（动力机械及工程专业论文）新型电控柴油喷射系统的开发与性能研究.pdf

大连理工大学博士学位论文 摘要 柴油机电控化是现代柴油机发展的必然趋势。而电控喷射系统作为现代柴油机的中 枢调节装置，已成为行业内竟相开发的核心课题。因此，开发具有自主知识产权且符合 国情的电控高压喷射系统对提高我国柴油机的自主开发能力和市场竞争能力，保证柴油 机产业持续、稳定、健康发展，具有重要的意义。 本文结合成都威特电喷有限公司的“威泵”产品开发过程进行了新型电控柴油喷射 系统的性能研究。采用实验分析和a m e s i m 软件数值模拟相结合的方法，针对喷射压 力、循环喷油量、喷油规律等高压喷射特性和高低压系统的压力、温度、循环喷油量耦 合特性进行了深入研究，进而进行燃油喷射系统的改进方案优化，并且成功匹配发动机 达到国排放法规要求。论文主要进行了以下几个方面的研究工作。 首先，进行了决定燃油喷射系统能否成功匹配发动机的高压喷射特性研究。在通 过实验研究得到了喷射压力m a p 、喷射温度m a p 和循环喷油量m a p 的基础上，对显著 影响喷射特性的喷射压力、循环喷油量、喷油持续期和供油系数的5 大燃油系统参数的 响应、以及与各种喷射特性的相关性进行了分析。研究表明燃油喷射系统是一个多参数 相互作用的高度复杂的非线性系统。系统的高度复杂性导致了产品开发初期循环喷油量 波动的发生。将导致循环喷油量波动的原因划分为三种形式：1 ) 使用寿命周期内系统 性能参数变化引起的循环喷油量变化；2 ) 大批量生产中由于制造精度产生的个体之间 的循环喷油量不一致；3 ) 由于复杂的液力系统作用引起的燃油喷射系统的单缸循环喷 油量波动和不同缸循环喷油量波动。利用实验设计中相关性分析方法和蒙特卡罗方法对 前两种原因中影响循环喷油量波动的关键参数的量化指标进行了分析，为该系统性能的 稳定和标定m a p 的一致性提供了保障。 其次，考虑到燃油喷射系统是高低压耦合的整体系统，分析了低压系统参数对喷射 特性的影响，并进行了高低压耦合动态喷射特性的研究。为设计出高压喷射特性对低压 系统敏感性低的系统，进而解决第三种循环喷油量波动提供了指导依据。实验揭示了高 低压系统压力、温度和循环喷油量各种特性耦合现象以及强耦合引起的不正常喷射现 象。为了消除这种不正常现象，提出采用加阻尼出油阀和改进低压供油压力的解耦方法， 并且通过a m e s i m 仿真模型优化了阻尼出油阀结构参数和低压系统参数，降低了高压 喷射系统对低压系统的敏感性，解决了第三种循环喷油量波动问题。对低压系统进行变 参数的研究表明：回油阀工作压力对吸油充分程度影响比输油泵流量敏感，并且不同低 压油路对压力波动衰减、相邻缸喷射特性影响也不同。 新型电控柴油喷射系统的开发与性能研究 另外，为了深入分析系统特性，利用现代控制理论进行了燃油喷射系统的线性分析。 系统矩阵特征值的分析表明：燃油喷射系统是一个多输入、多输出、非线性，时变、不 稳定的系统；系统高压部分模态分析表明：高压喷射过程中大幅值模态出现在燃油系统 泵体腔内和高压油管内，喷油器部分的模态小，满足理想喷射规律的要求。系统低压部 分模态分析显示：模态的特征频率都在1 0 0 0 h z 以上，对低压系统各缸吸油位置的压力 波动影响小，通过高低压系统解耦后的燃油喷射系统低压部分的共振频率模态对高压喷 射特性没有影响。 最后，为了验证所开发的燃油喷射系统的可行性，将解耦优化后的系统进行了发动 机匹配标定。国i i i 十三点工况排放测试结果为：n o x 为4 8 9 k w h ，p m 为0 0 8 9 k w h ， 满足了国i i l 3 h 放法规要求。 为了进一步降低高低压系统强耦合特性，针对低压系统的吸油油路特点，提出了新 型低压吸油油路结构，并在a m e s i m 环境中建立模型，证明了其方案的可行性。为了 实现理想的喷油规律，提出了实现靴形喷油规律的新型控制电流和双柱塞系统两种方 案，通过数值模拟证明了其实现靴形喷油规律的可行性。 关键词：柴油机；电控柴油喷射系统；高低压耦合；循环喷油量波动；靴形喷射 大连理工大学博士学位论文 d e v e l o p m e n ta n dp e r f o r m a n c ei n v e s t i g a t i o no nan e wt y p e e l e c t r o n i cc o n t r o ld i e s e lf u e li n je c t i o ns y s t e m a b s t r a c t e l e c t r o n i cc o n t r o li st h et r e n do fm o d e md i e s e le n g i n ed e v e l o p m e n t a st h eh e a r ta n d b r a i no fd i e s e le n g i n e ，e l e c t r o n i cc o n t r o lf u e li n j e c t i o ns y s t e mi st h em o s ti m p o r t a n tp a r to f d i e s e l e n g i n e t h e r e f o r e ，d e v e l o p m e n to fa p p r o p r i a t ee l e c t r o n i cc o n t r o ld i e s e li n j e c t i o n s y s t e mi sb e i n gu r g e n t l yn e e d e db yc h i n e s ed i e s e le n g i n ei n d u s t r y a sa n i m p o r t a n tp a r t o fn e we l e c t r o n i cc o n t r o lf u e l i n j e c t i o ns y s t e mp r o d u c t d e v e l o p m e n ti nc h e n g d uw i te l e c t r i ci n j e c t i o nl t d ，s y s t e mc h a r a c t e r i s t i c sa n a l y s i sw a sd o n e w i t ht h ec o m b i n a t i o no fe x p e r i m e n ta n a l y s i sa n da m e s i ms o f t w a r en u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h i sd i s s e r t a t i o n p r e s e n t s t h ew h o l ea n a l y s i s p r o c e s s ，w h i c h i n c l u d e si n v e s t i g a t i o no f i n j e c t i o nc h a r a c t e r i s t i co fi n j e c t i o np r e s s u r e ，c y c l ef u e lq u a n t i t y ，f u e li n j e c t i o nr a t ea n d h i g h - l o wp r e s s u r es y s t e mc o u p l i n gc h a r a c t e r i s t i co fp r e s s u r e ，t e m p e r a t u r e ，c y c l ef u e lq u a n t i t y b a s e do nt h ea n a l y s i s ，o p t i m i z a t i o no fn e wf u e li n j e c t i o ns y s t e mw a sd o n eb yt h ea u t h o r e q u i p p e dw i t ht h eo p t i m i z e df u e li n j e c t i o ns y s t e m ，d i e s e le n g i n e s e m i s s i o n sm e e tt h e r e q u i r e m e n to fc h i n ai i ie m i s s i o nr e g u l a t i o n t h em a i nr e s e a r c hw o r ko ft h i sd i s s e r t a t i o ni s s u m m a r i z e da sf o l l o w s f i r s t ，h i g hp r e s s u r ei n j e c t i o nc h a r a c t e r i s t i cw a ss t u d i e d ，w h i c hd e t e r m i n e st h es u c c e s so f e n g i n em a t c h i n g t h r o u g ht h ee x p e r i m e n ta n a l y s i so fh i g hp r e s s u r ei n j e c t i o nc h a r a c t e r i s t i c ， t h ea u t h o ra t t a i n e di n j e c t i o np r e s s u r em a po fh i g hp r e s s u r es y s t e m ，i n j e c t i o nt e m p e r a t u r em a p a n dc y c l ef u e li n j e c t i o nq u a n t i t ym a p s i n c ei n j e c t i o nc h a r a c t e r i s t i c si sb a s i c a l l yi n f l u e n c e db y f i v em a i np a r a m e t e r s ，w h i c ha r ei n j e c t i o np r e s s u r e ，c y c l ef u e lq u a n t i t y ，i n j e c t i o nd u r a t i o n ，a n d f u e ls u p p l ye f f i c i e n c yr e s p e c t i v e l y ，t h er e s p o n s ea n a l y s i sa n dc o r r e l a t i o na n a l y s i so ft h e m w e r ee x e c u t e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ef u e li n j e c t i o n s y s t e m i s m u l t i p a r a m e t e r s c o m p l i c a t e di n t e r a c t i o nn o n l i n e a rs y s t e m t h ec o m p l e x i t yo ff u e li n j e c t i o ns y s t e mc a u s e s c y c l e t o - c y c l ev a r i a t i o no ff u e li n j e c t i o nq u a n t i t y i no r d e rt or e a l i z et h es t a b i l i t yo ff u e l i n j e c t i o nq u a n t i t yp e rc y c l e ，t h ec a u s e so ft h ev a r i a t i o na r ec l a s s i f i e di n t ot h r e et y p e sb yt h e a u t h o r t h e ya r el i f e c y c l ec y c l ef u e lq u a n t i t yv a r i a t i o nw h i c h i sd u et ot h ec h a n g eo fs y s t e m p a r a m e t e r s i nl i f e c y c l e ，i n d i v i d u a lc y c l ef u e l q u a n t i t yv a r i a n c ew h i c hi sc a u s e db yt h e p r e c i s i o no fm a n u f a c t u r e ，a n ds i n 百eo rm u l t i - c y l i n d e rc y c l ef u e lq u a n t i t yv a r i a t i o nw h i c hi s l e db yt h ec o m p l i c a t e dh y d r a u l i ce f f e c to ft h es y s t e m w i t ht h ea p p l i c a t i o no ft h ec o r r e l a t i o n a n a l y s i si nd e s i g no fe x p e r i m e n t ( d o e ) a n dm o n t ec a r l om e t h o d ，t h ef o r m e rt w ot y p e so f v a r i a t i o nw e r et h o r o u g h l yi n v e s t i g a t e d f i n a l l yt h ea u t h o ra t t a i n e dt h ek e yp a r a m e t e r so f 新型电控柴油喷射系统的开发与性能研究 i n f l u e n c i n go nc y c l ef u e lq u a n t i t yv a r i a t i o n ，a l s ot h eq u a n t u mi n d e xw a sd o n e ，w h i c hs u p p l i e s g u a r a n t e et os y s t e mp e r f o r m a n c es t a b i l i t ya n dc a l i b r a t i n gm a pc o h e r e n c e ，a n de s t a b l i s h e sa f o u n d a t i o nf o ri n d u s t r i a l i z a t i o n s e c o n d ，c o n s i d e r i n gt h a tf u e li n j e c t i o ns y s t e mi saw h o l es y s t e mc o u p l i n gh i g ha n dl o w p r e s s u r ep a r t s ，t h ea u t h o ra n a l y z e dt h ei n f l u e n c eo fl o wp r e s s u r ep a r to nf u e li n j e c t i o n c h a r a c t e r i s t i c sa n ds t u d i e dt h eh i g h - l o wp r e s s u r ec o u p l i n gi n j e c t i o nc h a r a c t e r i s t i c t h e i n v e s t i g a t i o np r o v i d e st h e o r yb a s i so fr e d u c i n gt h es e n s i t i v i t yo fh i g hi n j e c t i o np r e s s u r e c h a r a c t e r i s t i c st ol o wp r e s s u r ep a r ta n ds o l v i n gt h ep r o b l e mo ft h et h i r dt y p ec y c l ef u e l q u a n t i t y v a r i a t i o n t h e e x p e r i m e n ts t u d yo f t h i sd i s s e r t a t i o nr e v e a l e dt h ec o u p l i n g p h e n o m e n o no fh i 【g ha n d l o wp r e s s u r ep a r t s p r e s s u r e ，t e m p e r a t u r ea n di n j e c t i o nq u a n t i t ya s w e l la sa b n o r m a li n j e c t i o nc a u s e db yt h ei n t e n s i v ec o u p l i n gp h e n o m e n o n i no r d e rt o e l i m i n a t et h ea b n o r m a lp h e n o m e n o n ，t h ea u t h o rp r o p o s e dad e c o u p l i n gm e t h o d ，w h i c ha d o p t s d a m p i n gd e l i v e r yv a l v ea n do p t i m i z i n gl o wf u e ls u p p l yp r e s s u r e t h r o u g ha m e s i m m o d e l i n g , p a r a m e t e r so fd a m p i n gd e l i v e r yv a l v ea n d l o wp r e s s u r ep a r tw e r eo p t i m i z e d a f t e r o p t i m i z i n g ，t h es e n s i t i v i t yo fh i g hp r e s s u r ep a r tt ol o wp r e s s u r ep a r ti sl a r g e l yr e d u c e da n d p r o b l e mo ft h i r dt y p ec y c l ef u e lq u a n t i t yv a r i a t i o ni ss o l v e d i na d d i t i o n ，l o wp r e s s u r ep a r t w a ss t u d i e db yp a r a m e t e rc h a n g i n gi n v e s t i g a t i o n t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ei n f l u e n c eo f r e l i e fv a l v eo p e r a t i n gp r e s s u r eo ns u f f i c i e n tf u e la t t r a c t i o ni sb i g g e rt h a nt h a to fs u p p l yp u m p f u e lr a t e ，a n dd i f f e r e n tl o wp r e s s u r ef u e l a t t r a c t i o ns t r u c t u r eh a sd i f f e r e n ti n f l u e n c eo n d a m p i n gp r e s s u r ew a v ea n di m p r o v i n gn e x tc y l i n d e ri n j e c t i o nc h a r a c t e r i s t i c t h i r d ，t od e e p l ya n a l y z es y s t e mp e r f o r m a n c e ，t h el i n e a r i t ya n a l y s i so ff u e li n j e c t i o n s y s t e mw a sp e r f o r m e dt h r o u g hm o d e r nc o n t r o lt h e o r y s y s t e mm a t r i xe i g e n v a l u ea n a l y s i s s h o w st h a tf u e li n j e c t i o ns y s t e mi sam u l t i i n p u t ，m u l t i o u t p u t ，n o n l i n e a r , t i m e - c h a n g i n g , i n s t a b i l i t y ，h i g hc o m p l i c a t e ds y s t e m m o d e ls h a p ea n a l y s i so fh i g hp r e s s u r ep a r ti n d i c a t e st h a t t h el a r g e rm o d a ls h a p ea p p e a r si nt h ef u e li n j e c t i o ns y s t e mp u m pb o d yc a v i t ya n dh i g h p r e s s u r ep i p e ，a n ds m a l l e rm o d a ls h a p ea p p e a r si ni n j e c t o rm e e t i n gt h er e q u i r eo fi d e a l i n j e c t i o nf u e lr a t e m o d e ls h a p ea n a l y s i so fl o wp r e s s u r ep a r tr e v e a l st h a tt h ee i g e n f r e q u e n c y o fm o d e ls h a p ei sm o r et h a n1 0 0 0 h z ，w h i c hh a sl i t t l ei n f l u e n c e so np r e s s u r ew a v eo fe v e r y c y l i n d e ra t t r a c t i o np o s i t i o n ；a l s o ，t h er e s o n a n c ef r e q u e n c ym o d e ls h a p e o fl o wp r e s s u r ep a r to f f u e li n j e c t i o ns y s t e ma f t e rh i g h l o wp r e s s u r ed e c o u p l i n gh a sn oi n f l u e n c eo nh i g hp r e s s u r e i n j e c t i o nc h a r a c t e r i s t i c f i n a l l y ，f o rt h ep u r p o s eo fp r o v i n gt h ef e a s i b i l i t yo fd e v e l o p e df u e li n j e c t i o ns y s t e m ，t h e o p t i m i z e df u e li n j e c t i o ns y s t e mw a sm a t c h e dw i t hd i e s e le n g i n et h r o u g he l e c t r o n i cc o n t r o l c a l i b r a t i n g t h ec a l i b r a t e dd i e s e le n g i n ew a st e s t e da c c o r d i n gt oc h i n ai i ie s c e m i s s i o nt e s t p r o c e d u r e t e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h ee n g i n e sn o x e m i s s i o ni s4 8 9 k w ha n dp me m i s s i o n i s0 0 8 9 k w h ，w h i c hm e e tt h er e q u i r e m e n to fc h i n a1 1 1e m i s s i o nr e g u l a t i o n f u r t h e r m o r e ， 一i v 大连理工大学博士学位论文 b a s e do nt h ea b o v ec o n c l u s i o n s ，t or e d u c et h es t r o n gc o u p l i n gc h a r a c t e r i s t i co fh i g ha n dl o w p r e s s u r ep a r t s ，t h ea u t h o rs t u d i e dt h es u c t i o nc h a r a c t e r i s t i co fl o wp r e s s u r es y s t e m ，a n d p r o p o s e dan e wf u e ls u c t i o ns t r u c t u r eo fl o wp r e s s u r ep a r t ，a n dp r o v e di t sf e a s i b i l i t yb y a m e s i mm o d e l i n g m o r e o v e r ，t or e a l i z ei d e a lf u e li n j e c t i o nr a t e b o o t s h a p ef u e li n j e c t i o n r a t e ，t h ea u t h o rb r o u g h tf o r w a r dt w os c h e m e so ff u e li n j e c t i o ns y s t e m s ，c u r r e n tc o n t r o ls y s t e m a n dd o u b l ep l u n g e r ss y s t e m n u m e r i c a ls i m u l a t i o np r o v e dt h e i rc a p a b i l i t yo fr e a l i z i n gt h e r a t e k e yw o r d s ：d i e s e le n g i n e ：e l e c t r o n i cc o n t r o ld i e s e li n j e c t i o ns y s t e m ：h i g h 1 0 wp r e s s u r e c o u p l i n g ：c y c l e t o - c y c l ev a r i a t i o no fi n j e c t i o nq u a n t i t y ；b o o t s h a p ei n j e c t i o nr a t e v 一 独创性说明 作者郑重声明：本博士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 ， 作者签名：籀日期：乏遁：生丝 大连理工大学博士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定 ，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：丝童亟作者签名：当丝丝 翩躲缝 2 翌堑年丝月丛日 大连理工大学博士学位论文 1 引言 柴油机应用于社会生活的各个领域中。从小型农用机械、汽车、拖拉机、发电站、 建筑机械、内燃机车、船舶主机，直到数万功率的大型船用发动机。由于柴油机的热效 率高、适应性好、功率范围宽，广泛应用于农业、工业、交通运输业和国防建设事业。 因此，柴油机工业的发展，对国民经济和国防建设都具有十分重要的意义。在柴油机的 发展过程的1 0 0 多年历程中，有三次重大的技术突破( 1 、机械式燃油系统，2 、增压和 中冷技术，3 、电控喷油技术) ，其中的两次都是和燃油系统直接相关。 在能源短缺和大气环境污染日益严重的今天，日益严厉的排放法规对车用内燃机的 生存与发展施加着越来越大的压力。世界上针对车用内燃机的排放法规主要有三个体 系：欧洲法规体系、美国法规体系和日本法规体系。目前全球汽车排放法规主要遵从欧 洲法规体系和美国法规体系，许多国家都参照这两个法规体系制定本国的排放法规。而 日本的法规比较独特，基本上没有别的国家采用n 1 。但在众多研发计划和技术综述及展 望文献中，日本法规也是一个重要的参考标准。欧洲法规以欧洲系列标称，始于欧洲经 济共同体( e e c - - e u r o p e a ne c o n o m i cc o m m u n i t y ) 于1 9 8 8 年制定并于1 9 9 1 年修改的强制 执行指令，称为欧1 标准。欧洲排放法规最远景规划为欧5 。表1 1 是欧洲针对重型车 的排放法规实施时间表乜3 。我国目前采用的标准以欧洲排放法规为基准，但实施时间比 欧洲晚1 个到2 个时间段。 表1 1 欧洲系列法规实施的时间表 t a b 1 1t i m e t a b l eo fe u r os t a n d a r d s 新型电控柴油喷射系统的开发与性能研究 与欧洲法规相比，美困法规的构成较为复杂，主要有美国环境保护署( e p a e n v ir o n m e n t a lp r o t e c ta g e n c y ) 制定的联邦汽车排放法规系列和美国加州空气资源局 ( c a r b c a 】j f l o r n i aa i rr e s o u r c e sb o a r d ) 制定的d i i , j 小i 汽车排放法规系列。其中比较 重要的法规为c a r b 于1 9 9 8 年1 1 月5f 1 采用的l e v 2 标准和e p a 于1 9 9 9 年1 2 月2 lr 发表的t i e r 2 标准。两个法规均针对轻型车( l d v l i g h td u t yv e h i c le ) 。l e v 2 是一个 里程碑式的标准，其中的两个重要内容为后来e p a 制定的标准所采纳：1 要求所有的 新柴油机轿车与新汽油机轿车一样遵从同一标准；2 要求所有的轻型车和运动型车辆 ( s u v s p o r tu t i l i t yv e h i c l e ) 与轿车一样遵从同一标准。州。l e v 2 标准在2 0 0 4 年至 2 0 0 7 年期问实施，对低排放车( l e v l o we m i s s i o nv e h i c l e ) 、特低排放车( u l e v u 1 t r a l o we m is s i o nv e h i c l e ) 和超特低排放车( s u l e v - - s u p e ru 1 t r al o we m i s s i o nv e h i c l e ) 类别做出了更严格的规定，并规定了新出，一的轻型、中型车的l e v u l e v 比例。e p a 的 t i r e 2 标准将所有的轿车、轻型卡车和中型客车都纳入同一联邦标准。另外，2 0 0 0 年8 月1 日，e p a 又发布了于2 0 0 4 年实施的重型车排放标准，并于2 0 0 0 年12 月2 1 日发布 了更严格的降低重型车氮氧化物( n o x ) 和微粒排放( p m p a r t i c u l a rm a t e r ) 的标准。 2 0 1 0 年是目前欧洲、美国和日本这三个法规体系的最远景规划。在整个规划时间表 内，三个法规体系对降低车用内燃机排放的要求在趋势上大体一致，但在具体数值上稍 有区别，在动态循环排放测试的测试区域上差别较大。图1 1 是三种主要排放法规的趋 势。 ji：j4s“ - n o j 一盂t 川h 图1 1 世界主要排放法规的趋势 f i g 1 1w o r l d w i d et r e n di ne m i s s i o nl e g i s l a t i o n s j j j j 0 j 上 j u _j、，一吖i：兰lli：=”_ 大连理工大学博士学位论文 市场总是要求发动机的有效油耗率( b s f c - - b r a k es p e c i f i cf u e lc o n s u m p t i o n ) 降 而再降；同时排放法规又强制其在规定的时间内必须使n o x 和其他有害排放物降低到最 低标准。在日益严厉的排放法规和越来越高的市场要求的双重压力下，车用内燃机能否 保持持续稳定的发展呢? 为了解决这种严重问题，内燃机各种新技术啼q 1 脱颖而出，比较 典型的有汽油机缸内直喷技术、d m e 替代燃料、轿车混合动力技术、燃料电池技术、h c c i 燃烧新概念，柴油机缸内超高压喷射以及尾气后处理技术等等，众多重大技术中都和燃 油喷射系统柔性控制息息相关，对于柴油机而言，燃油喷射系统在很大程度上影响了发 动机的综合性能。为了减少n o x 、h c 、g o 和p m 等有害排放物，降低发动机噪声，以及 提高燃油经济性，理想的柴油机燃油喷射系统应具有以下特点睁1 5 1 ： 喷射压力高，喷油压力的产生与喷油过程相互独立，可以灵活调节n 矧1 喷射定时可以进行自由控制乜2 。勰1 喷射速率波形可以自由控制，可以达到理想的靴形喷射、三角喷射、预喷射、前 喷射、主喷射、后喷射、尾喷射及分段喷射等喷射速率波形睁蚓 高精度的油量控制、响应速度和均衡的低驱动扭矩口7 侧 传统的机械控制式柴油喷射系统难以兼顾不同工况对喷油定时与喷油量控制的最 优控制，并且控制精度低和动态响应比较慢，很难实现发动机瞬态过程的最优控制，限 制了柴油发动机排放、油耗、过渡工况冒烟限制、高寒冷启动性能、高原的功率恢复、 高温发动机过热保护、超速保护及运转稳定性等性能的进一步优化。 七十年代以来，随着微电子技术和新型传感器和自动控制技术的不断发展，从而使 得传统的柴油机逐步向电子控制柴油喷射发动机转变，柴油机的电控系统不仅在硬件方 面先后推出了三代产品，而且在控制理论与方法方面也取得了许多令人鼓舞的成果，控 制方法从过去的查m a p 图法、p i d 控制法等基于经典控制理论的方法到以状态空间、多 变量最优控制、自适应控制等现代控制理论为主导的技术。近年来，神经网络控制、模 糊控制等智能控制技术的应用也日趋活跃。采用现代电子控制技术的新一代机电一体化 电控柴油机成为现代柴油发动机发展的必然趋势。 1 1 柴油机电控喷油系统的发展概况 柴油机电控喷油系统的开发研究从二十世纪七十年代开始，经过国内外各油泵厂、 发动机厂、研究所和高校的努力，到目前为止，电控喷油系统已经经历了三代，按照时 间顺序为：位置控制式电控柴油喷射系统、时间控制式电控柴油喷射系统及压力时间控 制式的共轨式电控柴油喷射系统哳柏4 。柴油机电控喷油系统具有：改善柴油机的经济 型和排放，提高发动机的工作可靠性，响应快、控制精度高和控制策略灵活的优点。 新型电控柴油喷射系统的开发与性能研究 1 1 1 位置控制式电控喷油系统 位置控制式电控柴油喷射系统为第一代电控喷射系统，工作原理为凸轮压油加上位 置控制，将机械式调速器和提前器换成电子控制的机构。其特点是不仅保留了传统的泵 ( 喷油泵) 一管( 高压油管) 一嘴( 喷油嘴) ，而且还保留了原喷油泵中的齿条、齿圈、 滑套、柱塞控油螺旋槽等，不同的只是采用了电子式调速器，以替代机械式调速器，从 而提高了调速器的控制精度和响应速度，并且可以在发动机的整个工作范围内对喷射定 时、喷射油量进行优化匹配。由于柴油机结构不变，故继承性好，便于对采用直列泵 和分配泵的现有柴油机进行升级改造。这种系统的缺点是控制自由度较小，控制精度较 差，且喷油率和喷射压力难于控制，难于改变喷射特性和喷射压力，不能进行分缸平衡 控制。 位置控制式电控柴油喷射系统主要可分为两类：位置控制式电控直列泵系统和位置 控制式电控分配泵系统。 ( 1 ) 位置控制式电控直列泵系统 典型的位置控制式电控直列泵系统有德国b o s c h 公司的电控e d r 系统h 羽、带控制滑 套直列式油泵h 1 和h 1 0 0 0 h 引，日本电装公司的e c d - p 1 ( 电控喷油定时) 、e c d p 2 ( 电控调 速器) 、e c d - p 3 ( 电控定时和电控调速器) 系统h 钔，日本z e x e l 公司的电控可变预行程t i c s 系统h5 i 、c o p e c 系统，美国卡特彼勒公司的电控p e e c 系统h 6 1 ，日本小松公司k p 2 1 型电 控直列式油泵等h 7 1 。 b o s c h 公司的电控e d r 系统，配有r e 2 4 电子调速器( 图1 2 ) 由线性电磁铁直接推 动齿杆进行油量控制，并采用圆柱压缩弹簧复位；配有r e 2 5 电子调速器是一种电液式 调速器，如图1 3 所示，它是由一个电液伺服阀控制单作用液压油缸，然后再控制齿杆 运动的一种执行器。喷油正时执行器结构如图1 4 所示j 包括双偏心轮、沿喷油泵轴向 均布的四个单作用的液压油缸、拔叉和拔叉销等。喷油正时液压提前器通过液压活塞等 运动改变凸轮轴的相位，实现喷射定时控制。 ( 2 ) 位置控制式电控分配泵系统 典型的位置控制式电控分配泵系统主要有德国b o s c h 公司的e d c 系统旧邝1 、日本电 装公司的e c d - v 1 系统咖1 、日本z e x e l 公司的c o v e c 系统、英国l u c a s 公司的e p i c 系统 5 1 3 、美国s t a n a d y n e 公司的p c f 系统及美国n l d 3 a c 公司的电控1 0 0 型系统等。 e d c 电控分配泵系统，如图1 5 所示，是在v e 分配泵的基础上采用旋转电磁阀作为 执行元件直接控制泵油柱塞上的滑套，并采用传感器来检测滑套的位置，以实现喷油量 的精确控制；同时利用一个二位二通定时电磁控制阀控制v e 泵原有提前器活塞室高压 4 - 大连理工大学博士学位论文 侧流向低压侧的燃油量，控制两侧的压差，从而控制定时活塞的位置，并将此位置反馈 给电控单元，以实现喷射定时的闭环控制。 卜复位弹簧2 一线性电磁铁3 一转速传感器 图1 2r e 2 4 电子调速器 f i g 1 2r e 2 4e l e c t r o n i cg o v e r n o r 卜齿条位移传感器2 一单作用液压油缸 3 一电液伺服阀4 一接头5 一转速传感器 图1 3r e 2 5 电子调速器 + f i g 1 3r e 2 5e l e c t r o n i cg o v e r n o r 卜控制环位置传感器2 一喷油泵执行器3 一电磁阀 图1 4 电控喷油定时执行器结构4 一柱塞5 一控制喷油始点电磁阀6 一控制环7 一提前器 f i g 1 4s t r u c t u r eo fe l e c t r o n i cc o n t r o l 图1 5b o s c h 公司的电控v e 泵e d c i n j e c t i o nt i m i n ga c t u a t o r 。f i g 1 5b o s c he l e c t r o n i cc o n t r o lv ep u m pe d c 1 1 2 时间控制的脉动式电控喷油系统 基于时间控制的脉动式电控喷油系统是第二代电控喷射系统，采用供油凸轮和电磁 阀进行喷油控制。该系统取消了齿条、滑套、柱塞上的油量控制斜槽、提前器等传统喷 新型电控柴油喷射系统的开发与性能研究 油泵的油量和定时的机械调节机构，使机械机构得以简化。所谓时间控制，即通过高速 电磁阀的关闭和丌启来进行喷油量的控制和喷射定时的调节。它的闭合时刻决定喷油定 时，闭合时白j 长短决定喷油量。所谓脉动喷油方式是由于保留了机械式喷油系统的凸轮 供油方法。与第一代位置式电控喷油