（机械设计及理论专业论文）柴油机共轨压力模拟控制系统开发.pdf

摘要 摘要 柴油机高压共轨电控燃油喷射系统是现代柴油机燃油系统的发展方向，它既是电子控制 技术逐步成熟并扩展应用范围的必然，又是不断满足经济性及日益严格的排放法规之必须。 论文在阅读大量文献的基础上，了解了国内外柴油机高压共轨电控燃油喷射系统的发展 趋势及研究现状。在跟踪国际前沿的基础上对高压共轨电控燃油喷射系统共轨压力控制进行 了较深入的研究。 论文详细介绍了柴油机高压共轨电控燃油喷射系统组成和工作原理，针对高压共轨模拟 系统，建立了系统中容积类被控部件的连续性方程和运动类被控部件的动力学方程，建立了 高压共轨模拟系统中压力控制系统被控对象的数学模型。 针对被控对象的特点，提出了神经网络模糊p i d 控制算法实现对共轨压力的闭环控制。 利用m a t l a b s i m u l i n k 4 0 对系统进行了仿真研究，并论证了该方法具有较好的阶跃响应 曲线、较好的鲁棒性和抑制扰动性。 研制了高性能、低价格的共轨压力控制系统。该系统采用d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ，满 足了实时性要求。内部集成了丰富的外围设备，提高了系统的可靠性。系统硬件包括 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ，数据采集电路，复位电路、驱动电路及人机接口电路等。系统软件有主模 块、共轨压力采集子模块、p w m 脉冲发送子模块、显示子模块、压力控制算法子模块等。 为了系统运行稳定、可靠，硬件、软件采取了抗干扰措施。 关键词：柴油机，燃油喷射系统，高压共轨，压力控制系统 a b s n a c t a b s t r a c t t h eh i g h p r e s s u r ec o m m o nr a i le l e c t r o n i cc o n t m l l e df u e li n j e c t i o ns y s t e mi st hd e v e l o p m e n t d i r e c t i o no f m o d e md i e s e l 如e l i n j e c t i o ns y s t e m i ti sc e r t a i nw i t ht h ed e v e l o p m e n to f t l l ee l e c t m n i c c o n 廿o l t e c l l i l o l o g ya j l di t sw i d ea p p l i c a t i o n t h es y s t e mc a j lc o m p l y 埘t hh i 曲e r 如e le c o n o m ya i l d t 1 1 em o r es e v e r ee x h a u s t g a sl e g i s l a t i o n o nt h eb a s eo f w i d e l yr e s e a r c ho f r e l a l i v ep a p e r ，t h ed e v e l o p m e n tt r e n da i l dt h ea c t u a l i t yo f t h e f o r e i g na n dd o m e s t i ch i g hp r e s s u r ec o m m o n - r a 订f u e li n j e c t i o ns y s t e mo fd i e s e le n g i n ea r ea j s o s t u d i e d b a s e do nl a t e s ti n f o n n a t i o n ，f u r t h e rr e s e a r c hi sc a h i e do np r e s s u r ec o n t r o ls y s t e mo ft h e k g hp f e s s u r ec o m m o n r a i lf u e li n j e c t i o ns y s t e mo fd i e s e ie n g i n e t 址sp a p e ri m r o d u c e st h ef u n c t i o n a lp a n sa n dt h ep e r f o m l a l l c et h e o d ，o ft h eh 逗h p r e s s u r e c o m m o nr a i le l e c t r o n i cc o n t r o l l e di n j e c t i o ns y s t e mi nd e t a n s t 1 1 eh y d r a u l i c c o n t i n u i t ye q u a t i o n so f c h a m b e r sa n dt h ed y n a m i c se q u a t i o n so fm o v i n gp a r t si nt h ec o m m o nm i lf u e l i n j e c t i o n s y s t e m ，m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ep r e s s u r ec o n t r o ls y s t e mi nt h eh 嘻hp r e s s u r ec o m m o n r a i lf u e l i n j e c t i o ns i m u l a t i o ns y s t e mi nt h i sp a p e f a i m i n ga tt h ec h a r a c t e r i s t i c s o ft h ec o n t r o l l e do b j e c t s ，t h ec l o s e d l o o pc o n t r o lt ot h ec o m m o n r a i lp r e s s u r ei sc 秭e do u tb yf u z z yc o n t r o la r i t 王l r n e t i co fn e u m ln e t w o r k ，a n dt h es i m u i a t i o no ft h i s s y s t e mi sd e v e l o p e dw i t hm a t l a b ，s i m u l i n k 4 ot o o l b o x t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa 哥e ew i t ht h e f a c t ，w h i c hd e m o n s t r a t et h a tt h i sm e t h o dh a sg o o di m p u l s er e s p o n s ec u r v e ， r o b u s t n e s sa n d i m m u n i 妙 t h i sp a p e rd e v e l o p sc o m m o nm i ip r e s s r ec o n t r o ls y s t e m 、v i t hh i g hp e r f o r n l a n c ea n di o w p r i c e t h i ss y s t e mi sd e v e l o p e dw i t hd s pc m o sc h i p ( t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ) a n dc a nm e e tad e m a n do f r e a l - t i m ei n s t a n c e s t h ep e r i p h e r a le q u i p m e n t i si n t e g r a t e di n t ot h ei n s j d es y s t e m ，w h i c hi m p r o v et h e d e p e n d a b i l i t yo ft h ew h o l es y s t e m t h eh a r d w a r eo ft h i ss y s t e mi n c i u d e st m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ，d a t a a c q u j s i t i o nc i r c u i t ，r e s e tc i r c u i t ，d r i v e rc i r c u i ta n dm a n m a c h i n ei n t e r f a c ec i r c u i te t c t h es o f t w a r eo f t h e s y s t e mc o n t a i n s m a i np r o g r a m ，c o m m o nr a i l p r e s s u r ea c q u i s i t i o ns u b p r o g r a r i l ，p w m p u l s e g e n e r a t i o ns u b p r o g r a m ，d i s p l a ys u b p r o g r a m k e yw o r d s ：d i e s e le n g i n e s ，f u e ll n j e c t i o ns y s t e m ，h i g hp r e s s u r ec o m m o n f a ij ，p r e s s r u e c o n t r o ls y s t e m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本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 本人为获得江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 确的说明并表示谢意。 签名：- i i 蕴盏盔 日期：d 易年6 月，。日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规 定：江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名：毒7 蜱导师签名： 日期：以 趣聋强嫡 年占月，o 日 第一章：绪论 前言 第一章绪论 高压共轨电控燃油喷射系统( 以下简称“高压共轨系统”) 被世界内燃机行业公认为2 0 世纪三大突破之一( 另外两项是汽油直喷技术和d m e 代用燃料) 。是2 1 世纪柴油机燃油系 统的主流，因此，国内外很多内燃机专家和学者都在研究开发高压共轨系统及其柴油机匹配 技术。德国b o s c h 公司、日本d e n s o 公司、英国l u c a s 公司宣布获得韩国k i a 公司2 亿美元 和f o r d 、雷诺公司8 5 亿美元的订单。而国内开发高压共轨系统= 才- 冈0 刚开始。高压共轨系统 的开发成功，将为汽车行业提供满足欧洲i i l 号、欧洲号排放法规的柴油机电控燃油系统， 对于增强国内汽车行业的国际竞争实力具有极其重要的作用，并为中国的汽车污染治理作出 重要贡献。 1 1 国内外柴油机燃油喷射系统的发展概况 近几年，随着社会的不断前进，对柴油机的动力性、经济性、排放和噪声要求越来越高， 特别是对有害排放物的严格限制，推动了柴油机电控燃油系统的发展。改进燃油喷射过程是 提高柴油机性能的首要条件，燃油喷射装置在优化燃烧过程方面占有重要地位。为了满足柴 油机未来发展要求，具有能够在不同工况和各种环境下实现喷油规律最优控制，电控单元的 高压共轨系统成为必然方向。因为：车用柴油机的工作特点是变速变负荷运行，每循环的最 佳喷油量、喷油正时及喷油压力等受诸多因素的制约。以喷油f 时为例，柴油机的动力性、 经济性及排放质量所要求的最佳值是不相同的，因此柴油机不同工况的喷油量、喷油f 时及 喷油压力等的最佳值都不相同。普通机械式供油系统很难实现这种复杂的调节与控制。因为 机械式调速器及机械离心式提前器只能在某一工况或某一转速范围对柴油机进行精确凋节和 控制，偏离该工况后，只能按转速的变化进行非最优调节，而且机械式提前器无法感知负荷 的变化，不能依负荷的变化调节喷油正时。而柴油机电子控制燃油喷射系统能够实现喷油过 程的多参数实时检测与调控，实现包括喷油量、喷油正时、喷油压力在内的喷油规律的最优 控制，提高柴油机性能。因此电子控制燃油喷射系统取代机械式供油系统是柴油机发展的必 然趋势引。 电控柴油喷射发展至今已形成三大类别：位置控制、时洲控制、压力时间控制。位置控 制开发得较早，所以也有人称它为第一代电控喷射系统，它是采用凸轮压油+ 执行机构位置 控制。时间控制称为第二代电控柴油机喷射系统，它是采用凸轮压油+ 电磁阀时问控制。压 力时问控制式是近几年发展起来的第三代燃油喷射系统，它是采用燃油蓄压+ 执行电磁阀压 力时间控制。 位置控制的特点是：保留了传统的泵管一嘴系统及喷油泵的齿条、滑套、柱塞上的控 堑堕查堂堡主堂垡丝茎 制斜槽等控制油量的机械传动机构，只是对齿条和滑套的运动位置给予电子控制。 时间控制的特点是用高速电磁阀直接控制高压燃油。一般情况下，电磁阀打开，开始喷 油；电磁阀关闭，喷油结束。喷油始点取决于电磁阀开关时刻，喷油量取决于电磁阀：【作持 续时间，而电磁阀的动作是由e c u 发出脉冲，转换成相应功率的电压来控制，传统的喷油泵 中的齿条、滑套、柱塞上的斜槽、提前器等全部取消。 压力时间控制式是建立在机械、液压和电控技术基础之上的一种全新概念的喷油系统。 将喷油量和喷油时间控制融为一体，使燃油的升压机构独立，亦即燃油压力与发动机转速、 负荷无关，具有可以独立控制压力的蓄压器一共轨。实现了喷射压力的独立控制( 共轨压力) 通过控制喷油器的的喷油时间和喷射压力控制喷油量。 国内柴油机燃油喷射装置的研究起步较晚，研究能力相对国外较低，机械式喷油泵还存 在一些缺陷。而柴油机电子控制喷油系统的研究也处于初步阶段，部分科研单位与高等院校 先后作了一些探索性工作，取得了一些成果，如上海内燃机研究所研制的电子液压正时器、 长春汽车研究所开发的可控预行程直列泵及北京理工大学、天津大学研制开发的电控蓄压式 喷油系统i j j 、清华大学开发的电控直列泵一管一嘴一阀( p p v i ) 系统【4 1 和无锡油泵油嘴研究 所开发的高压共轨系统等。积累了一些宝贵经验，但距实际应用及国外柴油机电子控制技术 发展水平还有较大的差距。 1 2 国内外高压共轨系统和e c u 的结构特点及现状 为了满足日益严格的排放法规要求，国外一些发达国家( 如德国、美国、日本等) 投入 巨资研究电控燃油喷射系统技术，其中8 0 年代以位置控制为主，9 0 年初期转入时间控制， 9 0 年代后期又转为压力时间控制系统。表【5 j 1 1 列出了国外几个大公司研究生产的电控柴油 机。 1 2 1 国外电控柴油机的结构特点及现状 1 ) 作为世界油泵油嘴行业”领头羊”的德国r o b e nb o s c h 公司在9 0 年代初从意大利f i a t 公司买到u n i j e t 系统的丌发技术后，投入巨资丌发高压共轨系统产品，1 9 9 7 年在s a e 年会上 发表c r 型高压共轨系统的论文，在d a i m i e r b e n z 公司o m 6 ll 型轿车柴油机上匹配成功。e c u 装在一个金属外壳中。传感器、执行元件和电源经一个多级接插件与e c u 连接。直接控制执 行元件，功率构件放在e c u 外壳内，并保汪对外壳有很好的散热【“。 2 ) 日本d c e n s o 公司1 9 9 1 年发表e c u u 2 型高压共轨系统的论文，1 9 9 6 年在同野j 系列 柴油机上匹配成功。e c d u 2 系统采用三通高速电磁阀和三桃凸轮驱动的2 缸直列供油泵，面 向中型柴油机，技术关键是两个电磁阀。 3 ) 德国m t u 公司和l o r a n g e 公司在4 0 0 0 系列柴油机上开发和匹配高压共轨系统获得成 功，采用二通高速电磁阀和多凸轮径向柱塞供油泵。面向重型柴油机，技术关键是喷油器中带有 针阀缓慢抬起的中间阀。 4 ) 英国l u c a s 公司在1 9 9 8 年s a e 年会发表l d c r 型高压共轨系统沦文。l d c r 系 第一章：绪论 表1 1 国外电控柴油机一览表 喷油控制 国家公司型号特点 喷油压 麻用情况 方法对象 力m p a 癌速i 乜 敲阀控制喷油时刻，町1 9 8 3 年，车辆 日本z e x e lc o p e c 变电感位移传感器控制喷油发动机 | 高速电磁阀控制齿条位置线1 9 8 5 年，用于 直 德国b o s c h e d r 形电位器控制喷油时刻苯菠叫4 2 2 l a p e e c e c d 无刷力矩电机控制齿条位置， 1 9 8 7 年用于 美国 c a t e r d i ll a r本 i 公司 p 3 线形屯位器控制喷油时刻 3 4 0 6 b 列 商速电磁阀控制齿条位置，畦r 1 9 8 7 年投产， 日奉奉田 e c d _ p 用于三菱 谢凸轮相位 6 d 2 2 1 高速电磁阀控制柱塞套简及 1 9 8 7 年投产， 日本z e x e lt i c s蝮条位置可变预行程，可调1 9 9 2 年2 万 位 泵 凸轮速率 置 德国 b o s c ht i c s 高速电磁阔摔制柱寒套筒及 1 9 8 9 年投产， 控 齿条位置，可变预行程 1 9 9 3 年2 5 万 线形i b 磁阈控制珩套位骨。l b1 9 8 2 年用于 制 日本 电装 e c dv 1 磁阀控制喷油时捌- f | 2 l t e 型 1 9 8 5 年在v 6 ， 美国s t a n a d y n e d c f d s v 8l ：实验 分 日本z e x e lc 0 v e c 用于五十铃 4 f b l 配 1 9 9 3 年用于 泵 英固l u c a se p l c苯茨4 气门柴 油机 e d c 9 6 年用于苯 德国 b o s c h茨b 2 9 0 ，4 气 c o v e c 门，5 缸 在机娥泵喷嘴油道中设高速 1 9 8 5 年投产 美国底特律d d b c电磁阀，电磁阀关闭一始喷：l o o1 9 9 3 年1 0 万 打开一停喷 泵 德国b o s c h d d e c 1 6 0 时 喷 英国l u c a se u l 间 嘴 先进燃烧研究 a c e日本 所 控 东京_ t 人 a c e 制1 9 8 7 年用于 分e 本z e x e le d c v 3用糟矗流控制阀调整油量t 乍l i l3 缸直喷 配 机i 用十高速l u 磁阀控制喷油时 i 9 9 4 年用于 泵美国s t a n a d y n ed s ，r sg m 6 5 l 柴油 刻和汕量 机h 柴 轴向柱采泉1 u 了肛力调节 1 9 9 5 年曾柏 油 美国 b k m s e r v o j e t器，焉速i 乜燃阑，柴油液山增 贵柴6 3 1 5 柴 胜，帮m 式，2 m p a l 伽p a 油机j ：做过 中 液 实验 时 压 压 e | 本丰i n 用螺纹管驱功增j i z 活塞 1 l o 、1 4 01 9 9 6 年实验 斜盘柱塞象，高速i u 嫩阀，l u 1 9 9 4 年 问 共机 英国c a t e r 出l l a r h u i 了压力训节辨，机汕液力增矗 2 0 、1 4 0 p e r k i n g s l 3 0 0 系列五i 压 轨油 4 2 3 m p a 铃等 力 液 美固 h p i1 7 5 控 压 日本 小松 k o m p i c s1 5 01 9 8 2 年实验 制 奉 也装 e d c l 2 赢爪柱采泉，l ：苜速l u 磁阀，顶 1 0 01 9 9 2 年实验 品 喷穿j 压 1 9 9 8 年苯茨 德国b o s c hl u 磁阀通i u 一始喷，晰i u 一停喷1 6 0柴油轿车1 0 共 万台 菲弧特轿市。 轨 英同l i c a s m t 0 4 0 0 0 系列 3 江南大学硕士学位论文 统采用二通高速电磁阀和内凸轮径向柱塞供油泵。高速电磁阀采用平衡结构的锥阀，需要很 小的电磁力，电磁阀做在喷油器体内针阀上部，结构十分紧凑。技术关键是平衡式锥阀的加 工工艺。 5 ) 英国的s t a n a d y n e 公司也有开发高压共轨系统的报道。但没有论文发表，其结构特点不 详。 1 2 2 国内电控柴油机的发展概况及现状 1 ) 在我国，电喷系统的研究始于8 0 年代后期，由黄家裕等人开发了节流式电控喷油器并在 柴油机上实机试验1 7 】o 2 ) 清华大学研究开发的电控直列泵管阀嘴( p p v i ) 系统。 该系统由油泵产生高压燃油，系统的最高喷射压力受限于 油泵的供油压力，电磁控制的高速强力旁通溢流阀安装在高压 油管中间，喷油泵供油加压时，通过电磁阀的关闭与开启控制高 压油路的加压和卸压，从而控制喷油器的开启和关闭。喷油器仍 然采用机械式喷油器，旁通卸流的燃油流入低压油路系统。浚系 统结构简单，电磁阀的响应速度较快( 为1 6 5 m s ) ，供油量可通过 电磁阀的通电脉宽来精确控制。柴油机电控单元e c u 是柴油机 的控制中心。它分为逻辑模块和驱动模块两部分。逻辑模块由 微机软硬件组成。构成柴油机柴油喷射控制和整机性能管理系 ， 图卜1 电控泵管阀嘴系统 统。其基本的功能是根据各种传感器接收到的信号，利用微机软硬件分析发动机的运行状况， 准确发出控制脉冲给驱动电路，以控制电磁阀的工作。驱动模块的任务是根据电控喷射的要求 给电磁阀注入能量，准确控制电磁阀的开关过程。该系统在对机械式直列泵管嘴阀系统进行 电子控制升级时，改动部分较少，工艺继承性较好。 3 ) 天津大学开发的种共轨式蓄压式柴油机电控系统。 该系统的主要特点为1 ) 在喷射开始前的一段时间内，电磁阀通电，此时喷油所需的能量 便在控制阀内进行积累，当需要喷油时，切断电磁阀的电源，喷油器便将积累的能量分预喷 和主喷进行2 次喷射，由于仅需电磁阀控制喷射丌始时刻且电磁阀动作一次就可实现2 次喷 射，故对电磁阀的响应速度要求较低：( 2 ) 在较低的共轨压力下( 1 0 m p ) ，可实现高达l l o m p a 的蓄压压力，从而实现了低压控制油路各部件的制造难度；( 3 ) 预喷射与主喷射的时问间隔出 控制阀的阀芯尺寸来决定，在机器上不能随意调节，故要精确控制喷油量就必须精确控制共 轨压力，当压力和喷油量特性曲线较陡时，要精确控制喷油量较为困难，且喷油量与共轨压 力的调节不独立。 4 ) 无锡油泵油嘴研究所、上海交通大学等研究机构证在丌发的高压共轨系统 该系统的特点f 8 1 【9 】是：1 ) 、喷油压力的建立与喷油过程无关，喷油压力、喷油过程持续 期不受负荷和转速的影响，喷油压力可以根据优化结果进行灵活控制。因而可以提高柴油机 低速运行和启动的喷油压力和喷油速率，并使低速时喷油持续期减小，有助于改善柴油机低 速时的性能和排放。2 ) 控制脉宽可以控制喷油量，通过控制脉冲起始时问可以在很宽的范围 第一章：绪论 内控制喷油提前角，不受机械因素限制，控制灵活、精度高，能够根据反馈的信息随时修正 控制量，兼顾柴油机动力性、经济性和排放的要求。3 ) 喷油定时与燃油量计量分开，响应速 度快，可以自由调整每缸的喷油量和喷油始点。4 ) 具有柔性控制的喷油率，可实现预喷射、 喷射、靴型喷射、快速停喷、后喷射、多段喷射。5 ) 喷油器上无压力增压机构，高度降低， 安装尺寸小，采用标准柴油机喷嘴，有利于匹配各种机型，减少柴油机结构和尺寸的改变。 1 3 课题的来源、目的和意义 1 3 1 课题的来源 高压共轨系统是柴油机发展的需要，也是企业和科研院所、高校都十分重视的一项工作， 鉴于此，无锡威孚有限公司开发了高压共轨系统中的关键部件高压泵。为了分析高压泵 的性能，搭建了高压共轨系统模拟系统，本课题是针对该模拟系统提出的，用于高压共轨系 统模拟系统共轨压力的控制研究。 1 3 2 课题的意义 为适应我国日益严格的排放法规和克服能源危机，提高柴油机的经济性和动力性是一件 非常迫切的任务。高压或超高压喷射，喷射压力、喷油定时和喷油量的灵活控制，喷油率控 制及预喷射、分段喷射、多次喷射和快速停油等措施是燃油系统改善柴油机综合性能的主要 技术途径，而高压共轨系统被认为是综合实现上述多种途径的一种最佳形式。该系统中，共 轨压力不仅决定了喷油压力的高低，同时也是喷油量的主要计量参数，其稳定性和过渡响应 直接影响发动机起动、怠速、加速等动力性能，所以对共轨压力的控制是提高内燃机性能的 关键。高压共轨电控喷油技术在国外比较成熟，在国内还处在研究阶段，所以，共轨压力控 制的研究开发将加快国内研究高压共轨系统的步伐，对早同研制国内自己的高压共轨系统具 有很大的意义。 本课题提出了一些很有研究价值的控制方法，如本文提出的神经网络模糊p i d 控制方法 对控制非线性的、时变的复杂系统是一种有效的方法，对其他控制系统的研究具有一定的帮 助和指导意义。 1 4 本文所做的工作 本课题首先在对高压共轨系统有了一个全面的认识之后，对被控对象进行了分析，建立 了被控对象的仿真模型。针对系统特点，提出了神经网络模糊p i d 控制算法，并利用 m a t l a b s i m u l i n k 进行了仿真研究，论证了该算法的优越性。并进行了系统设计，其中包 括硬件设计和软件设计。具体的讲，论文的主要内容有以下几点： l 、对高压共轨燃油喷射系统进行了理论分析，重点对被控对象的研究分析，在建立了被 控对象的数学模型的基础上。确立了系统的仿真模型。 2 、对模糊控制和神经网络控制的相关理论进行了分析研究，根据被控对象的特性，提出 s 江南大学硕士学位论文 建立了神经网络模糊p i d 控制算法，并进行了m a t l a b s i m l i n k 仿真研究论证。 3 、设计e c u 硬件电路，并完成相关接口电路的设计，确保系统有较灵活的扩展性和较 高的实时响应性。 4 、设计了e c u 的控制、信号采集和人机接口等软件。 5 、制定了控制系统印刷电路板。 6 、制定了控制器面板。 7 、调试了部分硬件和软件。 第二章：高压共轨系统结构和工作过程分析 第二章高压共轨系统结构和工作过程分析 2 1 高压共轨系统结构和工作过程 高压共轨系统主要由输油泵、高压泵总成、共轨管、限流器、喷油器、各种传感器、控 制器e c u 、执行器( 电磁阀) 等组成，整个系统的工作简图”o 】如图2 1 所示。高压共轨系统的主 要结构部件包括输油泵、高压泵、共轨管、限流器、喷油器等。 参照图2 一l ，高压共轨系统的工作过程可描述为： 2 1 高压共轨系统组成 燃油经过输油泵泵油后，流经燃油滤清器过滤，经过高压泵总成中的比例节流阀进入高 压泵柱塞腔，高压泵将燃油压缩增压后，经过出油阀和油管，进入共轨管。在共轨管中，经 限流器流出的燃油，进入喷油器，由喷油器的电磁阀控制其喷油f 时和喷油持续时间。 高压油泵比例节流阀的开度和喷油器电磁阀通电时刻和通电持续时问是由控制器( e c u ) 控制的，它主要是e c u 根据传感器的信号，判断柴油机的工作状态，确定需要的共轨压力、油 泵供油量、喷油量、是否预喷射、喷射正时等，然后向电磁阀发送指令，完成对喷油过程精 确的、灵活的控制。下面具体介绍各组成部件。 2 1 1 输油泵 高压共轨系统的输油泵和高压泵做成一体，采用同轴驱动，为燃油系统提供一定流量的 0 2 0 5 m p a 的低压燃油，经燃油滤清器滤掉燃油中的杂质和水分后输送给高压泵。 2 】2 高压泵总成 高压泵总成中包括以下几部分：比例节流阀、高压泵、进油阀和出油阀。 7 江南大学硕士学位论文 1 、比例节流阀 比例节流阀是安装在高压泵进油口前面的，用来控制进入高压泵柱塞腔中的燃油流量， 其开度的大小由比例节流阀线圈中电流调节。结构简图如图2 2 所所示。 图2 2 比例节流阀结构简图 2 、高压泵 高压泵为双柱塞泵，油泵轴上有两个三作用凸轮。高压泵具体工作过程描述如下： ( 1 ) 吸油过程 如图2 3 ( a ) 所示，柱塞下行，柱塞工作腔增大，燃油压力减小，当小于输油泵输出的 燃油压力时，进油阀打开，燃油经过比例节流阀进入柱塞腔。 ( 2 ) 压油过程 随着油泵凸轮转动( 转过基圆) ，使得柱塞上行，柱塞工作腔变小，燃油被压缩，压力 升高，进油阀关闭，低压回路关闭，柱塞腔就形成密闭空间，随着凸轮的转动，柱塞进一步 上行。燃油进一步被压缩增压，当燃油的压力超过出油阀弹簧力和背压之和时，出油阀打开， 燃油从柱塞腔进入燃油管道，再进入共轨管。当柱塞升程到达最大值后凸轮继续转动，柱塞 腔变大，燃油压力下降，出油阀关闭，又转入吸油过程如图2 3 ( b ) 所示。 甫 舀、 通电 ( a ) ( b ) 囝2 3 高雕泵t 作过程 ( 3 ) 油泵供油量和共轨压力调节 输油泵输出的燃油是经过比例节流阀后进入柱塞腔的，其流入的燃油流量大小是由比例 节流阀的开度所决定的，比例节流阀的丌度是由比例节流阀线圈中的电流所决定的，而线圈 中电流大小是由控制器脉冲凋宽信号控制的，所以，可以通过控制脉冲凋宽信号的占空比来 r 一 笙三童：重堡苎垫墨丝丝塑塑兰堡望壁坌塑 控制流入柱塞腔内的燃油流量从而达到控制共轨压力的目的。 3 、进油阀 在高压油泵的进口与比例节流阀的出口之间装有进油阀，它是一个简单的单向阀，进油 阀的主要作用是防止柱塞腔压油时燃油倒流进比例节流阀容积腔。结构简图如图2 4 所示。 4 出油阀 在高压油泵的出口装有出油阀，它也是一个简单的单向阀。出油阀的主要作用是防止轨 内的燃油倒流进油泵柱塞腔。出油阀弹簧有一定的预压缩量，即使轨内背压为零，也使得油 泵柱塞腔内的燃油达到一定的压力才可以出油。弹簧的预压缩力稍大于输油泵的输出压力， 一般为o 5 1 o m p a 。结构简图跟进油阀一样。 2 1 3 共轨管 共轨管将高压泵提供的高压燃油分配到各喷油器中，其作用是吸收高压油泵供油及燃油 喷射引起的压力波动，保证喷油器在稳定压力下喷油，起蓄压器的作用。共轨管上还安装了 压力传感器、限流器和溢流阀。 共轨压力传感器实现对共轨压力的实时检测，完成压力的闭环控制。 溢流阀相当于安全阀，它的基本作用是限制共轨中的压力不超过其额定压力。 限流器的任务是在某个喷油器中发生永久性地保持丌启的非常不寻常的情况下，防止 连续地喷油。为了完成这个任务，只要一旦单次喷油超过一定的时问，限流器就会封闭通往 相关喷油器的燃油管。 2 1 4 喷油器 电控喷油器的作用是根据e c u 发出的控制信号，通过控制电磁阀的丌启和关闭，将共轨 管中的燃油以最佳的喷油定时、喷油量和喷油率喷入柴油机的燃烧室。 2 2 高压共轨系统模拟系统结构 本课题是针对高压共轨模拟系统研究和丌发的，所以有必要对模拟系统的结构作一定的 认识，高压共轨模拟系统组成如图2 5 所示。由图可知，高压共轨模拟系统的各组成部件除 用手动放油阀代替喷油器外，其余部件跟高压共轨系统的都相同。 一 坚堕奎堂堡主堂堡堡苎 2 3 本章小结 图2 5 高压共轨系统模拟系统组成 本章在介绍了高压共轨系统组成的基础上，详细介绍了共轨系统各个部件的结构及工作 过程，对高压泵、共轨管、限流器等结构特点和工作原理进行了分析，使得对整个系统有一 个较全面的认识，在此基础上展示了本课题研究所针对的系统一高压共轨模拟系统。为后续 建立系统中被控对象的数学模型和传递函数提供了基础。 第三章共轨压力控制系统被控对象的模型分析 3 1 引言 第三章共轨压力控制系统被控对象的模型分析 对共轨压力控制系统进行设计，首先须明确被控对象，并建立被控对象的数学模型。该 系统的被控对象是由比例节流阀、高压泵和共轨管组成的串联系统。其结构框图如图3 一l 所 示。 目标共轨压力 图3 1 共轨压力控制系统结构图 3 2 共轨系统被控对象的数学模型 压力 根据高压共轨系统组成和工作原理，建立比例节流阀、高压泵和共轨管部件的动力学方 程和连续方程、。 首先，针对系统的特点及设计目标作如下假设： 1 ) 把系统当作一维非定常层流流动： 2 ) 系统低压回路无泄漏现象； 3 ) 刚体容积在高压下无弹性膨胀： 4 ) 在一次喷射中，燃油的温度不变： 5 ) 燃油的物理性质，即粘度、表面张力、密度、弹性模量仅和压力有关。 3 2 1 比例节流阀的数学模型 l 、比例节流阀电磁阀运动方程 比例节流阀的模型如图3 2 所示，将比例节流阀中的电磁阀杆与控制阀体视为运动块， 两部分的质量视为运动块质量。当线圈中通有电流时，运动块受到电磁力的作用。由于比例 节流阀中铁心断面的形状是锥顶，动态吸力特性比较平坦，现将电磁力的动态吸力特性简化 为水平吸力特性，即它的电磁吸力与行程无关，只取决于线圈电流的大小。其方向向下，大 小为： f = 加n b i = k 。i( 3 、a ) 式中：k 卜运动块的力常数，n a k = d n b d 一线圈的平均直径，m 江南大学硕士学位论文 n 一线圈匝数 f 一控制电流，a b 一气隙的磁感应强度，t 图3 2 比例节流阀模型 运动块运动过程中，还受到向上的粘性阻力和弹簧阻力共同作用。 其中，粘性阻力为： f 邓妄 ( 3 - lb ) 式中： c 一阻尼系数，n s m 运动块受到的弹簧力为： e = k r x ( 3 一l c ) 式中： k r 一机械弹簧刚度，n m 运动块的运动方程为： m 象邓一e 只 ( 3 _ 1 d ) 式中：m 一运动块质量，蚝 x 一运动块位移，m 将式( 3 1 a ) 、( 3 1 b ) 、( 3 一l