（精密仪器及机械专业论文）柴油机电控喷油器高速电磁阀性能测试系统的设计与工程开发.pdf

东南大学颈士学位论文 摘要 采用高压共轨式电控燃油系统，是当代柴油机发展的重要方向，本论文结合共轨燃油喷射系统研究 课题，研制了喷油器高速电磁阀的性能测试系统，对喷油器的设计优化和产品的质量控制，具有重要的 技术意义和工程应用价值。 本论文的主要研究工作和技术成果有： 1 在金橱近代柴油机高压共轨式电控燃油系统及其关键元件喷油器的工作机理，结构特点和性 能指标的基础上，拟定了高速电磁阀的技术要求和性能参数。 2 从工程应用和系统控制的角度，根据电磁学原理建立了电磁阀静态数学模型和动态数学模型，为 研制电磁阀性能测试系统提供了设计依据。 3 设计与开发了基于电流、力和位移等多变量综合测量的，机电仪一体化的电磁阀静态性能测试系 统。论述了总体方案，系统构成，元件选用，结构设计和软件设计。设备已交付使用，性能良好。 4 给出了电磁阀动态性能测试系统的设计方案和结构总成，并进行了特性仿真，技术可行。 5 采用自组织映射网络进行了数据处理，并进行了试验分析。理论分析与试验结果基本相符。 动态性能测试系统的关键部件一高频响激光位移传感器已由美国购入，台体正在加工装配中。 关键词：柴油机，高压共轨，喷油器，高速电磁阀，喷射控制 东南大学硕士学位论文 d e s i g na n dd e v e l o p m e n to nt e s ts y s t e mo fh i g h s p e e d s o l e n o i dv a l v ef o re l e c t r o n i cc o n t r o lt e c h n o l o g y i n j e c t i n gs y s t e mo fd i e s e le n g i n e a b s t r a c t e l e c t r o n i cc o n t r o lt e c h n o l o g yi sas i g n i f i c a n ta s p e c to fd i e s e le n g i n ed e v e l o p m e n tc u r r e n t l y 。 l i n k e dw i t hr e s e a r c ho fh i g h - p r e s s u r ec o m m o nr a i li n j e c t i n gs y s t e m ，as t a t i cp e r f o r m a n c et e s t s y s t e mo fs o l e n o i dv a l v ei sd e v e l o p e d t h i ss y s t e mh a si m p o r t a n tt e c h r t i c a ls i g n i f i c a n c ea n d e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o nv a l u e ，a st ot h ed e s i g no p t i m i z a t i o no f i n j e c t i n gs y s t e m ( 1 ) a c c o r d i n gt ow o r kt h e o r y , s t r u c t u r ea n dc h a r a c t e ro fh i g h - p r e s s u r ec o l p x n o nr a i l i n j e c t i n gs y s t e ma n di t sk e yc o m p o n e n t - i n j e c f i o ns y s t e m ，t e c h n i c a la p p e a la n dc a p a b i l i t y p a r a m e t e ro f h i g h - s p e e ds o l e n o i dv a l v ei sc o n s t i t u t e d ( 2 ) i nl i g h to fe l e c t r o m a g n e t i c st h e o r y , p r a c t i c a ls t a t i ca n dd y n a m i cm a t h e m a t i cm o d e lo f s o l e n o i dv a l v ei sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r , w h i c hp r o v i d e dd e s i g nb a s i sf o rt h er e s e a r c ho ft e s t s y s t e m ( 3 ) g r o u n do ne l e c t r o n i cc u r r e n t ，f o r c ea n dd i s p l a c e m e n t ，am e c h a t r o n i cs t a t i cp e r f o r m a n c e t e s ts y s t e mo fs o l e n o i dv a l v ei sd e s i g n e da n dd e v e l o p e d t h ed e s i g np r o j e c t , s y s t e ms t r u c t u r e ， s e l e c to fc o m p o n e n t s ，d e s i g no fh a r d w a r ea n ds o 赶- w a y ea y ep r o p o s e d t h es y s t e mh a sb e e n a p p l i e da n dp e r f o r m e dw e l l ( 4 ) t h ep a p e ra l s oi n t r o d u c e st h ed e s i g np r o j e c ta n ds y s t e ms t r u c t u r eo ft h ed y n a m i c p e r f o r m a n c et e s ts y s t e mo fs o l e n o i dv a l v e ，a n dt h es y s t e mi st e c h n i c a lv i a b l e ( 5 ) s e l f - o r g a n i z a t i o nc o m p e t i t i v en e u r a ln e t w o r ki sa p p l i e di nd a t ad i s p o s a la n dt h et e s t r e s u l t sa r ea n a l y z e d ，t h e o r e t i c a la n a l y s i si sc o n s i s t e n tw i t ht h et e s tr e s u l t s k e y w o r d s ：d i e s e le n g i n e h i g h - p r e s s u r ec o m m o n r a i l i n j e e t i o ns y s t e m h i g h s p e e ds o l e n o i dv a l v ei n j e e t i o nc o n t r o l 东南大学学位论文 独创性声明及使用授权的说明 一、学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：冱函函 日期 二、关于学位论文使用授权的说明 j 口口年3 才 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影e p 、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 签名：边函函导师签名馘日期：喀 签名：边函函导师签名：磋艘型日期：暨g l 博 l 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的应用背景与意义 1 1 1 车辆排放标准日趋严格 随着现代工业的发展和科学技术的进步，人类的生存环境和工作环境也面临着大气、水源、电磁辐 射和噪声等一系列的污染，生态平衡遭到严重的破坏。而汽车工业的快速发展，汽车的生产量和保有量 急剧增加，汽车排放污染已成为大气污染最主要的根源，严重地危害着人类的健康。据研究，大气中 3 8 5 的一氧化碳( c o ) 、2 1 7 的碳氢化合物( h c ) 、8 7 6 的氮氧化合物( n o ，) 、i i 7 的二氧化碳( c o ：) 、 6 2 的二氧化硫( s o d 、3 2 的微粒物( p m ) 来自汽车废气排放。而城市大气中，6 1 的c 0 、8 7 的h c 、 5 5 的n 0 。来自汽车废气排放。 为了治理环境污染，各国相继对大气中各种排放污染源的排放提出控制要求制定强制性排放标准 ( 排放法规) ，以控制汽车排放污染物排放量。 随着欧洲一体化进程的深入，自2 0 世纪9 0 年代始推行了更加严格的排放法规，对汽车排放的限制 越来越严厉，相继出台了欧洲i 号、i i 号直至v 号标准。从2 0 0 0 年1 0 月1 日起，执行欧洲l l i 号标 准，就n o 。、h c 、c 0 及微小颗粒物质等排放限值，欧洲i i l 号限值分别是欧洲i i 号的7 1 、6 0 、5 2 和6 7 。 由于柴油机排放中c o ，h c ，s 0 2 等排量较低，n 0 。排量和汽油机大致相同，而微粒排放较高的特点， 欧洲对其提出了相应的标准，表1 列出了欧洲最新车辆排放标准。 袭l 歇洲轻型车捧放限值 g k m 1 1 _ 2 柴油机电子控制技术 柴油机的显著特点是油耗低，除此之外，柴油机还有扭矩特性好、可靠性高、使用寿命长等优点， 并且柴油机排气中c 0 、h c 、s 0 = 等的排量相当低。但柴油机中颗粒排放高，是汽油机的几十倍甚至更多。 作为满足柴油机排放、节能和提高性能的重要途径，柴油机电子控制技术己成为当前柴油机技术的主要 发展方向。柴油机电控系统突破了传统机械调节系统速度慢和适应性差的弱点，以其快速灵活的特点保 证了系统的实时性和精确性，并可根据需要采用不同的控制算法和调节规律，实现了发动机多参数的采 集、管理，从而提高了系统的控制水平。 目前，柴油机降低排放的对策主要是改善燃烧( 柴油机的富余氧气较多，排气后处理难以使用三元 催化剂) ，而喷油系统性能是影响柴油机燃烧过程的关键因素。 第一章绪论 汽车柴油机电子控制的内容主要有最佳喷油量控制、最佳喷油正时控制、喷油压力控制、喷油率曲 线类型控制、增压压力控制、电热塞通电时间控制和自诊断等等，其中最重要的是燃油系统的控制。 1 1 3 我国的汽车排放法规 我国汽车保有量逐年快速增加，加之生产和使用的汽车的生产水平相对落后，污染排放量较重：另 外，随着公路运输业的快速发展，运输结构的改变，载重车，特别是以燃油经济性好的柴油机为动力的 载重车和集装箱运输车的保有量增加很快，致使汽车的排放污染已成为一个不可忽视的严重的环境问 题。汽车已成为影响人口稠密、交通发达的大城市的重要污染源。 所以，在我国( 尤其是一些较大的城市中) 汽车的尾气排放问题已变得十分突出。政府根据中华 人民共和国环境保护法和中华人民共和国大气污染防治法制定了一系列旨在控制汽车排放污染的 标准和法规，将分阶段逐步实施执行。正式颁布的g b l 4 7 6 1 - - 9 9 汽车排放污染物限值及测试方法于 2 0 0 0 年1 月1 日正式实施。6 8 1 7 6 9 1 - - 9 9 压燃式发动机和装用压燃式发动机的车辆排气污染物限值及 测试方法于2 0 0 1 年1 月1 日正式实施。由于我国目前城市道路和车流密度与欧洲当时情况相近，因 此上述标准等效采用联合国欧洲经济委员会( e c e ) r 4 9 关于压燃式发动机及装备压燃式发动机的汽车污 染物排放认证的统一条款法规( 1 9 9 3 年1 2 月1 日颁布) 的全部技术内容。 1 1 4 发展柴油机新技术的重要意义 目前，发展汽车柴油机不仅可以缓解我国的能源危机，而且可以满足保护自然环境的社会需求。电 控柴油机的优点突出体现在变工况和动态性能上，因此也成为了当前柴油机发展的主要方向之一。各国 政府和企业纷纷投入大量的人力和物力进行电控柴油机的研究。美国、德国、日本、英国等已有较成熟 的产品推向市场，我国的柴油机电控技术应用尚处于起步阶段。因此，电控燃油喷射系统的研究有助于 填补我国在柴油机燃油喷射技术研究及产品的空白，对提升我国柴油机技术水平具有重要意义。 1 2 国内外研究动态 1 2 1 国外柴油机电控共轨喷油系统发展状况 柴油机喷油系统电控技术经历了三个阶段：时间控制阶段、压力控制阶段、压力一时间控制阶段， 目前正处于第三阶段的发展与成熟期，电控共轨燃油系统采用了压力一时间控制方式工作。 共轨式电控喷油系统可分为三种，即蓄压式电控高压喷射系统、电控液压泵一喷嘴系统和高压共轨 式电控喷射系统。目前，从事该系统研究的国外公司主要有：美国的b k m 公司和c a t e r p i l l a r 公司、日 本的电装公司、意大利f i a t 集团、德国b o s c h 公司及英国l u c a s 公司等。其中较为典型的共轨式电控 喷油系统有：美国b l o c 公司s e r v o j e t 蓄压式电控高压喷射系统；美国c a t e r p i l l a r 公司的电控液压泵 一喷嘴系统；日本电装公司e c e u 2 高压共轨式电控喷射系统：意大利f i a t 集团u n i j e t 喷油系统：德 国b o s c h 公司c r 共轨式电控喷油系统；英国l u c a s 公司电控共轨喷油系统。 1 日本e c d - u 2 日本电装公司开发的e c d u 2 高压共轨系统由高压油泵、共轨管、喷油器、e c u ( 电子控制单元) 和i 传感器群组成。 东南大学硕士学位论文 系统的高压喷油泵为p c v ( 油泵控制阀) 控制的2 缸直列泵( 如图i - i ) ，凸轮为近似三角形，它用 来形成共轨压力和进行供量控制。通过压力传感器、e c u 和p 叫组成的闭环形式来计量柱塞室的低压燃 油量。高压油泵的供油定时与燃油喷射同步，无供过于耗或不足的情况，保证了共轨压力的稳是这些 特点使本系统消除了在常规直列泵上由于溢流而造成的高压燃油的浪费，减少了驱动功率的消耗。 图卜1e c d - u 2 高压共轨系统的高压喷油泵 卜三次方工作凸轮2 _ 挺柱体3 一拄塞弹簧4 一柱塞 5 一柱塞套6 - 外开型电磁阎7 一接头8 一出油阀9 一溢流阀 高压泵供油控制原理见图卜2 。当p c v 开启而柱塞下行时，低压燃油从高压泵输油管经由p c v 输送 到柱塞室。当柱塞上升时，若p c v 是开启状态，则被输送的燃油在没有压力增加的情况下经由p c v 返回 到输油管内：当柱塞室内剩余的燃油量为工况需求的油量时，p c v 关c i j ，即回油通道关闭，因而在柱塞 图卜2 高压喷油泵的控制原理 室中的燃油被压缩升压，经过出油单向阀被输送到共轨管中去。于是，输送的燃油相当于p c v 关闭之后 第一章绪论 当量于柱塞升程的燃油。因此供油量或共轨管压力是由调节p c v 的通电开始时刻来控制的。早关闭可 增加供油量，晚关闭可减少供油量。共轨管压力可在共轨管最大压力和喷嘴开启压力之间自由设定( 图 卜3 ) 。共轨压力由压力传感器检测后送到i c u ，e c u 根据发动机工况确定所需的共轨压力，反馈信号控 制p c v 的动作以使共轨管中的压力稳定在所需值。共轨管内燃油既通过喷油器喷嘴侧油路进入喷油嘴盛 油腔，又通过喷油器上方的三通阀( t v ) 进入与喷嘴针阀联锁的液压活塞上方的控制腔内，它们形成 的压力连同喷油嘴弹簧力一起共同施加在针阀上。 图卜3 共轨管压力控制范围 三通阀t w v ( 图卜4 ) 是系统的关键部件，起喷油器执行器的作用，也是共轨管压力、大气压力及喷 油器控制腔燃油压力的选择开关。阀的开启和关闭响应很快( o 4 m s 以下) 。它主要由内阀、外阀和阀 体组成。三个部件相互间配合精度很高，同时分别形成座面a 和b 。外阀是一个电磁阀，作垂直运动。 随着外阀运动，座面a 和b 交替关闭，三个油孔双双交替连通。喷射定时由t w v 的通电时刻来决定，喷 油量由喷射压力和接通t w v 的持续时间来共同决定。 图卜4 三通阀结构 系统的喷油过程控制是由t w v 通过控制喷油器控制腔中的油压来实现的。喷油器的工作原理( 实现 东南大学硕士学位论文 型喷油率) 见图卜5 。 图卜5 喷油器的工作原理 卜控制腔2 一共轨管压力3 一弹簧4 一三通阀5 一外阊6 一内阀 7 一内阀阀座8 一外阀阀座9 一单向节流孔l o 一弹簧1 卜液压活塞1 2 一喷油嘴 当t 吖未通电激励时，外阀在弹簧力作用下压向下方，外阀阀座关闭，切断回油通道。内阀受到共 轨压力作用而向上移动，内阀阀座开启，共轨管内高压油经内阀阀座进入控制腔施加在针阀尾部。关闭 喷嘴。当t 矸通电激励时，外阀在电磁力作用下克服弹簧力向上运动直到内阀阀座关闭，矫阀阀座开启， 控制腔和回油通道接通，控制腔中的高压燃油经单向节流孔( o w o ) 缓慢流出，与液压活塞联锁的喷嘴 针阀缓慢抬起，产生喷油率逐步增大的三角形喷射，喷嘴针阀达到全升程时喷射率最大。供油结束时切 断t w v 电流，外阀再度下行，关闭回油道；内阀开启，共轨油压迅即加到液压活塞上方( 此时o w o 不起 阻尼作用) ，由于液压活塞面积比针阀面积大得多，因此喷油结束时很大的液力作用会使针阀急速落座， 实现喷射过程的快速切断。可见，型喷油率是利用设在t w v 和液压活塞之间的o w o 阻尼控制腔中的压 力下降过程来实现的。o w o 仅在释放控制腔压力时才具有节流作用，而加压过程不起阻尼作用。 e c d - u 2 系统喷油泵的凸轮为三“桃尖”凸轮，起动时共轨总油压上升得很快。按油泵启动供油 量0 0 0 r a m 3 s ( 3 倍于标定油量) ，油泵工作3 个行程( 启动时间为0 5 s ) 后共轨压力就超过喷嘴开启压力 ( 2 0 m p a ) 了，在0 6 s 内能使发动机达到怠速。在发动机转速低到5 0 0 r m i n 时，共轨管内压力也可达 1 0 0 m p a ，也就是说，e c d i j 2 可实现在任何转速、任何工况下的高压喷射。 e c d u 2 系统已成功安装在日野汽车有限公司的新型j 0 8 c ( j - i a ) 中型卡车用6 缸柴油机上。试验表 明，e c d - u 2 系统的采用不仅降低了n o ，排放，而且还降低了噪声和振动，另外还改善了冷起动性能和减 少了白烟排放。 2 德国b o s c h 公司 近年来b o s c h 公司在共轨系统的开发研究方面投入了大量的人力和物力。目前，公司集中了8 0 0 第一章绪论 9 0 0 名工程技术人员从事共轨喷射系统的开发和研究。第一代共轨喷射系统已于1 9 9 7 年7 月批量投放 市场t 其喷射压力达1 3 5 m p a ，可用于3 8 缸轿车柴油机，能满足欧3 排放法规的要求。b o s c h 公司于 2 0 0 3 年推出使用压电石英作为执行器替代原高速电磁阀的第二代共轨喷射系统，喷射压力提高到 1 6 0 m p a ，可以适用于升功率在5 2 5 5 k w l 以下发动机的匹配需要，并可满足欧4 排放法规要求。 h 心 p o l 图1 - 6b o s c h 第二代共轨喷射系统喷射过程 为降低发动机噪声，预喷油量可控制在i m m 3 s t 之内，每个喷射循环可以由预喷射、主喷射和多级 后喷射等4 - 5 喷射组成，如图卜6 所示。通过预喷射技术，降低发动机噪声，通过后喷射技术，降低 n o x 和颗粒等排放，因此，第二代共轨喷射系统的性能特点为具有更高的喷射压力、喷油器尺寸紧凑、 外形小、喷油量差别小、实行闭环控制、便于实现多级喷射等。b o s c h 的第三代共轨喷射系统压力将提 升到1 8 0 m p a ，以满足2 0 0 8 年欧5 排放标准的需要。 1 2 2 国内柴油机电控共轨喷油系统发展现状 随着国外柴油机电控技术的迅速发展，国内对电控喷油系统的研究也日趋重视起来。初期的工作主 要集中在电控调速器及电控提前器上，目前已涉及到电控泵一管一阀一嘴系统、电控泵一喷嘴系统和 s e r v o j e t 电控喷油系统。 2 0 世纪9 0 年代初清华大学欧阳明高对时间控制式的泵一管一嘴系统进行了研究，并开发出电控泵 一管一嘴系统。与此同时，贵航集团红林机械公司与美国b k m 公司合作，已开始批量生产中低压力的电 磁阀和斜盘式柱塞泵。一汽集团与吉林工业大学进行了电控泵一喷嘴系统的研究开发工作。天津大学与 山东龙口油泵油嘴股份有限公司合作，以斯太尔6 缸水冷增压柴油机为对象，开发出具有预喷射和快速 断油功能的s e r v o j e t 电控喷油系统。无锡油泵油嘴技术研究所引进美国b i g l 公司技术，开发出六缸柴 油机的s e r v o j e t 电控喷油系统。北京理工大学于1 9 9 6 年开发促带单极阀的s e r v o j e t 电控泵一喷嘴系 统，目前正在开展电控蓄压式共轨喷油系统与高压共轨式电控喷油系统的研究工作。 1 2 3 电控喷油系统电磁阀发展现状 电磁阀是柴油机电控共轨喷油系统中的关键部件，在电控柴油喷射系统工作过程中高速强力电磁阀 承担着所有的喷射控制功能。它的闭合时刻决定喷射定时，闭合时间跃短决定喷油量。它必须快速关闭 以保证喷射定时准确平迅速形成高压，快速开启以保证高压喷射的快速切断和稳定卸载。电磁阀的关键 t t耋；鼢罨预主后 ，甜索晕嚣 ，r笙量 东南大学硕士学位论文 性作用要求它具有快速响应和强电磁作用力等基本特性，从而保证系统控制精度和响应速度。 在国外，除了高速电磁阀作为喷油器的控制器以外，已有一些公司开发了基于压电晶体技术的共轨 喷油系统。目前，我国研制的电磁阀在响应速度、电磁吸力、体积和成本都与国外有较大差距，在高压 共轨喷油系统中尚无成熟的产品。一些高校和研究机构对高速电磁阀进行理论和实验研究，清华大学开 发了一种高速强力电磁阀用于泵一管一阀一嘴( p p v l ) 电控柴油喷射系统中，电磁阀的开启和关闭时间 在毫秒级。 1 3 本文研究解决的问题 作为共轨柴油机喷油器的研制任务之一，本论文研究高速电磁阀的性能测试方法和设计相应的测试 设备。 论文在分析共轨柴油机燃油系统和喷油器的工作机理和技术要求的基础上，构建了喷油器执行元件 一高速电磁阀的静态特性模型和动态特性模型，为设计电磁阀测试系统提供了依据。 电磁阀测试系统是基于电量、几何量和运动量测量的机电仪一体化精密仪器，因此本论文在系统构 成，元件选用，台体结构设计，软件编制及数据处理等方面展开了研究与开发工作，并进行了试验分析 与验证。 在论文撰写期间，电磁阀静态测试系统已完成，并交付使用，而动态测试系统尚处于设计阶段，故 本论文仅给出了设计方案和仿真结果。 第二章共轨式燃油喷射系统 第二章共轨式燃油喷射系统 在柴油机电控燃油喷射系统中，系统执行元件一高速强力电磁阀作为系统电控单元与燃油喷射装置 的直接接口对喷射过程直接实行数字控制，对喷射系统的各种基本性能起着决定性作用，本文首先分 析共轨式燃油喷射系统及其对高速电磁阀的性能要求。 2 1 电控燃油喷油系统的分析 图2 1 是某一典型的高压共轨喷油系统原理图。这种系统不再采用传统的柱塞泵脉动供油，油泵的 作用是为一个公共的蓄压室( 共轨) 建立压力，该压力作用到每个电控喷油嘴。高速电磁阀控制喷油器 的开启以实现每一次喷油控制。喷油压力、喷油量以及喷油定时都可由e c u 灵活控制，喷油速率也可通 过对喷油器内部结构的特殊设计，或者通过高速电磁阀的多次动作来进行选择或灵活控制。 图2 - i 高压共轨喷油系统原理图 2 1 i 共轨式喷油系统的结构 共轨式喷油系统一般由高压油泵、共轨供油室、喷油器、电控单元( e c u ) 及传感器、执行器等组 成。通过调压阀控制共轨压力，该压力设定值与发动机转速和负荷有关。发动机喷油量和喷油时刻完全 由喷油器电磁阀的打开时间和开启时刻决定的，与高压泵无关。控制量孔( 节流t l ) 的作用是抑制初始 喷射，改善喷油速率。 l 高压油泵 共轨式燃油喷射系统中，高压油泵将高压燃油泵入高压油轨中，而不直接向喷油器提供高压燃油； 燃油喷射过程需要的燃油由高压油轨供给，而不直接由高压油泵提供。 8 一 东南大学硕士学位论文 根据高压油泵结构及布置的不同，可分为轴向柱塞泵和径向柱塞泵；根据喷油压力对发动机转速的 依赖性，可分为全柔性喷油压力控制系统和半柔性喷油压力控制系统：根据喷油压力控制原理，则可分 为单阀控制式和双阀控制式。 径向柱塞高压油泵主要应用在u n i j e t 系统和c r 系统中，其结构如图2 - 2 所示，它为一多作用的旋 转柱塞泵，采用双阀控制方式，可在每次凸轮旋转过程中，多次向高压油轨供油。 a 油泵纵截面 b 油泵横截面 圈2 - 2 典型共轨系统高压油泵结构图 2 高压油轨 高压油轨由共轨管、高压油压力传感器、液流缓冲器( 限流器) 和限压器组成( 图2 3 ) 。 共轨管将供油泵提供的高压燃油分配到各喷油器中，起蓄压器的作用。共轨管几何形状须与发动机 尺寸、气缸配置、高压油泵特性、p c v 结构、目标喷油压力以及共轨管压力脉动相协调，同时还应考虑 发动机起动和负荷突变等过渡工况对喷油压力动态变化要求的动态响应特性。 压力传感器向e c u 提供高压油轨的压力信号，压力信号送e c u 后用于闭环控制喷射油压。限流器用 于连接共轨管和喷油器，保证在喷油器出现燃油泄漏故障时切断向喷油器的供油，并可减少共轨管和高 一笙三量茎塾苎塑垫堕堑墨竺 压油管中的压力波动；限压器保证高压油管在出现压力异常时，迅速将高压油管中的压力进行放泄，起 安全阀的作用。 ac r 系统共轨管总成 bc r 油压传感器 cc r 系统限流器 8 刘喷油器 dc r 系统限压器 图2 - 3 高压油轨 - 1 0 油 o 东南大学硕士学位论文 3 喷油器 共轨式喷油系统中最关键和最复杂的部件应该是喷油器，它是一个电控液压伺服喷射系统，其工作 原理图如2 4 所示。 电磁阀通电之前，电磁阀处于关闭状态，高压共轨油经节流孔与液压活塞上部的控制室和嘴端连通， 由于液压活塞上部的面积大于喷嘴针阀处的作用面积，再加上喷嘴弹簧的作用力，使得喷嘴针阀不能抬 起而处于关闭状态；当电磁阀通电后，电磁阀在电磁力的作用之下迅速打开，控制室与高压油管是通过 一个节流进油孔连通的，如果控制阀泄油的速率远远大于高压油通过进油孔的充油率，控制室的压力降 低，这时液压活塞上行，喷嘴针阀打开，开始喷油。当电磁阀断电后电磁阀在弹簧力的作用下复位， 控制室的压力上升，推动液压活塞下行，喷嘴针阀关闭，停止喷油。 图2 - 4 高压共轨式喷油器工作原理 4 电子控制单元 电控单元( e c u ) 是高速柴油机电控系统的核心，由传感器与单片机的接口电路、中央微处理器单 元和执行器驱动电路组成。其主要功能是采集转速、滑套位置、油门位置等各种参数，接受各种控制信 息；在控制软件的管理下，完成数据处理和控制功能；驱动执行器，实现对系统的实时控制；能够进行 在线故障诊断和应急处理，并能与监控系统进行实时通讯，它决定了整个电控系统的性能。 2 1 2 共轨式喷油系统的优点 美国b k m 公司的s e r v o j e t 柴油机电控蓄压共轨喷油系统属于典型的柴油机电控蓄压共轨喷油系统 ( 图2 5 ) 。该系统主要由输油泵、压力调节器、燃油供油轨、高速电磁阀、油压增压器、蓄压式喷油 器、电控单元( e c u ) 、传感器等组成。 第二章共轨式燃油喷射系统 供汕 低压 驯油 图2 - 5s e r v o j e t 共轨蓄压式喷油器 1 一回油2 一三通阀3 一供油 低压活塞 5 一蓄压式喷油嘴8 - 增压体7 一高压柱塞8 一电磁阀 高压共轨喷油系统有很多优点： ( 1 ) 可以实现很高的喷射压力，最高喷射压力约为2 0 0 0 b a r 左右； ( 2 ) 由于压力的产生与燃油定量的控制分开，所以在较低的发动机转速下也可实现较大的喷油量， 保证了发动机的低速转矩： ( 3 ) 由于压力与喷油定时的分开，所以共轨燃油喷射系统的燃油定时控制非常精确并且灵活，有 利于降低排放： ( 4 ) 可以灵活方便地进行预喷射和后喷射，以降低柴油机的噪声和n 0 ，排放； ( 5 ) 根据空气流量确定喷油量限值，可避免碳烟的产生； ( 6 ) 共轨系统的控制比较自由，对柴油机气缸盖和机体的改动不大； ( 7 ) 其高压泵结构简单，安装位置自由，适应性强，可在所有新老发动机上应用。 直喷式柴油机上的应用，证明了共轨式喷油系统的优势，以及其在噪声、废气排放和性能方面的巨 大优势。共轨式喷油系统有巨大的优点，但它并不是完美无缺的。其矩形、高喷油压力会使柴油机的噪 声和n 0 。排放增加，喷油嘴针阀的密封面一直处于高压作用下喷油嘴泄漏燃油量相对较高，使柴油机 的h c 排放增加。共轨式喷油系统稳定精确的小量预喷射要求电磁阀的响应速度非常高，增加了电磁阀 1 2 东南大学硕士学位论文 的设计难度。 2 2 共轨式喷油系统对高速电磁阀的技术要求 在电控柴油喷射系统工作过程中，高速强力电磁阀承担着所有的喷射控制功能。它的闭合时刻决定 喷射定时，闭合时间长短决定喷油量。但必须快速关闭以保证喷射定时准确和迅速形成高压，快速开启 以保证喷射的快速切断和稳定卸载。电磁阀的动态响应特性直接影响着燃油喷射系统的主要性能指标。 在高压共轨电控喷射系统中，电磁阀的工作条件恶劣、复杂，必须有足够的可靠性，快速、准确、 无反冲的实现其开启和关闭。作为电控燃油喷射系统的控制执行元件，电磁阀不仅要求响应速度快，而 且要密封压力为i o o m p a 以上的高压燃油；安装体积不能大，还能承受高温等。为此除了在电磁阀本身 的结构和特性产生上着手优化以外，电磁阀的驱动控制也存在一系列的技术要求。 2 3 本章小结 高压共轨燃油喷射系统是当前柴油机的发展趋势，它便于通过电子控制技术提升柴油机在油耗和排 放等方面的综合性能。采用高速强力电磁阀作为柴油机喷油系统的执行器，可实现柴油机的柔性控制， 是电子控制柴油机提高性能的关键手段。 第三章喷油器电磁阀模型的建立 第三章喷油器电磁阀模型的建立 3 1 电磁阀的结构模式 卜阀芯2 复位弹簧 3 衔铁4 衬环5 节流孔 图3 一i 喷油器电磁阀结构图 图3 - 1 所示为本文所研究的一种喷油器电磁阀结构图。它主要由阀芯l 和衔铁3 组成，属于常闭阀 类型。阀芯l 由环形铁芯与线圈构成，未接通电流时，复位弹簧2 将衔铁3 压向节流孔5 ，喷油器油路 关闭；向线圈施加控制电流后，阀芯产生电磁力，衔铁克服弹簧压力吸向阀芯，同时打开节流孔，油路 导通，喷油器向气缸喷射燃油。衬环4 用于调节电磁阀的气隙氏度。由于发动机运转状况的特殊需要， 喷油器电磁阀属于高速强力阀，其性能、结构及可靠性要求很高，是发动机的关键部件。 3 2 电磁阀磁路计算 3 t 2 1 磁路磁阻估算 电磁阀的简化结构如图3 - 2 所示。在电磁阀的磁路中，主磁路是从线圈的内部铁芯通过衔铁到线圈 的外部铁芯围构成的闭合磁路。若忽略漏磁的影响，则磁路的总磁阻r 。，由铁芯磁阻r 。、衔铁磁阻r 。2 和气隙磁阻r m 串联组成。气隙磁阻r 。5 包括两部分：阑芯与线圈内部铁芯之间的气隙磁阻r m 】和阀 芯与线圈外部铁芯之间的气隙磁阻r 。j 2 ，总气隙磁阻r 。j 为这两部分气隙磁阻的串联。 由于气隙所在磁极呈环状，可分别称为内环磁极和外环磁极。内环磁极面积a - 和外环磁极面积儿 可用f 式计算 a 。= 三( d ? 一j ? ) ( 3 - 1 ) 1 4 变堕查兰堡主兰垡堕苎 爿z = 三( d ；一d ；) ( 3 2 ) 式中 a 1 ，a 2 分别为内环磁极和外环磁极的有效面积 d i ，d 1 分别为内环磁极的外径和内径 d 2 ，d 2 分别为外环磁极的外径和内径。 图3 2 电磁阀简化结构示意图 于是内环磁极磁阻r w l 与外环磁极磁阻r ，j 2 可计算如下 = 者 ：2 者 式中 j 磁极的气隙长度； 真空中的磁导率。 圈 路 铁 ( 3 3 ) ( 3 4 ) 在电磁阀处于释放位置时，气隙磁阻达到最大值，远远大于铁芯和衔铁磁阻，可简单认为磁路的总 磁阻就为此时的气隙磁阻。因此有 1 5 第三章喷油器电磁阀模型的建立 哦枇。= 者+ 鬲8 0 式中 r 。o 电磁阀释放时磁路的初始磁阻 坑电磁阀释放时磁路的初始气隙长度。 ( 3 5 ) 内环磁极面积和外环磁极面积的差距会导致磁芯材料工作时的磁感应强度差异，从而导致其磁导率 和饱和程度不同，这在设计中是应予以避免的。为了以后分析的方便，本文忽略两磁极的面积误差，即 认为电磁阀磁极面积为 4 = 生! 型!( 3 6 ) 2 因此电磁阀磁路的初始磁阻为 = 者+ 者。等吨 浯， 在工程上，磁路的磁阻并不容易直接测量，但可通过测量线圈的电感量l 计算出磁路的磁阻。即将 磁路定理的表达式 雄。= j ( 3 8 ) 代入电感的定义式 工= 形= w 净。， 得到 心：擘 ( 3 - l o ) 式中西磁路的磁通量； 线圈匝数； 甲磁路的磁链； f 线圈电流。 经实测，我们研究的电磁阀线圈在静态时的电感量在l m h 左右。通过电磁阀气隙磁阻简单估算得到 的电磁阀初始磁阻与实测结果比较可知，两者均在同一数量级，数值相差不大。说明这一估算方法对电 磁阀的研究与结构设计具有一定参考价值。 3 2 2 电磁阀导磁材料的磁化曲线 为了减少发热量，柴油机喷射系统中的高速电磁阀使用磁滞损耗极低的软磁材料。从磁化曲线来看， 其磁滞回线的面积很小。若忽略磁滞，其磁化曲线近似如图3 - 3 所示。图中横坐标为磁场强度h ，纵 坐标为磁感应强度口。 1 6 东南大学硕士学位论文 jl i i b s 。 0 h m 坫s 图3 - 3 导磁材料的磁化曲线 实际上，磁芯材料的磁化过程十分复杂，很难用某一函数关系来确切描述。甚至对于同一电磁阀导 磁材料( 包括铁芯材料和衔铁材料) ，在不同的工作条件下，其磁化曲线也不尽相同。因此，在精度要 求不高的情况下，为便于定性分析和计算机仿真，本文提出一种磁化曲线的非线性简化模型，即假设磁 化曲线的表达式为一双曲正切函数，见下式 b = 口t a n h ( h ) ( 3 - 1 1 ) 式中b 电磁阀导磁材料的磁感应强度( t ) ： _ 电磁阀导磁材料的磁场强度( a m ) ： 口，s 表征磁化曲线纵横坐标伸缩尺度的参数。 在铁磁材料的磁化曲线中，斜率的含义为磁导率。 下面确定式( 3 一1 1 ) 中的参数口，占。 ( 1 ) 参数口的确定 双曲正切曲线的上下两条渐近线的方程为b = 口和b 干磁感应强度b ，。因此式( 3 - 儿) 可写为 b = b ，t a n h ( e h ) 一口，因此，a 的物理意义为磁化曲线的饱 ( 2 ) 参数f 的确定 式( 3 - 1 2 ) 的斜率就是导磁材料的磁导率。对式( 3 1 2 ) 取导数，得 = 面d b 毯刍( 筹 咆h e e he - 9 4 2 毯舡t 劬圳 当h = 0 时，d b d h = e 占，其物理意义为导磁材料的初始磁导率，a 即 b 、8 = “j 将式( 3 - 1 4 ) 代入式( 3 - 1 2 ) 得 1 7 ( 3 - 1 2 ) ( 3 - 1 3 ) ( 3 - 1 4 ) 第三章喷油器电磁阀模型的建立 肚b s t a i l l l 譬日) 式中 ，一导磁材料的初始磁导率； 鼠磁化曲线的饱和磁感应强度。 上式即为电磁阀导磁材料的磁化曲线的函数模型。 同时，根据式( 3 1 3 ) ，还可写出导磁材料磁导率的函数模型为 - 一割 ( 3 一1 5 ) ( 3 1 6 ) 3 2 3 磁感应强度的计算 磁路中储存的磁场能主要存在于电磁阀的气隙中，当气隙变化时，磁路中的磁场能变化。正是由于 磁场能的变化，使得电磁阀能产生力并做功。气隙的大小是由电磁阀的行程决定的。气隙变化时，电磁 阀导磁材料的磁化曲线随着气隙的变化而变化。因此，电磁阀的磁感应强度不仅是励磁电流的函数，而 且还是电磁阎气隙大小的函数。 根据磁路定理 l ：i n ：i h d l ：h 。l c + h a 2 6 ：置+ 旦2 j ( 3 - 1 7 ) p o 式中丘磁路的磁势； f 线圈电流； 线圈匝数。 ，导磁材料的磁路总长度( 包括铁芯材料和阀芯材料) ； “导磁材料的磁导率； 日，导磁材料中的磁场强度； 日，气隙中的磁场强度： b 磁路的磁感应强度； 2 j 两段气隙总长度。 上式表明磁路的磁感应强度b 与线圈电流f 和气隙长度占有关。根据线圈电流j 和气隙跃度占， 通过上式可以求出磁路中的磁感应强度。 将式( 3 - 1 6 ) 代入式( 3 - 1 7 ) 得 肌d 商+ 筹 ( 3 - 1 8 ) 3 3 电磁阀的静态模型 电磁阀的输出量就是其产生的电磁力。当电磁阀的结构参数确定后，电磁阀工作时所产生的力 东南大学硕士学位论文 只与线圈所加的电流f 和衔铁运动造成的气隙万有关。电磁阀的静态模型指的就是输入量( 电流f 和气隙 艿) 与输出量( 电磁力) 之间的函数关系a 电磁阀的铁芯与衔铁之间的作用力可以从磁场能量的角度计算，磁场力可由下式求得 = 警 ( 3 - 1 9 ) 式中，；铁芯与阀芯之间的磁场力； 艿气隙长度； 甲- 磁i 路的磁链。 上式表明，在电感磁链不变的情况下，磁场磁能的变化量d 阡名等于外界对系统所做的机械功只d 8 。 根据电磁学的定理，单个线圈回路的磁场能量公式为 既= f 卿= i n a d b ( 3 - 2 0 ) 式中阡名磁路中储存的磁场能； 线圈匝数； a 电磁阀磁极的有效面积； b 磁路的磁感应强度。 将式( 3 1 8 ) 代入上式，得 纠 商斗 2 巾b l c a 矿r 等船 ( 3 _ 2 1 ) = 案k = 丽d r 藕肌r 等船卜 2 2 ) 由于上式中第一项为0 ，故有 f ：堕 ( 3 2 3 ) 胁 上式就是电磁阀衔铁所受电磁力的函数式。由于式( 3 1 9 ) 和式( 3 2 0 ) 对线性媒质和含有铁磁材 料的非线性媒质均适用，所以上式可应用到电磁阀磁芯材料饱和时的情况。 在正常工况下，电磁阔的磁芯材料没有饱和，导磁材料的磁导率远远大于气隙的磁导率，磁能主要储 存在气隙中e 。此时，式( 3 - 1 7 ) 可简化为 - 1 9 第三章喷油器电磁阙模型的建立 i n ：堡z + 旦2 占。旦掰 卢ot o 将上式代入式( 3 - 2 3 ) 得 瓦= 学 期 z b 菩佃 自 口 图3 - 4 电磁阀简化静态模型 ( 3 - 2 4 ) ( 3 - 2 5 ) 可见，电磁阀磁芯材料在未饱和时，其电磁力只与输入电流f 的平方成正比；与气隙长度子的平 方成反比。图3 4 所示为根据上式得到的电磁阀简化静态模型仿真曲线。其中图( a ) 为对应一定气隙 长度时，电磁阀吸力与线圈电流的关系曲线。图( b ) 为对应一定线圈电流时，电磁阀吸力与气隙长度 的关系曲线。图( c ) 和图( d ) 分别为图( a ) 和图( b ) 的立体化图形。 以上模型是并未考虑导磁材料的磁导率的迟滞偏差、导磁材料的涡流效应、迟滞损耗及热效应等带 来的影响。加之以上诸因素的影响，实际上电磁阀工作时的情况要复杂得多。 3 4 电磁阀的动态模型 3 4 1 电磁阀的动态参数指标 一般来说，高速开关电磁阀是由开、关的延迟时间和阀芯相对移动时间来描述的。这些参数的物理 意义明确，很容易从实验中得到，但这种描述方法只是很粗略地表述了阀的性能。为获得阀各参数之间 的关系。必须建立其精确的数学模型 1 9 2 0 。 文献 1 9 3 从电磁学的角度详细地分析了继电器的静态计算和动态计算方法，其理论公式可应于电磁 阀的动态分析中。文献 2 0 建立了电磁阀的方框图模型。便于计算机仿真。该电磁阀的方框图模型在电 磁阀的磁芯材料磁化曲线的线性区是可行的，但在磁芯材料的非线性区处理不当。本文在文献 1 9 、 2 0 的基础上加以改进，得到了适用于本文研究的高速电磁阀的动态模型，并由此分析了电磁蒯的控制策略。 2 0 查妻查兰堡主兰堡笙三 在研究电磁阀动态模型之前，应首先明确表征电磁阀动态特性的主要参数。表征电磁阀动态特性的 主要参数是响应时间。电磁阀的响应时间可分为电响应时间和机械响应时间：各种响应时间分别表示为： t 。电磁铁电开启响应时间又称吸合触动时间，即从电磁铁通电到衔铁开始运动所用的时 间： t o 。电磁铁机械开启响应时间，叉称吸合运动时间，即从衔铁开始运动到电磁铁完全打开所 用的时间： t c - 电磁铁电关闭响应时间，又称释放触动时间，即从电磁铁断电到衔铁开始回落所用的时间； t c z 电磁铁机械关闭响应时间，又称