电控汽油喷油器（精选7篇）
电控汽油喷油器 篇1
发动机电控系统的标定是一个多变量协同优化判断的复杂过程,涉及到的控制参数高达万余。由于多种因素影响,汽油机的经济性、动力性与排放性三者之间相互制约,使得标定过程十分复杂。其中,基本喷油与点火角共同集中体现了汽油机电控系统的核心思想,最大程度上决定了发动机性能优劣,尤其是基本喷油标定结果的优劣,将直接决定发动机的经济型、动力性及排放特性的好坏。
1 喷油器最大与最小喷射周期验证
在进行基本喷油标定试验前,首先要从备选喷油器供应商处取得选配喷油器的喷油时间与喷油质量成线性关系的最大最小喷射周期范围内,以判断确认此线性关系能够满足所配发动机需要。在进行喷油标定前,还要先对喷油器特性进行一系列的验证确认。
a.最大喷射周期确认:将配置目标喷油器的发动机安装在发动机试验台上,设置喷油器为最大喷射周期,设置发动机在最高转速全负荷下运转,当发动机达到国家标准GBT18297-2001《发动机性能试验方法》规定的标准工况条件后,测量发动机的空燃比,确认此喷油器在最大喷射周期下可以是发动机达到目标空燃比(由排气温度决定),并且在两个脉冲间有足够的时间间隔。
b.最小喷射周期确认:与最大喷射周期确认相似,将配置目标喷油器的发动机安装在发动机试验台上,设置喷油器为最小喷射周期,使发动机运行在怠速转速、空燃比等于1的工况下,确认此时喷油器的喷射周期在供应商提供的线性范围内。
c.根据喷油器规范,在喷油周期与喷油质量关系中,最大非线性情况的喷油周期也不能小于最大喷射周期。一般情况下,喷油器的最大的非线性关系在±5%以内是可以接受的[1]。
2 基本喷油量的标定
确认喷油器可以满足发动机的要求后,即可进行基本喷油量的标定。
基本喷油量是发动机所有工况下喷油量计算的基础。基本喷油量标定的精度十分重要:对开环控制,基本喷油量直接关系到最终进入燃烧室的可燃混合气的空燃比并进而影响燃烧过程;对闭环控制,基本喷油量对闭环偏移量也有很大影响,如果基本喷油量准确,闭环偏移量也会减小。在ECU中,喷油量一般用喷油脉宽即喷油器开启时间(ms)来描述,而闭环偏移量是指基本喷油脉宽到获得预期空燃比的喷油脉宽之间的变化量[2]。
基本喷油脉宽的标定主要分为以下几个阶段来进行:
a.在发动机的工作范围内,以进气歧管绝对压力MAP(Manifold air press)和发动机转速构成发动机的整个工况平面(进气模型),并按比例划分设定一些MAP和发动机转速工况点(断点选择),一个MAP值和一个转速就对应一个工况点。在发动机工作过程中,ECU(Engine Control Unit)就是以这些有限的工况点经数学插值计算来控制发动机的全部工况。
b.对发动机的基本喷油脉宽进行大致的标定,标定前应该将lambda闭环控制和其它燃油修正屏蔽。将发动机预热至标准工况后,调节发动机转速和节气门开度,使发动机稳定运行在当前断点转速下。从最低的MAP值开始,先保持该压力不变,再手动调节喷油脉宽,通过lambda仪测量lambda值。当lambda=1时记录此时的喷油脉宽,即为该工况点的基本喷油脉宽。增加MAP值,反复重复以上的步骤就可以完成全部压力下的喷油脉宽测量。当完成此转速下的基本喷油脉宽标定后,将测量到的值按MAP值的不同分别赋给其它转速,就得到了大致的基本喷油脉宽标定数据。
c.对其它转速的基本喷油脉宽进行仔细的标定,这时要先激活lambda闭环控制,然后调节发动机转速和节气门开度使发动机稳定在某一转速。改变MAP值,在lambda闭环控制的作用下,喷油脉宽就在前面得到的大致的喷油脉宽的基础上不断变化。当lambda闭环控制稳定后,就得到了该工况点的基本喷油脉宽。重复以上步骤,就可以得到仔细标定后全部工况点的基本喷油脉宽。
为了提高标定数据的准确性,还要对以上仔细标定后的基本喷油脉宽进行复核。复核时,让发动机始终工作在lambda闭环控制状态,重复实现各工况点,记录喷油脉宽并和以前取得的数据进行对比。应该确保闭环偏移量在100 ms之内,单独的工况点出现偏差可以进行修正,但是如果大量的工况点都超出偏移范围就需要对全部工况点重新标定。在全部的标定过程中要使用lambda仪对排气管进行取样分析以确保lambda闭环控制正常运行。
3 喷油器特性标定
一般来讲从喷油器的驱动脉冲作用到喷油器上后,受燃油压力和系统电压的影响,喷油器的开启时间会有一定的滞后(见图1,滞后时间通常在1.2~1.8ms之间),因此我们必须在ECU中针对不同的系统电压对喷油时间进行修正。
在喷油器的喷射周期范围内,喷油器的喷油时间与喷油质量呈线性关系。所以,在测定上述喷油延迟量时,可以保持发动机在某一固定转速下进行测量。
测量步骤如下:
a.确定TI_1_HOM的范围,并在大约10 N·m到全负荷的范围内设置5个负荷点。
b.调节为喷油器供电的直流稳压电源的输出电压为14 V。
c.测量并记录每一个负荷点的喷油量与喷油时间等数据。
d.调节电压值到6,8,10,12 V,重复上述步骤。
分别在每一个电压值下,以喷油量(mg/stk)为x轴、喷油时间(ms)为y轴建立直角坐标系,在此坐标系中描出各点,并分别拟合为描述喷油器特性的一次函数方程Y=k X+b,见图2。分别在ECU控制表格中填入各工况相应的k,b值,则发动机在运行过程中ECU即可迅速计算出各工况下的喷油延迟时间,并以此为依据对实际喷油时间进行实时修正。
上述方法为喷油器特性的理论标定方法,但由于项目时间、设备精度等因素的制约,实际标定中往往会采用下面的试验法对喷油器特性进行标定。
根据前面描述内容,喷油特性标定关键是找到喷油时间与喷油质量的线性方程,因此,只要我们找到喷油器特性方程中的k与b值即可。根据以往的标定经验,我们设计了如下的喷油特性标定方法,见图3。
a.在发动机喷油器的执行器上安装一个加速度传感器,将其获得的信号通过电荷放大器接入到示波器中,用以监控喷油器的动作。
b.在喷油器控制信号线上夹一个电流钳以测量喷油器驱动电路的电流脉冲,同样将其信号接入到示波器中。
c.用直流稳压电源代替蓄电池给系统供电,用以调整系统电压(6~16 V)。
d.选取工况点,如2 000 r/min中等负荷时,调整系统电压(6~16 V),通过示波器测量“开启时间”与“关闭时间”,见图4。
测量结果和方法见图4,绿色曲线是加速度传感器测量到的针阀动作,红色曲线为喷油器的启动电流。两个△X就是我们需要测量的值“开启时间”和“关闭时间”。
则喷油器特性方程Y=k X+b中的b值即为△X1-△X2,而k值则需要根据喷油器供应商提供的喷油器线性范围数据进行计算得出。
4 喷油相位标定
喷油相位分为开始喷油位置SOI和结束喷油位置EOI两种描述形式,根据不同发动机的控制逻辑与要求不同而分别选用,目前国内大多数电控汽油机一般都是采用EOI控制方式。
喷油相位标定有如下几个原则:
进气门开启之前喷油必需结束,如果节气门开启时,喷油器还在继续喷油,会有大量未在气道内与空气充分混合的燃油直接进入气缸,从而导致发动机燃烧不充分,油耗增加,HC排放急剧升高;避免燃油在气道内停留太长时间:燃油长时间停留在气道内,促进气道壁上的燃油凝结,导致瞬态响应延迟;选用的喷油相位要保证最小的HC排放;选用的喷油相位要保证发动机的输出功率和扭矩最大。
将发动机暖机到标准工况下,在前面设置好的每一个断点转速和负荷下,以10°曲轴转角为步长调整EOI值,分别测量发动机扭矩和排放数据。EOI选点分为部分负荷与全负荷两部分。
部分负荷下,主要关注不同喷油相位下的排放指标,持续增加EOI值,直到排放指标达到要求,见图5。
全负荷下,主要关注发动机扭矩与喷油相位的关系,持续增加EOI的值,直到发动机扭矩达到要求,见图6。
进行完上述选点工作后,分别把上述试验找到的最佳EOI值填入ECU相应控制表格中,喷油相位即标定结束。
5 喷油压力修正
根据物理知识可以知道,相同喷油脉宽在不同的供油压力下所喷射的燃油质量是不同的。当燃油压力高于标准压力时,单位时间喷射的燃油量就多,会造成燃烧不充分,燃油经济性差及排放不达标等问题。反之,当供油压力低于标准压力,单位时间喷射的燃油量少的时候,会造成发动机爆震倾向严重,排气温度过高等问题。所以,在一般的汽油机电控喷油标定过程中,喷油压力修正也是十分重要的。当然,如果发动机燃油供给系统设置有压力调节回油装置可以实时调节发动机共有压力的情况下,就不需要进行喷油压力修正了。
燃油压力修正按照以下公式标定计算油压修正比例:
式中,TI_PRS为油压修正比例,Δpref为预设的标准工况下燃油压力与进气歧管压力差绝对值,Δpeng为实际的燃油压力与进气歧管压力差绝对值。
在进行计算前,首先要设置好标准喷油压力、大气压力与标准工况下MAP标准值,利用上述公式,在发动机对应的MAP范围内,根据发动机控制系统的断点设置计算TI_PRS值,并记录到ECU相应控制表格中。
例如,设置标准喷油压力为3 500 h Pa,大气压力标准值为1 000 h Pa,标准工况下MAP=500 h Pa,则Δpref=3 500+1 000-500=4 000 h Pa,相应TI_PRS见表1。
6 进气温度及冷却液温度修正
进气温度是表示进气状态的参数之一,进气温度直接影响进气密度与充气效率,最终影响实际进气量,从而影响到空燃比闭环控制对应的喷油脉宽。进气温度修正标定的方法是在进气压力、发动机转速保持稳定的前提下,改变进气温度,应用空燃比闭环控制自动调整喷油脉宽,通过对比分析获得修正曲线。
冷却液温度也是发动机的一个温度指标,关系到燃油的蒸发、雾化及油膜的建立,因此冷却液修正用于冷起动与暖机工况。冷却水温度修正标定的方法是在进气状态(压力、温度)及发动机转速保持稳定的前提下,应用空燃比闭环控制自动调整喷油脉宽,记录喷油脉宽随冷却水温度上升的变化,通过对比分析获得修正曲线。
至此,基本喷油标定完成,如果条件允许,最好在标准工况下对发动机各断点的实际lambda控制及喷油数据进行一次检查验证,以确保以上标定数据准确无误。
参考文献
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电控汽油喷油器 篇2
近二百年来,经济的快速发展导致人类对能源的需求量越来越大,一方面能源面临能源危机,另一方面还造成大气的污染。因此环境污染与能源危机已成为全球面临的严峻问题。所以开发一种既能缓解能源危机又能减少污染的新能源已经成为当务之急。氢能以其洁净性、高效和资源的永久再生性等独特优势使得氢燃料在汽车的开发与研究正在受到世界各国的青睐,氢能基于这种理念被视为未来理想的能源载体。
氢作为能源主要以两种方式被使用,一种是燃料电池,一种是氢发动机。燃料电池虽然节能、转换效率高、不需要石油燃料;排放达到零污染;结构简单,运行平稳;但是由于电池使用寿命短,同时需要用贵金属铂(Pt)作为催化剂,因为造价较高等问题,造成短时间内很难实现工业化。而汽油机和柴油机经过局部结构的微调整后就可变成氢发动机,变动比较小,成本低,较容易实现。我们讨论的双燃料发动机是由嘉陵600单缸汽油机改装而成的,以纯氢作为燃料。而且还开发了一套以美国freescale公司MC9S12XS128单片机为核心的单点进气道内喷射的电控喷氢系统,它采用智能化芯片MC33810来控制高速开关型数字电磁阀作为氢气喷嘴和汽油喷嘴的驱动,采用输出比较来控制喷氢和喷油量、喷射时间和相位之间的关系。
1 电控双燃料喷氢-喷油系统的硬件设计
电控单点进气道内喷氢喷油系统硬件分为传感器、电控单元(ECU)和执行器3部分。
硬件设计主要根据总体设计要求,在所选的以MC9S12XS128单片机为核心的基础上,确定喷氢-喷油系统硬件所需的元件。硬件系统的结构见图1。
1.1 传感器
传感器可以分为有源和无源型两种。经过传感器传出的信号经过滤波、整形、放大以及A/D转换等,变成ECU可以识别的信号。所用的传感器信号主要有曲轴位置信号、凸轮轴信号、进气压力信号、进气温度信号、节气门信号、氢气压力信号、氢气流量信号、爆震信号、早燃信号、氧信号、转速信号冷却水温度信号、蓄电池信号及空气流量信号等。转速信号和节气门信号直接显示氢-汽油双燃料发动机的运行工况。被用来控制发动机的喷氢-喷油量和进气量。凸轮轴信号和曲轴信号用来决定实际的点火和喷氢-喷油时刻。进气压力和进气温度信号显示发动机吸入的空气量。冷却水信号用来判定发动机的启动情况。爆震信号、早燃信号和蓄电池信号作为控制系统的反馈信号,用来对点火时刻和喷燃料量进行精确的控制。
1.2 电子控制单元(ECU)的设计
电子控制单元(ECU)是发动机电控系统中最关键的电子装置。其功能是对发动机各工况下的运转参量信号进行采集,然后经过信号的处理,传输到中央处理器,经过处理单元的处理后,输出信号对发动机喷氢-喷油量、喷氢-喷油时刻,点火时刻等进行控制。
微处理器是发动机电子控制系统的“大脑”,是电子控制单元的核心。我们所设计的电子控制系统的ECU控制器是美国freescale公司MC9S12XS128单片机为核心。MC9S12XS128单片机是当前应用比较广泛的一种16为单片机,同时性价比较高,比较适合汽车控制等应用领域。
a.单片机上集成了十余个I/O接口,包括通用并行I/O口(一般每口8个外部引脚)和SCI、PWM、ADC、CAN等专用子系统。同时四路PIT定时模块方便建立任务调度。
b.MC9S12XS128的储存器有256 KB Flash储存器;12 KB的RAM;4 KB的EEPROM。
c.复位模块具有四个复位源:上电复位(POR)、外部引脚引起的复位(RESET引脚)、看门狗复位和时钟监视器复位。
d.片内工作电压为2.5 V,可以保证CPU的能量消耗不会太大。
e.A/D转换模块8位/10位/12位可选转换精度,可编程采样时间;转换速度快;8个PWM(pulse Width Modulation)通道;内部IC总线(I2 C接口);CAN模块;增强型捕捉定时间模块(ECT)串行通信接口,可以用来和计算机及其他外设进行通信。
MC9S12XS128单片机的工作电压为5 V,一般作为汽车用的电源的蓄电池的电压为12 V,所以要进行电压的转换,将12 V直流蓄电池电压转换为5 V,然后接到单片机,National Semiconductor公司的lm 2940作为主要的电源管理芯片,给单片机芯片。英飞凌公司的TLE4251D给周边传感器供电,受到单片机的输出控制,可以在单片机停止工作时停止对周边电路供电,这符合低功耗的要求。电源电路见图2。
在本系统中的复位,由MC9S12XS128单片机第30引脚触发,同时在电源正极串联一个4 700Ω的电阻,并加一个电容进行滤波,使电路性能更加稳定。电路见图3。
此系统中,系统的频率为40 MHz,振荡电路由晶振构成,4号引脚接5 V电源,2号引脚接地,1号空接,3号引脚和单片机的34号引脚相连,电路见图4。
1.3 执行机构
双燃料电控系统中主要的执行机构是喷油嘴和阀嘴,在本设计中采用的是开关型电磁阀作为他们的驱动器,采用输出比较的驱动方式。
在MC9S12XS128单片机内部,输出比较信号由片内的定时器产生。喷氢量是由电控单元作用在喷油器电磁阀上的控制脉冲的宽度决定的。喷氢时序图见图5,在本设计中,假设喷氢时刻如图中所示。由于ECU设定的是采用上升沿来捕捉曲轴信号,如图5所示,在第26号齿喷氢事件得到相应,那么在接下来的6度,就通过输出比较延迟功能来实现。如图所示,进入中断后,先判断是第26个齿,然后开始喷氢事件调度,之前要根据瞬时转速计算6°转角所需的时间,然后将此值赋给比较寄存器,等到计数器计时到所计算的值的时刻,输出比较触发一次中断,喷氢真正开始。与此一样,喷氢时间也是提前计算好的。同理喷油也是一样的。
1.4 抗干扰电路
对抗干扰所采取的措施主要是从控制系统的硬件电路的抗干扰开始的,尽可能在干扰信号到达微处理器之前就把它消除,所采取的措施主要有对单片机和传感器的供电采取不相干的芯片方案,预防车载传感器的干扰信号传入单片机。同时在各芯片的电源输入脚和地间加入去耦电容,来进行杂波滤除。再者对于电路中的模拟信号,为了对信号中高次谐波进行抑制,常用的方法就是在模拟输入通道中加入RC滤波器,以此来减小对高频信号的影响。
2 电子控制喷氢-喷油系统控制软件和定时监控系统设计
2.1 电子控制软件
单点进气道喷射系统控制软件是整个控制系统的中枢神经。本系统采用的是freescale公司开发的CodeWarrior集成开发环境作为软件开发工具。程序采用模块化设计,可分为底层软件、应用层软件两个部分,软件设计见图6。
底层软件实现对模块程序的寄存器的配置,对发动机传感器信号的采集、滤波、放大处理等,应用层软件可实现最佳喷氢-喷油时刻。在本设计中,喷氢在后1/3进气行程的时候喷入进气歧管,通过喷氢正时的优化控制,如下式:
其中u16Fuel_Advanced_Angle为喷氢提前角,u16Fuel_Angle_Offset为喷氢延迟角;DEGREES_PER_TOOTH为每齿数的角度,u16Ref_Angle上止点角度。
通过对各参数的控制,使进气门关闭后进气歧管内剩余的氢气量减到最少,减小了回火的可能性。
2.2 定时监控系统
在电控系统的开发过程中,开发出一套发动机试验定时监控系统,以此来进行在线对发动机的运行状态进行监视,来调整电控单元各种控制参数,以此来使发动机的动力性、经济性和排放性得到最佳的匹配,不但使发动机得到最佳性能,使发动机按照最优的控制参数运行。
双燃料发动机监控系统由上位机和下位机构成,下位机是发动机电子控制单元(ECU),通过Code Warrior IDE来开发,在其内部设计串行通信模块,和上位机进行数据传输;上位机是基于PC机的发动机试验用监控软件,采用LabVIEW编写。
氢-汽油双燃料发动机的实时控制界面,可以在电脑上随时观察发动机的转速、喷氢脉宽、喷油脉宽、节气门的开启情况和各工况的运行状况的参数变化情况。在异常情况下,可以对喷氢-喷油脉宽进行调整,使发动机在各个工况尽可能获得最佳状态。
3 调试、上机实验结果及分析
对所设计的系统,硬件PCB板完成后,先进行模拟实验,没有异常。在发动机改装后上机进行实验,汽油机的参数见表1。
通过调试模拟,其喷氢量见图7。
通过图7可以看出随着转速和负荷的增加,喷氢量也逐渐增加,然后再改装后的发动机上进行测试,通过调整节气门的大小,改变发动机的速度,可以在上位机上显示所得结果和MAP图相符。
4 结论
a.以MC9S12XS128单片机为核心,以MC 33810通过控制电磁阀作为执行元件来控制喷氢-喷油,采用输出比较方式来很好地实现对喷氢-喷油的控制。
b.运用模块化设计,采用C语言,进行程序的编写具有功能丰富,表达能力强,可移植性好,程序设计自由度大,同时生成的目标代码质量高,程序执行效率高等优点。
c.利用本设计的电子控制系统在现有汽油机基础上,改装成氢发动机,实现氢-汽油双燃料发动机是成功的。
参考文献
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电控汽油喷油器 篇3
相对于进气道喷射的汽油机而言,缸内直喷汽油机具有燃油经济性好、响应快、空燃比控制精确、排放低等优点,这主要得益于先进的燃油喷射系统[1,2]。旋流压力喷油器作为直喷汽油机的第一代喷油系统,其燃油耗在部分载荷稀燃当量比燃烧的条件下相比进气道喷射汽油机降低20%,但是对HC和NOx排放并无明显的改善作用。这是因为该喷油器形成的喷雾对于背压的变化非常敏感,随背压升高而明显变小的喷雾锥角影响了喷雾的雾化效果。而喷射初期形成的高速大粒径油滴也会对排放造成负面影响[3]。
目前,研究人员关注于一种配合喷雾导向式燃烧系统使用的由压电晶体控制的外开轴针式喷油器。文献[4]研究表明:该喷油器能够达到更高的喷射压力(高达20 MPa),实现每循环喷油量的精准控制,但最主要的是其能够快速形成适合点火的混合气。文献[5]表明:该外开式喷油器形成的圆锥状喷雾并非连续的,而是由很多细小油线组成的。喷射过程中油线结构及油线数量始终稳定,并且在喷嘴内无空化现象的条件下仍能观察到油线结构。文献[3,6]表明:液体动力、表面张力及空气动力的综合作用是油线结构产生的主要原因;此外,采用PDA对油嘴喷口附近油线的粒径特征进行研究,发现油线结构对雾化有明显的促进作用,随着轴向距离z从2.5 mm增至10.0 mm,油线中心的粒子索特平均直径(sauter mean diameter,SMD)从40 μm减至20 μm。文献[7]对多边界条件下该喷油器的喷雾轴向贯穿距及径向展开宽度的发展趋势作了大量总结。文献[8]表明:在该喷油器的喷雾外侧靠近油嘴的位置会形成一个大尺度的气体涡流。文献[9]研究表明:这种圆锥状喷雾无论在何种条件下均能保持非常稳定的喷雾锥角,此特性保证了喷雾外侧的大尺度的气体涡流始终能够在火花塞附近形成适于点火的均质混合气。文献[10]根据PIV测得的结果计算分析了边界条件变化对这种圆锥状喷雾的空气掺混质量流率的影响。
目前外开轴针式喷油器的喷雾特性被认为是下一代直喷汽油机开发过程中必须掌握的核心之一,而相关研究仍主要集中在喷雾的可视化测量方面,虽然对粒子的SMD进行了测量[3,6],但是研究对象主要是针对油线结构,并非是宏观的喷雾。实际上,喷雾的粒子特性对于外开轴针式喷油器甚至对于喷雾导向式燃烧系统的开发都至关重要,而掌握粒子速度和直径在喷射过程中随时间的变化规律更是实现良好雾化和混合气精确控制的前提条件。基于此背景,本文中采用时间分割法[11,12]对PDPA测量得到的直喷汽油机外开式喷油器的喷雾场粒子信息进行了充分的分析和研究。
1 试验设备及方法
整套试验系统由定容弹、燃油喷射系统、信号控制系统、PDPA测量系统4部分组成。图1为试验系统的布置示意图。
1.1 PDPA系统
试验采用的相位多普勒测量系统(phase doppler particle analyzer,PDPA)主要由激光发射器、光学信号接收器和数据处理器3部分组成。光学信号接收器的轴线与激光焦点在同一水平面,与激光发射器的轴线呈30°夹角。氩离子激光器(Spectra-Physics 2017, 总功率5 W)通过光纤与PDPA的发射器相连,2束波长为514.5 nm的激光透过石英玻璃在容弹内部油嘴下方的测量区形成一个椭球形测量空间(最大直径为0.33 mm,长度13.2 mm)。
图2为试验中PDPA系统所有测量点分布图。将油嘴轴线方向定义为z轴方向,将油嘴出口平面定义为z=0的坐标平面,3个测量点分别设在z=8、16、24 mm。同时,考虑到圆锥状喷雾结构的对称性,为缩短试验测量周期,以x轴正方向上测定点的粒子数据来分析喷雾径向方向的粒子特性。在3个z轴坐标点,测量点从x=-2 mm开始,以2 mm为间隔分别到x=26、32、38 mm结束。系统设定每个测点的取样数量为64 000个,测量时间窗为4 ms。该系统空间坐标定位误差为±0.1 mm,速度和粒径的测量误差均为±2%,粒子球形容忍度为10%,即球形相似度为90%。
1.2 定容弹
针对PDPA系统的光路特征,试验采用特制的定容弹(图3),3个直径为100 mm、厚度为22 mm的石英玻璃中,有2个石英玻璃的轴线夹角为30°。试验只针对喷油器本身对喷雾雾化特性的影响,不考虑蒸发带来的影响,因此定容弹内的环境温度设在(23±1)℃。为保证试验结果的准确性和科学性,容弹具有换气功能。在常压工况下,0.3 MPa空气以20 NL/min(NL/min为20℃、一个标准大气压条件下每分钟的标准体积流量)进入容弹,平均速度约为0.05 m/s。在1.1 MPa高背压(pb)试验条件下,高压氮气以40 NL/min进入容弹,平均速度低于0.01 m/s[13]。
1.3 燃油喷射系统及信号控制系统
图4为外开式喷油嘴的几何结构。试验采用2个喷油器分别具有94°和98°轴针座锥角θ。独立的信号生成器将脉宽为1.5 ms的喷油方波TTL信号(喷油持续期为1.5 ms)送到ECU,相邻2次喷射时间间隔设为1 s。计算机通过USB-CAN转换器与12 V直流电源、信号同步器一起连接到ECU上。试验中,采用自编程软件将针阀的实际最大开度h分别控制在57%LMAX(22.8 μm)和87%LMAX(34.8 μm),轴针设计最大开度LMAX为40 μm。轴针从开始抬起到完全打开的时间为200 μs。供油系统为喷油器提供2种喷射压力pinj(10 MPa和20 MPa)。试验燃料为正庚烷(n-heptane)[14]。
1.4 时间分割法
由于PDPA选择的测量点位置不同,一次喷射过程中不同阶段的粒子数据率并不相同,如果绝大部分数据中来自于喷射结束后的阶段,那么得出的粒子平均直径和速度就会偏向于喷射结束后的情况,因此也就无法掌握喷射过程中的粒子特征变化情况。为了细化研究结果,掌握一次喷射过程的不同阶段粒子在某个空间位置上所具有的速度及直径特性,文献[11,12]提出时间分割法的概念。时间分割法以瞬态的粒子速度结果为基础,具体定义(图5)为:在粒子速度分布图中确定粒子速度的最大值VMAX;将1/2VMAX直线与虚线所示的粒子速度分布轮廓线的交点的时间坐标定义为t0.5;将t0.5时间长度三等分,将前两段1/3t0.5的时间长度分别定义为喷雾的前段(F段)和中段(C段);将2/3 t0.5时间长度定义为喷雾后段(R段);将之后的部分定义为喷雾尾段(T段)。
2 试验结果分析
2.1 燃油喷射率及每循环喷油量
试验采用试验室专用的电子控制供油系统与EM12喷油规律测试仪对喷油器的燃油喷射率及每循环喷油量随时间及边界条件的变化规律进行了研究。虽然在使用PDPA的试验中仅采用了2种喷射压力和轴针升程条件,但是为了清楚了解燃油喷射率及每循环喷油量随喷射压力或轴针升程变化的发展规律,在该试验中增加了新的边界条件。
图6为4种轴针升程条件下(一次喷射过程中轴针的最大开度),98°轴针座锥角的喷油器的燃油体积喷射率曲线。试验采用的喷射压力为20 MPa,背压为1.1 MPa,喷油持续期1.5 ms。从试验结果来看,轴针升程的增加使相同时间点的燃油喷射率增加,但4种轴针升程条件下得到的燃油喷射率曲线形状几乎相同。唯一有所区别的是,在喷射初期随着针阀完全开启,燃油喷射率会出现一个峰值,而随着轴针升程的增加,该峰值与稳定后的燃油喷射率之间的差距会愈加明显。
图7为采用98°轴针座锥角喷油器得到的4种喷射压力条件下每循环燃油喷射量与轴针升程的关系曲线。试验在0.1 MPa大气压力条件下进行,取样数量为300次喷射。从试验结果来看,每循环喷油量随轴针升程的增加呈近似线性增加的趋势,这种趋势并不受到喷射压力变化的影响,原因是压电晶体对轴针升程的精确控制保证了不同轴针升程条件下喷射率曲线的形状几乎无明显变化。此外,在相同升程条件下,随着喷射压力等间隔(5 MPa幅度)增长,每循环喷射量曲线之间的差距逐渐减小。研究[14]表明:喷孔内部复杂的气液两相变化对实际流通面积的影响是喷射压力升高后,其对每循环喷油量的影响逐渐减小的原因。
2.2 背压对粒子特性的影响
研究[13,14]表明:与喷射压力、喷雾锥角及轴针升程相比,背压变化对于喷雾宏观和微观特性的影响更加明显。本文中首先着重分析背压对于喷雾场粒子特性的影响。图8为PDPA系统在2种背压条件下1个测量点p(20,0,16)上获得的粒子直径和速度的瞬态结果。试验采用的喷射压力为10 MPa,喷油器的轴针座锥角为94°,轴针升程为57%LMAX。
由图8可见,随着背压从0.1 MPa增至1.1 MPa,喷雾到达这个空间点所花费的时间变长,从约0.5 ms变为1.0 ms(包括系统延迟)。背压的增加也使粒子速度明显降低,大气压力条件下,喷射过程中粒子的最高速度约为80 m/s,但在1.1 MPa背压条件下,粒子的速度在±10 m/s范围内。从粒径结果来看,高背压条件下的粒子直径表现出明显高于常压条件的趋势,但这并不意味着高背压条件会抑制喷雾的雾化。不考虑气流运动等因素的影响,单独从背压增加的影响来看,喷雾体积减小使喷雾场内里的粒子数密度增加,这在一定程度上抑制了粒子的进一步细化。但问题的真正原因是常压条件下环境气体对喷雾的反作用力较弱,表面波的增长较慢,在喷雾近场剥落的大多是直径较小的粒子[15]。而PDPA系统对于粒子的球形相似度要求较高,对于形状不规则的大粒径油滴,系统并不会将其视为有效数据记录下来。
图9为94°轴针座锥角对应的喷雾在z=16 mm坐标位置沿x轴方向粒子的平均速度及SMD分布特征。试验的喷射压力为10 MPa,轴针升程为57%LMAX。研究[13,14]表明:随着背压从0.1 MPa增至1.1 MPa,这种外开式喷油器形成的空心圆锥状喷雾结构会变成实心的圆锥结构,喷雾体积明显减小;此外,在油嘴附近会形成2个大尺度的气体涡流。而背压的变化对于气体涡流的影响在很大程度上决定了z=16 mm时径向方向上粒子的平均速度及SMD的变化特征。在喷油结束后(TASOI=2.6 ms),喷雾场内的粒子速度特性主要是受气流运动影响。由图9可见,在常压条件下,与喷雾外侧的粒子速度相比,燃油喷射在喷雾内部轴线附近的粒子运动速度更高。在pb=1.1 MPa条件下,喷雾内部的气流速度也大于外侧的气流运动速度,但是与常压条件下的结果相比,粒子在相同径向位置上的速度方向则完全相反,这主要是受大尺度气体涡流出现的位置影响[13]。从粒子SMD结果来看,常压条件下喷雾路径上的粒子SMD要明显大于两侧,且常压条件下粒子SMD要小于1.1 MPa背压条件下的粒子SMD,原因如上文所述,常压条件下测量区域内燃油主要以连续液体形式存在,剥落的多是小粒径油滴。
图10为与图9相同试验条件下获得的粒子速度和粒子直径的标准差分布结果。由图10可见,在常压条件下,喷雾路径上的粒子速度和粒径的标准差都要高于两侧。这是由于高背压条件下粒子的速度明显减小,因此在径向上粒子的速度标准差要明显小于常压条件下的结果。在高背压条件下,油气掺混得更加充分,燃油射流在空气动力作用下被分解成直径大小分布范围较大的粒子,因此与常压条件相比,其粒子的直径标准差明显较高,特别是喷雾内侧靠近轴线的位置,单位空间内粒子数密度较高,使得轴线附近的粒子直径标准差非常大。这样的特征也会导致粒子SMD和算数平均直径(arithmetic mean diameter,AMD)结果出现明显差距,具体内容在下文中进行详细叙述。
文献[10]提出了针对此类喷油器的空心圆锥状喷雾的空气掺混质量流率计算公式。
式中,z为油嘴的轴向坐标;undefined为空气掺混质量流率;ρg和ρl分别为液体和气体密度;z0为初次雾化的长度,其长度主要根据可视化结果来确定[14];af和an为经验常数,本文中根据之前采用PIV对外开式喷油器的喷雾速度场进行测量得到的试验结果[13]分别将其确定为2.6和5.8。
图11为背压变化对空气掺混质量流率的影响(pinj=5 MPa,TASOI=1 ms)。由图11可见,随着背压从0.1 MPa增至1.1 MPa,空气的掺混质量流率不断增加,而油气掺混作用加强会明显促进燃油射流的分裂及大粒径油滴的细化。因此,这一结果为上文中关于高背压条件下粒子SMD偏大的分析提供了科学依据。
图12为采用时间分割法得到的98°轴针座锥角的粒子在不同试验条件下的速度特性结果。对比图12(a)和图12(d)的结果发现,背压从0.1 MPa增至1.1 MPa时对喷雾场内的粒子速度具有明显影响。在大气压力条件下,喷雾前端(F段)粒子具有较高的速度,但受到的空气阻力也相对较大,因此其最大速度略低于喷雾中段(C段)的粒子。随着轴针开始落座,由于失去了后面燃油的推动,喷雾后段(R段)的粒子在空气阻力的影响下速度明显降低。对于喷雾尾段(T段)的粒子,其速度主要受气流运动的影响,在定容弹条件下,喷雾场内粒子的速度几乎为零。
此外,由于空气阻力较小,3种喷雾贯穿距条件下(即3个z轴坐标位置)粒子平均速度的最大值几乎相同。在1.1 MPa高背压条件下,较大的空气阻力使燃油在喷雾后便迅速分裂成细小的油滴,这些油滴进一步与周围气体发生动量交换,使自身速度很快降低,即使是F段和C段,粒子在径向上的平均速度最大值也不超过20 m/s。
图13为采用时间分割法处理获得的不同试验条件下98°轴针座锥角的粒子平均直径分布特征。由图13(a)可见,喷雾的前端(F段和C段)粒子具有较大的粒径(AMD和SMD),其中F段的粒子与空气接触得更多,其粒径要略小于C段。相比之下,随着喷油过程结束,在与空气充分接触之后R段和T段的粒子直径明显减小。T段粒子的AMD和SMD分别稳定在10 μm和20 μm左右。由于粒子直径较大的分布范围导致了同一个测量点上的AMD和SMD存在差异。可以看到,喷雾路径上的粒子平均直径要大于两侧的粒子直径,而较大的粒径标准差也使AMD和SMD的结果相差很大。比较图13(a)和图13(d)可见,高背压条件下,整个喷射过程中4个阶段的粒子平均直径均明显大于常压条件下的粒子直径。T段粒子的AMD和SMD分别稳定在20 μm和40 μm左右。上文已经给出了造成这种现象的原因,在此不赘述。
2.3 轴针升程及喷射压力对粒子特性的影响
比较图12(a)和图12(b)可见,喷射过程中轴针最大升程的增加并未对粒子的速度产生明显影响。在大气压力条件下,轴针升程的增加并不能够对空气反作用力及表面波扰动产生明显影响,因此在喷雾近场的粒子速度并未出现明显变化。由图13相应结果来看,轴针升程的增加使喷射过程中喷雾前端的粒子直径有所增大,但是随着喷油过程结束,粒子的平均直径持续稳定在10 μm和20 μm左右。
比较图12(c)和图12(d)可见,即使在1.1 MPa高背压环境下,喷射压力从10 MPa增至20 MPa仍能使喷雾路径上的粒子速度小幅提高。特别是在R段,20 MPa喷射压力条件下,z=24 mm位置处喷雾中的粒子速度仍然很高。比较图13(c)和图13(d)可见,喷射压力的增加对喷雾的雾化也有帮助。在4个阶段中,20 MPa喷射压力对应的粒子SMD和AMD结果均略小于10 MPa喷射压力对应的结果。T段作为喷油结束后的时间段,其粒子特性最能够反应点火时刻的混合气特征,从粒子平均直径来看,喷射压力的升高使粒子的平均直径减小10%以上。
2.4 轴针座锥角对粒子特性的影响
图14为喷射压力10 MPa、背压0.1 MPa、轴针升程57% LMAX条件下,轴针座锥角对粒子速度和直径的影响。比较图14(a)和图14(b)可见,94°与98°轴针座锥角之间的4°角度差距并没有对F段和C段的粒子速度最大值产生明显影响,仅改变了粒子最大速度出现的位置。98°轴针座锥角对应的喷雾径向展开范围更大,z轴3个测量位置上的粒子最大速度都比较靠近外侧。而正是这一特征使R段2个油嘴的粒子速度特性出现区别。与可视化和PIV结果证明的情况一致[13,14],高背压使喷雾体积明显减小,然而喷雾场内的大尺度涡流的半径却未因为背压的升高而减小,这使得在R段94°轴针座锥角的喷雾内部靠近油嘴的位置(z=8 mm)出现明显的气体回流,而这个回流的速度明显要大于粒子的正向速度。在T段,2个喷油器的喷雾场粒子速度全部为零,油滴粒子处于悬浮状态。
比较图14(c)和图14(d)可见,F段2种轴针座锥角对应的AMD结果差距不大,但是与98°轴针座锥角对应的喷雾相比,94°轴针座锥角的喷雾在喷油器轴线附近的粒子SMD更高,C段也是如此。从C段到R段,2种轴针座锥角的喷雾在z=16、24 mm位置上的SMD明显减小,但在喷雾轴线附近,94°轴针座锥角的喷雾粒子SMD仍然较大。在T段,喷油结束后,粒子速度降为零,2种轴针座锥角的粒子AMD没有明显区别,但是94°轴针座锥角的喷雾粒子SMD要略高。
3 结论
(1) 压电晶体对轴针运动的精确控制使不同轴针升程条件下燃油喷射率曲线形状几乎相同,每循环喷油量与轴针升程呈近似线性的增长关系。
(2) 背压从0.1 MPa升至1.1 MPa使喷雾场内的粒子速度明显降低,而空气掺混质量流率的增加使粒子的直径分布范围增加,粒径的标准差变大。
(3) 采用时间分割法对背压增加产生的影响进行分析并发现,背压增加使燃油雾化速度加快,粒径分布范围加大;同时,无论是喷雾前端还是喷雾尾部,粒子平均速度的最大值不超过20 m/s。常压条件下,喷油结束后,粒子AMD和SMD稳定在10 μm和20 μm左右。1.1 MPa高背压条件下,粒子AMD和SMD分别为20 μm和40 μm左右。
(4) 喷射过程中轴针最大升程对于大气压力条件下喷雾近场的粒子速度及直径无明显影响。而喷射压力从10 MPa增至20 MPa可以使粒子速度增加,同时也使喷油结束后(T段)喷雾场内的粒子AMD和SMD减小。
电控汽油喷油器 篇4
电控喷油器是高压共轨系统中的核心部件,偶件是喷油器实现其功能的关键部件。合理的偶件设计可以减少泄漏量,保证偶件动作的灵活性,从而确保喷油器功能的实现和工作的可靠性。偶件的密封性和偶件动作的灵活性是一对矛盾的指标。偶件密封间隙越小,其密封性越好,但过小的间隙会影响偶件运动的灵活性,甚至可能导致卡死;间隙越大,偶件运动越灵活,但却又降低了密封性。考虑到国内目前的机械加工工艺,本文通过计算和试验结合的方法,研制了在超高压工况下都能连续可靠工作的电控喷油器偶件成品。
1 电控喷油器偶件泄漏量的理论分析
1.1 偶件工作原理及结构介绍
电控喷油器主要由3个部分组成:电磁阀组件、控制室组件和针阀组件[1],结构如图1所示。电控喷油器在工作过程中是由电磁铁实现针阀的开启与关闭的。通过控制腔将电磁阀与针阀连接起来,利用控制腔内燃油的液力性能完成以较小的功率来实现超高燃油压力下的高速响应控制功能。针阀关闭时,控制室及蓄压室内燃油压力等于共轨腔压力。控制室回油孔靠电磁阀密封,下端靠控制室偶件配合密封,蓄压室压力靠针阀偶件配合密封[2,3]。自制控制室偶件实物如图2所示。
1.2 偶件间隙中流体流量及剪应力计算
由于偶件密封面之间的缝隙非常小,而燃油具有一定的粘度,根据液压理论,缝隙中液体流动的雷诺数一般比较小,属于层流范围。缝隙中燃油产生运动的原因有两种:由于存在压差而产生流动,称为压差流(Poiseuille流);由于组成缝隙的壁面具有相对运动而使缝隙中的燃油流动,称为剪切流(Couette流)。两种流动的叠加称为Couette-Poiseuille流。
根据电控喷油器结构,由于针阀偶件和控制室偶件分别密封针阀腔和控制室,密封面的外部连接燃油系统的回油管,密封面两端具有极大的压差,同时针阀和控制活塞随针阀的开启和关闭而上下运动,因此其流动为圆柱形轴孔配合面之间的Couette-Poiseuille流。轴孔配合间隙燃油流动模型如图3所示。图中:Dp为活塞直径;Db为内壁直径;vp为活塞运动速度;vb为内壁运动速度;pin为活塞上部压力;pout为活塞下部压力。
1.3 偶件间隙中的燃油流量计算
利用Navier-Strokes公式建立稳态层流流体运动方程
undefined
式中,v为x方向流速;p为流体压力;μ为流体动力学粘度。对公式(1)进行积分得
undefined
边界条件为
undefined
解出C1和C2并带入公式(2)得v(y)=T1y2+vb-vp Rb-Rp-T1(Rb+Rp)y+vb-vb-vp Rb-Rp Rb+T1RbRp T1=12μdp dx(4)
假设沿活塞密封面长度方向的流体压力梯度为线性,可以得出
undefined
式中,Lgap为活塞密封面长度。活塞偶件间隙内流体流量定义为
Q=∫undefinedv(y)2πydy (6)
将公式(4)、(5)代入公式(6)并进行积分得到流量计算公式
1.4 偶件间隙中流体的粘性摩擦剪切力计算
作用在活塞外表面和活塞套内壁表面的流体粘性剪切力定义为
Fshear_p=τp2πRpLgap (8)
Fshear_b=τb2πRbLgap (9)
剪应力τ的计算公式为
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公式(10)中的y取值如下
undefined
将公式(10)代入式(8)、式(9)中,即得流体剪切力的计算式
undefined
undefined
1.5偶件间隙中燃油流量及作用在活塞上的剪切力仿真计算
对高压共轨电控喷油系统建立仿真计算模型,经计算得出在1个工作循环中,喷油器控制室偶件及针阀偶件间隙中燃油流量变化曲线(图4)及共轨腔压力在150 MPa的条件下,作用在控制活塞和针阀上的流体剪切力变化曲线(图5)。
如图5所示,150 MPa轨腔压力下,针阀在整个工作过程中所受流体剪切力变化不大,一直在5 N左右波动,因为针阀导向部分的密封面一侧连接回油管,另一侧连接共轨腔,两侧压差变化不大。控制室偶件则不同,控制室回油孔关闭时,控制室密封面的一侧为轨腔压力,另一侧为回油管压力;控制室回油孔打开时,密封面两侧压差迅速减小,控制活塞所受流体剪切力由开始的4 N左右降到1 N左右。与作用在偶件两端面的kN级液压力及机械力相比,流体剪切力对偶件运动的影响不大可以忽略,同样的原因导致了如图4所示的偶件缝隙处的流量变化规律。
图6为在1个工作循环中,不同共轨腔压力下,电控喷油器循环喷油量和偶件密封间隙处(包括控制室偶件和针阀偶件)漏泄量的变化规律。共轨腔压力为30 MPa控制脉宽为4 ms时,喷油量为47.8 mm3,漏泄量为18.3 mm3,偶件密封间隙漏泄量占喷油量的38.23%;共轨腔压力为150 MPa时,喷油量为135.2 mm3,漏泄量为43.1 mm3,偶件密封间隙泄漏量占喷油量的31.85%。在轨腔压力从30 MPa到150 MPa增加的过程中,循环喷油量增加了2.75倍,漏泄量增加了2.29倍。在常规燃油喷射系统中,喷油器偶件中的漏泄量要占20 %～30 %的喷油量,因此在共轨高压燃油系统设计时必须加以考虑。
图7为1个工作循环中,在150 MPa的共轨腔压力下,不同的喷油器偶件配合间隙所对应的燃油漏泄量,偶件间隙由1 μm增加到4 μm,漏泄量增加了约7.37倍。实际喷油器偶件并非理论圆柱状,可以采用高压流量的大小值来表征偶件的密封能力。
2 电控喷油器偶件泄漏的试验研究
2.1 试验装置
在上述理论基础上,设计并加工一批控制室偶件(图2)及针阀偶件,为了测试偶件的流量及密封性[4],自制专用试验装置如图8～图10所示。试验装置的基本组成:直列式高压共轨油泵(0～160 MPa)、DBk-100电子比例控制器、BY-120-6A型超高压比例溢流阀、控制室和针阀偶件密封性及流量测试专用工具、量筒、TS2106-15型电子秒表。
2.2 试验数据及分析
表1、表2分别为自行研制的15套控制室偶件及15套针阀偶件,运用图8、图9试验装置在共轨腔压力为150 MPa,采集时间为30 s下的流量及偶件的漏泄量。
由表1可以得出:立足于国内加工精度下,在共轨压力150 MPa下,直径为7 mm的控制室偶件的流量与直径为6.1 mm的控制室偶件的流量相差很小,平均仅为2 %,但它们的漏泄量差异很大,直径为7 mm的漏泄量占流量的1.3 %,直径为6.1 mm的漏泄量占流量的21.5 %,由此可知在以漏泄量少并且流量差异小为目标的情况下直径为7 mm的控制室偶件密封性较好,可作为电控喷油器装配使用。
由表2可以得出:针阀偶件的漏泄量以及它们之间流量的差异较小,而2号、3号、7号、8号、14号、15号相对较小,可作为电控喷油器装配使用。把以上挑选的6个针阀偶件和直径为7 mm的控制室偶件组装成6套电控喷油器,在图10试验台上进行喷油时电控喷油器密封性和可控性试验,试验条件:共轨压力为150 MPa,高压泵转速为800 r/min,电磁阀驱动电压为120 V,喷油频率为750次/min,采集时间为30 s,其试验结果见图11及图12。由图11可知,随着脉宽的增加,6个喷油器的漏泄量有不同程度的波动,其中3号、5号及1号漏泄量较小,其性能满足了高压共轨的需要。图12为3号电控喷油器的循环喷油量及偶件密封间隙漏泄量随轨腔压力的变化规律,其试验结果与仿真计算结果(图6)基本相符,证实了仿真计算的准确性。
3 结论
(1) 基于国内材料及加工工艺,研制的控制室及针阀偶件密封间隙的取值达到2～3 μm,装配成的电控喷油器具有良好的密封性和可控性,满足了高压共轨系统的要求。
(2) 电控喷油器偶件漏泄量的试验结果与仿真结果具有较好的一致性,说明建立的仿真模型正确,仿真结果准确可信。
(3) 在保证偶件加工精度的基础上,可挑选出流体力学性能相似的偶件供同一台机器使用,此方法简单可行,可供电控喷油器偶件设计加工时借鉴。
参考文献
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[2]林铁坚,汪洋,苏万华,等.高压共轨喷油器设计参数对性能影响的研究[J].内燃机学报,2001,19(4):289-294.Lin T J,Wang Y,Su W H,et al.A study on designing param-eters of high pressure common rail injector[J].Transactions ofCSICE,2001,19(4):289-294.
[3]李育学,张静秋,欧阳光耀.电控喷油器的优化设计[J].内燃机学报,2006,24(3):270-275.Li Y X,Zhang J Q,Ouyang G Y.Optimization designing of e-lectronically controlled injector[J].Transactions of CSICE,2006,24(3):270-275.
电控汽油喷油器 篇5
1传感器模拟电路设计
发动机起动时的喷油量是预设的,所以点火开关的状态也是传感器组的一个信号。点火开关的起动信号由一个接地开关来模拟, 开关状态以位信号送入单片机的I/O口。
发动机转速传感器信号是一组根据转速快慢改变频率的脉冲信号,可用一个频率可调的脉冲信号发生器进行模拟,本设计选择51单片机计数器T0对脉冲信号进行采集,编程实现脉冲频率的计算,进而判断转速情况。
发动机水温传感器是根据负温度系数热敏电阻阻值的变化转化为ECU内部电阻分压的变化,因此可采用串联分压电路模拟, 用可变电阻代替热敏电阻。
ECU一般接收的是数字信号,因此要将模拟电压信号变换成数字信号,即在传感器和ECU之间要接入模数转换器。为了节省单片机I/O口的使用,本设计选择TLC548串行输出型模数转换器。 TLC548是单极电压输入,因此空气流量计改用可变电阻分压作为传感器信号。水温传感器和空气流量计均采用如图1所示电路。
2喷油器驱动电路设计
喷油器驱动方法有两种:电压控制和电流控制方法,电压控制方法的驱动电路适用于低阻值喷油器和高阻值喷油器,电流控制方法的驱动电路只适用于低阻值喷油器。由于低阻喷油器电阻小, ECU将电路接通时,通过线圈的电流会很快上升,使喷油器快速喷油,喷油器响应速度快,因此目前很多喷油器都选用低阻电流控制方法。本设计选择电流驱动方法,如图2所示。
本设计使用单片机P2口的低四位控制四个场效应管,进而控制四个线圈的通断电,模拟驱动四缸发动机的四个喷油器电磁阀线圈。图中R4和L4模拟喷油器电磁阀低阻值线圈,R5作为附加 电阻避免低阻线圈被烧毁, R2和D5构成线圈 放电保护电路;R3和C1构成储能电路,当喷油器不工作时,电源通过R3给C1充电,当喷油器线圈通电时,C1向线圈放电,使流过喷油器线圈的电流迅速上升,提高喷油器的反应速度。
3结束语
汽车电控喷油的结构改进设计 篇6
1 汽车电控燃油控制技术
随着现代人生活水平的不断提高, 越来越多的人选择对汽车加大投资量, 也就是说, 越来越多的人对于汽车性能方面的要求将越来越高, 这就应该对我国汽车的性能加大研究力度, 同时, 随着现代人环保意识的提升, 也越来越重视汽车的尾气排放量, 就是在这样的高要求下, 我国汽车产业对于汽车电控燃油控制技术的研究做了更多的功课, 为改善汽车电控燃油发动机而更加努力着。所以, 对于汽车电控燃油控制技术的提升是现代社会发展的重中之重。
1.1 汽车电控系统应用。
整个汽车发动机电控燃油技术是在不断的更新换代中发展起来的, 随着时代的进步, 从最初的晶体管到后来的超大规模集成电路, 是经过了几个世纪的创新与开发才真正实现的, 通过将整个控制系统和计算机技术相互结合, 能够使整个系统的控制能力变得更加灵敏, 同时能够很好地适应人类的使用, 智能化的计算机技术还提升了整个系统的燃油效率, 也就是说, 从根本上降低了汽车尾气对环境的污染。在不断的研究与探索中, 我国在汽车电控系统应用方面着实有了极大的成效。
1.2 各国汽车电控系统研发现状。
本文主要探究的是新式的发电机对汽车燃油系统的优化问题, 通过一系列研究表明, 新式电控燃油系统发动机是现代汽车产业比较喜欢的一种新新发动机, 不仅能够很好地降低对能源的浪费, 同时能够很好地减少对环境的污染。随着新新技术的进步与发展, 老式燃油系统已然不能满足现代人对汽车的需求, 在能源短缺的今天, 在不破环环境的前提下进行能源的节约是现代技术所要实现的目标。目前, 各国对于汽车电控系统的研究已经越来越趋于白热化, 也就是说, 目前的新式电控燃油系统发动机是各国汽车厂都比较青睐的一款新新技术产品。在这样的大背景下, 我国应该加大研发力度, 同时加大投入, 更好地将这项高科技产品广泛生产, 以供国人使用, 为我国能源的节约以及环境的保护做贡献。
1.3 电控燃油技术发展前景。
最初的电控燃油技术是主要应用于飞机, 由于飞机对整个燃油的控制要比汽车严格得多, 然而, 随着现代技术的不断革新, 我国将电控燃油技术开始应用于汽车行业, 能够降低汽车这一主要地面交通工具对能源的消耗量, 同时将这项技术与计算机技术有机结合, 真正地实现技术的智能化。未来对电控燃油技术的发展前景还是很广阔的, 航空航天工业、船舶工业等工业生产方面也可以加入电控燃油技术, 通过利用这项技术使电控发动机被广泛利用, 能够更好地降低能源使用, 并且将智能化技术普及到各个方面。
2 电控燃油系统组成结构
传感器、电子控制单元、执行器三部分之间相互协调工作共同组成电控燃油控制系统。
2.1 传感器。
传感器的主要作用是对发动机燃油气缸工作时各项状态参数进行实时测定, 并转换成电流信号传递给电子控制单元。发动机控制系统中几种常用传感器:测定传动轴工作时转数的转速传感器;测定燃油气缸中气体流量, 循环进气量的负荷传感器;冷却水温度传感器;气压传感器;气温传感器;氧浓度传感器等等。
2.2 电子控制单元。
电子控制单元主要作用是:把由传感器传递给发动机各项工作状态参数进行整理与判断, 并作出正确高效的判断, 这个过程用时极短可以做到实时控制, 然后将各条命令传达给执行器已达到控制目的, 其核心是一台微型电子计算机。
2.3 执行器。
执行器主要作用是:接受并完成电子控制单元传递来的指令来最终达到控制作用。电动燃油加压泵与电控燃油喷射器主要是的对气缸定时定量给油然后传达至执行器。
3 控制变量
电子控制单元给执行器发出的各种指令例如要求燃油发动机转速、负载、气压、温度等等。发动机适应实时路况所要达到的最为高效的工作状态, 可以看出发动机工作过程中每种控制变量都会有一个专门传感器对该变量进行测定。在所有的状态变量中转速与负载是最重要的。但要做到驾驶汽车时操作灵敏对各种路况适应良好的效果可不仅仅需要控制发动机的转速和负载参数, 对其他辅助参数变量也要进行调解与控制。
4 电控系统信息处理及燃油系统工作原理
装配于发动机各部位, 并且用于测定发动机工作过程中各种参数变量的传感器将收集到的各种实时数据传递给电子控制单元, 电子控制单元对这些参数信息进行分析处理, 最后将控制命令传递给执行器, 由执行器完成控制任务最后也是至关重要的一步。
汽车电子燃油控制系统的控制核心是电子控制单元即微型计算机, 该系统中装配在发动机各部位各种传感器负责对发动机在工作状态下实时参数指标的测定与采集, 电子控制单元中预先设置的控制软件对数据进行特定处理, 以便准确控制调节发动机燃油供给量, 点火时间等等。使发动机长时间工作在最佳状态, 以便适应各种复杂路况, 提高汽车驾驶舒适性与安全性。汽车启动时控制系统下达点火指令, 启动后发动机燃油泵开始工作, 供油系统中气压开始上升, 当达到足够压力后便能为燃油气缸供油, 同时发动机在电动机牵引下开始旋转。然后油箱中燃油被电泵加压之后流过汽油滤清器过滤, 特定燃油调压器对过滤后的燃油进行适当调压输送给喷油器, 在控制系统控制下进行特定时间, 特定油量地喷射进入气缸与气缸中央七充分混合后燃烧, 为发动机提供动力。
结束语
我国对于汽车方面的投入越来越多, 同时对于智能化建设的投入也相应地增加, 这就导致对于汽车节能以及尾气排放的问题在不久的将来得到解决。面对越来越严重的环境污染, 改善排放量是现代社会亟待解决的问题, 综上所述, 汽车电控燃油控制技术的改善是汽车行业的一大提升, 国家对于汽车这一项经济支柱产业的投入, 将会在未来给我国带来更大的经济收益, 也就是说, 一项技术的提升不仅能够很好地节能环保, 更能给整个社会带来更多的收益。
参考文献
[1]陆际清, 刘峥, 庄人.发动机燃料供给与调节[M].北京:清华大学出版社, 2002:10-17.
[2]杨海峰, 蒋辉.发动机油路故障分析[M].北京:人民交通出版社, 2003:30-40.
电控汽油喷油器 篇7
电控汽油机大体上都差不多。不同的是汽油机的电子控制系统还要对点火提前角, 不同工况下的进气量这些的计算和控制。总体说来差别不大。
电控柴油机和电控汽油机一样也是在传统的机械式内燃机的基础上嫁接了电子控制系统组成的。下面我介绍电控柴油机和电控汽油机互相相比一下。
因柴油机与汽油机同属内燃机, 所以机械结构大同小异, 而且工作原理都是需要吸气、压缩、作功和排气四个过程完成一次作功行程, 但因汽油易蒸发汽化, 所以燃油与空气的混合是在进气管内就已形成故汽油机在吸气行程中吸入的是燃料与空气的混合。而柴油不易挥发和汽化, 所以柴油机在吸气行程中吸入纯空气。混合气的形成是在活塞将空气压缩至高温高压的瞬间, 将柴油喷入汽缸内在极短的时间内边混合边燃烧。
柴油机的压缩比较高, 一般在16~22之间, 而汽油机压缩比较低, 仅为8~11, 汽油机抗爆震是用辛烷值决定, 而柴油机抗爆震则是十六辛烷值。
柴油机进气终了的温度为50℃~80℃进气终了的压力为80k Pa~90k Pa。柴油机压缩终了的温度为700℃~900℃, 远大于柴油自燃温度, 压缩终了柴油机的汽缸压力为3500k Pa~5500k Pa, 而汽油机压缩终了的温度仅有500k Pa~600k P a, 汽缸压力800k Pa~1800k Pa。
由于柴油机压缩比高, 压缩终了的温度足以使柴油自燃, 所以只要在活塞将空气压缩到将近上止点时, 以高压将适量的柴油以雾状喷入汽缸, 柴油便立即自燃膨胀以6000k Pa~9000k Pa的压力作功, 由于压缩比高, 柴油是在极小的空间爆发, 把热能瞬间转化成机械能, 热效率极高。
汽油机压缩终了汽缸内的温度不能使汽油点燃, 必须电火花点火, 点火作功汽缸的最高压力为3000k Pa~5000k Pa温度为175℃~225℃。
柴油机排气终了的温度为400℃~750℃而汽油机排气终了的温度则高于柴油机为750℃~1000℃。
汽油机是严格控制进气量, 根据进气量控制喷油量, 以确保空燃比, 柴油机的进气量无需计量和控制, 进气多少是靠近、排气门尺寸和发动机转速或是否进气增压决定的, 不必控制空燃比, 燃料燃烧时永远处于富氧状态。由于排放的要求, 近期电控柴油发动机也装用了空气流量计, 以调整喷油量, 并计算EGR率。
由于柴油机压缩比高, 所以柴油机效率较高, 相等容积的燃料燃烧后, 其能量大于汽油机30%。
柴油机怠速运转时温度低, 若长时间怠速运转, 易在汽缸内集聚柴油或造成积碳, 因此很多厂家设计怠速转速较高。
柴油机爆震除与喷油正时有关外, 还与柴油的十六烷值有关。
汽油机只要发动机在运转, 只要在压缩行程有明火, 即使切断电路, 发动机仍会因炽热点火而不能熄火。而柴油机在运转中只要有燃油进入, 比如喷油嘴漏油, 或活塞环窜油、均会切断所有电路后, 燃料仍会自燃而不能熄火。此时只有挂档才能阻止柴油机继续运转。
柴油机因无节气门控制进气, 所以进气阻力小, 发动机吸气功率损失小。
柴油机热效率高, 热损失小, 所以一般散热器较小。
柴油机汽缸燃烧室的形状与汽油机的不同, 为强化空气与柴油在缸内的均匀混合, 柴油机的汽缸燃烧室设计一定是形状目前, 柴油机的燃烧室可分为两大类, 一类称之为直接喷射式燃烧室, 另一类是分开式燃烧室。
直接喷射式燃烧室是在活塞顶平面处凹出一定形状, 这种形式的燃烧室多用于大型商用车。
预燃室的燃烧室是一个小球形的燃烧室, 馕嵌在汽缸盖的凹陷部分, 喷油器预热塞均插入预热室内, 混合气先在预燃室内自燃, 然后再由预燃室内向外扩展, 以求易于启动和发动机工作的平顺。
这种形式的燃烧室由于整个燃烧室的表面积加大, 所以热损失较大, 许多热量被冷却水吸收, 且因压缩与排气时, 气体进出预燃室的阻力要消耗一定的能量。
柴油机是依靠将吸入汽缸的空气压缩至高温 (700℃~900℃) 使柴油自燃, 但柴油机启动时, 因启动转速低。加上环境的影响很难在启动的极短时间内使缸内温度升高至可以自燃的温度, 特别是当环境温度低于-15℃时, 柴油机就无法启动, 因此需在喷油器附近装一个辅助设施预热塞, 对预热塞的供电加热时间由电控单元根据水温传感器信号预以控制。
电控汽油机是控制空燃比及进气与喷油同时控制, 而柴油机无需控制空燃比, 只需控制喷油量, 柴油始终是在富氧的条件下燃烧的。
在产生同等功率的情况下, 柴油机的重量是汽油机的两倍, 而价格是汽油机的三倍。但因柴油机热效率高, 燃油经济性好, 寿命长, 加上随着材料及加工技术的提高, 以及实施电控较汽油机简单, 特别是在能源紧缺的情况下, 就越来越显示出强大的生命力和广阔前景了。
汽油机转速高, 轿车一般在5000~6000r/min, 货车为4000r/min左右, 质量小, 制造与维修成本低, 容易启动。缺点是燃油消耗率高, 燃料经济性差。柴油机压缩比高燃油消耗率比汽油机低30%, 一般转速较低, 只有2500~3000r/min, 质量大, 维修制造成本高。
摘要：汽油机是靠高压电火花点燃汽油的;而柴油机是柴油遇到受到高压而温度急剧升高的空气后自燃的。本文结合笔者在乌鲁木齐各4S店实训过程当中的实际工作经验, 通过比较电控柴油机和电控汽油机的工作原理的异同, 有效的总结到了几个电控柴油机的工作特点。
关键词：电控柴油机,电控汽油机
参考文献
[1]张月相, 王雪艳, 刘大学, 等.电控汽车柴油发动机培训教程[M.]黑龙江科学技术出版社, 2007, 10.
[2]殷光远.柴油车结构与维修问答[M.]人民邮电出版社, 2008, 10.