（精密仪器及机械专业论文）柴油机高压共轨燃油系统——高速电磁阀的控制及其测试系统研究与开发(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

东南大学博士学位论文 摘要 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已成为当前柴油机技 术的重要发展领域。其中，高压共轨式柴油机电控燃油系统就是当前研究的新技术之一。共轨式燃 油系统是最近十几年来发展起来的新型燃油系统，其喷油压力与喷油量无关，也不受发动机负荷和 转速的影响，能根据要求任意改变压力水平，使n o x 和颗粒排放都大大降低。在柴油机的喷射控制 中，高速强力电磁阀作为系统的执行元件是关键性器件，共轨式燃油系统通过高速电磁阎实现对柴 油机的预喷油量、主喷油量、预喷闻隔、喷油正时和喷油速率等参数的精确柔性控制，高速电磁阀 的特性直接影响燃油喷射系统的主要性能指标。 本文结合一汽集团柴油机高压共轨喷油系统的研究课题，针对喷油器高速强力电磁阀及其控制 技术进行了研究，取得了具有实用价值的成果和技术数据，开发了相应的驱动器及测试设备，并投 入使用。 ( 1 ) 从工程应用和控制的角度建立了具实用价值的高速电磁阀静态及动态数学模型，电磁阀静 态模型对电磁阀的结构、工作机理和参数设计具有指导意义；电磁阎动态模型对高速电磁阀的动态 特性及其驱动器研制具有指导意义。 ( 2 ) 针对高压共轨喷油器电磁阎的工作性质和环境特点，研制开发了具有多种参数调节、可实 现最佳电磁阀驱动波形的驱动器，提出了适用于汽车发动机环境条件下的电磁阀驱动器智能控制方 案，提高了驱动器的稳定性和适应性；提出了升压放电配合功率吸收提高电磁能充放速度的技术方 法，解决了高速电磁阀开关过程中电磁能快速加载和卸载的技术问题，使驱动器在有效提高电磁阀 开关速度的同时，不降低自身的效率。 ( 3 ) 为能准确得到电磁阀的定量参数，以及为电磁阀的设计和控制提供依据和参数评定，研制 了电磁阀静态特性测试系统。介绍了系统的结构、原理及数据采集方案，提出了在输出电流大范围 调整时保证脉冲电流发生器电流输出精度的技术方法。针对目前使用的电磁阀样品，根据电磁阀测 试系统实验数据绘制了电磁阀静态特性曲线，给出了分析结果并验证了电磁阀模型的有效性。 关键词： 柴油机。高压共轨，喷油器。高速电磁阀，喷射控制 查堕查兰苎主兰j 至兰l 墨一 r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t o nc o n t r o la n dt e s ts y s t e mo f h i g h s p e e d s o l e n o i dv a l v ef o r 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 c t i n gs y s t e m o fd i e s e le n g i n e a b s t r a c t a tp r e s e n 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 sak e ya r e ao fd i e s e le n g i n ed e v e l o p m e n t ， a n dc o m m o nr a i l ( c r ) i n j e c t i o ns y s t e mi so n eo ft h ea d v a n c e de l e c t r o n i cc o n t r o li n j e c t i o n s y s t e m t h r o u g ht h eu s a g eo f ah i g h s p e e dp o w e r f u ls w i t c h i n gs o l e n o i dv a l v e ( s v ) o fc r s y s t e m ，t h ef l e x i b l ea n dp r e c i s ec o n t r o lo fi n j e c t i o nq u a n t i t y , i n j e c t i o nt i n t i n ga n di n j e c t i o n r a t ec a nb er e a l i z e d ah i g h s p e e dp o w e r f u ls o l e n o i dv a l v ea n di t sc o n t r o lt e c h n i q u eb a s e d h i g h p r e s s u r e c o m m o nr a i l i n j e c t i o ns y s t e m a r er e s e a r c h e di nt h i sd o c t o r a t e p a p e r t h e i n v e s t i g a t i o na c h i e v e m e n t sa n d t e c h n i c a ld a t at h a ta r eo f p r a c t i c a l i t yv a l u ea r ep r e s e n t e d a n d c o r r e s p o n d i n g e l e c t r o n i cd r i v eu n i t ( e d u ) a n dt e s te q u i p m e n ta r ea l s od e v e l o p e d ( 1 ) 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 l so fs o l e n o i dv a l v ea r ep r o v i d e di n t h i sp a p e r t h es t a t i cm o d e li so f a d v a n t a g et ot h es t r u c t u r e ，m e c h a n i s md e s i g na n dp a r a m e t e r o p t i m i z a t i o no f s o l e n o i dv a l v e ；a n dt h ed y n a m i cm o d e li sa p p l i e di nt h er e s e a r c ho fs o l e n o i d v a l v ed y n a m i cc h a r a c t e ra n de d u d e v e l o p m e n t ( 2 ) am u l t i p a r a m e t e r s a d j u s t a b l e e d uw i t h o p t i m i z e s h a p e d c u r r e n t o u t p u t i s d e v e l o p e d t h ep a p e rp r o p o s e sap o w e ra b s o r bp r i n c i p l ea n da b o o s tc h a r g em e t h o du s e di n t h ee d u ，w h i c hc a np r o m p t l yl o a d i n ga n du n l o a d i n gm a g n e t i ce n e r g yo fs o l e n o i dw i t hg r e a t e f f i c i e n c y t h ep a p e ra l s oi n t r o d u c e sa ni n t e l l i g e n t e d uc o n t r o ls t r a t e g yt h a tc a ng r e a t l y i m p r o v e t h es t a b i l i t ya n d a d a p t a b i l i t yo f e d uw h e n a p p l i e di nv e h i c l eo f d i e s e le n g i n e ( 3 ) a sam e a n so fa c q u i r i n gp r e c i s en u m e r i c a lp a r a m e t e r su s e di nd e s i g na n dc o n t r o l e v a l u a t i o no fs o l e n o i dv a l v e ，as t a t i cp 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 ei sd e v e l o p e d at e c h n i c a ls t r a t e g yo f i m p l e m e n t i n go u t p u tp r e c i s i o no f s o l e n o i dv a l v ed r i v ec u r r e n tw i t ht h e r a n g ew i d e l ya d j u s t a b l ei sc a r r i e do u t ，w h i c hi sa p p l i e di np u l s ec u r r e n tg e n e r a t o ro f t h et e s t s y s t e m r e l y i n go nt h es t a t i cp e r f o r m a n c ec h a r to b t a i n e df r o md e v e l o p e dt e s ts y s t e m ，t h e p a p e rg i v e st h ea n a l y s e sr e s u l t sa n d v e r i f i e st h ev a l i d i t yo f s o l e n o i dv a l v em a t h e m a t i cm o d e l k e y w o r d s ：d i e s e le n g i n eh i g h - - p r e s s u r ec o m m o n - r a i li n j e c 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 c 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：籀翁日期：苎堕：塞仝 二、关于学位论文使用授权的说明 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，可以采用影印、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。 始互豇翮签名：缉缒吼巡【堡 查堕查兰堡! 兰堡垒苎 一 一 第一章绪论 1 1 课题研究的应用背景与意义 1 1 1 汽车排放法规日趋严格 随着世界范围内的能源危机及环境污染的日益严重，人们对汽车发动机在节能和排放方面的要 求日趋严格。柴油机的显著优点就是起油耗低。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 o ，h c ，s 0 2 等的排量相当低。但柴油机中颗粒排放相当高， 是汽油机的几十倍甚至更多。在一些城市中，柴油机颗粒排放占5 4 ，而汽油机排放颗粒仅占o8 1 5 9 1 。因此，世界各国在采用柴油机汽车的同时对其排放提出了越来越高的要求，各汽车厂商也对 柴油机汽车采取了越来越先进的控制技术来控制其污染物的生成和排放。 今天，柴油机不仅在货车市场的竞争中表现卓越，也步入了轿车领域。燃油价格的持续升高和 公众环境意识的日益提商推动了经济性优越和低污染柴油机的普及。在这种环境下车j j 柴油机今 后发展最重要的问题不再是比功率而是耍显著降低燃油耗、噪声和废气排放。 2 0 世纪7 0 8 0 年代欧洲汽车的排放标准是比较宽松的。1 9 9 3 年欧洲联盟开始实施相对严格的 排放法规e c er8 3 o l ，即欧l 法规，或称m v e g l 。该法规是对原e c er 8 3 0 0 法规的修订， 它们的不同表现在测试方法的改进、c o 和h c 排放标准的提高等方面，数值见图1 1 中欧1 法规所 对应量值( 对于总质量不超过2 5 0 0 k g 的轿车与轻型货车) 。其对柴油车排放的要求只是在汽油车排放 的标准上加上对柴油车微粒( p m ) 排放量的限制。其后e c er 8 3 o o 又进行了两次修订。 e c er 8 3 0 3 即欧2 法规，对柴油车h c + n o x 排放的限值降低为欧l 法规的7 1 9 l ，p m 排放的限制更 是比欧l 法规降低了将近一半。按照欧盟的计划，2 0 0 0 年欧3 法规对c o ，h c + n o x 和p m 的限值 都降低到了欧2 法规的9 6 以上，其中p m 的限制变化最大，接近6 0 。而到2 0 0 5 年，欧4 法规 规定各污染物要在欧3 法规限值的基础上再减少5 0 左右f 见图1 1 ) 。 固l - l 欧洲柴浊机轿车与轻型货车排放法规 1 1 2 电子控制技术应用于柴油机 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已成为当前柴油机技 术的重要发展方向。柴油机电子控制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，从而突破了传统机械调节系统速度慢和适应性差的弱点。 电控系统可实现发动机多参数的采集、管理，可提高系统的控制水平。同时，电控系统故障诊断的 应用提高了系统的可靠性。 降低排放的关键是进一步完善柴油机的燃烧过程，即完善柴油机中空气、燃油的混合和燃烧问 东南大学博士学位论文 佳效果，因此提高喷油系统的性能就成为提高柴油机整体性能的关键措施 现在，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，其中最重要的是燃油系统 的控制。 1 1 3 燃油喷射压力不断提高 提高燃油喷射压力，可以改善赢喷式柴油机的燃油雾化效果，促进混合气的形成和充分燃烧， 降低油耗和排放。十几年来，提高喷油压力一直被作为直喷式柴油机降低排放的关键手段。目前的 高压燃油系统主要有共轨系统、电控分配泵、泵喷嘴等。 共轨式燃油系统是最近十几年来发展起来的第三代燃油系统，其喷油压力与喷油量无关，也不 受发动机负荷和转速的影响，能根据要求任意改变压力水平，使n o x 和颗粒排放都大大降低。共轨 燃油系统能通过高速电磁阀实现对预喷油量、主喷油量、预喷间隔、喷油正时和喷油速率的精确柔 性控制。目前，各国已开始研制喷油压力达到1 5 0 m p a 1 6 0 m p a 的第二代共轨式燃油喷射系统，预 计喷油压力将来可能突破1 8 0 m p a 。据估计，到2 0 1 0 年，将有9 0 的柴油机采用共轨式燃油系统。 泵喷嘴系统是一个带电磁阀控制组件的单体系统，通过机械液压蓄压阀的控制，可实现分段 式预喷射，是目前喷射压力最高的系统。 图i 2 所示为三种汽车喷射系统的比较，通过比较可以看出，共轨系统具有较高的技术和经济 优势。 喷射压力 预喷射 喷油定时裂活性 ( 多点喷射1 盘动帆澄计，景辔性 油桑冁础 系统成奉 乜括发动饥总哦； 古 。 进+ 表示。好o 丧示中”一丧示“壁” 图i - 2 汽车喷射系统的比较 西欧轿车市场中集油喷射系统所占份额 图i - 3西欧轿车柴油机市场喷油系统比例 电子控制技术和高压喷射技术带动了直喷式柴油机的发展。直喷式柴油机较非直喷式柴油机有 一2 一 塞 童一 更高的效率，但相对非直喷式柴油机而言，直喷式柴油机存在噪声火、颗粒和n o # 排放鬲的l 司题- 因此应用相对较晚。随着燃油喷射研究的进展和相关产品的出现，特别是共轨式喷油系统出现以后， 直喷式柴油机在提高升功率、降低振动和噪声、减少排放等方面取得了进展。图i - 3 所示为1 9 9 6 2 0 0 4 年西欧轿车市场柴油机直喷化以及共轨喷油系统所占比例的增加。 1 1 4 我国汽车污染排放日益严重 我国对柴油机微粒排放控制起步较晚，标准也较松散。随着经济的迅速发展，汽车的生产量和社 会保有量也迅速增长，特别是一些大城市的增长速度更是惊人。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也变得十分突出。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。摄近正式颁布的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。g b l 7 6 9 卜_ 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p 。 1 1 5 发展我国柴油机新技术具有重要意义 目前，发展汽车柴油机不仅可以缓解我国的能源危机，而且可以有效地保护人类赖以生存的自 然环境：同时可以填补国内空白。逐步缩短与发达国家的差距。 共轨式电控燃油喷射系统代表了目前电喷技术的最新技术和今后的发展方向。共轨系统目前已 在欧美和日本的部分新开发机型上应用，而国内该系统的产业化开发才刚刚开始，目前国内尚无成 熟的柴油机电控共轨喷油系统投产因此，共轨式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，对减少我国柴油机的污染排放，提升我国的柴油机的技术水平 具有重要的意义。 1 2 国内外研究动态 1 2 1 柴油机电子控制技术的发展 在欧洲轿车柴油机发展过程中，欧2 阶段开始引入了电控技术，使发动机工作得到优化。为了 改进发动机在低速时的响应特性，变几何截面的涡轮增压技术得到应用。当轿车柴油机进入欧3 阶 段，则发动机广泛地采用高压喷射技术、四气门技术和预喷射技术，以把燃烧噪声降到可接受的程 度。到2 0 0 0 年，直喷式柴油机的比例已提升到8 5 ，几乎目前所有欧洲轿车柴油都采用涡轮增压、 带中冷、氧催化剂、废气再循环技术。为了降低噪声，还引入了双弹簧喷油器和预喷射技术。满足 欧4 严格排放标准的研发工作目前已开始，需要用到排气后处理技术，如采用颗粒过滤器及采用除 n o x 催化剂( d e n o x ) 。图l - 4 所示为轿车柴油机不同排放标准阶段的实施技术。 对重型车用柴油机来说，要达到欧2 排放标准，需采用可调：霄的燃烧特性、涡轮增压中冷技术、 迟后喷射定时、采用高压喷射等措施。如要达到欧3 排放标准，则需要求电控喷射系统有1 4 0 m p a - - 1 6 0 m p a 的喷射压力、低涡流燃烧系统、采用部分e g r 系统等技术。欧洲从1 9 9 9 年年初己开始讨 论到2 0 0 5 年和2 0 0 8 年将要实旅的欧4 和欧5 排放标准。这将需要采用排气后处理技术，即要用颗 粒过滤器和或带d e n o x 催化剂。图l 一5 所示为重型柴油机不同排放标准阶段降低排放的技术措旃。 3 查查查兰堡圭兰竺垒兰 一一一一 图i - 4 轿车柴油机不同排放标准阶段的实施技术 图l 5 重型柴油机不同排放标准阶段降低排放的技术措施 1 2 2 国外柴油机电控共轨喷油系统发展基本情况 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，电控共轨喷油系统采用压力一时间控制方式工作。 目前，国外已有的电控共轨喷射系统尽管结构各不相同，但可分为两大类：一种是高压共轨系 统，即共轨中压力等于喷油嘴压力，共轨压力较很高，一般在1 2 0 1 6 0 m p a ，典型的如日本电装公 司的e c d u 2 和b o s c h 公司的c r 系统：另一种是中压共轨系统，其共轨中压力较低，一般在4 2 5 m p a ，但在喷油器结构中有增压机构，通过增压使喷射压力达到1 5 0 m p a 以上。典型的如卡特公 司h e u i 系统，但在中压共轨系统中还有一种蓄压式共轨系统，喷油器中通过增压使燃油达到高压， 高压油储存在蓄压室中典型的是b k m 公司的s e r v o j e t 系统。 目前，在世界范围内使用量最多的电控共轨系统有三家公司的产品：b o s c h 公司的u n i j e t ( 或称 c r ) 系统、日本电装公司的e c d u 2 系统和美国矗特公司的h e u i 系统。 1b o s c h 公司的共轨喷射系统 b o s c h 公司是目前国际上生产柴油机喷射设备规模最大的一家公司。b o s c h 公司在柴油燃料喷射 系统的领域内在国际上一直处于领先的地位，其燃油喷射系统的发展史具有定的代表性。 b o s c h 公司于1 9 2 7 年开始批量生产柴油机用喷油泵和喷油器。1 9 6 2 年开始推出分配泵，1 9 8 6 年开始生产电控分配泵，1 9 8 7 年开始推出电控直列泵，1 9 8 9 年开始推出直喷式轿车柴油机用屯控喷 射系统，1 9 9 4 年开始批量生产卡车用泵喷嘴，1 9 9 5 年开始生产单体泵1 9 9 6 年推出径向柱塞的v p 4 4 4 东南大学博士学位论文 分配泵，1 9 9 7 年开始批量供应轿车用共轨系统。图1 6 所示为b o s c h 生产的各种柴油机燃油喷射系 统的应用场合，图1 7 所示为适用于中重型柴油机用带电磁阀控制的喷射系统，图1 8 所示为最近 】0 年里，b o s c h 电控喷射系统进入市场的先后顺序i “】。 韭轨末统 i $ g - 景垃 “i n 惰景缱 袍柱舔舟乱裂 挑们 l 据仆配禾 兄n 轮单1 牟禁 d q 强 蹦i - 6b o s c h 生产的各种紫油机燃油喷射系统的应用场台 图l - 7 中重型柴油机用带电磁闽控制的喷射系统 盟】- 8 最近l o 年直喷式柴油机中屯控喷射系统的开入 表1 1 为b o s c h 公司柴油燃料喷射部门1 9 9 9 年和2 0 0 0 年的销售额和主要产揣产量情况。可见 b o s c h 公司近年来产品结构的调整趋向是分配泵和直列泵产量在逐年减少，共轨、电控泵喷嘴和电 控单体泵系统产量在逐年增加。 5 东南大学博士学位论文 表i 1 b o s c h19 9 9 2 0 0 0 年柴油机燃料喷射系统生产情况 1 9 9 9 正2 0 0 0 正增减( ) 销售额( 亿马克) 7 34 48 4 9 6十1 57 分目c 泵产量( 万台) 3 9 933 6 973 4 直列泵产量( 万台) 4 824 6144 共轨系统、电控泉喷嘴系统、 1 6 05 3 0 9 0+ 9 05 电控单体泵系统( 万台) e cl j ( 万台)3 6 50 4 9 67+ 3 6l 近年来b o s c h 公司在共轨系统的开发研究方面注入了大量的人力和物力。目前，公司集中了 8 0 0 9 0 0 名工程技术人员从事共轨喷射系统的开发和研究，这数字还不包括从事共轨系统生产的工 程技术人员。第一代共轨喷射系统己于1 9 9 7 年7 月批量投放市场，其喷射压力达13 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。由于共轨喷射系统的喷油量、喷油始点、喷油压 力和喷油速率能自由控制，具有更大的灵活性，加之具有较高的喷射压力和较低的驱动扭矩等优势， 得到汽车发动机工业的认可。现在越来越多的发动机都倾向配置b o s c h 共轨式喷射系统，这也促使 b o s c h 公司不得不从其它部门抽调人力来开发、匹配共轨系统，以满足用户不断增长的需要。 图l 9 所示为b o s c h 公司第一代用于轿车柴油机的共轨式喷射系统。其主要特点是：( i ) 喷射 压力达1 3 5 m p a ；( 2 ) 具有灵活的预喷射能力：( 3 ) 采用油量控制的高压泵；( 4 ) 执行器采用电磁阀 压电石英阀：( 5 ) 控制单元采用闭环控制；( 6 ) 零件集成化，尺寸较小。图1 1 0 所示为b o s e h 公司 带压电石英执行器的共轨喷浊器。 带 口 口 口 口 图i 一9b o s c h 公司第一代共轨喷射系统 圈i 1 0b o s c h 带压电石英执行器的共轨喷油器 b o s c h 公司计划于2 0 0 2i l z 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阎的第二代共 - 6 东南大学博士学位论文 轨喷射系统，喷射压力将提高到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， 井可满足欧4 排放法规要求。为降低发动机噪声，预喷油量可控制在1 m m s i 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 次喷射组成，如图1 - 1 1 所示。通过预喷射技术，降低发 动机噪声，通过后喷射技术，降低发动机n o 。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。 p l 坝喷射 州丰喷射 p d 后喷射 图1 - i1b o s c h 第二代共轨喷射系统喷射过程 在喷油系统的电子控制方面b o s c h 公司十几年前使用的是8 位的控制器而现在已用新一代 3 2 位控制器，共具有相当于以往7 0 0 万只晶体管的功能，几乎具有相当于p e n t i u i n 1 1 处理器的工作 能力- 处理能力提高了4 倍，记忆功能增加了3 0 倍。十年前匹配发动机仅需要用到5 0 0 个参数，由 于功能扩大，而今匹配发动机需要用到6 0 0 0 个参数，因此，接插座在1 9 8 9 年时大约要用5 5 针，现 在轿车电控用的接插座已用到1 5 4 针，现在不用电控发动机管理系统已很难想象能满足今日发动机 不断增长的各种要求。图1 - 1 2 给出了轿车柴油机管理系统所需要的信息量，并说明所需的处理速度。 采样间隔 补m l 瞄 喷7 嚣针n 贽动饥轴啦 艿辄kj 调甜# 鹰气再谱j f ( e g r i 增难雎h 控制 船热释，r 印* 点止幂绒 诠惭灯 土雏电器 m 打连接 ! ! 竺! ! e 二 二二正歪匠二 j 亟互二 图i - 1 2 轿车电控柴油喷射系统计算机性能要求 意大利的v m 公司从1 9 9 9 年开始推出3 种麸轨式柴油机新机型，第一种机型是在原25 l2 气门 发动机上采用共轨电控喷射系统，有利于提高效率、降低油耗和排放、改善驾驶性及起动性能；第 二种机型是在2 0 0 0 年推出的4 气门2 , 5 l 的t d 发动机，该发动机除采用共轨喷射系统外，还采用2 根顶置凸轮轴，与克莱斯勒汽车配套：第三种机型为在2 0 0 0 年初推出的新一代高速直喷式柴油机， 包括直立3 缸i 5 l 发动机和4 缸2 l 发动机，该新一代发动机在性能、经济性、排放和成本等方面 在世界上同类发动机中处于领先水平，其喷油系统采用的是b o s c h 公司的共轨系统。 ， 警术晕l ，ff兰曩 东南大学博士学位论文 2 日本电装公司的共轨喷射系统 继b o s c h 公司之后，日本电装公司( d e n s o ) 已成为向欧洲轿车制造商提供共轨喷射系统的第二 大供应商。d e n s o 公司的共轨喷射系统，是和日本丰田公司的工程师在1 9 9 5 年联合开发的，最初是 为日野公司的一种柴油机设计的。日野公司是丰田公司的卡车附属公司，电装公司因此在1 9 9 9 年春 天获得了日本机械j 二程师协会的荣誉表彰。这种系统的共轨压力为1 3 5 m p a ，使用后减少了柴油机的 噪声和n o x ，并使柴油机工作得更平稳。 电装公司开发的e c d u 2 电控共轨系统在1 9 9 9 年己达到年产3 0 0 0 0 台的水平，在日本国内大 簧用于i 车柴油机，但轿车柴油机中的用量较少，这主要是由于日本国内柴油机轿车产量较少。屯 装公司己在匈牙利建了一个工厂，生产e c d - - - u 2 p 高压共轨系统，产品供给欧洲轿车市场。电装公 司计划在以后的柴油机燃油喷射系统的产品全部采用电子控制式产品，传统的机械式喷油产品将逐 步减少，赢至停止生产”。 日本日野汽车公司的j 0 8 c j 1 a 型自然吸气式柴油机于1 9 9 8 年首先采用e c d u 2 共轨系统。 该发动机的主要参数是缸径11 4 m m ，行程1 3 0 r a m ，压缩比9 2 ，最大功率1 4 7 k w 2 9 0 0 r m i n ，最 大扭矩3 0 n m i7 0 0 r m i n 全负荷最低燃油耗2 1 0 9 k w h 1 0 0 0 r r a i n 排放量符合日本1 9 9 8 年法 规要求。进入1 9 9 9 年，日野公司已经停止生产自然吸气式的j 0 8 c j l a 型柴油机，但是j 0 8 c 系列 的增压及增压中冷柴油机全部采用e c d u 2 系统。此外，三菱公司、日产公司等也有逐步扩大采 用e c d u 2 共轨系统的计划。 3 其它公司的共轨喷射系统 表1 - 2 所示为上世纪8 0 年代以来国外柴油机电喷技术的发展情况l ”i ，表中反映了共轨喷油技术 在柴油机电控技术中所处的地位。目前，正在或已经开发研究的电控共轨燃油系统还有美国d e l p h i 的l d c r 系统、德国m t u 公司的共轨系统、瑞士g a n s e r 公司的共轨系统、s i e m e n s 公司和汉诺 威大学的压电晶体共轨系统、美国s t a n a d y n e 公司的共轨喷射系统等等f ”i 。 l2 3 国内柴油机电控共轨喷油系统发展基本情况 我国与世界发达国家柴油汽车微粒排放控制水平存在较大的距离，柴油汽车微粒排放控制技术 整体水平还比较低，满足欧0 标准的柴油机刚被广泛使用，相应的净化技术措施基本限于对燃油系 统和进气系统的改进，柴油机电喷、中冷涡轮增压、催化转化器、滤清器等较为先进的控制排放技 术还处于研究开发和试使用阶段。 我国的汽车柴油机动力最早只用在重型车辆上，进入8 0 年代后，中轻型车辆才逐渐开始采用柴 油机作动力。我国民用柴油机市场上的技术水平较高的产品基本上是引进产品，如引进日本五十铃 公司的s o f i m 8 1 4 0 系列柴油机、美国康明斯公司的b 系列柴油机和珀金斯公司的p h a s e r 系列柴油机， 这些产品都具备国外8 0 年代末和9 0 年代初的技术水平。国外先进的柴油机产品和技术的引进，促 进了国内轻型柴油机车辆的迅速普及，目前，我国轻型车辆的柴油机装机量接近该档车辆保有量的 5 0 。但轿车领域的柴油机动力仍是空白。南京依维柯汽车公司在1 9 9 9 年底推出的s o f i m2 8 l 柴油 机为国内最早的轿车动力，该机型在欧洲装在中高级轿车上，在国内目前用丁依维柯轻型车，其排 放指标符合国家和北京市最新的排放法规，井达到欧2 排放标准。 共轨系统目前己在欧美和日本的部分新开发机型上应用，在国内该系统的产业化开发才刚刚开 始，目前国内尚无成熟的柴油机电控共轨喷油系统投产。北京理工大学发动机实验室1 9 9 9 年做过柴 油机电控高压共轨喷油系统的实验研究，重点设计并加工出用于该系统上的高速电磁阀、喷油器， 并在台架试验上取得了阶段性的成功。“，该试验室在2 0 0 0 年完成了柴油机电控蓄压共轨喷油系统与 柴油机的初步a 机实验，最高喷射压力达1 2 9 m p a ，喷浊定时实现了灵活可调与糖确控制。天津大 8 一东堕查兰竖! 兰堡垒兰 一 丐五五爵聂云i 瓦豪丽磅瓦嚼再乔爵爵再吾福西两五夏i 弭云夏再面。鬲粟油机为对蒙，开发出s cr v o j “ 型柴油机电控蓄压共轨喷油系统，该系统具有预喷射和快速停油功能。 表12 国外柴油机电喷技术水平分析 蟛油j 宝制 噶泊正力 囝霉 。司型号特点 应用情配 芹琏 对霉 焉莲电磁闸茬制嘤帼时到可变电$ 位 1 9 虬军用于车孳眄发王j i 机 臼奉 移信葛器控制嚼昭器 焉通电磁用茬制蠡壬垃暨可鹕凸鸵相 德躅 1 0 8 5 军用下荤筘。埘2 ：l 位 直 无晨力矩电机拉制蓝条位置线性电位 1 9 盯军用于辜鲴心同3 4 0 ( , 1 1 1 生嗣 器1 空制哮油时剥 包列 高遵电磁围控制齿蒹位置可瑚凸乾相 b 击事田i 7 嚣用于三蔓6 d 盟r 等 囊 位 譬 肓速电磁田譬制拄塞誉筒卫齿菜位置 9 r ? 年投产，i9 9 2 苹：万写 日奉 可变陵 亍程酊调凸牛皂逐覃 j 也墨 高速电磁同拄制挂塞誊筒及出最位霉 9 8 9 匿投产，j9 93 筚2 ，万古 控 可查帧行程 曰革电鞋 线性龟聪铁 耋制滑套位置电磁隔控制 q 8 z 手嗣于丰口：l - - t e 型 甸l贽 哆泊时刻 蔓瞄n 仟砖4 卧年在v b 、上_ ；i 【驻 配 日毒 用干五十斡4 f 目 蔓雷9 9 3 年带于丰 置d 气门落油机 囊 旋转电磁铁桂制滑霉也暨电鞋阀 空制1 6 午并j 于车茬口q o ，4 气门 德匿 喷油时剥5 缸 在机槭象唼嘴油遵中最高速电磁_ j ! 旨电 9 8 5 年投产i9 9 3 羊1o7 5 百 羹匿底辑薄 磁菏差矫皓喷， 汗一浮噎 t5 l 中 蒙锶匿 嚷蓑田 先进燃烧 嚼 日奉 _ 阱宪所 日丰 彖京工文 时 丹日本舟溢抽控制阀调譬泊量9 8 7 年用于丰日3 缸直唑机上 配 录羹墨 凸r s 用高速电毫四控制噎油盱剥种油蕾9 9 4 年用于g m b j l 妊油机 问 轴向拄幕象电子压力诵节墨高莲电 19 9 5 年曹在贵弊6 】j ，粲油机上 雄 垫重 量f “d 磁用錾= _ 由曛力增压苗压置，2m h 油 世过试驻 檀 om h 拉 压 压臼车 $ 镕 闱蟪缱臂靶动憎压话謇9 9 6 平试验 制 共 蔓嗣 秆盘挂基蒙高通电鞋闸电子压力调9 9 4 年p c e k i m l3 策科五十锋 机 节器机油蘸力增压4m 一2 3m m显奉口0 司卡车3 2 6 型 轨油 匣羹圈 压 日本 小绉1 口b 2 年试驻 高 日事龟蓑 高压拄塞薏鬲蘧宅磁闻礤哆舸9 9 2 年试验 压 德雷 电磁用竭电一括喷联电一薄唼9 9 8 年羊茬柴油轷车1o 万旨 共 轨 萎国 菲韭锌辛f 车m t 山j 菜列 1 2 4 电控喷油系统电磁阀发展基本情况 无论是时间控制系统，还是压力一时间控制的高压共轨系统，对喷油量和喷油规律的最佳控制 都是通过对高速电磁阀的精确控制实现的，电磁阀是柴油机电控共轨喷油系统中的关键部件。系统 要求电磁儡具有快速嚷应能力、工作精确性、重复性、可靠性以及良好的流通能力，其中响应特性 9 一 东南大学博士学位论文 是最重要的，一般要求响应时间仅为几个毫秒，甚至更高。德国f e v 发动机研究所认为，重型柴油 机要达到2 0 0 5 年欧4 排放法规，就须采用先进的电控方案( 如共轨系统、电控泵喷嘴、可变预行程 直列泵) ，提高喷射压力，燃油喷射系统应具有喷油率曲线形状成形能力。 为了提高燃油室中混合气形成质量，控制喷油压力及其变化过程，在喷油过程中可采用多次喷 射的方法。利用共轨式柴油机，在喷油过程中，除了主喷射外，还可方便地加入一次或多次预喷射 或后喷射，使每循环的燃油喷射次数达到2 次到4 次之多，这对电磁阀的快速响应特性提出了很高 的要求。在电控柴油喷射系统工作过程中高速电磁阀承担着所有喷射控制功能，它必须要快速、 准确地开启、关闭以便精确控制喷油正时和喷油量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，能快速、准确、无反冲地实现其开启和关闭。 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。德国f e v 及西门子公司已经展示了他们的产品b o s c h 公司和电装公司也计划2 0 0 2 年以后推出用压电晶体的共轨喷油系统。图1 一1 3 所示为西门子公司用在共轨系统中的压电晶体的控 制器部件，图1 1 4 为带压电执行器的喷油器。 图1 - i3压电晶体和控制器部件 图i 1 4 带压电执行器的喷油器 在国内，一些高校及科研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 i ) 电控柴油喷射系统中i ”，电磁阀的开启和关闭时间在毫秒级。 文献【6 0 1 认为采用稀土超磁致伸缩材料对上述电磁阀对改进后用于泵管一阀一嘴( p p v i ) 柴油喷射系 统时，开环控制的开启和关闭时闻可以进一步提高，响应时间控制在o 4 5 m s 以内，在0 4 5 m s 内输 出位移和输出力基本稳定。文献 6 5 】采用剩磁保持的设计方法研制出双电磁铁滑阀结构的高速电磁阀 用于电控蓄压式共轨喷油系统中，电磁阀的驱动电路为p w m 离电压大电流驱动电路附加反向消磁 电路，在满足大流量的情况下能提升电磁阀的开关响应速度，其开关响应时间可达0 8 9 m s 。 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。文献【6 4 1 提出将稀土超磁致伸缩材料用于上述电磁阀，改进后的高速 电磁阀开戈频响15 0 0 h z ，顶杆推力15 0 0 n ，位移0i5 m m ，能满足高压共轨用柴油机电喷系统对电 磁阀的要求，但在位移输出热补偿、开环输出的振动、变结构控制所引起的微弱抖振的影响、电磁 一1 0 查堕查兰堡主兰些垦兰一 阀小型化和降低成本方面尚需进一步研究a 1 3 现有研究中存在的问题 从我国柴油机的研究开发实力来看，目前存在着基础薄弱和产品开发能力差等不足，这主要是 因为缺乏完备的科学理论，不具各现代化的设计、试制和试验手段，投入费用也严重不足。新产品 从设计一试制一定型，再到投入批量生产，要经历漫长的过程，难以与需求同步，而国外采用计算 机模拟和分析的现代设计方法进行定量设计。不过分依赖于纯经验通过发动机性能模拟、计算机 辅助设计、快速样品制作( c f d ) 、摩擦磨损分析及产品协同工程( e c e ) 等过程完成新产品的虚拟 设计并形成虚拟产品，其结果是使设计高度优化，研制周期大大缩短。欧美的一些著名厂家，新产 品从设计到定型生产一般不超过3 6 个月，甚至更短。 对于共轨式喷油系统来说，国内还处在研究与试制的阶段，在解决柴油机噪声、振动、摊放、 质量和体积等关键技术尚有难点，目前尚无具有我国自主知识产权的高压共轨式燃油喷射系统。 1 4 本文研究解决的问题 在电控柴油机高压共轨喷油系统中，喷油控制阀的执行器囡其技术要求高，工艺复杂，控制难 度大，是电控喷油系统研究的关键，鉴于我国的研究现状和工艺水平，有关执行器的研究主要集中 在高速电磁阀的研究上。本文结台一汽集团柴油机高压共轨喷油系统的研究课题，针对喷油器高速 电磁阀及其控制技术进行了研究，开发了相应的电磁阀测试系统与电磁阀驱动器。本文研究解决的 问题主要有： ( 1 ) 在理论方面，本文根据高压共轨喷油系统的结构和特点，建立高速电磁阀的数学模型。依据电 磁阀的静态模型提出了电磁阀的参数评定和测试的手段；依据电磁阀的动态模型提出高效节能、性 能稳定的控制方法。 ( 2 ) 在硬件方面，研究开发了实用的高速电磁间的驱动电路，并研制成功了高速电磁阀的静态特性 测试系统，解决了高压共轨喷油系统中高速电磁阀的控制问题。 1 1 东南大学博士学位论文 第二章高速电磁阀在共轨燃油系统的应用 目前，柴油机电控喷射系统中控制燃油喷射的执行器主要为高速电磁阀，利用高速开关电磁阀 的快速启闭动作可以实现特定的燃油喷射规律，因此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 电控共轨喷油系统的分析 图2 i 所示为一种共轨式电控喷油系统，在共轨式喷油系统中，通过高压油泵将燃油加压，高 压燃油存储在高压燃油存储器即“共轨”中，根据预定的喷油量，在柴油机的电子控制单元( e c u ) 中由存储的特性曲线( m a p ) 图算出喷油正时和喷油压力然后由装在每个发动机气缸上喷油器内 的电磁阀实现喷油控制，与其它喷油系统不同的是，共轨式喷油系统喷油压力的建立不取决于发动 机转速和喷油量，高压燃油的压力稳定而独立。 图2 - i典型的柴油机共轨喷油系统 2 1 1 共轨式喷油系统的结构 共轨式喷油系统和一般的电控喷油系统一样，包括机械和电子两部分。共轨式喷油系统的机械 部分的关键部件是喷油器、共轨、高压油泵等；电子控制部分主要实现柴油机的控制和车辆的一些 控制要求主要包括三类部件：控制器、传感器和执行机构。控制器一般称为电子