数学建模。

1 高压共轨燃油喷射系统的发展趋势

柴油机高压共轨燃油喷射系统, 是本世纪新型绿色柴油机的燃油系统, 它采用压力时间计量原理淘汰了以前惯用的脉动原理, 实现了准确控制高速电磁阀的启闭时间, 控制共轨中的进油量, 完成对共轨中燃油压力精准控制, 使喷油压力不会随柴油机的转速而变化;另外, 经过ECU准确计算, 控制了各缸喷油电磁阀, 实现1次或多次燃油喷射, 彻底分离了喷油压力的产生及燃油的喷射过程, 喷油量、喷油压力和喷油定时的柔性控制得以实现。 (图1)

目前, 世界上很大公司都研制了各自的共轨系统, 本文重点分析相对成熟的且大量上市的博世公司的CR系统。博世公司于1997年推出了第一款系列生产的共轨系统。名称源自为所有气缸提供燃油的高压蓄能器 (共轨) 。其他柴油喷射系统是分别为每次喷射产生燃油压力, 而共轨系统则是将压力产生和喷射互相分隔开来。燃油以喷射所需的压力持续供应。CR系统采用模块化设计, 通过对高压泵、喷射器、油轨和电子控制装置组合调整, 可实现为从最小型的乘用车到重型汽车在内的多种类型车辆提供适用的系统。

2 高压共轨燃油喷射系统简介

为了进一步解决NOx和颗粒PM的排放较高的问题, 诸多柴油机喷射系统均采用高压共轨喷射系统。德国的博世公司是柴油机高压共轨燃油喷射系统开发领域的先驱和领导者。以博世CR系列的高压共轨燃油喷射系统为例, 其基本结构如图2所示。

基本工作原理为:输油泵 (齿轮泵) 将燃油经过滤器从油箱吸出, 再经过滤, 以较低的压力输往高压泵 (柱塞泵) 。然后该油路分为两路:一路先通过安全阀小孔流过高压泵的凸轮轴室, 接着流过压力控制阀, 最后回油。另一路先经高压泵柱塞腔, 再到共轨管。共轨管通过轨压传感器实时测量压力, 还有一个溢流阀, 执行电控单元指令, 反复启闭回油通路实现共轨压力控制。燃油从共轨管流向喷油器后又分为两路:一路从打开的电磁阀回油, 一路进入到燃烧室。

高压共轨燃油喷射系统主要部分的功能如下:输油泵:为高压泵补油;高压油泵, 为高压油轨提供高压燃油;共轨管:能让高压泵供油和喷油器喷射引起的压力波动尽可能小的共轨容积, 并保证能在启动时迅速建立压力, 起着蓄能作用。

3 高压共轨燃油喷射系统中高压泵的分类及作用

当前柴油机高压共轨系统中使用的高压泵主要有两类, 分别是直列柱塞式共轨高压泵和径向柱塞式共轨高压泵。

本文重点研究博世高压共轨燃油喷射系统的高压泵, 其为径向柱塞泵。高压泵的任务是压缩燃油并按照发动机性能方面的要求提供合适压力的燃油。要做到这一点, 它会不断地将燃油送入高压蓄压器 (共轨) , 以保持系统供油压力。压力产生与发动机无关, 也就是说, 发动机处于低转速时也能够产生所需的压力。实物和结构如图3所示。

4 高压泵关键元部件三维建模

首先确定博世高压共轨泵的基本结构并对关键元部件进行三维建模。

驱动、泵油部件等其它部件共同组成了共轨系统的高压泵。驱动部件包含凸轮轴、柱塞弹簧等, 它最重要的部分为凸轮轴, 直接关系到燃油压力的建立及供油速率和供油效率。泵油部件包括柱塞偶件, 柱塞偶件包含了柱塞、柱塞套, 高压泵的供油速率和死容积受柱塞升程和直径的直接影响, 它供油效率的高低取决于柱塞偶件配合间隙的设计。故共轨系统高压泵中最需要研究的两个关键部件是凸轮轴部件几柱塞偶件。

高压泵的凸轮轴是驱动高压泵正常运转的关键部件。凸轮轴设计的好坏是影响高压泵供油规律的关键因素。本文通过Pro/E对高压泵凸轮轴进行三维建模, 重点研究凸轮轴的受力分析图、并校核了凸轮轴危险截面的安全系数。 (图4)

柱塞和柱塞套组成了高压泵的柱塞偶件, 它们是最基本元件, 也是供油的核心部件。柱塞在柱塞套内上下往返移动, 形成高压泵的吸油、压油行程。要求柱塞、柱塞套的配合非常好, 间隙在1.5~3um之间。实际情况是:泵端压力与燃油泄漏量成正比, 高压共轨系统中高压泵柱塞偶件的间隙泄露问题主要出现在高压泵端盖压力超过2000bar时。但是考虑到柱塞杆的功能多样性, 并且本文只研究起压缩燃油作用的柱塞偶件, 所以本文通过简化模型, 将柱塞杆简化为一根“光杆”。通过Pro/E建立柱塞偶件三维模型, 为后续有限元分析提供基础数据。

5 高压泵关键元部件有限元分析

(1) 通过分析软件ANSYS的Workbench模块, 本项目详细计算了高压泵凸轮轴的三维建模部分, 同时校核了它的危险截面强度。为抓住重点, 分析主要部位, 本项目将对不属于承力部件且会影响网格划分质量的凸轮轴倒角、圆角和螺纹等进行去除, 简化凸轮轴模型。然后对凸轮轴有限元模型进行施加约束和载荷, 找出其最大主应力和等效应力的临界点。通过分析, 判断凸轮轴的设计强度能否满足要求, 在受力最苛刻条件下是否会失效。 (图5)

(2) 高压共轨燃油喷射系统高压泵开发的难点在于高压泵中燃油的泄漏。这个问题倍受瞩目, 因为泄漏产生后果极其严重。影响高压泵供油效率的核心参数是柱塞腔燃油泄漏量, 燃油在高压下通过柱塞和柱塞套间的径向间隙的泄漏是泄漏核心来源, 泄漏主要是柱塞偶件在高压下的径向变形导致的。泄漏燃油在柱塞间隙中的流动形式很复杂, 一是间隙两端存在压差, 二是柱塞内圆面和柱塞套外圆面之间有相对运动, 所以, Couette、Poiserolle流两种流动形式的叠加才是柱塞偶件中的泄漏燃油的流动形式。 (图6)

本项目将利用分析软件ANSYS的Workbench模块, 对已经设计建模的柱塞偶件, 进行结构强度及其在高压下的密封性验证, 并计算燃油通过柱塞偶件间隙的泄漏量。

进行结构强度和变形分析时, 为了简化起见, 将柱塞和柱塞套视为完全轴对称结构。同时, 本项目重点研究柱塞偶件在燃油压力下的径向变形, 将简化作用在柱塞偶件上载荷, 对研究结构影响不大的边界条件进行简化处理。

6 高压共轨燃油喷射系统新型供油系统的数学模型建立

该新型供油系统为高压泵, 它的泵油过程异常复杂, 存在很多干扰供油过程的因素, 在建立高压泵供油系统数学模型时首先对模型进行简化。高压泵的供油能力可以从每循环供油压力和最大供油量两个方面来表示。通过建立的数学模型分析高压泵泵油能力的主要影响因素, 主要包括:柱塞直径、柱塞最大供油行程、柱塞腔间隙、柱塞偶件燃油泄漏量等。

7 总结和结论

本文通过对高压泵进行三维建模和有限元分析, 得出高压油泵供油能力数学函数, 对高压油泵关键结构部件的设计与研制提供相关技术参数, 得出高压油泵关键结构部件的有限元分析数据, 为分析泄漏提供技术数据。

参考文献

[1]颜松.柴油机高压共轨系统压力动态特性模拟:[硕士论文].浙江大学, 2005.

燃油喷射系统的维护 第7篇

为了减少船舶排放造成的大气污染, 2008年10月国际海事组织 (IMO) 海洋环境保护委员会 (MEPC) 第58次会议召开, 会议一致通过了MARPOL附则Ⅵ《防止船舶造成大气污染规则》的修正案。图1为IMO制定的具体目标。

为了满足日趋严格的排放法规要求, 电子控制燃油喷射柴油机是目前及未来一段时间内的发展方向[1,2,3,4,5,6,7,8]。实现电控燃油喷射主要有高压共轨系统、电控单体泵系统和电控泵喷嘴系统三种方法。其中, 高压共轨系统具有相对独立的轨压和喷油控制, 使得柴油机在性能控制方面具有极大的灵活性, 但是它的使用受到传感技术、加工工艺、材料特性、燃油清洁度、维护使用成本等方面的限制;电控单体泵和电控泵喷嘴系统在结构布置上有较大的差别, 但是在控制方式上相同, 喷油时刻和喷油量均由泵出口的电磁阀控制, 可获得理想的先缓后急的喷油规律, 系统的可靠性较高, 对燃油的质量要求相对较低。根据文献[9]的资料统计, 欧洲和北美等国家和地区, 重型柴油机基本上采用电控泵喷嘴和电控单体泵系统。

本文中对4190船用中速柴油机的传统机械泵燃油供给系统进行电控化改造, 利用AMESim软件平台建立电控燃油喷射系统模型, 通过仿真计算研究确定主要参数匹配, 以减少试验工作量;进一步开展4190柴油机台架试验研究, 得到不同匹配参数下的整机性能。

1 4190柴油机燃油系统电控化改造方案

4190柴油机为中速四冲程柴油机, 可用于小型船舶主推进柴油机及发电柴油机使用, 其燃油供给系统为传统机械泵供油系统, 原机的主要性能及结构型式见表1。

综合考虑国内燃油质量及原机型改动工作量, 4190柴油机电控燃油系统采用国内已具备设计制造能力的直列电控单体泵型式, 又称电控组合泵。

由电控组合泵取代原传统直列式喷油泵, 保留凸轮轴驱动方式。电控泵出口高速电磁阀的通电时刻和通电持续时间控制供油提前角和喷油量。柴油机转速、凸轮轴相位、进气压力、环境温度等信息通过传感装置送入电控单元 (electronic control unit, ECU) , 经过处理得到该工况的喷油提前角和喷油量, 并转换为高速电磁阀的控制信号输出, 控制高速电磁阀的通电和断电。图2为改造后的电控燃油喷射系统示意图。

文献[10]指出:MARPOL附则Ⅵ实施之前的机型, 其喷射压力一般为100～120MPa;而近年来开发的新机型, 喷射压力提高至150MPa左右;为适应未来更加严格的排放法规, 喷射压力将继续提高。

4190柴油机的电控燃油系统的设计和制造要基于国内的研发厂家。文献[11]指出:国内针对1000r/min的重型中速柴油机, 通过合理地匹配凸轮型线、柱塞直径、高压油管的长度和直径、喷油器喷孔直径, 燃油喷射压力可达100MPa以上。

为了减少试验工作量, 首先在AMESim仿真软件平台上建立电控燃油喷射系统模型, 选择匹配凸轮型线、柱塞直径、高压油管长度和内径、喷油孔直径五个参数, 而喷孔数和喷雾角度保持原机数值不变。电控泵燃油喷射系统模型如图3所示。

仿真发现:当其他因素相同时, 凸轮型线的工作段对单次喷油量和喷油规律具有较大影响, 如图4所示。由图4可见, 在29.7°CaA附近开始喷油, 单次喷油量较大, 喷射速率较高, 喷油规律呈现为先缓后急趋势;随着开始喷油的角度增加, 喷油规律发生变化, 先期喷射速率增加, 后期喷射速率下降, 规律接近矩形;若继续增加, 则喷油规律变成了先急后缓。这说明油泵装机试验时, 应调整凸轮工作段获得好的喷油规律, 从而得到好的整机性能。

经模型仿真确定试验匹配参数为:凸轮型线最大线速度为0.46mm/°CaA, 喷孔直径分别为0.26、0.28、0.30mm, 柱塞直径为13mm, 高压油管长度为900mm, 高压油管内径为1.8mm。此时可以获得较高的燃油喷射压力和适当的喷射持续期, 如图5所示。

2 发动机各参数的匹配与标定

发动机试验台架组成如图6 (a) 所示。电控供油系统的喷油规律测量在油泵试验台上完成, 采用EFS8427电磁阀驱动模块和IFR600喷油规律测量仪, 如图6 (b) 所示。

整机试验从标定工况确定最佳凸轮型线工作段开始, 之后开展供油提前角 (或称供油定时) 的标定工作, 此时均遵守经济性最佳原则, 供油持续期由ECU控制单元根据转速偏差按照一定的控制规律来确定。

2.1 凸轮型线与发动机上止点的位置关系确定

由于电控泵的凸轮型线工作段较长, 在供油提前角标定时, 通过转动喷油泵安装角度来改变凸轮型线工作段。图7为标准安装时凸轮型线与发动机上止点的位置关系图, 即38°CaA位置对应于发动机的上止点位置。由图7可见, 当发动机上止点所对应的凸轮角度变化时, 供油段的位置会发生变化, 而不同位置凸轮的线速度是不同的, 因此供油规律会发生变化, 最终影响到喷油规律。

图8为在油泵试验台上调整凸轮型线相对上止点位置, 相同喷油脉宽时得到的喷油规律。由图8可见, 随着凸轮转角角度的变化, 喷油规律由先缓后急逐渐转变为先急后缓, 单次喷油量则由少到多再到少, 从试验上验证了图4所示仿真结果的正确性。由此可知, 在进行发动机匹配标定时, 要通过反复试验寻找经济性最好的凸轮工作段。

图9为三个位置关系对发动机各参数的影响。由图9可见, 45.2°CaA位置对应于发动机上止点时, 当负载率大于47%之后, 燃油消耗率最低, 排气温度也最低。试验表明:如果继续增加上止点对应的凸轮角度, 燃油消耗率又将明显回升。

当上止点对应的凸轮转角增加时, 喷油期所占用的凸轮等速段越多, 燃油压力建立越快且最大压力越高, 喷油速率增加且喷油时间缩短, 最高燃烧压力增加。由此可以解释燃油消耗率低和排气温度低的现象。

2.2 喷油器伸出高度的影响

4190柴油机改用电控组合泵之后, 喷孔直径减小, 燃油喷射压力大幅提高, 油束与燃烧室的配合关系会发生变化, 燃油喷射速度的计算式为

式中, Cd为流量系数;ρ为燃油密度;pc为缸内气体压力。

由式 (1) 可知, 当燃油喷射压力p提高, 燃油的喷射速度U提高, 油束的贯穿距离会增加, 但喷射速度的增加使雾化加快, 油束的贯穿距离下降。文献[12]进行了综合评估, 喷射压力增加时, 油束的贯穿距离仅略有增大, 若再考虑喷孔直径减小导致贯穿距离减小的因素, 则可认为采用小喷孔和高喷射压力后, 油束的贯穿距离会减小。由于原机的喷油器安装垫片无法拆卸, 故只能增加1mm垫片, 使喷油器伸出高度减小1mm, 试验结果发现油耗率上升, 排气温度增加 (图10) , 说明油束与燃烧室的匹配情况变差。

2.3 各工况供油定时优化

根据理论分析, 每个工况都存在油耗最低的供油定时。对于电控泵, 需通过试验逐点确定各工况的最佳供油定时, 之后写入ECU的供油定时MAP中, 不同喷孔直径有不同的MAP图。图11为标定工况三种喷孔直径下, 发动机供油定时与燃油消耗率的关系。从图11可见, 标定工况0.26mm喷孔直径的最佳定时为31°CA, 0.28mm喷孔直径的最佳定时为26°CA, 0.30mm喷孔直径的最佳定时为27°CA。

三种喷孔标定工况标定点上的缸压、喷油规律、喷油持续期等如图12所示。值得注意的是, 使用0.26mm喷孔时, 虽然最高燃烧压力大于使用0.28mm喷孔的情况, 但是燃油消耗率稍高。分析原因是0.26mm喷孔的供油提前角和喷油压力均较大, 滞燃期内准备好燃烧的燃油较多, 故最高燃烧压力高, 但是喷油持续期长, 后燃严重, 所以经济性较差。

3 整机性能对比试验

完成以上匹配标定工作后, 对三种喷孔直径下的发动机及改造前的发动机的整机性能进行了对比试验, 如图13所示。由图13可见: (1) 采用电控泵的发动机油耗率均低于原机, 特别是在部分负荷情况; (2) 采用0.26mm喷孔时, 标定工况的燃油消耗率和排气温度均相对偏高, 因为此工况下的喷油持续期过长, 按31°CA供油提前角, 根据图12 (c) 计算, 喷油将持续到10°CA ATDC或更晚, 造成燃烧效率下降, 后燃严重; (3) 采用0.26mm喷孔时, 发动机的NOx排放浓度最低, 而采用0.28mm和0.30mm的喷孔时NOx排放浓度高于原机; (4) 采用0.26mm喷孔时, 发动机的CO排放浓度随着负载增加显著升高。分析原因是负载增加, 喷油持续期也增加, 后燃增加, 燃烧不充分;0.26mm喷孔直径小, 油束贯穿距离短, 缸内混合气的不均匀度增加, 离喷孔近的中心区域混合气浓度大造成缺氧, 故CO排放增加。

4 结论

(1) 利用AMESim软件平台, 建立电控燃油系统仿真模型, 对燃油系统各参数进行仿真匹配, 确定整机试验采用凸轮型线最大线速度为0.46mm/°CaA, 喷孔直径分别为0.26、0.28、0.30mm, 柱塞直径为13mm, 高压油管长度为900mm, 内径为1.8mm, 大幅度减少了试验工作量。

(2) 成功实现34190柴油机燃油系统的电控化改造, 试验表明采用0.26mm喷孔直径是最优方案, 既可以得到低的燃油消耗率, 又可以实现低NOx排放, 特别是在低负荷工况;但是, 由于喷油持续期过长, 导致标定工况下燃油消耗率的改善不足, 且CO排放水平有所升高。

参考文献

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燃油喷射系统的维护 第8篇

电控单体泵系统通过电磁阀在等速凸轮段灵活控制喷油定时和喷油压力, 满足柴油机排放法规和经济性的要求, 作为一种燃油喷射系统应用于柴油机广泛应用于船用柴油机。喷射压力是成功匹配柴油机的关键因素, 决定了喷油量和燃油雾化的质量。然而目前研究工作都只是针对喷油压力随燃油系统结构参数变化规律[1,2,3], 并未针对喷油压力随时间历程的波动规律进行系统的研究工作。本文结合电控单体泵油泵试验台试验结果, 详细分析了电控单体泵系统的喷油压力特性, 研究喷油压力及喷油压力升高率随转速和喷油脉宽的变化规律, 为电控单体泵的设计提供理论支撑。

1 系统的组成及工作原理

图1为电控单体泵燃油系统的结构示意图。该系统由电控系统和机械液力系统组成。电控系统主要包括控制单元、传感器等, 机械液力系统由电控单体泵、高压油管、喷油器和低压系统所组成。两系统之间通过控制单元发出控制信号实现对喷油过程的数字控制[4,5]。

喷油量和喷油定时通过电磁阀关闭时间长短和关闭时刻来调节, 油泵柱塞只起供油加压作用, 不承担供油调节功能, 因而油泵的结构得到简化[6]。由于电控单体泵的泵端压力、嘴端压力和喷油规律的时序与机械泵的时序有很大的区别, 所以电控单体泵的喷油压力规律不同于机械泵, 研究其喷油压力不仅对匹配不同柴油发动机有指导作用, 而且与控制系统中发动机管理程序、喷射程序、发动机标定系统的标定参数等紧密相关[7,8]。

2 试验装置及工况

2.1 试验装置

图2为电控单体泵测试系统油泵试验台试验装置。采用瑞士Kistler公司生产的高精度瞬态压力传感器测量单体泵系统高压部分的单体泵泵端和喷油器嘴端的瞬态压力。表1为试验设备与仪器。

2.2 试验工况

为了能够反映电控单体泵燃油系统在不同发动机负荷特性和速度特性下的喷射压力特性, 根据电控单体泵系统的工作特点, 选取了能够反映系统喷射压力特性的低速 (400r/min) 、中速 (800r/min) 和高速 (1 200r/min) 三条速度特性和小喷油脉宽 (2°CaA) 、中等喷油脉宽 (7°CaA) 和大喷油脉宽 (12°CaA) 三条负荷特性线, 通过对六条特性线上九个特性点的喷油压力情况进行深入分析, 研究电控单体泵的喷油压力特性, 如图3所示。

3 喷油压力特性研究

图4为喷油压力变化规律曲线。图4 (a) 为喷油脉宽7°CaA、不同凸轮转速情况下喷油定时对喷油压力 (即喷油器嘴端压力) 的影响规律。由图4可见, 喷油定时在19~29°CaA时对喷油压力基本没有影响, 因为在凸轮型线等速工作段, 在此喷油定时范围内, 喷油压力在等速段内建立;喷油定时在13~19°CaA时喷油压力均呈现上升趋势, 因为喷油压力建立过程超出了凸轮型线等速段范围。喷油压力建立过程在凸轮型线等速工作段范围内的特点是在相同转速下, 循环喷油量的调节与喷油定时无关, 油量和喷油脉宽的对应关系简单, 进而使标定工作简单。同时, 为了消除喷油定时对单体泵系统喷油压力特性的影响, 本文喷油压力的建立过程均是在凸轮型线等速工作段范围内。为了能对比分析单体泵系统喷油压力 (即喷油器嘴端压力) 的变化规律, 该试验的控制电流都是从相同凸轮相位时间开始作用。由图4 (b) ~图4 (d) 可知, 相同转速下, 随着喷油脉宽的增大, 柱塞压油的有效供油凸轮转角增大, 高压燃油向喷油器的供油量增加, 从而使喷油压力近似线性增加。随着凸轮转速的增加, 燃油的供油速率增加, 从而使喷油压力增加。根据控制电流与喷油压力的时序关系得出电磁阀通电后, 燃油的惯性和液力传递的延迟作用使喷油压力并未立即开始建立。而喷油压力是电磁阀通电时间累积蓄压的结果, 电磁阀断电结束了累积蓄压的过程而使喷油压力达到最大值, 但由于流体的惯性作用, 压力并未立即下降。喷油压力最大值随着转速和喷油脉宽的增加而升高, 在凸轮转速为400r/min时, 喷油压力最大值从喷油脉宽为2°CaA时的38.75MPa升高到喷油脉宽为12°CaA时的82.50MPa。随着转速的增加, 液体的流动速率增加, 液力延迟的作用减小, 喷油压力曲线随着转速的增加整体前移。

4 喷油压力升高率特性研究

随着转速和喷油脉宽的变化, 喷油压力的斜率出现规律性的变化, 由此提出喷油压力升高率的概念 (本文所涉及到的压力升高率均是嘴端压力升高率) 以更进一步探究喷油压力随时间历程的变化规律。

4.1 平均压力升高率

本文定义的平均压力升高率分为两部分:一是从喷油压力开始建立到喷油压力达到顶点 (即喷油压力最大值) 这一个阶段的压力增加差与这个阶段所对应的时间差的比值, 二是从喷油压力顶点下降到最低点的压力下降差与这一阶段所对应的时间差的比值。第一阶段是喷油压力上升阶段, 故为喷油压力平均升高率, 第二阶段为喷油压力下降阶段, 理论上应为平均压力下降率, 但本文为了统一概念, 统一规定为平均压力升高率, 压力上升部分为正值, 压力下降部分为负值。

图5为喷油压力的平均压力升高率曲线。由图5 (a) 可知, 相同脉宽下, 随着转速的升高, 喷油压力上升部分的平均压力升高率呈现上升的变化规律。7°CaA喷油脉宽时, 喷油压力上升部分的平均压力升高率从400r/min的19 132.7MPa/s增加到1 200r/min的89 285.7MPa/s。由于随着转速的升高, 供油速率增加, 喷油压力最大值增加, 即喷油压力的最大值与建压时的压力的差值增加, 并且随转速的增加, 相同喷油脉宽所对应的喷油时间减少, 也就是喷油压力的最大值与建压时的压力所对应的时间差减小, 根据平均压力升高率的定义得出平均压力升高率随转速的增加呈上升的变化规律。而同一转速下随着喷油脉宽的增加, 喷油压力上升部分的平均压力升高率变化规律不明显。由图5 (b) 可知, 相同转速下, 随着喷油脉宽的增大, 喷油压力下降部分的平均压力升高率呈现出下降的变化规律。凸轮转速为1 200r/min时, 喷油压力下降部分的平均压力升高率从2°CaA的-45 634.9MPa/s下降到12°CaA的-75 396.8MPa/s。随着喷油脉宽的增大, 柱塞压油的有效凸轮转角增大, 加压后向喷油器供给的燃油量增加使喷油压力最大值增大, 从而使喷油压力下降差增加。根据图4 (c) 所示, 凸轮转速为800r/min时2°CaA的压力下降时间为0.001 47s, 7°CaA的压力下降时间为0.001 05s, 12°CaA的压力下降时间为0.001 47s。由于燃油的几乎不可压缩性, 很小的体积变化便会引起很大的压力改变, 泄流时的瞬间高压燃油迅速膨胀, 喷油压力下降的时间很短, 进而相同转速不同脉宽的下降时间差别很小, 所以喷油压力下降的差值对喷油压力下降部分的平均压力升高率起决定性作用, 故喷油压力下降部分的平均压力升高率随着喷油脉宽的增大而下降。而相同脉宽下随着凸轮转速的增加, 喷油压力下降部分的平均压力升高率的变化规律不明显。

4.2 瞬时压力升高率

将平均压力升高率中定义的时间差减小, 减小到喷油压力采样点的采样周期, 两个采样时间点所对应的喷油压力的差值与采样周期的比值即为瞬时压力升高率。瞬时压力升高率代表喷油压力随时间变化的速率, 瞬时压力升高率的正负决定了喷油压力的单调性和波动性, 瞬时压力升高率值为零时, 喷油压力为极值点。图6为不同转速和喷油脉宽下瞬时压力升高率的变化规律曲线。其中, 瞬时压力升高率曲线中数值的正负反映喷油压力的波动, 虽然在压力上升阶段有压力波动, 即瞬时压力升高率曲线的数值有正负的变换, 但喷油压力没有到达最大值之前还会继续增加, 喷油压力最大值点在瞬时压力升高率曲线上就是到达最小压力升高率前瞬时压力升高率为零的点。喷油压力瞬时升高率在正值范围内的波动反映喷油压力升高过程中的脉动性, 同时得出喷油压力上升阶段为喷油压力建压起点到最小压力升高率出现前瞬时压力升高率为零的时刻, 最大波谷的作用时间为喷油压力下降阶段。

4.3 压力升高率最值点

瞬时压力升高率曲线中的最大值和最小值是燃油系统中喷油压力变化快慢的转折点。图7为凸轮转速800r/min、喷油脉宽12°CaA时压力升高率最值点与系统喷油速率、泵端压力的对应图。从图7 (a) 可知, 最大压力升高率产生的点为针阀开启的瞬间, 由于针阀开启的瞬间喷油开始, 嘴端压力瞬时减小。而柱塞加压的燃油补充由于针阀开启而喷出的燃油, 压力升高率达到最大值。图7 (b) 为泵端压力和压力升高率随时间的变化曲线, 从图7 (b) 可知, 最小压力升高率对应泵端压力下降时的压力反弹点。而泵端压力下降的压力反弹点是因为阻尼出油阀落座的瞬间, 燃油回路的节流面积突然减小, 泵端压力回升。而且从阻尼阀开始动作到落座的泄压容积是由嘴端的燃油补充, 从而增加了嘴端压力下降的压力差值。这两个因素的共同作用使压力升高率达到最小值。

图8为喷油压力升高率最值点及其时刻的变化规律。由图8 (a) 可知, 相同脉宽下, 随着凸轮转速的增加, 最大喷油压力升高率增大。而同一转速下, 随着喷油脉宽的增大, 最大压力升高率的变化规律不明显。在喷油脉宽为12°CaA时, 最大压力升高率从凸轮转速400r/min时的71 428.6MPa/s增加到凸轮转速1 200r/min时的190 476.2MPa/s。这是由于在相同脉宽下, 随着转速的增加, 燃油的供油速率增加, 单位时间内的压力差值增加, 所以最大压力升高率增大。最大喷油压力升高率的时刻点随转速、喷油脉宽变化的规律不明显。

根据图8 (b) 所示, 随着凸轮转速的增加, 喷油压力的最小压力升高率减小, 同时随着喷油脉宽的增加, 喷油压力的最小压力升高率的值也同样表现出减小的变化规律。在喷油脉宽为7°CaA时, 最小压力升高率从400r/min时的-95 238.1MPa/s下降到凸轮转速1 200r/min时的-196428.6MPa/s。这是由于随着凸轮转速的增加, 供油速率增加, 喷油压力增加, 喷油压力最大值增加, 而喷油压力下降的时间差值差别很小, 故喷油压力下降差值对喷油压力下降部分的压力升高率起决定性作用, 在相同的时间内喷油压力下降的差值的绝对值增加, 所以最小喷油压力升高率减小。喷油压力升高率最小值的时刻点随着转速的增加而提前。因为随着转速的增加, 相同喷油脉宽对应的喷油时间减少, 从而导致最小压力升高率时刻点提前。在喷油脉宽为2°CaA时, 最小压力升高率时刻从凸轮转速400r/min时的0.007 77s提前到凸轮转速1 200r/min时的0.007 14s。随着喷油脉宽的增加, 喷油压力升高率最小值的时刻点延后。凸轮转速800r/min时, 最小压力升高率时刻从喷油脉宽为2°CaA时0.007 14s延后到喷油脉宽为12°CaA时的0.009 24s。这是由于相同转速下, 喷油脉宽增加, 即喷油时间增加, 而喷油开始时刻相同, 从而使喷油结束时刻延后, 所以最小压力升高率时刻延后。

5 结论

(1) 由平均压力升高率研究可知, 喷油压力上升部分的平均压力升高率随着转速的增加而增大, 喷油压力下降部分的平均压力升高率随着喷油脉宽的增大而减小。

(2) 由瞬时压力升高率研究可知, 喷油压力最大值点为瞬时压力升高率曲线中的最小压力升高率出现前瞬时压力升高率为零的点。喷油压力上升阶段为喷油压力建压起点到最小压力升高率出现前瞬时压力升高率为零的时刻, 最大波谷的作用时间为喷油压力下降阶段。

(3) 最大压力升高率与针阀开启时刻相对应, 并随着转速的增加而增大, 而随脉宽的增大变化规律不明显;最小压力升高率与阻尼出油阀落座时刻相对应, 并随着凸轮转速的增加而减小, 而随脉宽增大的变化规律不明显。

参考文献

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燃油喷射系统的维护 第9篇

汽车行业为应对全球能源紧缺与环境问题突出的挑战,在动力源领域不断进行技术更新,其中动力源柴油化是措施之一。电控高压共轨燃油喷射系统的发展使柴油动力可以获得更好的燃油经济性与更低的排放[1,2]。

由于高压共轨燃油喷射系统具有可独立控制喷油定时、高的喷射压力、以及喷油速率柔性可调的特性,不仅有助于柴油机获得良好的经济性、动力性和排放特性,而且在柴油机新型燃烧系统的研究中也起到了重要作用[3]。为方便研究人员自由使用高压共轨系统进行研究工作,开发了本试验用共轨燃油喷射控制系统,并在单缸135柴油机上进行了功能验证,实现了多段可调的燃油喷射和共轨油压的良好控制。

1 控制系统的开发目标与构成

本系统控制目标为6缸柴油机(缸径为135 mm)改装的单缸机,配置了电装公司的ECD-U2电控高压泵及相应的电控喷油器。该柴油机主要用于研究不同的喷油策略对柴油机性能的影响,要求所开发的高压共轨燃油喷射控制系统具有以下功能:(1)ECU具有依据设置以一定参数驱动高压油泵与电控喷油器工作的能力;(2)能实现每循环720 °CA内多至5段燃油喷射,且喷射段数、每段喷油定时和喷油脉宽可自由调节;(3)能进行共轨燃油压力的设置并自动控制调节在设置值附近;(4)具有良好的用户配置、控制界面。

本系统主要由高压油泵、共轨管、电控喷油器、共轨油压传感器、凸轮轴位置传感器、曲轴位置传感器、控制器ECU和PC机等组成,如图1所示。其中,凸轮轴信号为7齿(6+1)信号,即其中6齿(Gx信号)在凸轮圆周方向上平均分布以度量凸轮轴转过的角度与平均转速,另一多齿(G7信号)用以确定单缸柴油机的压缩上止点,为喷油和高压油泵供油提供参考基准。

曲轴位置传感器选择了720线的光电编码器,曲轴每旋转1周,该传感器可输出720个脉冲信号,即每0.5 °CA对应1个脉冲,该信号作为喷油定时和供油持续角的角度(时间)度量,可实现0.5 °CA的精度。

PC机上运行基于LabVIEW的控制软件,以设置喷油参数、目标共轨油压及PID系数等,并将所设置的各种参数按照设计的CAN通讯规则经CAN总线传送到ECU,以便ECU按照这些参数控制发动机的高压油泵供油和电控喷油器喷油。

2 ECU驱动电路设计

高压共轨燃油喷射系统需要控制的执行器包括电控高压泵的PCV阀以及电控喷油器的电磁阀,设计良好的ECU驱动电路关系到执行器能否迅速、及时地响应相关指令,从而保证良好的操作和控制。

系统ECU基于MC68376微处理器,主要包括:A/D转换模块、高压电源模块、低压电源模块、CAN通信模块、PCV驱动模块和喷油器电磁阀驱动模块等[4,5,6,7]。其中,后两者分别驱动电控高压油泵PCV阀和电控喷油器高速电磁阀工作,而高压电源模块则提供高达110 V的电压,以在驱动电控喷油器时提供较大的提升电流,使之能迅速吸合,提高响应能力。ECU驱动电路采用了高低端控制、高低电压驱动的设计思想。该电路模块的工作原理如图2所示。

由图2可见:TPU0、TPU1、TPU7～TPUC通道分别为MC68376时间处理器单元(TPU)的通道0、通道1、通道7～通道12。其中,TPU0、TPU1、TPU7、TPU8通道设置成输出比较OC功能,TPU9～TPUC通道设置成输入捕捉ITC功能。

TPU0通道用于控制驱动电流提升时间;TPU1通道用于控制喷油器电磁阀TWV1的驱动脉宽即喷油脉宽;TPU7通道和TPU8通道分别控制高压油泵的PCV1和PCV2的工作;TPU9通道捕捉多齿G7以计算转速并判断凸轮轴转角位置;TPUA通道捕捉Gx脉冲并在中断程序中确定接下来需驱动的PCV阀;TPUB和TPUC通道捕捉720线的曲轴信号,以精确确定曲轴的转角数并用于TWV和PCV的驱动始点控制。

当ECU驱动喷油器电磁阀TWV1时,在喷油起始点,TPU0通道与TPU1通道分别同时打开高压电路控制开关与高低端驱动控制开关,此时110 V高压加载在TWV1上。在TPU0通道的中断服务子程序中关闭高压电路控制开关,从而实现了电流提升时间的控制,一般为0.2 ms左右,可编程设定。在电流提升时间段内,加载在TWV1上的高电压使流经TWV1的驱动电流快速提升,电磁阀迅速吸合,喷油器开始喷油,提升电流一般调制在10 A左右。一旦高压在TPU0通道中断服务子程序中被切断,加载在TWV1上的电压变为24 V的低压,流经TWV1的电流相应变小,通常调制在4～5 A,此即保持电流。当要求的喷油脉宽时间结束后,TPU1通道的中断服务子程序关闭高端和低端驱动控制开关,喷油结束。ECU对电控高压油泵PCV阀的驱动原理与上述类似。

3 共轨油压的控制和算法

图3为高压油泵的供油示意图。在油泵柱塞的吸油行程中,燃油经过PCV阀流入压油腔。在柱塞的压油行程中,若PCV阀未被驱动,则未被压缩的燃油重新经过PCV阀流出压油腔;一旦PCV阀被驱动,燃油回路关闭,则压油腔内的燃油被压缩而增压,并经过出油阀被压入共轨管中。由于PCV阀的结构为外开式,在压油行程中PCV阀在高压燃油的作用下将一直保持关闭。

PCV阀关闭后的柱塞有效行程决定了供油量,即PCV阀的供油持续角Ton直接控制高压油泵提供给共轨管的燃油量。由于共轨管的容积一定,进入管内的燃油越多,则共轨油压越高,因此,控制高压油泵的供油持续角Ton即可控制共轨管内的燃油压力。电磁阀只有通、断2种状态,在实际控制中,电磁阀在柱塞整个供油期间并不需要一直通电,只需瞬间通电。燃油回路一经切断,电磁阀就可断电,由柱塞腔的压力来保持PCV阀的关闭,如此可减少电磁铁的功耗,提高电磁铁的可靠性。

为了实现共轨燃油压力的自动控制调节,本系统采用了1种基于阶跃响应曲线的变参数数字PID控制器[8]。在增量式数字PID控制器的基础上引入控制参数的修正系数,从而实现PID控制器系数的自动变化可调。该变参数PID控制器表达式如下:

式中,Ton(k)为PCV阀的供油持续角;ΔTon(k)为PCV阀的供油持续角增量,即PCV阀开启正时的偏移角度;偏差e(k)=pset-pactual(k),Δe(k)=e(k)-e(k-1),Δ2e(k)=Δe(k)-Δe(k-1);pset、pactual(k)分别为共轨目标油压和共轨实际油压;K*p、K*i、K*d分别为修正后的比例、积分、微分系数。修正计算式如下所示:

undefined

式中,sign(ek)为考虑到偏差e和偏差变化率Δe均为带符号数而引入的符号函数;kp、ki、kd为修正前的PID参数;Qp、Qi、Qd为PID参数修正值。

ECU程序根据实际轨压和目标轨压偏差实时调整PID输出量,即高压油泵PCV阀开启角度的偏移量,若偏移量为正,则供油持续角增大,压力升高;若偏移量为负,则供油持续角减小,压力降低。

4 PC控制软件设计

在工控PC机层面,开发了与ECU配套的系统控制软件,本软件由LabVIEW 8.2开发,具有良好的用户界面[9]。软件主控制界面如图4所示。

PC机通过配置CAN通信卡PISO-CAN200-D与ECU的CAN模块通信,进行配置参数的发送以及相关实时信息的接收。

5 系统功能验证

在油泵试验台上验证了系统的各个功能,图5 为某喷油配置参数下由数据采集仪采集到的喷油器驱动电流图。

ECU驱动程序根据实际轨压与目标轨压的偏差实时调整PID反馈量——高压油泵供油持续角的偏移量,即PCV阀关闭时刻的偏移量。若偏移量为正,PCV阀关闭时刻提前,使压力升高幅值变大;若偏移量为负,PCV阀关闭时刻推迟,压力降低。通过试验中对PID基本参数和修正参数的调整和优化,系统轨压良好地稳定在目标轨压附近。图6为目标轨压为80 MPa时PC控制软件显示的实际轨压曲线,可以看到控制是收敛的。

6 结论

(1) 基于MC68376的ECU硬件与驱动程序完全实现了对电控喷油器与高压油泵PCV阀的驱动,其中对电控喷油器的驱动电流波形符合设计目标,具有较大的提升电流和较小的保持电流。

(2) 所应用的变参数PID控制器成功实现了对共轨油压的调控。

(3) PC控制软件与ECU之间的通讯规则经过众多数据点的发送和确认,数据传输准确可靠。PC控制软件的运行迅速可靠,曲线等界面元素显示正常。

(4) 经数据采集仪采集曲轴位置信号发生器在不同转速下的波形输出,信号频率完全正确。

(5) 在发动机油泵试验台上,ECU、PC控制软件以及各传感器、执行器集成良好,整套系统工作符合设计目标。

参考文献

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