电控分配泵（精选6篇）
电控分配泵 篇1
柴油机电控燃油喷射系统与汽油机电控燃油喷射系统有许多共同之处, 都由传感器、ECU和执行器3部分组成。柴油机电控燃油喷射系统采用的传感器, 如转速传感器、压力传感器、温度传感器以及节气门位置传感器等, 与汽油机电控系统相同。ECU在硬件以及整车管理系统的软件方面也有相似之处。
1 柴油机电控燃油喷射系统的优点
1) 机械控制喷射系统的基本控制信息是柴油机转速和加速踏板位置, 而电控燃油喷射系统则通过许多传感器检测柴油机的运行状态和环境条件, 由ECU计算出适应柴油机运行状况的控制量, 由喷油器实施, 控制精确、灵敏。在需要扩大控制功能时, 只需改变ECU的存储软件, 即可实现综合控制。
2) 机械控制喷射系统由于设定错误和磨损等原因, 使喷油时刻产生误差;电控燃油喷射系统则根据曲轴位置的基本信号进行再检查, 不存在产生失调的可能性。
3) 电控燃油喷射系统通过改换输入装置的程序和数据可改变控制特性, 一种喷射系统可用于多种柴油机, 而不需要机械加工, 新产品开发周期缩短, 成本降低。
2 分配泵供油技术
分配泵靠柱塞 (分配转子) 的转动实现泵油和燃油分配, 其典型结构为轴缩式分配泵 (VE型分配泵) , 主要由驱动机构、滑片式输油泵、喷油提前器等组成, 见图1。滑片式输油泵由凸轮盘、滚轮机构、柱塞、柱塞套筒和油量控制滑套等组成。驱动机构旋转, 带动凸轮盘旋转, 柱塞在同步旋转的同时沿轴向左右移动。当凸峰转过时, 回位弹簧使凸轮盘与柱塞左移, 进油通道与柱塞前端轴向槽连通, 柱塞分配孔与出油阀通道隔离, 柱塞卸油孔被油量控制滑套封死。随着柱塞的左移, 压缩容积增大而产生真空度, 柴油在真空作用下, 经泵体进油道、进油阀、柱塞轴向槽进入压油室, 完成供油过程。当凸轮盘端面上的凸峰与滚轮相抵靠时, 凸轮盘和柱塞向右移动, 柱塞轴向槽与泵体进油道隔离, 柱塞卸油孔仍封死, 柱塞分配孔与出油阀通道相通, 随着柱塞的右移, 压缩容积减小, 油压升高。当油压超过出油阀弹簧弹力时, 出油阀开启, 向喷油器送入高压油, 完成泵油过程。
分配泵供油量通过调速器调节油量控制滑套的位置控制, 供油时刻通过喷油提前器控制。当发动机转速增加时, 喷油提前器使凸轮盘相对滚轮逆转某一角度, 使凸峰提前与滚轮抵靠, 实现供油提前。
1.高压阀, 2.驱动轴, 3.滑片式输油泵, 4.驱动齿轮, 5.喷油提前器, 6.凸轮盘, 7.油量控制滑套, 8.回位弹簧, 9.柱塞, 10.出油阀, 11.柱塞套筒, 12.断油阀, 13.张力杠杆, 14.溢流节流孔, 15.停车手柄, 16.调速弹簧, 17.调速手柄, 18.调速套筒, 19.飞锤
3位置式电控分配泵控制技术
3.1结构特点
位置式电控分配泵在VE型分配泵的基础上, 在油量控制机构和喷油时刻的控制机构上进行改动, 去除原机械式调速机构, 增设转速传感器、控制油量滑套位置的线性比例电磁阀、油量控制滑套位置传感器、定时控制阀、喷射定时器位置传感器等, 见图2, 其结构特点、供油和泵油原理与VE型分配泵基本相同。
1.线性比例电磁阀, 2.转速传感器, 3.定时器位置传感器, 4.定时控制阀, 5.滑套位置传感器
ECU控制线性比例电磁阀两个线圈反向信号的占空比控制流经线圈电流的大小, 由此控制电磁阀磁场强弱, 可动铁心在磁场力和回位弹簧力的作用下保持轴向位置。当流经线圈的电流变化时, 原磁场力和弹簧力的平衡状态被破坏, 铁心沿轴向移动到新位置, 并带动油量控制滑套的控制杆移动, 由此调整喷油量。可动铁心前端的油量控制滑套位置传感器用于测量油量控制滑套位置, 并将信息送至ECU, 与储存在ROM中的目标值进行对比, 实现反馈控制, 使实际滑套位置尽可能接近目标值。
喷油定时器位置传感器通过供油提前角自动调节机构喷油提前器的柱塞位移检测驱动滚轮的旋转角, 由此确定该工况的供油时刻, 并将信息传至ECU;定时控制阀设在柱塞的压油室进口处, 以控制低压油的输入。
3.2喷射时间控制
喷射时间控制系统主要由定时器位置传感器、ECU、定时柱塞、回位弹簧、定时控制阀、转子等组成, 见图3。定时柱塞将柱塞室分为吸油室和压力室 (泵室) , 定时控制阀设在压力室入口处, 控制压力室内的油压大小。当压力室内的油压发生变化时, 定时柱塞的位置改变, 通过传动杆带动转子偏转, 由此调节喷射时间。定时器位置传感器检测定时柱塞的位移变化, 进行定时柱塞位置的反馈控制。定时控制阀采用比例电磁阀, 调节来自滑片式输油泵输送的低压油进入柱塞压力室, 以控制其油压。ECU根据发动机转速和负荷信息判断发动机运行工况, 确定该工况的目标喷射时间, 并与实际喷射时间进行比较, 确定反馈控制量, 由此确定控制定时控制阀的占空比, 实现喷射时间的反馈控制。
1.油箱, 2.定时器位置传感器, 3.弹簧, 4.定时控制阀, 5.电源, 6.压力室, 7.柱塞, 8.滚轮, 9.溢出阀, 10.调节阀, 11.吸油室
3.3喷油量控制
位置式电控分配泵的喷射量控制原理见图4。ECU根据发动机的运转条件, 计算该工况的目标滑套位置, 与来自滑套位置传感器的实际滑套位置进行比较, 确定控制量, 并通过驱动电路, 根据ECU的指令反馈控制流经线性比例电磁阀线圈的信号占空比, 控制铁心的位移, 将油量控制滑套位置控制在目标值上, 实现最佳喷油量控制。
1.油量控制滑套, 2.平面凸轮, 3.柱塞, 4.线圈, 5.回位弹簧, 6.滑套位置传感器, 7.喷油器
4结束语
分配泵体积小、质量轻、成本低、使用方便, 但只能满足简单的供油特性和供油时刻变化特性。为此, 在分配泵的基础上采用电子控制技术, 提高其供油特性和控制精度, 以适应日趋严格的节能与排放法规的要求。采用分配泵电控技术, 根据喷射量、喷射时间的控制方式不同, 有位置式控制和时间式控制两种。位置控制型电控柴油喷射系统与机械控制柴油喷射系统相比, 控制精度和响应速度都有所提高。将机械控制柴油喷射系统改造为位置控制型电控系统时, 柴油机的结构无需改动, 但系统控制频率低, 喷油压力和喷油规律不能独立控制。
参考文献
[1]周云山, 钟勇.汽车电子控制技术[J].北京:机械工业出版社, 2008.
[2]付百学, 马彪, 潘旭峰.现代汽车电子技术[M].北京:北京理工大学出版社, 2008.
[3]申荣卫.汽车电子技术[M].北京, 机械工业出版社, 2006.
[4]金江善, 平涛, 凌励逊.柴油机高压共轨燃油喷射系统共轨压力控制技术研究[J].科技资讯, 2006 (3) :6-9.
[5]吴基安, 吴洋.汽车电子新技术[M].北京:电子工业出版社, 2006.
[6]曹家喆.汽车电子控制基础[M].北京:机械工业出版社, 2007.
[7]向红, 陈仕品.柴油机高压共轨电控燃油喷射技术[J].机电产品开发与创新资讯, 2006 (5) :5-8.
电控分配泵 篇2
1976年, BOSCH公司成功开发了机械VE型分配式喷油泵, 这是一个世界性的产品, 许多国家都有专业生产厂在大批量生产。随着电子控制技术的发展和使用要求的提高, 20世纪80年代以后, 各种电子控制式分配泵相继问世。比较有代表的:日本电装公司的ECD-V系列电控分配泵;日本杰克赛尔公司的COVEC-F电控分配泵;德国博士公司的ECD、VP系列电控分配泵。这些电控分配泵都是在VE型分配泵的基础上实现电子控制的, 基本上都大同小异。电控分配泵系统中, 都是采用计算机控制喷油量和喷油定时的, 目的在于解决小型柴油机, 特别是为了满足轿车用柴油机的动力性、舒适性和低能耗、低污染等的社会要求。随着我国机动车保有量的逐年提高, 电控分配泵也已广泛的配置在各种柴油机上。产品的发展当中共经历了三个研发阶段。第一阶段为位置控制式;第二阶段为时间控制式;第三阶段为时间、压力控制式。执行器从部分电控化、高度电子控制逐步向完全电控化方向 (即电控共轨系统) 发展, 产品功能不断改进, 科技含量逐渐提高。为了对这一新型的喷油泵有个更好的了解和认识, 现以德国博士公司生产的电控分配泵为例, 简要介绍一下电控分配泵的核心技术, 即VE-EDC电子控制系统。
二、功能介绍
下图表明了VE-EDC的系统模块之间的关系。该电子控制系统共分三个模块: (1) 用于采集工作环境参数的传感器将物理量转变成电信号。 (2) 具有微处理装置的电控单元。根据特殊的控制算法处理运行情况, 并发出相应的电信号。 (3) 执行装置。将ECU的电子输出信号变成机械动作。
1.系统模块图组成
(1) 传感器部分
加速踏板和喷油泵的控制套筒位置由角度传感器来拾取, 这些传感器可以通过接触或非接触的方法。发动机转速和TDC由感应传感器来拾取。具有高的测量精度和长时间工作稳定性的传感器用于温度和压力测量。喷油起始时刻通过与喷油器组成一体的传感器来拾取, 它通过针阀的运动来反映。
(2) 电控单元 (ECU)
ECU应用数字技术, 带有输入和输出接口电路的微处理器形成了ECU心脏。通过用于将传感器信号转变成计算机可接受量的存储单元使整个电路完整。ECU安装在驾驶室内防止外部干扰。大量的图形存储在ECU中, 这些将计入以下参数的影响:负荷、发动机转速、冷却液温度、空气量等。对干扰性有严格的要求, 输入输出具有短路保护及免受车辆其他电脉冲保护, 保护电路和金属屏蔽提供了防止外界干扰的高水平的电磁隔离 (EMC) 。
(3) 执行器部分
a.喷油量控制的电磁执行装置
电磁执行装置通过一个转轴嵌入控制套。与机械调速的喷油泵一样, 控制槽的开启与关闭受滑套位置的控制, 喷油量可以在零到最大 (如冷启动) 之间变化。角度传感器 (电位器) , 将旋转执行装置的转动角度, 即油量控制套筒的位置反馈到ECU, 并作为发动机转速的一个参数来决定燃油喷射量。当没有电压供给执行装置时, 回位弹簧使供油量减为零。
b.起始喷射控制电磁阀
油泵的内部压力由油泵的转速决定, 与机械式正时活塞装置一样, 该压力作用于正时活塞。正时活塞装置压力端的压力通过计时电磁阀调整。当电磁阀永久开启 (压力降低) , 喷射起始时刻推迟;当电磁阀关闭时 (压力升高) , 喷射起始时刻提早。在一定的变化范围内, 开关比率 (电磁阀开/电磁阀关的比率) 可以由ECU控制变化。
2.闭环控制过程介绍
为了实现稳定、精确的控制, VE-EDC系统采用了闭环控制技术。所谓闭环控制就是ECU在给执行器下达动作指令的同时, 各种传感器时刻在采集执行器的实际动作情况并将其反馈给ECU, 使ECU及时对执行器的偏差作出修正直到接近目标值的这样一个封闭的控制过程。具休控制如下:
(1) 燃油喷射量的闭环控制
喷油量对发动机的启动、怠速、动力输出和驱动性能以及排放起着决定性的影响。对此, 相应的起动油量特性、怠速/全负荷/加速踏板特性、烟度限制、油泵特性被编程存入ECU。驾驶员通过加速踏板将其对发动机扭矩或转速的要求输出, ECU对照编程的图形和传感器输入的真实值, 用于设定油泵旋转执行装置的设定点被计算出来, 旋转执行装置装备有旋转角度反馈单元, 确保控制滑套被正确控制。
(2) 喷射起始时刻的闭环控制
喷射起始时刻对启动、噪音、燃油消耗和排放起到决定性的影响。考虑众多因素的起始时刻特性图被编程存入ECU。针阀运动传感器用来采集喷油嘴处真实的喷射起始时刻。并与编程的喷射起始时刻比较。如果发生了偏离, 将使正时装置电磁阀的开关率发生改变, 并将连续变化直到偏离值为零。计时电磁阀用于调整正时活塞压力端的压力, 与机械式正时装置相比, 该机构具有较好的动力性能。
因为在发动机超负荷或启动时, 没有有效或适当的喷射起始信号, 控制装置关闭, 开环控制被选择, 此时, 用于控制电磁阀的开关率将从ECU的控制图中获取。
(3) 废气再循环的闭环控制
废气再循环用于降低发动机的有害排放。一定量的废气被吸出与新鲜的空气混合。发动机的进气量 (与EGR率成比例) 由空气流量计来计量并与ECU中的EGR图的程序值比较, 并将每一个工作点的发动机及喷射数据考虑进去在发生偏离的情况下, ECU修正应用到电子真空转换器的触发信号, 然后调节EGR阀改变EGR率。
(4) 巡航控制的闭环控制
一个经过计算的车速信号与驾驶员通过巡航控制按钮输入的设定信号比较, 喷油量被调节以保持驾驶员所选定的车速。
3. 安全测量
(1) 自监控功能
自监控概念包含了ECU对传感器、执行装置、微处理单元及构件在失效状态时柔性终端、紧急功能的监控。如果某一重要的构件发生故障, 诊断系统不仅通过仪表盘上的故障灯向驾驶员发出警报, 同时提供在车间内的诊断陈述。
(2) 跛回模式和应急功能
有许多跛回模式和应急功能被集成在系统中。例如, 如果发动机转速传感器发生失效, 将由针阀运动传感器的供油起始时刻作为转速的替代信号;如果供油执行装置失效, 一个独立的电子停油装置将使发动机熄火。故障灯仅在重要的传感器失效时才亮起。
(3) 诊断输出
电控单体泵检测夹具的设计与应用 篇3
单体泵结构小, 压力大, 压紧面很小, 再加上出油阀开启压力的冲击, 使得夹具承受的力非常集中。因此, 在实际生产过程中, 往往顾此失彼, 很难做到两全, 为了克服这个难题, 泰山金石公司的设计人员成功的利用减速电机双工位压紧的结构, 成功的解决了这个问题 (见附图) 。
1.联轴器 2.凸轮箱组件 3.低温工件 4.高压接头 5.紧护开关6.旋转轴 7.压紧连杆 8.编码器 9.顶杆 10.减速电机
一、 工作原理
选择蜗轮式减速电机来作夹具的动能来源, 既简化了结构, 又节约了能源, 还能保证夹紧力的持续而不会变化, 给检测创造了很好的条件。
减速电机旋转运动通过螺纹和花键转变为上下运动, 然后顶起弹簧, 把动力传给连杆Ⅰ, 连杆Ⅰ通过杠杆的作用, 把高压压头压紧。这时, 电机的输出功率在螺纹和杠杆的作用下, 已经得到了几倍的放大。当弹簧被紧密压缩后, 电机继续上升, 把连杆Ⅱ抬起, 再把泵体压紧, 直至保护按钮与下面螺钉接触后, 电机电源被切断, 电机停止工作。这时, 压头与出油阀口的锥面紧密接触, 靠弹簧持续释放的压力, 压头依然被持续压紧, 从而实现了双工位压紧, 进而保证了在喷射过程中所受的强大的冲击力而不会泄漏。
保护按钮起到两个作用, 一个是在完成设置好了的行程后, 电机停止运转, 顶杆不再上升, 终止压紧。更重要的是它能起到断电保护, 使电机不因过载而被烧毁。
减速电机选用电机为0.25kW, 速比是i=25, 转速为56r/min, 输出扭矩为32N·m, 这种电动机有结构紧凑, 体积小, 安装方便的优点。
二、夹紧部分的结构
夹紧部分主要结构有:减速电机、升降螺杆、弹簧、连杆Ⅰ、Ⅱ、旋转轴套及高压压头等部件组成, 他的控制是由控制盒上的升降按钮实现的, 按下绿色按钮, 电机旋转, 花键顶杆上升, 压紧开始;按下红色按钮, 花键下降, 工件被放松。这时, 把连杆在旋转轴套上旋转一定角度 (大约35°) , 即可取下被测工件更换另一件。更换时间不大于5min, 极大的提高了工作效率。
这种设备结构简单, 操作方便, 快捷, 密封性好, 实现了手动到电动的突破, 并能取代液压缸、气缸, 是一种颇受行业欢迎的产品。
三、 电控单体泵在试验台上的安装
电控单体泵在试验台上的安装如图。它是由凸轮箱体、柱塞套座、凸轮轴、联轴器等组成。试验台的动力输出轴通过联轴器把力传给凸轮轴, 凸轮轴旋转时通过凸轮把柱塞打开, 在电控阀的控制下, 实现每转一次的喷射过程。柱塞套座固定在凸轮箱上, 它的加工尺寸、几何精度相当于喷油泵体的一个缸, 足以满足单体泵的各项技术要求。
四、高压油管
与高压压头相连接的是高压油管, 它是连接单体泵和电控喷油器的通道。它有足够的流量, 能够减少燃油流动时的压降, 并使高压管路系统中的压力波动较小, 能承受高压燃油的冲击作用, 启动时的压力能很快建立。高压油管应在保证弯曲率的同时, 尽可能短, 使燃油从泵到嘴的压力损失控制到最小。
在高压油管的两端, 也就是泵端、嘴端各装了一个压力传感器, 它把所取得的信号通过压力变送器传给控制部分, 屏幕上就能够准确、清楚的读取压力值。压力值非常精确, 能读取到小数点后几位数字。一般情况下, 两个传感器的压力差越小越好。
五、同步脉冲信号的采集
在凸轮轴的输出端, 并与凸轮轴同轴安装了一个旋转编码器, 可以输出1/rev和360/rev的信号。此信号输入到EFS8267的脉冲转换器, 转换后输出1/rev和360/rev的信号到信号采集的仪器里的电子部分。它能准确的将采集到的信号传送出去, 完成喷油角度、延时等的检测。
电控分配泵 篇4
单体泵的优点很多, 它使燃烧更适合工况的需要, 因而燃烧更充分, 效率更高, 降低了排气污染和燃油消耗率。它还有以下优点:
(1) 由凸轮轴通过挺柱驱动, 结构紧凑, 刚度好;
(2) 喷油压力可以高达1.6×108Pa;
(3) 较小的安装空间;
(4) 高压油管短, 且标准化;
(5) 调速性能好, 适用不同用途发动机, 任意设定调速特性;
(6) 具有自排气功能;
(7) 换泵容易。
电控单体泵供油系统是带时间控制的模块式装置, 发动机每个气缸都配有一个单独的模块, 主要组件:
(1) 整体插入式高压泵;
(2) 快速作用的电磁阀;
(3) 较短的高压油管;
(4) 喷油器总成。
一、燃油系统的组成
单体泵供油系统组成如图1所示:
1. 低压油路
柴油从柴油箱1出来, 经过燃油输油泵3进入柴油滤清器5过滤之后, 非电控机型则进入铸在缸体内的低压油室, 回油也在此油室内, 低压油室的压力为5×105Pa。电控发动机柴油从柴油滤清器出来之后, 从外部接头进入连接电控单体泵的金属低压油路, 每个泵都单独与外面的燃油进油管连接。燃油回油通道铸在气缸体上, 低压油路中压力的稳定对发动机的功率输出是至关重要的。在发动机出现功率不足的情况时, 应首先测量低压油路的压力, 测量位置为低压油路外部接头处。在发动机转速为2300r/min时, 压力P≥4.5×105Pa。
2. 高压油路
低压油路内的燃油从单体泵7经过很短的高压油管8进到喷油器9, 当压力达到2.2×107Pa时, 喷油器开启, 将燃油呈雾状喷入到燃烧室, 与空气混合而形成可燃混合气。从柴油箱到金属燃油管接头这段油路中的油压是由燃油输油泵建立的, 而输油泵在发动机额定转速下的出油压力一般为5×105Pa左右, 故这段油路称为低压油路, 只用于向单体泵供给滤清的燃油。从单体泵到喷油器这段油路中的油压是由单体泵建立的, 约为1.6×108Pa左右。
3. 燃油回流
由于输油泵的供油量比单体泵的出油量大10倍以上, 大量多余的燃油经限压阀10和回油管12流回柴油箱, 并且利用大量回流燃油驱净油路中的空气, 有自动排气功能。
4. 燃油温度传感器
用于燃料的油温及燃料喷射量的修正。
二、电控单体泵供油系统组成
1.布局
(1) 供油系统组成及规范
①喷油器:
位置倾斜20°, 无回油喷油器, 喷射压力1.8×108Pa;
②电控单体泵:
型号PLD12A, 倾斜10°, 柱塞直径ф10mm, 喷射压力1.6×108Pa;
③挺柱:
直径ф32mm, 滚轮直径ф24mm;
④凸轮轴:
基圆直径ф36mm, 行程14mm;
⑤高压油管:
各缸形状完全一致, 其展开长度为196mm, 外径ф6mm, 内径ф1.8mm。
(2) 主要功能
在发动机各种工况下, 按照整机要求定时、定量供给高压燃油, 使各缸能够正常工作, 发出要求的功率、扭矩, 同时满足排放标准。它对发动机的性能、工作可靠性和耐久性起到至关重要的作用, 是燃油供给系统的核心部位。
2.电控单体泵结构及工作原理
电控单体泵结构如图2所示。电控单体泵安装在发动机缸体上, 由发动机的配气凸轮轴上的喷射凸轮通过挺柱总成驱动柱塞, 挺柱压缩柱塞弹簧。凸轮上行过程, 压缩柱塞弹簧, 凸轮下行过程, 柱塞弹簧释放, 凸轮连续旋转, 使柱塞作往复直线运动。在不通电的情况下, 电磁阀是打开的。其工作原理如下:
(1) 凸轮在基圆位置时, 柱塞位于下止点, 高压腔与低压腔中的燃油压力相等。
(2) 压缩供油。 凸轮轴旋转, 凸轮通过挺柱压缩柱塞向上运动, 只有在ECU使电磁阀通电并关闭以后, 高压区才能形成压力。高压腔中的燃油在柱塞压缩下产生高压。泵端燃油压力可达1.6×108Pa。
(3) 喷射。高压燃油在高压油管中传递, 并在到达喷油嘴时压力继续提升, 约在2.2×107Pa的压力时喷嘴打开, 燃油喷入到燃烧室中。喷射压力达到1.8×108Pa。
(4) 喷射结束。在ECU使电磁阀断电并打开以后, 高压油腔与低压油腔相通, 高压油腔及喷嘴压力也大大下降, 喷嘴落座, 喷射过程结束。在柱塞的下一次运动中, 将重新开始新的过程。当电磁阀打开时, 允许在进油行程把燃油吸入油泵的油缸, 在供油行程经原路排回去。
电控单体泵的控制方式是时间控制, 无需在喷油正时与曲轴位置之间有直接的连接。喷油起始点必须与精确规定的活塞或曲轴位置相对应, 它是靠在曲轴上装一个信号转子, 同时在凸轮轴上装有与各缸喷射同步的脉冲信号发生器来完成的。
喷射过程的闭环控制是按严格规定的相互关系存贮于电子控制单元中的程序进行的。装在发动机上的电子控制单元控制着单体泵的电磁阀。电子控制单元应用数字技术来监测, 并处理各种输入的传感器信号。
三、喷油器
1. 主要功能
将油泵提供的高压燃油以一定的空间分布, 雾状喷入发动机燃烧室, 以便燃油与空气形成有利于燃烧的可燃混合气, 可燃混合气燃烧后的排放废气要求达到排放法规要求。它是燃油供给系统的关键部件。
2.结构及工作原理
喷油器总成在结构上无回油管, 可以避免回油管断裂、不密封的情况发生。
燃油经电控单体泵加压后, 由高压油管输送到喷油器进油端, 经喷油器滤芯孔、进油道到达喷油嘴偶件, 当压力室内压力为2.2×107Pa时, 高压燃油使轴针抬起, 燃油经喷孔喷出。
四、燃油输油泵
1. 主要功能
在发动机各种工况下, 燃油输油泵以一定压力和输油量向电控单体泵提供充足的压力相对恒定的燃油, 它是燃油供给系统的关键部件。它的性能达标与否直接影响着发动机的启动性能和功率大小。
2. 结构及工作原理
燃油输油泵结构如图3所示。
泵体8内有一对齿数相差1又相互啮合的内外转子10/9, 内转子10通过平键11与驱动轴2联接。驱动轴2通过轴承6及轴套15支承在泵体8上。泵盖12用三个自攻自锁螺钉14紧固在泵体8上。在泵体8的端面上开有密封槽, 装O型圈13用来防止泵内燃油从泵体与泵盖结合面外泄。泵体内安装骨架油封7, 防止燃油从驱动轴处外泄。在泵体内高压油腔与低压腔之间设有一限压阀装置, 它由螺堵17、垫片18、柱塞弹簧19、柱塞21、钢球20和柱塞平衡弹簧22组成。安装在泵体内的轴承用挡圈5卡住。皮带轮1用垫片4及螺母3固定在驱动轴2上。低压腔与油封之间有一润滑油孔, 泵体上有一溢流孔。
燃油输油泵的优点是结构紧凑, 体积小, 流量脉动小, 运转平稳, 噪声小。
其工作原理如图4所示。该燃油输油泵为转子泵, 主要有一对内啮合的内、外转子组成。外转子齿数9比内转子齿数8多一齿, 两转子之间有一偏心距, 内转子为主动轮带动外转子异速同向旋转, 由内外转子、泵体及泵盖等零件形成两个独立的密封腔。随着转子的旋转, 左半部齿退出啮合, 低压腔容积增大, 形成一定真空度, 实现吸油, 该腔称为吸油室;右半部齿进入啮合, 压油腔容积减小, 油压升高, 实现泵油, 该腔称为压力室。当压力室油压高于限压阀开启压力时, 限压阀钢球开启, 压力室和吸油室相通, 实现卸压。燃油输油泵通过带传动直接由曲轴驱动。
3.燃油输油泵性能
(1) 密封性能。轴与轴封配合处不允许漏油;输油泵本体及各密封面处不允许有漏油现象。
(2) 吸油能力。在燃油输油泵转速为250r/min和出油背压为 (0～10) kPa时, 输油泵必须在≤30s时间内从出油口输出燃油。
(3) 燃油输油泵总成的输油量
当Qmin=0.3L/min, n油泵=170r/min, 则 P=50kPa;
当Qmin=6L/min, n油泵=3000r/min, 则P=500kPa;
当QN= (10～14) L/min, n油泵=5375r/min, 则P=250kPa。
(4) 限压阀开启压力P>500kPa, 压力室油压高于限压阀开启压力时, 限压阀钢球压缩柱塞, 压力室和吸油室相通, 实现卸压。 在低压油路中有空气的情况下, 打动手油泵, 钢球开启, 燃油经柱塞到压力室, 则为排气功能。
五、燃油供给系统故障诊断与排除
六、总结
电控分配泵 篇5
电控组合泵燃油喷射系统是一种适合中国国情的新型电控燃油喷射系统[1]。与机械式燃油喷射系统相比,电控组合泵燃油喷射系统是集机械、液力和电磁于一体的复杂系统。在系统工作过程中,高压喷射特性对低压系统供油特性敏感性高,并且高压喷射特性反过来影响低压供油特性[2,3,4]。高低压系统的强耦合使系统在某些工况下出现异常喷射,而且直接导致循环间的不规则压力波动,从而严重影响油量均匀性。虽然通过灵活的油量控制算法,电控燃油喷射系统在维持各缸油量均匀性方面比传统机械系统要优越得多[5,6,7],但是对于这种随机的液力波动现象所引起的循环喷油量波动问题,利用控制软件显然无法得到很好解决。本文从液力系统本身着手,揭示高低压系统各种特性耦合原因,进而提出解耦方法,提高系统稳定性,设计出高压喷射系统对低压系统敏感性低的燃油喷射系统。
1 系统组成及仿真模型的建立
1.1 系统组成
电控组合泵系统结构如图1所示。按照燃油建立压力的过程可将其分为高压系统和低压系统。高压系统主要包括喷油器、高压油管、控制阀芯、柱塞和组合泵泵体所围成的腔体;低压部分包括油箱、低压油管、滤清器、输油泵、组合泵泵箱和回油阀等零部件。在燃油喷射过程中,柱塞只起供油加压作用,喷油量和喷油定时则由电磁阀精确控制。
图1 电控组合泵燃油喷射系统结构示意图
1.2 计算模型
研究采用试验分析和数值模拟相结合的方法,针对电控组合泵系统高低压耦合特性进行了深入分析,建立的计算模型如图2所示。
图3为电控组合泵试验台。利用试验数据对计算模型进行标定与验证,图4是在凸轮转速为900r/min,循环喷油量为150mm3时,喷射压力试验和仿真数据对比波形。可见,仿真模型能够准确的预测电控组合泵系统的喷油性能,详细计算模型及其准确性在文献[8]中得到了验证。
2 高低压系统强耦合引起的问题及机理分析
2.1 不正常喷射现象
图5为电控组合泵不带出油阀情况下匹配高转速发动机,喷油脉宽为11°CaA,凸轮转速分别为1300、1400r/min,并分别采用780、470mm高压油管的喷射压力波形对比结果。
图2 电控组合泵AMESim计算模型
图3 电控组合泵试验台
图4 喷射压力对比曲线
由图5可知,在两种工况下,长高压油管的喷射压力波形出现了畸形,压力波在图5椭圆区域内呈现陡升的趋势,主要原因是470mm油管与780mm油管相比,在喷油结束时高压油管内燃油泄出一部分,当柱塞开始吸油时,由于高压油管长,低压系统在供油压力不是很高的前提下,柱塞吸油很难填充高压油管抽空部分,并且当阀杆锥面间隙小、柱塞直径大和凸轮型线速度高时,柱塞吸油还会吸走高压油管中一部分燃油。在这种情况下,吸油充分程度与低压系统的供油压力耦合性强,由于在喷油器端高压油管内空出一部分体积,燃油中溶解空气或者压力低于一定程度后燃油气化,当柱塞再次压油建压时,气泡被压破,瞬间产生巨大的压力升高(气泡中心),所以反映在压力波形上就是压力突变的过程,这个过程被称为穴蚀现象。
图5 不同高压油管喷射压力波形对比
图6为780mm高压油管在典型工况下的喷油压力波形图。由图6可见,当长高压油管在低转速时,由于柱塞吸油时间长和柱塞凸轮型线单位时间内速度低,并且喷射压力低泄油过程从高压油管泄油量也少,因此在低转速时不会发生气穴和穴蚀现象,高转速出现了气穴现象。
2.2 循环喷油量波动
2.2.1 同一缸循环喷油量波动
图7为1300r/min凸轮转速、12°CaA喷油脉宽时,单缸多循环喷油量计算结果。
由图7可见,循环喷油量出现了不同程度的波动:当供油压力为0.4MPa时,循环喷油量波动达到22.24mm3;随着供油压力增加到0.6MPa,循环喷油量波动减小到2mm3,且循环喷油量平均值显著增加;当供油压力继续增加到0.8MPa和1.0MPa时,循环喷油量波动基本消失,循环喷油量平均值也趋于稳定。循环喷油量随着供油压力增加的原因是低压供油压力低,导致高压系统吸油不充分,供油压力增加可提高高压系统的吸油充分程度,使循环喷油量增加,当吸油基本充分时,即达到0.8MPa时,循环喷油量随着供油压力的增加基本不变。循环喷油量波动的原因是吸油不充分时相邻循环高压油管的残余压力状态不同引起的,此时的嘴端喷射压力也会出现波动,见图8。当供油压力为0.4MPa,喷射压力循环波动达到30MPa,这时吸油严重不足,这是相邻循环高压油管内的残余压力状态差别大引起的,随着供油压力增加到0.6MPa,此时喷射压力虽然仍有波动,但波动很小,最大波动量仅5MPa。随着低压供油压力的进一步增加,高压系统吸油充分程度增强,到0.8MPa时,喷射压力已无明显波动,此时循环喷油量波动不超过0.5mm3,喷射压力达到稳定,循环喷油量也达到稳定状态,可见循环喷油量和高压系统吸油充分程度息息相关,循环喷油量波动和高压系统吸油充分程度也息息相关。因此为了消弱这两种现象,可以通过增加低压供油压力进行高低压系统的解耦。
图6 780mm高压油管在典型工况下的喷油压力波形对比
图7 不同低压供油压力下多循环喷油量
图8 不同低压供油压力下多循环喷射压力
2.2.2 不同缸循环喷油量波动
在恒定低压压力的单缸模型中未考虑低压系统的压力波传播过程引发各缸吸油位置吸油压力的差异而导致的不同缸循环喷油量波动,而此波动过大将会引起发动机工作过程中出现异响现象。图9为在0.4、0.6、0.8MPa三种回油阀开启压力下,凸轮转速1300r/min、喷油脉宽12°CaA时,计算得到的各缸20个循环的喷油量及其均方差。
由图9可见,不同低压供油压力下四个缸在20次喷油过程中循环喷油量都在变化,且每个缸的循环喷油量波动规律不同。原因是当某缸喷射结束时,高压燃油迅速泄流引起低压系统的压力冲击,从而造成低压压力周期性波动,由于压力波在传播过程中伴随着不断地叠加或衰减,使得不同缸吸油位置的低压压力存在差别,因此导致各缸循环喷油量波动表现出复杂的变化规律。由图9(d)可知随着低压供油压力增加,各缸循环喷油量波动均方差基本逐渐减小,当低压供油压力为0.8MPa时尤其明显。可见在保证单缸吸油充分的条件下,多缸循环喷油量波动也可以明显减小。
图9 不同低压供油压力下各循环喷油量及波动均方差
3 高低压系统的解耦方法
在泵体上增加阻尼出油阀和改进低压系统供油压力,利用AMESim数值模拟的方法针对470、780mm两种长度高压油管进行阻尼出油阀各参数和低压系统供油压力的确定,目标是得出不出现循环喷油量波动和不正常喷射现象的临界低压供油压力,即为高低压系统解耦的临界低压供油压力。文中“解耦”为高压喷射特性与低压系统参数的解耦,即降低低压系统参数对高压喷射特性的影响。
3.1 阻尼出油阀参数的确定
阻尼出油阀中针对阻尼孔直径、出油阀升程和出油阀弹簧预紧力三个参数进行优化。图10和图11分别为两种长度高压油管时不同出油阀参数对应的多循环喷油量。
图1 0 470mm高压油管下变化出油阀参数时的循环喷油量
由图可知,在各种条件下循环喷油量基本无波动,可见阻尼出油阀具有稳定相邻循环高压油管状态的作用,进而起到高低压系统的解耦作用。当阻尼孔直径从0.6mm增加到1.4mm,两种高压油管条件下循环喷油量都呈现减少的趋势,470mm高压油管对应的循环喷油量变化20mm3,780mm高压油管对应的变化30mm3,可见阻尼孔对长高压油管的作用更明显。随着阻尼孔直径的增加,高压油管内燃油在喷油结束泄油和柱塞吸油过程中减少量大,即高压油管的吸油充分程度变差,所以出现循环喷油量减小的趋势。
图1 1 780mm高压油管下变化出油阀参数时的循环喷油量
阻尼孔直径在0.8~1.2mm变化时对应两种油管的循环喷油量基本不变,尤其是0.8mm阻尼孔直径吸油更充分。当阻尼孔直径减小到0.6mm时,循环喷油量增加15~20mm3,此时由于孔径过小,产生泄油减压不足,出现二次喷射的现象,因此考虑充分吸油和不正常喷射现象,阻尼孔直径定为0.8mm。当出油阀升程从0.6mm增加到1.4mm,470mm高压油管对应的循环喷油量变化在5mm3范围内,780mm高压油管对应的变化在3mm3范围内,随着升程的增加循环喷油量减小,在470mm高压油管时变化更明显。原因是出油阀升程开启过程时间长度影响高压油管的压力建立过程,升程越小,出油阀开启过程时间越短,建压越快,相同喷油控制脉宽的情况下,有效喷油脉宽越长;出油阀关闭过程时间长度决定了高压油管的压力泄油过程,升程越小,关闭时间越短,泄油过程中阻尼孔起作用的时间越长,泄压时间越长,相当于增加了有效喷油脉宽,所以表现出升程增加循环喷油量减小的趋势。470mm油管和780mm油管相比,长油管中压力波传播时间长,进而建压时间和泄压时间都长,出油阀升程所弥补的建压时间和泄油时间所占比例相比小,因此升程的变化对循环喷油量的影响在短油管比较明显。考虑结构上流通面积的要求,升程选定为1.0mm。当出油阀弹簧预紧力从4N增加到12N时,循环喷油量在两种高压油管条件下变化都在1mm3范围内,短高压油管对应的循环喷油量变化明显,随着预紧力的增加循环喷油量呈现增加趋势。原因为预紧力大小影响了出油阀开启延迟时间、上升时间长短、出油阀关闭时刻和落座时间长短,这四个参数综合作用决定了喷油有效脉宽长度。预紧力小,开启延迟时间短和上升时间短,但出油阀关闭时刻晚,落座时间长;预紧力大则相反。由于四个参数对喷油有效脉宽复杂作用,导致随着预紧力增加循环喷油量增加,可见出油阀关闭时间早晚和落座时间长度起绝对性作用。由于升程只有1.0mm,四种因素影响喷油量很小,在短高压油管条件下的循环喷油量变化明显的原因同出油阀升程的变化对短高压油管的循环喷油量的影响原因一致,综合考虑结构和弹簧响应选定出油阀预紧力为8N。
3.2 低压临界充分供油压力的确定
为了保证燃油喷射系统在整个工况平面都吸油充分,即整个工况平面内高压系统对低压系统的敏感性低,利用计算模型得出780mm高压油管不带出油阀与带出油阀时的单缸燃油喷射系统临界低压充分供油压力map图,如图12所示。
由图12可见,临界充分供油压力随着转速和脉宽的升高而增加,相同工况下不带出油阀的临界供油压力比带出油阀的高,带出油阀的临界供油压力随着转速和脉宽升高变化不大,而不带出油阀的临界供油压力随着转速和脉宽升高变化大,可见阻尼出油阀具有稳定高压系统相邻循环状态的作用。
由图12(a)可知,最大临界低压供油压力出现在高转速高负荷区。原因是低转速时由于吸油时间长,所需的临界充分供油压力低,随着转速升高,吸油时间缩短,临界充分供油压力增加。而随着脉宽增加,系统对供油量的要求增加,即吸油充分程度对高压系统喷油量的影响增强,使得系统在大脉宽时对低压系统的供油压力要求增加。由以上分析可知,高压系统吸油充分与否是影响循环喷油量波动的主要因素。由于高压系统吸油充分程度取决于高压系统中高压油管内燃油状态,它是由高压系统在吸油阶段的吸油量(在硬件固定的条件下,取决于和转速相关的吸油时间和低压供油压力相关的燃油吸油压差)和喷油结束后的高压油管泄油量(与高压油管长短、有无阻尼出油阀相关);因此,系统解耦的最有效方法是增加阻尼出油阀,并且低压系统的供油压力按照图12(b)匹配,可以满足燃油系统在全工况平面内吸油充分和稳定工作,并且扩大燃油系统匹配发动机的应用范围。
图1 2 临界低压充分供油压力map图
4 解耦方法验证
4.1 带出油阀的多缸模拟计算验证
图13为利用AMESim多缸计算模型得出的回油阀工作压力为0.4MPa时,780mm油管有无出油阀情况下,典型工况相同喷油脉宽多循环喷油量的对比。
在1300r/min凸轮转速时(对应匹配柴油机的标定工况),无出油阀的波动只有2mm3,平均循环喷油量74mm3,各缸之间的差异比较小;而带出油阀的循环喷油量波动有4mm3,平均循环喷油量119mm3,可见不带出油阀严重吸油不足,不过此种状态处于准稳定状态,循环喷油量波动很小,由于带出油阀吸油充分,喷射压力高,低压系统的峰值压力高,因此低压系统的压力波动大,所以出现循环喷油量4mm3的波动。而凸轮转速为800r/min(对应匹配柴油机的最大扭矩工况)和500r/min(对应匹配柴油机的低速工况),带出油阀的优点更加明显,循环喷油量波动只有2~3mm3,各缸之间的喷油量差异非常小;而没有出油阀的循环喷油量波动在20~50mm3,各缸之间喷油量的差异也非常大,出现严重的吸油不足和循环喷油量波动现象。可见带出油阀后,循环喷油量和各缸喷油量之间的差异随着工况变化不明显,并且波动很小,进而证实了采用出油阀进行高低压系统的解耦是可行的,添加阻尼出油阀后,明显降低了高压系统对低压系统的敏感性。
图1 3 有无出油阀多缸循环喷油量对比
4.2 有无出油阀对比试验验证
根据出油阀参数的优化结果制造带有出油阀的燃油喷射系统。图14为在相同喷油脉宽(11°CaA)典型工况下,低压供油压力0.4MPa时,高压油管长度为780mm情况下,有无出油阀时喷射压力波形的对比。
图1 4 有无出油阀喷射压力波形对比
由图14可知,带有出油阀的喷射压力波形穴蚀现象消失,在1300r/min和1400r/min典型工况下,喷射压力分别增加了30MPa和50MPa。如图15所示,随着喷油脉宽增加,带出油阀的喷射压力波形都无穴蚀现象,并且喷油定时不发生变化,增加了系统工作的可靠性和map图标定的一致性。
5 结论
(1)柴油机电控组合泵高低压系统强耦合作用将会引起单缸及多缸循环喷油量波动及系统在配置长高压油管时的不正常喷射现象。
图1 5 有无出油阀典型工况下的喷射压力波形对比
(2)提出了采用增加阻尼出油阀和优化低压系统供油压力解耦方法,针对470mm、780mm两种高压油管确定了系统临界低压供油压力map图,优化了阻尼出油阀的三个关键参数。
(3)通过仿真计算和试验测试相结合的方法对“解耦”进行了验证,结果表明带出油阀后,各缸之间循环喷油量的差异随着工况变化不明显,并且波动很小。系统在配置长高压油管时,随着喷油脉宽增加,喷射压力波形均无穴蚀现象。
参考文献
[1]朱元宪,余泽,汪世伦,等.一种适合中国市场的柴油机电控燃油喷射系统——电控组合泵的研制[J].现代车用动力,2008,129(1):11-17.Zhu Y X,Yu Z,Wang S L,et al.Research and development of a diesel electronic fuel Injection system—electronic compound pump for Chinese market[J].Modern Vehicle Power,2008,129(1):11-17.
[2]范立云,马修真,朱元宪,等.电控组合泵燃油温度动态特性研究[J].内燃机工程,2010,31(6):65-70.Fan L Y,Ma X Z,Zhu Y X,et al.Investigation on dynamic characteristics of fuel temperature for electron-controlled assembly pump[J].Chinese Internal Combustion Engine Engineering,2010,31(6):65-70.
[3]汪翔,苏万华.柴油高压喷嘴内部的压力波动与不稳定空化现象分析[J].内燃机学报,2010,28(3):194-198.Wang X,Su W H.Analysis on pressure fluctuation and unsteady cavitation inside high-pressure diesel injection nozzles[J].Transactions of CSICE,2010,28(3):194-198.
[4]Mulemane A,Han J S,Lu P H.Modeling dynamic behavior of diesel fuel injection systems[C]//SAE 2004-01-0536,2004.
[5]Catania A E,Ferrari A,Manno M,et al.A comprehensive thermodynamic approach to acoustic cavitation simulation in highpressure injection systems by a conservative homogeneous two-phase barotropic flow model[C]//ASME 2006-04-128,2006.
[6]吴俊涛,周明,欧阳明高,电控燃油喷射系统液力稳定性试验研究[J].内燃机学报,2001,19(1):44-46.Wu J T,Zhou M,Ouyang M G.A research of hydraulic stability for an electronic controlled fuel injection system[J].Transactions of CSICE,2001,19(1):44-46.
[7]仇滔,尹文辉,刘兴华,等.低压油路对电控单体泵循环变动的影响试验[J].农业机械学报,2010,41(2):22-24.Qiu T,Yin W H,Liu X H,et al.Effect of fuel supply loop for EUP’s cyclic variation characteristics[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2010,41(2):22-24.
电控分配泵 篇6
关键词：内燃机,柴油机,电控单体泵,稳定性,特征值,AMESim
0 概述
电控单体泵是一种脉动式时间控制燃油喷射系统,其喷油定时和喷油量由电磁阀控制。电控单体泵喷油系统电磁阀杆的关闭与开启、喷油器针阀的关闭与开启、柱塞的往复运动及速度的变化,导致整个系统的输入、输出随着时间发生变化,并且由于阀杆截面和喷孔截面处于瞬变流状态,所以整个燃油喷射系统是一个非线性的复杂系统[1]。
线性分析基于对非线性系统稳态运行点的线性化处理,是分析非线性复杂系统内在特性和了解系统稳定性状态的强有力工具。线性分析能对系统动态特性给出一个明确的描述,可以用不同的方法分析系统的特性,如通过系统的特征值、模态、传递函数、或根轨迹法等。文献[1]利用AMESim软件建立了共轨系统的非线性计算模型并验证了模型的准确性和可行性。文献[2]对各种线性分析方法作了详细的描述,并将部分理论应用在共轨喷油系统上[2,3]。燃油喷射系统的稳定性决定了其喷油过程的稳定性,进而决定了柴油机工作的稳定性。本文在AMESim平台上,采用线性分析方法通过典型工况下的特征值变化规律研究电控单体泵燃油喷射系统的稳定性,揭示出电控单体泵系统在工作过程中的变化规律,为电控单体泵系统的喷油稳定控制提供理论基础。
1 系统组成和工作原理
电控单体泵与传统机械式喷油系统的最大区别是加装了一套电磁阀及相关零部件,并去除了齿杆、齿圈、柱塞斜槽等油量调节装置。柱塞只起加压供油作用,喷油定时和喷油量都由电磁阀控制,因而系统结构得到了简化和强化。图1为电控单体泵燃油喷射系统结构示意图,其工作过程可分为吸油过程、泵油准备过程、建压过程和泄压过程。
吸油过程中,柱塞在弹簧驱动下跟随凸轮轴向下运动,低压燃油从阀杆锥面处进入柱塞顶部。泵油准备过程中,柱塞在凸轮驱动下向上运动,燃油从柱塞顶部输送至高压油腔,并有部分燃油通过密封锥面回流至低压腔,进行泵油准备。建压过程中,在柱塞上行泵油时,若电磁阀通电闭合,则电磁阀杆密封锥面关闭,柱塞腔中的燃油压力会迅速升高,当高于喷油器的开启压力时,喷油器针阀打开,向燃烧室喷入高压燃油。泄压过程中,当电磁阀断电时,阀杆密封锥面开启,打开泄流通道,喷油压力迅速下降,低于喷油器的关闭压力后使喷油器关闭,完成一个喷油循环过程。
2 仿真模型的建立
电控单体泵系统是集电场、磁场、机械运动和流场于一体的复杂系统,四者之间的相互作用关系如图2所示。每个场通过各自的控制方程及相互作用的变量耦合在一起,通过油管内的波动方程,每个场的参数都会对最终的喷射特性直接或间接地起作用。因此,可以通过电磁场耦合方程、机械运动方程、流场特性方程和高压油管波动等方程求解喷油系统的各种特性参数。
电磁场耦合方程为
undefined
式中,U为线圈两端电压;i为电磁铁驱动电流,通过软件进行脉宽调制闭环控制;R为线圈电阻;λ为线圈磁链值,等于线圈电感和电流的乘积。R和λ与电磁铁的结构参数有关。
阀杆机械运动方程为
undefined
式中,m为运动件质量,包括阀杆、衔铁和小弹簧等零件;xl为阀杆位移;Fmag为作用在衔铁上的电磁力;Ff为考虑到流场影响受到的力;k为弹簧刚度;x0为弹簧预变形量;t为时间。衔铁形状比较复杂,流场特性近似方程求解精度不高,建议用CFD计算Ff。
油管内的波动方程为
undefined
undefined
式中,ρ为燃油密度;p为压力;u为燃油速度;k1为黏性阻力系数;a为油管压力波传播速度,简称声速。
通过以上方程,再结合初始条件和边界条件等就可以求解电控单体泵喷射特性各种参数。考虑到整个系统的求解精度,本文在AMESim软件中建立模型进行求解。单体泵单缸高压喷射系统仿真模型如图3所示,系统基本参数如表1所示。限于篇幅,本文中未列出多缸低压耦合系统仿真模型。
为了验证模型的准确度,在油泵试验台上进行了试验。图4(a)、图4(b)示出在凸轮转速900 r/min、循环喷油量为150 mm3时,电控单体泵喷射特性计算与实测值对比曲线。由此可以看出,仿真模型能够准确预测电控单体泵系统的喷射特性时间历程曲线。图4(c)为计算所得泵端压力和嘴端压力峰值与实测值对比。可以看出,500～1 300 r/min凸轮转速下,泵端压力和嘴端压力都能得到很好的预测,最大偏差为7%。
3 稳定性分析
线性分析可以分析系统的内在特性,对于多输入、多输出的复杂系统,采用现代控制理论中的状态空间法对系统的稳定性进行分析。根据现代状态空间理论,一个复杂多输入、多输出系统可以表示成式(5)所示状态方程形式
式中,x为系统状态变量;u为系统输入变量;y为系统输出变量;A为系统矩阵,反映系统本身本质规律;B为系统输入矩阵;C为系统输出矩阵;D为系统直接作用矩阵。
判断系统的稳定性如图5所示,系统矩阵A的特征值都分布在坐标平面的左半平面为稳定系统,否则系统不稳定。
电控单体泵系统是一个复杂的非线性系统,为了详细分析系统在整个工作过程中的稳定性情况,在AMESim平台上,利用线性分析工具对系统进行线性化处理,线性化结果产生状态空间方程的标准A、B、C和D矩阵。表2为系统线性化过程中所设置的输入、输出变量。AMESim平台的线性分析工具分析复杂的非线性燃油喷射系统,其结果的可信度在文献[3]中得到了验证。
3.1 单缸高压喷射系统的稳定性分析
选取如图6所示典型工况下,6个时间点对电控单体泵单缸高压喷射系统进行线性化处理,最终的系统矩阵特征值分布如图7和图8所示。由图7和图8可以看出,单缸高压喷射系统矩阵特征值分布随着工况、时间发生变化,系统是一个复杂的时变系统,不同工况下同一系统工作状态特征值分布具有相似的规律,只是随着时间的推移,系统矩阵发生很大变化。不同工况下对应的柱塞开始向上运动,阀杆没有关闭的状态时刻特征值大部分分布在虚轴附近,随着时间的推移坐标平面右半平面特征值分布增加,系统的不稳定性增加;在高压油管的压力开始建立、阀杆关闭的过程中,特征值从右半平面移向左半平面,系统开始处于准稳定过程,这时特征值分布仍然是沿虚轴展开分布的,即系统中存在多个低阻尼的共振频率;喷油结束后,阀杆打开,高压油管处于泄油和柱塞向下运动的吸油过程,这时分布在右半平面的特征值开始增多,系统的不稳定性增加,特征值分布规律随之发生变化,大部分特征值分布沿实轴展开,系统中阻尼大的特征值增多。
产生上述特征值分布规律变化的原因为:当柱塞向上运动时,阀杆没有关闭,系统在阀杆处为三叉管流动状态,流动为瞬变流,处于非稳定状态。高压油管的压力慢慢建立到控制阀杆的关闭过程,整个系统的流动为从柱塞腔到喷油器孔,虽然在喷油器孔中可能存在非稳定的瞬变流运动,但系统的流动状态单一,基本处于稳定的状态。这2个过程柱塞向上运动产生压力,对容腔而言压力处于升高的过程,压力波在系统中往复传播,因此系统的特征值分布以振荡形式分布居多。喷油结束阀杆开启后,由于高压油管的高压燃油瞬间泄压和喷油器针阀的落座等边界条件变化,整个系统流动处于瞬变流非稳定过程,所以坐标轴的右半平面特征值增多,系统处于不稳定状态。在高压燃油瞬间泄压过程中,由于系统压力波的巨大衰减,所以特征值的分布沿实轴展开,系统阻尼特性起主导作用。可见,通过线性分析得出了单缸高压喷射系统矩阵特征值的分布规律,电控单体泵单缸高压喷射系统是一个时变、喷油过程内准稳定、其他过程非稳定的复杂系统。
3.2 多缸高低压耦合系统的稳定性分析
电控单体泵多缸系统是高、低压耦合在一起的燃油喷射系统。低压系统的各种特性参数对高压喷射特性产生影响,高压喷射特性也影响系统的低压特性[6,7,8]。因此,有必要进一步研究电控单体泵多缸高低压耦合系统的稳定性。
在单缸高压喷射部分的线性分析中得出凸轮转速和喷油脉宽对系统的特征值分布影响不显著,因此在研究多缸系统高低压耦合特性时只选择接近发动机标定工况点1 300 r/min凸轮转速、12°CaA喷油 脉宽进行分析,线性化时刻分别选择凸轮一个工作循环内(此时间段内每缸都喷油1次)的6个时间点。图9为决定各缸喷油和吸油时序的凸轮型线速度时间历程图,0.05、0.06、0.07 s对应的状态都有1个缸柱塞向上运动压油,其他缸在吸油;0.08、0.09 s对应的状态有1个缸停留在基圆段,其他缸在吸油;0.10 s对应1#缸在喷油,其他缸在吸油。可见,这6个时间点包括了系统的所有工作状态。图10分别为对应时刻线性化的系统矩阵特征值分布规律。可见,随着时间推移,系统特征值分布并未发生明显变化,在坐标轴右半平面均出现了不稳定的极点,系统在整个循环内都处于不稳定状态。根据单缸高压喷射系统稳定性分析可知,在喷油过程中系统处于准稳定的状态,但考虑其他缸在此时并未处在喷油过程,即其他缸处于非稳定状态,因此不同缸状态之间的相互耦合使得整个系统一直处于不稳定状态。由此可知,电控单体泵多缸系统是一个时变、单缸喷油过程内子系统准稳定、多缸不稳定的高度复杂系统。
4 结论
(1) 建立了电控单体泵单缸高压喷射系统和多缸高低压耦合系统的AMESim计算模型,通过与试验数据对比,证明所建立的模型能够准确预测喷油系统的喷射特性参数。
(2) 凸轮转速和喷油脉宽变化对电控单体泵单缸高压喷射系统矩阵特征值分布规律影响不显著,系统矩阵特征值分布只是随着时间的推移由左半平面逐渐向右半平面移动,再由右半平面移向左半平面。整个系统只有在喷油过程中处于准稳定状态。
(3) 多缸高低压耦合系统在工作过程中一直处于不稳定状态,整个系统是一个时变、不稳定的高度复杂系统。
参考文献
[1]Lino P,Maione B,Rizzo A.Nonlinear modelling and control ofa common rail injection system for diesel engines[J].AppliedMathematical Modelling,2007,31:1770-1784.
[2]Favennec A G,Minier P,Lebrun M.Analysis of the dynamicbehaviour of the circuit of a common rail direct injection system[C].Tokyo:Fourth JHPS International Symposium of FluidPower,1999.
[3]Chaufour P,Millet G,Hedna M.Advanced modeling of aheavy-truck unit-injector system and its application in theengine design process[C]//SAE 2004-01-0020,2004.
[4]Catania A E,Ferrari A,Manno M,et al.Experimentalinvestigation of dynamics effects on multiple injection commonrail system performance[J].ASME 032801-1,2008.
[5]Yang M G,Sorenson S C.Modeling of the dynamic processes in anelectronic diesel fuel injection system[C]//SAE 9202400,1992.
[6]Arcoumanis C,Gavaises M,Abdui-Wahab E,et al.Modelingof advanced high-pressure fuel injection systems for passengercar diesel engines[C]//SAE 1999-01-0910,1999.
[7]范立云,宋恩哲,李文辉,等.电控组合泵低压系统压力动态特性研究[J].内燃机学报,2010,28(2):148-154.Fan L Y,Song E Z,Li W H,et al.Investigation on fuelpressure dynamic characteristic of the electronic controlassembly pump low pressure system[J].Transactions ofCSICE,2010,28(2):148-154.
[8]仇滔,刘兴华.电控单体泵供油系统仿真研究[J].车用发动机,2005(2):23-25.Qiu T,Liu X H.Simulation of the EUP fuel injection system[J].Vehicle Engine,2005(2):23-25.