（动力机械及工程专业论文）车用柴油机高压共轨电控喷油器结构和设计参数的优化研究.pdf

摘要 作者基于对高效低污染柴油机燃烧机理的理解，提出了先进柴油机燃油系统应 当具有的技术特征和指标，在此基础上开发了一种可灵活控制喷油规律的高压共轨 r 喷油器，简称f i r c r i 。l 所谓灵活控制喷油规律，主要是指具有稳定的小量 l ( 1 - 3 m m 3 ) 预喷射功能，多次控制喷射功能和喷油规律形状的剪裁( s h a p i n g ) 功 能。理论分析表明，实现上述功能的技术关键是喷油器的电磁和液力系统的快速响 应特性。作为执行器，电磁铁是f i r c r 喷油器的核心元件之一。通过计算机仿真和 实验，作者研究了衔铁质量、衔铁升程、线圈驱动电压、匝数及衔铁弹簧了对电磁 、 铁高速响应特性的影响。y 本文还设计了一种平衡式控制阀，在最大程度上消除了共 轨油压对喷油器电磁铁响应特性和液力过程的影响，保证了喷油器在大幅度变化油 压时，响应特性的一致性。在实现高压喷射和喷油定时灵活控制的基础上，本文以 计算机仿真和实验为基础，研究了控制室结构参数对喷油规律的影响，使得f i r c r i 喷油器具有喷油规律的灵活控制的功能，该喷油器不但能够实现预喷射和多次喷 射，而且能够获得梯形、三角形等不同形状的喷油规律。经过对燃烧系统的改造， f i r c r i 喷油器与斯太尔发动机进行了燃烧匹配实验，并研究了高压喷射和两次喷射 在改善n o 。和碳烟排放折衷关系方面的潜力。 关键词：柴油共轨式燃疝系统 响应特性，平衡阀 v 燃烧 喷油规律 妙蹶射 a b s t r a c t f i r c r i - - af l e x i b l ei n j e c t i o nr a t ec o n l l n o nr a i l i n j e c t o rw a sd e v e l o p e d a sak e y c o m p o n e n to f t h ec o i t n t i o nr a i l i n j e c t o r , t h ef a s tr e s p o n s ee l e c t r o m a g n e tw a ss t u d i e db y m e a n so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t s i tw a s p r o v e dt h a tt h er e s p o n s eo ft h e e l e c t r o m a g n e t i sr e l a t e dt i g h t l yt ot h em a s so f a r m a t u r e ，t h el i f to fa r m a t u r e ，t h en u m b e ro f c o i l t u r n s ，d r i v i n gv o l t a g e a n dt h e s p r i n gf o r c e a l lt h ed e s i g np a r a m e t e r sa b o v ea r e o p t i m i z e db ys i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a ls t u d y ah y d r a u l i cp r e s s u r eb a l a n c ev a l v ew a s a l s o d e v e l o p e d t oe l i m i n a t ei n f l u e n c eo fc o m l n o nr a i l p r e s s u r e o n r e s p o n s e o f e l e c t r o m a g n e t w i t ht h ee l e c t r o m a g n e ta n dt h eb a l a n c ev a l v e ，t h ec o m m o nr a i li n j e c t o rc a r l w o r kv e r yw e l lf r o mt h ev i e wo f c o m b u s t i o n r e q u i r e m e n to f d i d i e s e le n g i n e s t h em o d e l o fc o m p u t e rs i m u l a t i o na n dt h er e s u l t so fe x p e r i m e n t a ls t u d yo ft h e i n j e c t o rw e r ea l s o p r e s e n t e d t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ef i r c r ic a ns h a p et h ei n j e c t i o nr a t ee a s i l yt h r o u g h c h a n g i n gt h es t r u c t u r ep a r a m e t e r so f t h eh y d r a u l i cs y s t e mo ft h ei n j e c t o r t h ei n j e c t o ri s c a p a b l e o f i n j e c t i o n r a t es h a p i n gt or e a l i z et r a p e z i u ms h a p e ，t r i a n g l e s h a p e ，p i l o to rm u l t i p l e i n j e c t i o n t h ec o m b u s t i o no p t i m i z a t i o no ff i r c r iw a sd o n ew i t ha n ds t r e s i x c y l i n d e r d i e s e le n g i n e i tr e v e a l st h a tt h eh i g hr a i lp r e s s u r ea n d s p l i ti n j e c t i o nh a v et h ep o t e n t i a lt o i m p r o v et h et r a d e o f r o f t h en o xa n ds o o t k e yw o r d s ：d i e s e le n g i n e c o m m o nr a i li n j e c t i o ns y s t e m i n j e c t i o nr a t es h a p i n g v a l v e r e s p o n s e h y d r a u l i cb a l a n c ev a l v e f u e li n j e c t i o n c o m b u s t i o n j 第章绪论 第一章绪论 1 1 引言 从鲁道夫狄塞尔发明第一台压燃点火发动机到现在，柴油机已经历了一百 多年的历程。到目前为止，对于车用动力来说，柴油机无疑是最高效的。从近年 来世界发展趋势来看，柴油机已经从工作粗暴、噪声大的发动机，发展成为了高 技术集成的动力系统。高效、经济、环保和适应未来的发展已成为现代柴油机的 特点f l 】。柴油机已不仅限于在大中型车辆上使用，现已被广泛的用作轿车，甚至 顶级豪华车的动力系统。 且前排放法规和燃油经济性要求日益严格，不断推动柴油机技术的发展。例 如，在欧洲各大汽车制造商，已准备推出满足将在2 0 0 4 实施的欧洲排放法规 的柴油机。为满足降低温室效应气体排放和节约能源的要求，德国大众公司已推 出了百公里综合油耗低于三升的柴油机轿车。 在现代柴油机开发过程中所需要的技术包括，高压电控燃油喷射技术、燃烧 室的优化匹配技术、多气门技术、废气再循环技术、可控涡轮增压技术、发动机 电控管理技术和排气后处理技术等。而高压电控燃油喷射系统则是保证柴油机满 足严格排放法规的核心技术。 1 2 燃油喷射系统对柴油机性能的影响 燃油喷射系统性能直接影响柴油机的燃烧过程，从而决定柴油机的废气排放 水平、燃油消耗、燃烧噪声及输出功率。为提高柴油机性能，燃油喷射系统应满 足以下要求： 高压喷射能力和喷油压力的灵活可控。 完全柔性的喷油定时控制。 喷油规律灵活可控。 1 2 1 高压喷射能力和可控喷油压力 采用高压喷射，提高了燃油喷射能量，增加了油束的贯穿度，改善了雾化， 促进油气混合。从燃烧角度来说，随喷射压力的提高，雾化质量提高，着火滞燃 期缩短，同时由于喷射速率的提高，因此在滞燃期内喷入的燃油量增加，预混燃 烧比例增加，此外较好的雾化质量，也提高了扩散燃烧速度，从而使燃烧持续期 缩短。喷射压力的提高同时采用更小直径的喷孔，可进一步改善燃油的雾化。喷 油特性和燃烧特性的改善，使高压喷射可以显著降低柴油机微粒排放和燃油消 耗，提高平均有效压力和热效率。但高压喷射也有其负面影响，即发动机机械负 荷、热负荷、n o 。排放和噪声的增加【2 l 巾1 。 此外，喷射压力的提高，改善了燃油的雾化，降低了对缸内空气运动的要 求，使低涡流或无涡流的燃烧系统的采用成为可能，有利于提高充气效率，提高 发动机的综合性能。伴随喷射压力的提高和进气涡流的降低，柴油机燃烧室的结 构也从深坑型向浅盆开口型过渡1 6 1 4 。1 。 传统的喷油泵系统的喷射压力与发动机转速关系很大，因而在低速时喷射压 力较低。对于喷油压力可控的燃油系统来说，提高低速喷射压力，有利于改善发 动机低速和部分负荷微粒排放。但是另一方面，为降低怠速和低负荷噪声，又要 求有相对较低的喷射压力。也就是说，最佳的喷射压力必须取决于发动机负荷和 转速。洲9 删 图l - l 为b o s c h 公司采用共轨系统后经过优化的喷油压力m a p 与v p 3 7 电控 分配泵喷油压力m a p 的对比1 9 1 。可看出采用共轨系统后，低速低负荷时喷油压力 有较大幅度的提高 忡钉硼舳p u f n pc o m 咖t a l l y 蛐e m b a f 1 6 耦漆； 蛉食： ，5 踟3 湖 e n 尊q 删 1 2 2 喷油定时控制 图1 - 1 喷油压力m a p 喷油定时控制的主要目的之一，就是优化n 0 x _ 微粒折衷曲线。高压喷射虽 2 8 4 o aqo|l。罢差 然能有效的降低微粒排放，但同时带来较高的n o 。排放。通过推迟喷油，可以降 低初始放热率及最高燃烧温度，从而减少n o 、排放。但是推迟喷油会使整个燃烧 过程后移，最高爆发压力降低，产生后燃，微粒排放增加，燃油经济性变坏，排 温增高，功率下降。因此需要根据不同的转速和负荷对喷油定时进行优化。 此外，发动机处于不同的运行状态和运行环境都需要对喷油定时进行优化控 制。图1 2 是同同一发动机在普通运行状态和高海拔运行运行状态时喷油定时 m a p 对比。 ( a ) 普通运行 图l - 2 喷油定时m a p ( b ) 高海拔运行 1 2 3 喷油规律的控制( i n j e c t i o nr a t es h a p i n g ) 对于柴油机来说采用高压喷射或喷油定时的控制来控制n o ，和碳烟排放时总 是受到这两种有害产物折衷关系的限制，降低一种产物排放量总是以另一种产物 的增加为代价。而喷油规律控制技术使得同时降低n o 。和碳烟排放成为了可能。 但是不能孤立的采用这项技术，喷油规律控制与高压喷射和定时控制相结合可取 得更佳的效果。 对喷油规律的控制包括，喷油规律形状的控制及采用预喷射、分段喷射、多 次喷射。 过快的初期燃烧速率是造成过高的n o x 排放和噪声的主要原因之一。控制喷 油规律的形状，降低喷油初期的喷油速率，减少初始喷油量，降低预混合燃烧的 比例，抑制初期燃烧速率，从而可以减少n o 。排放。文献【l l 】 1 2 】中提出了靴型喷 油规律，其基本思想都是控制喷油持续期内的喷油压力，在喷油初期采用较低的 喷油压力，以获得较低初期喷油速率。图1 3 为靴型喷油规律示意图。 弟一苹靖论 对于传统的机械式喷油系统，在喷油过程中，随着柱塞上行油管内压力逐渐 建立，喷油结束后，压力逐渐下降。对于不同的凸轮型线和出油阀结构设计，通 常可实现梯形喷油规律或三角形供油规律。对于高压共轨系统，喷油压力由共轨 压力决定，在整个喷油持续期内，喷油压力为恒定的高压，因此喷油规律接近于 矩形。高压矩形喷油规律，虽然能够有效的降低碳烟排放，但是在滞燃期内喷油 量较大，对降低n o ，和噪声排放不利。文献【1 3 】通过共轨喷油器的结构设计获得 梯形先缓后急的喷油规律。文献 1 4 1 中运用具有梯形喷油规律与高压喷射结合的 共轨喷油器优化发动机排放，获得了理想的效果。 图1 3 靴形喷油规律 采用预喷射也是降低喷油初期喷油速率，减少初始喷油量的有效途径。精确 控制的少量预喷油可以缩短主喷射的着火延迟期，从而显著降低预混合燃烧的比 例和放热率峰值。但是预喷射有可能造成炭烟排放的恶化，这主要由于主喷射被 向后推迟造成的。为了避免由于预喷射带来的对炭烟排放的不利影响，必须根据 发动机负荷和转速，优化预喷射量、主喷与预喷间隔及主喷射量等参数。文献 【1 6 1 7 】研究表明，在部分负荷，采用预喷射可同时改善n o ，排放和油耗，而在大 负荷预喷射作用不明显。 文献【1 9 】 2 0 】的研究表明，采用两次喷射和多次喷射对于同时降低n o 。和碳 烟排放具有很大的潜力。采用分段喷射可以提高对缸内的空气利用率，虽然其燃 烧持续期与单次喷射相比显著加长，但是并没有造成碳烟排放的恶化，这是由于 后期喷油具有较快的燃烧速度，氧化已生成的碳烟。分段喷射可降低缸内的峰值 燃烧压力，抑制初期放热率的增加，减少n o i 排放。 文献 2 0 】的研究还表明，无论是两次喷射还是三次喷射，最后一次喷油与前 期喷油的间隔对碳烟排放非常重要，相比之下最后一次喷射量所占比例并不是最 关键的。如图1 4 和1 - 5 分别是采用不同规律的两次喷射所得的折衷曲线及喷射 间隔对微粒的影响【2 0 1 。从图1 4 看出，4 8 5 2 ( 间隔1 0 。) 和7 5 2 5 ( 间隔 1 0 。) 这两种比例都能获得较好的折衷关系。从图l 一5 看出喷射间隔存在最佳 值。 文献 2 0 】的研究还指出，在采用两次喷射和多次喷射的条件下，喷油初期的 喷油速率对控制n o ，排放仍然重要。降低初期喷油速率，采用分段喷射，并保证 后面的喷射有较高喷油速率，可有效的控制微粒排放。文献【1 9 】的研究表明多次 喷射与适当的e g r 相结合对于改善n o 。和碳烟排放的折衷有非常显著效果。 文献 2 l 】分别运用分段喷射来改善冷启动性能，缩短冷启动时间，采用预喷 射来减少冷启动白烟，都取得了很好的效果。 n n yc p h h n - h r l 图1 - 4 两次喷射对折衷曲线的影响 1 ) w e l k x ) b e t w e e ni n j e c t i o n ( c a ) 图1 5 两次喷射间隔对微粒排放的影响 1 3 典型的共轨式电控燃油喷射系统 柴油机共轨式电控燃油喷射系统的特点是：喷射压力的产生与喷射过程相互 独立，在供油泵与喷油器之间有一起蓄压器作用的共轨管( c o m m o nr a i l ) ，从而 具有喷射压力与发动机转速无关，喷射压力、喷射定时、喷射规律的调整十分灵 活，以及喷射压力高等诸多优点。 根据共轨系统的工作原理，可以将其分为两类：1 中压共轨式电控喷射系 统，其特点是共轨压力相对较低，利用喷射器中的增压器产生高压，这类系统又 可细分为：液力增压式电控喷射系统( 又称电控液力泵喷嘴系统) ，典型系统如 卡特匹勒( c a t e r p i l l a r ) 公司的h e u i 系统；蓄压式电控喷射系统，典型系统如天 津大学的p a i r c u i 系统：2 高压共轨式电控喷射系统，其特点是共轨压力超过 1 0 0 0 b a r ，无需增压器。典型系统包括，b o s c h 公司的c r 系统、日本电装公司 e c d u 2 高压共轨系统等。 1 3 1 中压共轨系统 调 压 器 油器 油共轨 图1 - 6h e u i 系统原理图 1 h e u i 系统1 1 8 】吲 美国卡特匹勒的产品，属于液力增压式电控喷射系统，是目前应用最广的中 压共轨式电控喷射系统。目前的型号为h e u i - b ，喷射压力最高达1 7 5 0 b a r 。 图1 - 6 是h e u i 的系统原理图，该系统的特 点是：共轨管有两个，一个是机油共轨，压力在 1 5 1 5 0 b a r 之间，用于向喷油器提供驱动机油， 另一个是燃油共轨，用于向喷油器提供喷射燃 油，压力很低。如此设计带来的最突出优点是： 系统的安全性和可靠性很高。即使出现针阀卡死 而不能落座这种极端情况，燃油也不会向缸内大 量喷射。这一特点使得该系统在卡车用柴油机上 获得大量应用。 2 天津大学p 腻u i 系统【叫 该系统属于蓄压式共轨喷射系统。通过巧妙 的结构设计，p a i r c u i 电控喷射器消除了普通的图1 7p a i r c u i 喷油器原理图 蓄压共轨式喷射系统( 如b k m 公司s c r v o j e t 系统) 所具有的突出的缺点： ( 1 ) 喷射规律先急后缓，这对降低n o 。排放十分不利：( 2 ) 停喷缓慢，平均有效喷 第一革话诧 射压力较低，这不利于降低微粒排放。p a i r c u i 系统的开发目标是要实现预喷 射、快速停喷功能，从而达到改善喷油规律、提高平均有效喷射压力的目的。 图1 - 7 是p a i r c u i 喷油器的工作原理图。其基本工作原理是：电磁阀通电打 开后，共轨燃油推动一对增压活塞，使小室、大室、增压室内压力上升，完成蓄 压过程。电磁阀断电关闭后，增压活塞上行，增压室内压力迅速下降，喷嘴针阀 因压力不平衡而开启，小室内的燃油首先喷出，预喷射过程开始，但此时控制阀 处于关断状态，大室内的燃油不能经过小室喷出，随着小室内的压力降低，针阀 在弹簧力及大室压力的作用下关闭，预喷射结束。随着控制阀阀芯跟随小活塞继 续上行，控制阀开通，大室内的燃油进入小室，针阀下端的压力再次上升，主喷 射过程开始。当控制阀芯继续上行时，控制阀再次关断主喷射过程迅速结束。 p a i r c u i 系统的供油泵是斜盘式轴向柱塞泵，共轨压力采用电子调压阎控 制。 1 3 2 高压共轨系统 1 b o s c h 公司高压共轨系统口4 胁1 图1 培是b o s c h 共轨系统图，喷油器( 如图1 - 9 所示) 的设计特点是采用电 磁二位二通球阀，具有较强的抗污染能力。电磁阀通过液力柱塞控制针阀的开启 与关闭。针阀表面涂覆无定型碳，增强了针阀的抗卡死能力。其油泵采用偏心圆 图1 - 8b o s c h 共轨系统示意图 d 图1 9b o s c h 共轨喷油器 凸轮驱动三个径向均布的柱塞偶件。其中一个柱塞上装有断油阀，在小油量工况 切断该缸供油，达到节能目的。共轨压力调整使用电子调压阀。 2 日本电装公司e c d u 2 系统i ”“1 e c d u 2 喷油器最初使用二位三通电磁阀，结构复杂，新产品己改为二位二 通阀( 如图1 1 0 所示) ，与b o s c h 喷射器的主要不同点在于电磁阀的铁芯由硅钢 片叠制而成，因此对电涡流有较强的抑制作用，电磁阀的驱动电流也较小( 峰值 电流8 1 3 a ) 。e c d u 2 供油泵类似双缸直列泵，使用三桃凸轮，柱塞顶装有控 制出油量的电磁阀，共轨压力的控制采用闭环控制油泵出油量的方式，没有压力 调节阀。因此喷射系统的能量利用率较高。 3 l u c a s 公司高压共轨系统f 2 6 】 图1 1 1 为l u c a s 的高压共轨喷油器。喷油器中没有液力活塞，结构紧凑，体 积小，电磁阀采用压力平衡式锥阀结构，电磁阀尺寸小，响应快，但阀的抗污能 力差。l u c a s 系统的供油泵出油量可调，系统能量利用率高，共轨压力调整利用 油泵出油量调整和电子调压阀两套机构，在保证能量利用律的同时，提高了共轨 压力下调过程的响应速度。 图1 1 0e c d u 2 共轨喷油器工作原理图 图i - 1 1l u c a s 共轨喷油器 1 3 3 高压共轨系统的发展趋势 1 提高系统的安全性和可靠性。对于高压共轨系统，喷油器针阀的头部一 直处于共轨的高压之下，一旦出现针阀卡死无法落座、针阀密封面失效、电磁阀 常通等意外情况，就会出现燃油向汽缸内连续喷射的情况，严重时会因爆震而损 坏发动机。对于高压共轨系统的这一弱点，目前的解决办法是： ( 1 ) 加强燃油 滤清、滤水；( 2 ) 偶件表面特殊涂层，比如b o s c h 喷射器针阀表面涂碳： ( 3 ) 在共轨与喷射器之间装流量限制阀，但这种方法无法防止少量泄漏。( 4 ) 机体 上装爆震传感器，这是l u c a s 采用的方法。当然，最根本的办法应该是从喷射器 的结构设计上解决高压共轨系统的安全性问题，使其既保留高压共轨系统的控制 及安装的灵活性、又具有中压共轨系统的安全性，这自然是各设计者追逐的目 标。 2 采用压电陶瓷代替电磁阀作为执行器。电陶瓷执行器与电磁阀相比没有 由于电涡流和磁滞效应造成的滞后，因此阀的响应速度高达o 1 m s ，可以实现更 高的喷射油量及定时的控制精度。 3 采用更高的喷射压力。b o s c h 公司即将推出下一代共轨系统，其最高工作 压力达到1 6 0 0 b a r 。德国g a n s e r - h y d r o m a ga 1 3 研制的高压共轨喷油器最高压力达 到2 3 5 0 b a 一2 ”。 1 4 本课题研究的意义和内容 与发达国家相比，我国在柴油机电子控制喷油系统领域起步较晚。目前发达 国家已拥有适用于不同机型和用途的种类齐全的燃油喷射系统，从直列泵( 电控 和非电控) 、分配泵( 电控和非电控) 、泵喷嘴( 电控和非电控) 、单体喷油泵 ( 电控和非电控) 到共轨系统。而我国目前还处于非电控的直列泵占主导地位、 分配泵少量应用的阶段。面对这一差距，如果我们沿着燃油喷射技术的发展历史 一步步去补课，随着国外技术的继续进步，我们消耗大量的人力物力换来的可能 是更大的差距。因此我们只有直接瞄准最先进的共轨技术进行研究和开发，采用 跨越式发展的思路，这才有可能弥补差距，而且直接开发共轨技术更加适应我国 的国情，因为应用直列泵或分配泵的柴油机，机体无须变动就可以改装共轨系 统。 作者在论文工作期间主要从事高压共轨喷油器及其高速响应电磁铁的设计、 9 第一常绪论 计算机仿真和实验研究工作。本文主要内容分为以下部分： 1 为了设计参数对共轨喷油器电磁铁响应特性的影响，从计算机仿真和实 验两个角度进行了研究。 2 从消除共轨油压对喷油器液力过程影响的角度考虑，设计了两种控制阀 结构，并进行了对比研究。 3 由于共轨喷油器控制室结构参数的设计直接影响喷油器液力响应过程和 所能实现的喷油规律形状，分别通过仿真和实验进行了研究。 4 燃油系统开发的最终目的是与在发动机上应用，为此进行了共轨系统与 发动机的匹配实验，并研究了共轨油压和喷油规律对燃烧过程和排放的影响。 1 0 第二二章f i r c r ii 岛胍共轨喷油器工作原理敷实验系统 第二章f i r c i r 高压共轨喷油器 工作原理及实验系统 本章介绍了f i r c l 己i 喷油规律灵活可控的高压共轨喷油器的基本原理 喷油器实验系统的组成和控制方法。 2 1f i r c r i 高压共轨喷油器 基本结构和工作原理 图2 1 所示为f i r c r i 高压共轨喷油器的部分剖面图。主要构件包括，高速 响应电磁铁、平衡控制阀、液压活塞、针阀顶杆和喷油嘴等。其工作过程是： 1 ，在电磁铁通电之前，与电磁铁衔铁相连的平衡控制阀处于关闭状态，高 压共轨压力通过进油节流孔作用在液压活塞顶面，虽然共轨油压也作用在喷油嘴 针阀上，但是由于液压活塞顶面面积大于喷油嘴针阀承压面积，加之针阀弹簧的 作用力，使得喷嘴针阀不能抬起，喷油器没有喷油。 2 在电磁铁通电之后，在电磁力的作用下衔铁带动平衡控制阀迅速开启。 控制室通过出油孔与回油口连通，而高压共轨与控制室之间是通过进油节流孔相 连，从控制阀泄掉的油来不及补充，使控制室内压力下降，液压活塞上行，针阀 打开喷油。 3 电磁铁断电后，在弹簧力的作用下，平衡控制阀关闭，作用于液压活塞 顶面的压力增大，推动液压活塞下行，喷嘴针阀落座，停止喷油。 因此通过控制电磁铁的通电时刻和通电时间的长短，可以实现喷油定时和喷 油时刻的灵活控制。根据以上的工作原理可知，高压共轨喷油器性能不但受电磁 铁和控制阀的影响，也受与控制室相关的诸参数的影响。 2 2f i r c r i 喷油器实验系统 2 2 1 实验装置及总体布置 图2 - 2 所示为f 汇m 高压共轨喷油器实验系统示意图。共轨系统包括带齿条 比例电磁铁的高压油泵、共轨管、高压油管和喷油器。主要实验装置如表2 i 所 示。 2 2 2 测控系统 5 图2 1f i r c r j 部分剖面图 油孔 油孔 平衡控制阀 f i r c r i 喷油器实验系统采用基于微机的测控系统，其中包括a d 板和定时 i 0 板及执行器驱动电路。a d 板用于采集衔铁升程、电磁铁线圈电流、反馈共轨 油压和喷油规律。定时i 0 板用于产生控制脉冲通过驱动电路控制驱动喷油器电 第二章f i r c r i 商雎麸轨喷油器t 作原理及实验系统 磁铁、油泵比例电磁铁和调压阀。采样与控制之间的协调由微机完成。 传感器及控制信号规律测量仪 ( 1 ) 调压阀控制信号( 2 ) 衔铁衔铁升程反馈( 3 ) 油泵比例电磁铁控制信号 ( 4 ) 共轨油压反馈 ( 5 ) 喷油器电磁铁驱动信号 ( 6 ) 电磁铁电流反馈( 7 ) 喷油规律及单次喷油量 图2 - 2 f i r c r i 高压共轨喷油器实验系统示意图 共轨压力传感器 c y y l l 应变式压力传感器( 0 - - 1 5 0 m d a ) 升程传感器a v l 4 2 4 电感式位移传感器及信号放大器 喷油规律仪e f s e m i 1 单次油量及喷油规律测量仅 油泵比例电磁铁a p e c s a c t u a t o r0 2 5 0 p ( 最大行程2 4 5 m m ) 2 2 3 控制方法 实验中的主要被控制量是喷油量和共轨油压。 本系统中，共轨油压的调节采用了两种方式。第一种方式是，通过控制齿条 位霞调节高压油泵供油量来完成的。齿条位置依靠与其现连的比例电磁铁控制。 微机改变比例电磁铁控制脉冲( p w m ) 的占空比，以调节比例电磁铁线圈上的电 第二章f i r c r i 高压共轨喷油器丁作原理及实验系统 流，进而控制比例电磁铁位移。由于比例电磁铁响应相对较慢，因此它适用于油 压的粗调。另一种方式是通过共轨上的调压阀来完成。微机根据共轨油压的反 馈，改变调压阀控制脉冲( p w m ) 的占宽比，从而控制调压阀阀芯上的电磁力， 电磁力的大小决定了共轨的溢流量。此中方式适用于消除共轨内压力波动的精确 调节。同时提高共轨压力调整的响应速度。 喷油量由共轨油压和喷油器电磁铁控制脉冲的宽度共同确定。在一定油压 下，电磁铁通电时间的长短决定了喷油量的大小。 4 = = = = 兰兰兰坚娑些型型型望坠= 一 第三章高压共轨喷油器电磁铁 的设计与研究 在绪论二章介绍了目前国外已实用化的几种高压共轨电控喷油系统。这几种 喷油系统的电控喷油器都是采用电磁阀作为电控执行元件。本章主要在对电磁铁 设计基本理论分析的基础上，通过计算机仿真和实验，研究了各种参数对高速响 应电磁铁性能的影响。 3 1 高压共轨喷油器电磁铁响应特性的理论分析 3 1 1 设计要求与基本选型 高速响应电磁铁是高压共轨喷油器能否正常工作的核心元件之一。要求高压 共轨喷油器电磁铁具有快速响应特性和较大的吸力。 作为执行元件，电磁铁的开启和关闭直接控制高压共轨喷油器的喷油和停 喷，因此喷油持续期长短直接由电磁铁开启时间决定。柴油机标定点的喷油持续 角约为2 0 3 0 。c a ，若设柴油机标定转速为3 0 0 0 r r a i n ，则喷油持续时间为 1 1 1 7 m s 。而在部分负荷和预喷射时，喷油持续期则更短，例如预喷射油量要求 小于3 m m 3 。这就要求高压共轨喷油器电磁铁的开启响应时间( 从电磁铁通电到 衔铁完全吸合的时间) 和关闭响应时间( 从电磁铁断电到衔铁完全释放的时间) 均小于o 5 m s 。 对高压共轨系统，由上一章的工作原理分析可知，共轨内高压燃油完全作用 在与电磁铁衔铁相连的控制阀上，因此从密封角度考虑必须有足够的衔铁弹簧 铁 呷 u i， ，闼因 图3 - 1e 形电磁铁结构示意图 = = = 兰兰型些些些些些些兰坠= = 一 - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ l - - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ l - - _ _ i _ - i _ _ _ - - _ - _ _ 一 力，这就要求电磁铁有足够的电磁力。 f i r c r i 高压共轨喷油器采用e 形结构电磁铁如图3 - 1 所示。e 形电磁铁结构 紧凑，运动件质量相对较小，在短行程情况下，吸力较大，有利于提高响应速 度，是国外高压共轨喷油器电磁铁普遍采用的结构形式0 1 1 2 4 儿2 “。 3 1 2 理论基础与分析 众所周知，在电磁铁线圈上加额定电压后，系统中存在着电磁惯性( 来源于 含电感电路的过度过程) 和机械惯性( 来源于衔铁的质量) ，衔铁不可能立即吸 合，而是要有一个时间间隔。当线圈断电后，由于类似的原因，衔铁释放也不是 在一瞬间完成。因此有必要研究电磁铁的动态时间特性及衔铁运动过程中实际存 在的动态吸力。 3 1 2 1 电磁铁的动态时间特性 f i r c r i 高压共轨喷油器电磁铁采用单线圈直流电压驱动。电磁铁的动态过程 包括吸合和释放过程。下面分析直流电磁铁的动态吸合过程。 电路方程： “：i r + 坐，( 3 1 ) 谢 韭；n d * ：n 塑生，( 3 2 ) m壤md t 其中，u 一电磁铁驱动电压，i 一线圈电流，r 一线圈内阻，巾一磁通，n 一线圈匝 数，v 一磁链，q l = nd 0 ，l = 掣为线圈自感系数。 衔铁运动方程： 肌豢= 瓦一印( 3 - 3 ) 其中，f o 一电磁力，f ，衔铁弹簧力，n r 衔铁运动质量。 直流电磁铁线圈接通电源后，在吸力达到足以克服弹簧力使衔铁移动以前， 线圈电流逐渐增长，如图3 2 所示o a 段，磁铁中的磁通也逐渐增长，到达a 点 时，衔铁开始运动，此时电流为i o 。定义从电磁铁通电到衔铁开始运动的时间为 电磁铁电开启响应时间，记为t o l 。在这段时间内，嘶) 一般处于直线段，可认 为d z d t = 0 。 ：= 鳖兰些些些些坐些型望些= ：= ：= 一 - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一一。 ( 3 - 1 ) 式变为： “：i ，+ 工堡，( 3 4 ) m 由上式可解得： f ：兰b 一扎( 3 - 5 ) r lj 其中，t 一电磁时间常数，t = l ，。 将i o 。代入( 3 - 5 ) 式可得： t o l ：t i n l ( 3 6 ) 一i o l r 衔铁运动后，气隙随之逐渐减小，速度逐渐上升，线圈电感也发生变化，产 生反电动势。( 3 1 ) 式可改写为： “：f ，+ 上堕+ f 丝：护+ 三堕+ 如丝( 3 7 ) d ld td t出 在t o l 时问内，电流按指数规律增长，线圈内的自感电动势工州出取正 值，欲与电源电压u 平衡，其作用是限制电流的增长。衔铁运动后，运动反电动 势i v d l a 使电流下跌，一直到衔铁终止运动。如图3 - 2 所示a b e 段，到达c 点 衔铁完全吸合。定义从衔铁运动到电磁铁完全吸合的时间为电磁铁机械响应时 间，记为t 0 2 。 从a 点开始到b 点的区间，运动速度v 很小，运动反电动势较小，电流的增 长速度与o a 段相比变慢。在b 点之后，运动反电动势作用开始显著起来，迫使电 流下降。c 点之后，由于i v d z d 譬= 0 ，电流按新的指数规律增长，直至达到稳 态。 释放过程，是指从电磁铁断电到衔铁完全回落为止的过程。由于铁心中涡流 的影响，释放过程存在一个磁通逐渐衰 减的过程。磁滞效应对释放过程也有影 响，磁滞导致的剩磁通阻碍衔铁的落 座。与吸合过程类似，定义从电磁铁断 电到衔铁开始回落所用时间为电磁铁电 关闭响应时间，记为t c l 。从衔铁开始 回落到电磁铁完全关闭所用时间为电磁 铁机械关闭响应时间，记为t e 2 。 图3 - 2 电磁铁吸合过程电流变化 _ _ _ - _ i - _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ 一一 3 1 2 2 电磁铁的吸力特性 电磁铁吸力特性指电磁力与衔铁运动位置即气隙之间的关系。 由电磁铁工作过程的能量平衡，可得非线性磁路电磁铁吸力公式： = 扣筹， s ， 其中，u 。一气隙磁位降，g 一气隙磁导，6 气隙。 对于气隙较小的情况，由麦克斯韦方程可得( 3 8 ) 式的等效形式： f 一1 b 2 s ， ( 3 9 ) 2 o 其中，b 一气隙磁感应强度，u 。一空气磁导率4 x1 0 h m ，s 一气隙导磁面 积。 电磁力所作功包括衔铁运动所作的机械功，同时也包括由于磁滞效应和由于 磁通变化而在磁路中产生的涡流所引起的能量损耗。 3 1 2 3 改善电磁铁动态特性的措施 根据以上对电磁铁动态特性分析，以下措施有助于缩短电磁铁的开启和关闭 响应时间以及提高电磁力。 1 提高电磁铁线圈驱动电压。提高驱动电压可以提高电流的上升速度，加 快铁心内磁通的增长，使磁路快速达到饱和，从而使电磁铁在吸合过程中获得尽 可能大的电磁力，缩短开启响应时间。 2 尽可能减小衔铁运动质量，以减少机械惯性对响应时间的影响。 3 从( 3 3 ) 式可看出，增大衔铁弹簧的刚度可以提高开启响应速度，但会 使衔铁释放过程变慢。 4 降低涡流。涡流降低后可同时缩短开启和关闭响应时间。降低涡流的措 施包括：采用高电阻率的铁磁材料，从而减少涡流损耗：改进铁心结构，如采用 有层间绝缘的薄钢片叠成的铁心结构。 5 选用矫顽力小的铁磁材料制造铁心，减少磁滞损耗，降低剩磁，提高电 磁铁关闭响应速度。 6 采用退磁间隙。退磁间隙是衔铁完全吸合后，铁心与衔铁之间所留出的 间隙。退磁间隙的作用也是削弱剩磁对衔铁释放过程的影响。带气隙的铁心磁路 与不带气隙的磁路相比，磁滞回线倾斜程度增加，从而剩磁减小。但是退磁间隙 的存在将延长开启响应时间，因此有必要选取同时兼顾开启和关闭响应时间的最 一= = 兰些兰垫些型些竺些型圣= = = 一 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。_ _ _ _ _ 。- _ - 。_ _ _ - 。- _ _ _ - - 。- _ 。一 一 优值。 7 从图3 2 电磁铁吸合过程的电流变化可看出，在c 点衔铁已经完全吸合， c 点之后电流继续增长，实际上为了维持衔铁的吸合状态并不需要过高的电流。 因此，当达到c 点之后，可采用适当的措施抑制 电流的增长，将电流限制在能够保证最小保持磁 通，以维持衔铁的吸合。如采用p w m 波驱动电 磁铁线圈，波形如图3 3 所示，其中主控波用于 电磁铁吸合，p w m 波用于保持。降低衔铁保持 电流既可以降低电磁铁驱动能耗，同时也可以提 主拉脉冲p w m 保持波 图3 - 3 电磁铁线圈驱动波形 高关闭响应速度，这是因为衔铁释放过程中的电流变化减少，从而磁通衰减的过 渡过程缩短。减低保持电流后，必须采取措施减少剩磁使其小于最小保持磁通， 否则衔铁将无法正常释放。 8 根据( 3 - 9 ) 式采用具有高饱和磁感应强度的材料，可提高电磁力。进而 可以加快开启响应。电磁力增加后允许采用较大刚度的弹簧，有利于加快关闭响 应速度。 3 2f i r c r i 高压共轨喷油器电磁铁的仿真研究 在电磁系统中，磁路参数具有分布性，磁化特性具有非线性，还存在多变量 的相互影响，以及磁通变化引起的涡流，都将影响电磁仿真计算的精度。但是， 进行高压共轨喷油器电磁铁动态工作过程的仿真研究，仍然可以为电磁铁的设计 提供基本依据。同时，利用所建立的仿真模型，研究控制参数和结构参数对电磁 铁响应特性的影响，可以为电磁铁的性能优化提供指导。 3 2 1 假设条件 1 不计漏磁通对电磁铁工作过程的影响。 2 不计磁滞效应对关闭响应的影响。 3 。电磁铁仿真过程中，忽略喷油器液力过程中的流体阻力、液压力对衔铁 运动过程的影响。 3 2 2 电磁铁仿真模型基本方程 基本方程包括，电路方程( 3 - 1 ) 式和衔铁运动方程( 3 3 ) 式，为讨论方便 1 9 _ _ - - - - _ _ - - _ - _ - _ - _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ 一一 一 在此处重新列出： “：f f ) r + 业， ( 3 1 0 ) 。 讲 m 窘= 巴b ) 一只b ) ， b 其中，衔铁运动质量m 包括了衔铁质量及与衔铁相连的共轨喷油器控制阀质量。 电磁力计算参见( 3 9 ) 式。 由于伴随电磁铁的动态工作过程产生的涡流对其性能有较大的影响，因此有 必要在电磁铁仿真模型中引入涡流模型。图3 - 4 所示为考虑涡流的等效电路。 图中r 为涡流等效电阻，i 。为电磁铁线圈电流，i 。为涡流等效电流。电磁铁 铁心涡流损耗计算公式为 3 l l ： p ：型f 丝1 2 ， ( 3 - 1 2 ) 8 pl 西 其中，p 一涡流损耗，h 一铁心高度，r 一圆柱铁心半径，p 一铁心材料的电阻 率，b 一铁心饱和磁感应强度。 从公式中可看出，采用高电阻率的铁磁材 料可降低涡流损耗。例如，硅钢的电阻率时铁 的5 倍：p 牲1 1 0 。q m ，对含3 硅的硅钢， pm 5 1 0 。qm ，因此用硅钢制造的铁心涡流损 耗要相应减小。 一 铁心直径与涡流损耗的四次方成正比，因 此采用叠片结构对降低涡流损耗更为有效。例 图3 - 4 考虑涡流的等效电路 如把截面积为s 的圆柱体用1 1 个截面为s = s n 的小圆柱体代替，各小圆柱体之间 彼此电绝缘，则把电涡流局限在几个直径为原直径l 珂的独立小圆柱体内。因此 若不考虑磁感应强度的影响，由( 3 1 2 ) 可得，n 个小圆柱体的总涡流损耗为原 来的l ，n 。 假设用绕在铁心上的短路线圈来等效代替涡流效应，其匝数为l ，电阻为 r ，该线圈中的感应电动势为： e ，：斌z 塑， 出 则此短路线圈消耗的功率为： 肚等( 势( 3 - 1 3 ) 若用短路线圈等效代替涡流效应，二者消耗功率应相等，即p = p ，则由( 3 _ _ _ - _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ - _ _ - - _ 一 1 2 ) 和( 3 - 1 3 ) 式得： 尺，：堕， ( 3 1 4 ) 。h 将归化到电磁铁激励线圈的涡流等效电阻为： 尺。：匙：n 2 挈， ( 3 1 5 ) 根据图3 4 ，( 3 1 0 ) 式改为： ”= d 。( f ) + 阱，+ 警 ( 3 1 6 ) 电涡流对电磁铁的响应过程起阻碍作用，使得线圈驱动电流过高，其消耗的 功率全部转化成热量，造成铁心和线圈的温升，长时间处于过高的温升状态，会 导致线圈寿命下降。因此在共轨喷油器实际设计中应采取冷却措施( 例如回油冷 却) ，带走涡流损耗产生的热量。但是最根本的措施还是从铁心材料和电磁铁结 构入手降低涡流损耗。 3 2 3 仿真结果 将f i r c r i 高压共轨喷油器电磁铁控制参数和结构参数代入上述模型，采用 四阶龙格一库塔法求解，计算结果如下。 1 一组仿真结果 如图3 5 所示电磁铁激励电压为1 1 0 v ，保持2 4 v 时，控制脉冲、线圈电流、 衔铁升程、电磁力随时间的变化关系。 对比控制脉冲和衔铁升程得出，电磁铁电开启响应时间t o l 为0 0 8 3 m s ，机 械开启响应时间t 0 2 为o 1 3 8 m s ，即总开启响应时间t o l + t 0 2 为o 2 2 1 m s 。若模 型中不考虑电涡流的影响，则计算所得总开启响应时间为o 1 5 2 m s ，减少了 3 1 ，由此可看出电涡流对电磁铁响应特性由很大影响。 由于模型中不考虑磁滞效应对关闭响应时间的影响，且仿真中电磁铁驱动电 路采用文献【3 7 】提出的无释放回路的电路计算，理论上没有释放回路就相当于释 放回路的电阻为无穷大，此时感生电流衰减的时间常数为零，电磁铁断电后，电 磁铁线圈电流应瞬时切断。模型中得出电磁铁电关闭响应时间为o 0 2 m s ，机械关 闭响应时间为0 1 6 4 m s ，总关闭响应时间为0 1 6 6 m s 。 从仿真得出的电流随