经济型高压共轨

经济型高压共轨（精选七篇）

经济型高压共轨 篇1

经济型高压共轨系统主要由下列的功能和结构单元组成:1) 带燃油计量单元的CB18高压供油泵;2) 带压力传感器的单点式高压共轨管;3) CRI1_16喷油器;4) 基于扭矩油量控制的EDC17C55电控单元。

高压共轨柴油机的起动性能 (着火与自持) 及其在起动过程中满足喷油器喷油的条件, 对满足国Ⅴ节能与排放法规要求有重要影响[1]。本文对这些问题进行了一些试验研究, 就高压共轨柴油机起动过程中满足喷油器开始喷油的必要条件和控制策略进行了有益的探索。

1 高压共轨柴油机的起动过程试验研究

高压共轨柴油机整个起动过程则由4个阶段组成:预动作阶段、着火阶段、自持阶段和暖机阶段[2] (如图1) 。预动作阶段指进入起动工况到最小供油转速这一过程。由于预动作阶段柴油机转速较低, 气缸内压力和温度也较低, 不利于柴油的着火和燃烧。因此, 在预动作阶段是不喷油的, 这一阶段将持续到转速达到最小供油转速为止。

着火阶段:从最小供油转速到起动着火直至发动机转速超过起动机的转速而自行运转, 转速开始持续上升时的阶段。在这一阶段中ECU根据柴油机曲轴信号与凸轮轴信号的相位关系, 判断柴油机是否同步以判断1缸点火上止点;并计算柴油机转速, 然后根据转速、冷却液温度、以及附加信息等从起动扭矩MAP中读出需要的起动扭矩值。确定起动扭矩后要进行扭矩到油量的转换, 然后检测轨道压力是否满足当前工况下的起动轨道压力要求, 如果满足, 喷油电磁阀打开开始喷油。由于低速时供油泵泄漏量的影响, 同时又需要快速达到一定的喷油器开启压力以加强雾化燃烧, 因此ECU以固定频率、最大占空比信号给燃油计量单元。

自持阶段:自起动着火发动机转速超过起动机的转速, 而自行连续运转5个循环转速都高于设定阈值, 进入怠速工况运行的自持阶段;自持过程的意思是指发动机气缸内已经着火的燃油所产生的能量可克服发动机的摩擦阻力实现发动机的持续运转。

暖机阶段:在柴油机运行管理系统中, 暖机指起动成功后开始运行到冷却液温度达到一定温度的运行过程。为满足这种控制, 需要设置一个暖机脉谱通过冷却液温度来确定目标怠速。

2 试验装置与方法

主要试验设备为德国BOSCH公司的FSA740发动机分析仪、INCA标定分析软件和KT600故障诊断仪等。测试系统结构如图2所示:

为获得水温传感器信号对起动控制策略的影响, 试验通过拔除发动机水温传感器的线束, 插接上不同阻值的备用定值电阻, 利用KT670故障解码器读取此时的数据流, 其中包括水温、电压、当前喷油量、起动扭矩和额定轨压等。

为评判发动机的起动性能, 试验采用BOSCHFSA740发动机分析仪采集发动机曲轴传感器和轨压传感器的电压信号, 进行起动性能的分析;通过采集获得的曲轴传感器信号电压增量与发动机转速的对应关系, 轨压传感器信号电压增量与共轨压力的对应关系, 实现对发动机最小供油转速、着火时间、自持时间和暖机阶段的起动控制策略的评判。

3 试验结果与分析

3.1起动油量与冷却液温度的关系

起动油量是发动机冷却液温度与发动机起动转速的函数, 由于发动机起动时由起动机提供的起动转速一定, 所以起动时的起动油量是随冷却液温度变化的单值函数[3]。

图3是不同冷却液温度条件下实测的电压值与起动油量值, 从图中可以看出, 冷却液温度传感器电压随温度的升高而线性下降, 在-40℃电压值为4.74V, 100℃时电压值为0.36V。起动油量在冷却液温度20℃~-40℃范围内, 温度每降低10℃起动油量增加15%。零下20℃的起动油量60mg/st是20℃时起动油量30mg/h的2倍。在冷却液温度为20℃时, 起动扭矩为165N.M, 起动油量为30mg/st。当冷却液温度达到45℃以上时, 起动油量维持在24mg/st不变。

3.2起动过程试验结果与分析

起动过程采用曲轴转速信号电压值和轨压信号电压值来评判起动过程的四个阶段。试验首先确定起动工况发动机转速与曲轴传感器信号电压的关系, 即有:Ne=Vs×125;式中Ne表示发动机转速r/mim, Vs表示为实测曲轴信号电压V。轨压与信号电压的关系为:Pr= (Vr-0.3) ×66.6Mpa;式中Pr表示实测轨压Mpa, Vr表示实测轨压信号电压V。起动过程中, 为使轨压迅速建立, ECU以一个固定的频率和占空比信号给燃油计量阀[4]。对于经济型共轨EDC17C55控制单元, 起动过程中在燃油计量阀控制电路测得的固定频率为172HZ, 占空比为33%。

图4是JX493Q经济型共轨柴油机在环境温度20℃条件下的起动性能。

从图中可以看出JX493经济型共轨柴油机预起动阶段时间为0.5秒, 在此期间系统将完成判缸过程和轨压 (起动时喷油开启压力) 、最小供油转速的确定。当判缸成功起动转速达到150r/min电压阈值达到1.2V, 轨压达到125bar时, 喷油嘴开始喷油, 轨压电压波形出现第一个波峰。在这一阶段满足喷油器开始喷油的条件是:相位同步正确;起动转速大于最小供油转速150r/min;转速信号电压阈值大于1.2V (因为小于1.0V的电压ECU不接受) ;起动轨压大于喷油器起动时开启压力125bar。

自喷油器开始喷油至曲轴转速升高脱离起动机转速达400r/min, 为着火阶段, 这一阶段历时0.3秒。在此期间系统将以一个随环境温度修正的油量 (30mg/h) 向气缸内喷油。为维持起动过程轨压的快速建立, 系统控制燃油计量阀以固定的频率172Hz和33%占空比向柱塞腔供油。

自着火开始曲轴转速升高脱离起动机转速至起动成功系统进入怠速控制, 为自持阶段。从实验中得出, 系统对这一阶段起动成功的判定逻辑是:如果多次判定都认为转速已经高于着火转速且达到起动成功转速, 则认定起动成功;试验结果表明这一设定次数为4次, 起动成功转速设定为800r/min;自起动开始至启动成功这一时间为1.2秒。

自起动成功起动控制策略结束, 发动机进入怠速暖机控制工况。当温度达到一定温度时, 发动机进入完全怠速运行模式。当机怠速工况转速为800r/min, 相应轨压为400bar。

起动时系统目标轨压为520bar, 起动成功后实际轨压与目标轨压同步为400bar, 起动油量初始值为30mg/h, 第一次着火后在自持过程中, 起动油量为斜坡油量, 最大为38mg/h。起动成功后系统进入怠速控制工况, 怠速油量为17mg/h, 怠速转速为800r/min。用INCA测试软件读取的起动过程与用FSA740测试的结果一致。

4 结论

通过对JX493国Ⅴ经济型共轨柴油机起动过程的试验研究, 得出如下结论:

1) 起动中, 经济型高压共轨柴油机最小供油转速为150r/min。2) 在起动中的喷油器开启压力为125bar。3) 满足起动工况喷油器开始喷油的条件是:起动转速大于最小供油转速;起动轨压大于喷油器开启压力;同步信号正确;同步信号阈值大于2.5V峰峰值。4) 满足自持过程的要求是:必须获得连续4次的转速增量信号。

参考文献

[1]李铁军.柴油机电控技术实用教程[M].北京:机械工业出版社, 2009

[2]王尚勇, 杨青.柴油机电子控制技术[M].北京:机械工业出版社, 2005

[3]陈黎君, 袁银男, 朱磊, 等.共轨柴油机起动油量控制策略优化及试验研究[J].车用发动机, 2010 (6) :6-10.

经济型高压共轨 篇2

高压共轨系统是提高柴油机动力性和经济性,实现低排放和低噪声的主要研究方向之一[1,2,3]。高压共轨系统主要由高压油泵、共轨管和电控喷油器等部件组成[4,5]。高压油泵作为共轨系统低压油路与高压油路的接口,是共轨系统轨压建立和维持稳定的关键[6]。高压油泵的供油特性直接影响着共轨系统的快速启动、变工况条件下的快速动态响应及共轨管内轨压的稳定控制[7]。以威特公司研发的轴向直列双柱塞高压油泵为研究对象,对其关键部件参数对高压油泵供油特性的影响进行研究,以期指导高压油泵参数匹配及优化设计,提高油泵容积效率,改善共轨系统的动态响应。由于高压油泵在工作过程中存在复杂的相互关系,各参数间的相互作用都会影响供油特性,单纯的试验研究无法灵活改变系统参数配置,难以直接获取系统各参数对供油特性的影响规律及机理,因此本文采用仿真分析与试验相结合的方法,研究高压油泵各参数对供油特性的影响。

1 高压油泵结构及原理

研究用高压油泵为威特公司研发的轴向直列双柱塞高压油泵,其供油柱塞直径为6mm,升程为9mm,采用双作用凸轮。高压油泵油路如图1所示。其主要结构如图2和图3所示。高压油泵主要由凸轮驱动组件、柱塞加压组件、VCV阀组件和进/出油阀组件构成。

当供油柱塞下行时柱塞腔压力降低,低压油路燃油在压力差的作用下经过VCV阀进入柱塞腔,此时进油阀开启,出油阀关闭,柱塞吸油。当供油柱塞上行时,柱塞腔压力升高,柱塞腔内燃油供入高压油管,此时进油阀关闭,出油阀开启,柱塞供油。在轨压控制中,高压油泵的供油量通过调节图3中的VCV阀量油孔开度来控制[8]。

2 系统仿真模型建立及验证

根据高压油泵结构及原理,利用AMESim仿真平台建立了高压油泵仿真模型,如图4所示。模型主要包括低压油路、VCV阀、溢流阀、凸轮柱塞组成和进/出油阀[9]。为保证仿真模型的准确性,使其能准确预测系统的供油特性,选择与试验环境相同的普通柴油进行仿真,并利用在高压油泵试验台上测得的试验数据对其进行了标定和验证,高压油泵试验装置如图5所示。

图6为典型工况下高压油泵容积效率(高压油泵每循环实际供油量与理论供油量的比值)的试验测量值与仿真计算值的对比。在油泵转速低于400r/min时发动机并不需要160MPa的高压,因此在160MPa轨压下仅对油泵转速高于400r/min工况点的供油效率进行了测量和计算。由图6可见,高压油泵仿真模型能够实现全工况范围内高压油泵供油效率的准确预测,仅在高转速和高压低转速工况区域仿真值略高于测量值。这是由于在高转速工况下:试验测量时,柱塞的循环供油会引起燃油温度升高且散热时间较短,从而使得燃油的黏度降低,增加了供油柱塞偶件配合间隙的燃油泄漏量;而在仿真模型中仅考虑了压力对燃油黏度的影响,在高转速下供油柱塞偶件配合间隙的燃油泄漏量相对较小,因此此时仿真计算的供油效率要高于试验测量值。在高压低转速工况下,由于输油泵在低速工况下的输油效率会因燃油泄流时间的增长而略有下降,从而导致试验测量的高压油泵供油效率降低;但在仿真模型中,因无法获取输油泵的效率曲线,采用线性输油泵模型对实际输油泵进行模拟,不同转速下输油泵的输油效率均采用实际输油泵标定工况下的输油效率,输油量仅由油泵转速决定,因此在低速工况下仿真模型中的输油泵的输油效率高于试验台输油泵,从而导致仿真计算得到的高压油泵供油效率略高于试验测量值。在全工况范围内,高压油泵容积效率的仿真计算值与试验测量值的最大相对误差出现在轨压120MPa及转速200r/min工况处,其误差为11.26%;此外,高压油泵容积效率的仿真计算值与试验测量值的最大相对误差小于6%,能够满足对高压共轨喷油系统进行仿真计算和分析的精度要求。

3 高压油泵速度与负载特性

利用控制单元输出至VCV阀的PWM脉宽调制模块的占空比信号(以下简称占空比)对VCV阀开度进行调节。图7为120MPa不同凸轮轴转速下高压油泵循环供油量随占空比的变化曲线。由图7可见:在不同转速下,该VCV阀占空比的死区相同,均为0~0.30;而占空比的饱和区随转速的升高而滞后,转速为200r/min时其饱和区为0.50~1.00,转速为2 000r/min时其饱和区为0.80~1.00。为了研究高压油泵在VCV阀不同占空比控制区域内的供油特性及其关键影响参数,本文选择处于占空比死区的0.25占空比、处于占空比调节范围内的0.50和0.75占空比及处于占空比饱和区的1.00占空比,研究这四个占空比下高压油泵的速度与负载特性及其主要结构参数对供油特性的影响。

共轨系统高压油泵是采用双作用凸轮驱动的轴向柱塞泵,凸轮轴转速直接影响高压油泵柱塞往复运动速度,从而影响油泵供油特性。高压油泵在供油过程中,以设定的轨压为供油负载,因此轨压也会影响高压油泵供油特性。图8为占空比分别为0.25、0.50、0.75和1.00时,不同轨压条件下高压油泵循环供油量随凸轮轴转速的变化曲线。

由图8可见,占空比为0.25时油泵供油量随转速的升高而减小。这是因为,当占空比为0.25时,VCV阀尚未开启,此时柱塞只能通过阻尼孔吸油,由于阻尼孔的节流作用其流通能力小于柱塞吸油能力,油泵无法充分吸油,柱塞吸油受阻尼孔的限制。随着转速的升高,柱塞吸油时间缩短,所以油泵供油量随转速的升高而减小。

占空比为0.50时油泵供油量随转速的升高而减小。这是因为,当占空比为0.50时,虽然VCV阀已经开启,但是由于VCV阀位移较小,量油孔流通面积较小,VCV阀量油孔的流通能力小于柱塞吸油能力,此时柱塞无法充分吸油,柱塞吸油受VCV阀量油孔的限制。随着转速的升高,柱塞吸油时间缩短,所以油泵供油量随转速的升高而减小。

占空比为0.75时,当转速小于600r/min时,油泵供油量随转速的升高而增加;当转速在600~1 400r/min时,油泵供油量基本不随转速变化而变化;当转速高于1 400r/min时,油泵供油量随转速的升高而减小。这是因为:在转速低于600r/min时,VCV阀位移足够大,量油孔流通面积足够大,量油孔的流通能力大于柱塞吸油能力,此时柱塞可以充分吸油;但是,由于此时转速较低,柱塞压油时间较长,柱塞腔长时间处于高压状态,柱塞偶件泄漏量较大对柱塞的供油产生明显影响,随着转速的升高,柱塞压油时间缩短,柱塞偶件泄漏量减小,所以油泵供油量随转速的升高而增加。当转速在600~1 400r/min时,VCV阀位移仍较大,量油孔的流通能力仍可以满足柱塞充分吸油的要求,此时油泵充分吸油;同时,由于转速的升高,油泵供油时间缩短,柱塞腔维持高压的时间缩短,此时柱塞偶件泄漏量较小,不会对油泵的供油量产生明显的影响,所以油泵供油量随转速升高无明显变化。当转速大于1 400r/min时,VCV阀量油孔的流通能力不足以满足柱塞充分吸油的要求,此时柱塞吸油受量油孔的限制,随着转速的增加,柱塞吸油时间缩短,所以油泵供油量随转速的升高而减小。

从图8还可以得出,在相同占空比和转速下,高压油泵的供油量随着轨压的升高而减小,同时轨压对供油量的影响随转速的升高而减小。这是因为,在高压油泵供油过程中,轨压作为高压油泵供油的负载,随着轨压的升高,柱塞供油负载增大,柱塞压油行程增加有效供油行程减小,供油开始时间滞后,供油时间缩短,从而导致了油泵供油量随轨压的升高而减小。随着转速的升高,柱塞往复运动速度增加,柱塞腔中的燃油会更快达到设定轨压,压油行程缩短,所以随着转速的增加,轨压对油泵供油量的影响相对减小。当占空比分别为0.25、0.50、0.75、1.00,凸轮轴转速为200r/min,轨压从80MPa升高到160MPa时,油泵循环供油量分别下降了67.2、154.9、154.8、154.8mm3。当占空比分别为0.25、0.50、0.75、1.00,凸轮轴转速为2 000r/min,轨压从80MPa升高到160MPa时,油泵循环供油量分别下降了4.7、2.8、11.6、59.0mm3。

4 高压油泵结构参数对供油特性的影响

由于高压油泵包括溢流阀、VCV阀、进/出油阀、阻尼孔等部件,这些部件在柱塞工作时用以维持低压油路压力,控制柱塞吸油量,防止柱塞在吸/供油过程中出现燃油回流现象,并在零负荷时防止柱塞出现穴蚀。各个阀组件的弹簧刚度和预紧力影响阀的开启和关闭速度及其最大位移,对其流通能力影响明显,同时阻尼孔直径也是其流通能力的主要影响因素。就此本文在不同转速下分析了溢流阀、VCV阀、进油阀、出油阀、阻尼孔等高压油泵关键部件参数对高压油泵供油特性的影响。依据高压油泵各部件参数值的匹配范围,在选取参数的变化范围时,与弹簧相关的结构参数的变化范围取基准值的50%,而阻尼孔直径的变化范围取基准值的25%,具体参数选择如表1所示。

4.1 溢流阀参数

溢流阀作为低压油路重要部件,主要用于维持低压油路燃油压力以保证在VCV阀开启后燃油的稳定流动。在溢流阀工作过程中,其弹簧刚度影响溢流阀的振荡幅度和最大位移,而其弹簧预紧力影响溢流阀的开启压力;所以,本文主要研究了溢流阀弹簧刚度和预紧力对高压油泵供油量的影响。图9和图10分别为轨压120MPa,占空比分别为0.25、0.50、0.75和1.00时,不同溢流阀弹簧刚度和预紧力下高压油泵供油量随凸轮轴转速的变化曲线。

由图9和图10可见,在占空比为0.25时,高压油泵供油量不随溢流阀弹簧刚度和预紧力的变化而变化。这是因为,在此占空比下,VCV阀尚未开启,柱塞只从阻尼孔吸油,由于阻尼孔不与低压油路相连而是直接与油箱连通,溢流阀参数变化不会对阻尼孔流通能力产生影响,所以在此占空比下高压油泵供油量不随溢流阀弹簧刚度和预紧力的变化而变化。

在占空比为0.50时,高压油泵供油量随溢流阀弹簧刚度的增加而增加,而溢流阀弹簧预紧力则对高压油泵供油量没有明显影响。这是因为,在此占空比下,随着溢流阀弹簧刚度的增加,低压燃油压力增加,VCV阀量油孔两侧压差增加,量油孔流通能力提高,由于占空比为0.50时柱塞无法充分吸油,量油孔流通能力的提高会明显提高油泵的供油量,所以油泵供油量随溢流阀弹簧刚度的增加而增加。理论上溢流阀弹簧预紧力的增加也会使低压燃油压力升高,但是由于溢流阀升程约为4mm,随着弹簧刚度的变化,溢流阀的最大受力变化范围约为4N,而预紧力的变化范围则仅为1N,因此油泵循环供油量随溢流阀弹簧预紧力的增加变化不明显。即弹簧刚度是溢流阀动作响应的主要影响因素,对供油量的影响也更为显著。

在占空比为0.75时,当转速较低时溢流阀弹簧刚度和预紧力对供油量没有影响;当转速较高时随着溢流阀弹簧刚度和预紧力的增加,油泵供油量增加。这是因为:在低转速下,高压油泵充分吸油,此时油泵的吸油量只受转速的影响,所以溢流阀弹簧刚度和预紧力对供油量没有影响;在高转速下,柱塞无法充分吸油,此时由于溢流阀弹簧刚度和预紧力的增加使低压燃油压力升高,VCV阀量油孔体积流率增加,引起油泵供油量的增加。并且在0.75占空比处,随着溢流阀弹簧刚度和预紧力的增加,低压燃油压力增加,VCV阀量油孔流通能力提高,油泵可以在更高的转速下实现充分吸油,所以曲线充分吸油的拐点会随着溢流阀弹簧刚度和预紧力的增加而延后。

在占空比为1.00时,随着溢流阀弹簧刚度和预紧力的增加,高压油泵供油量没有明显变化。这是因为,在占空比为1.00时,VCV阀达到最大位移,量油孔流通面积最大可以使油泵在全工况内充分吸油,由溢流阀弹簧刚度和预紧力增加而引起的低压燃油压力的增加不会影响柱塞的吸油,所以油泵供油量不随溢流阀弹簧刚度和预紧力的变化而变化。

4.2 VCV阀参数

VCV阀的位移直接影响其量油孔流通面积,从而影响VCV阀流通能力并最终影响高压油泵供油量。在占空比不变的情况下VCV阀弹簧刚度和预紧力是其位移的主要影响因素。本文研究了VCV阀弹簧刚度和预紧力对高压油泵循环供油量的影响。

图11和图12分别为轨压120MPa,占空比分别为0.25、0.50、0.75和1.00时,不同VCV阀弹簧刚度和预紧力条件下高压油泵循环供油量随凸轮轴转速的变化曲线。在占空比为0.25时,高压油泵供油量不随VCV阀弹簧刚度和预紧力的变化而变化。这是因为,在此占空比下,VCV阀不开启,柱塞只从阻尼孔吸油,VCV阀的结构参数对柱塞吸油量没有影响,因此也不会影响油泵的供油量。

在占空比为0.50时,高压油泵供油量随VCV阀弹簧刚度和预紧力的增加而减小。这是因为,在此占空比下,VCV阀开度较小,柱塞吸油受到量油孔流通能力的限制,随着VCV阀弹簧刚度和预紧力的增加,量油孔开启面积减小,流通能力下降,高压油泵供油量下降。

在占空比为0.75时,在低转速下VCV阀弹簧刚度和预紧力对油泵供油量无明显影响;在高转速下,随着VCV阀弹簧刚度和预紧力的增加,油泵供油量减小。这是因为,在低转速下,柱塞充分吸油,VCV阀参数对循环供油量无明显影响。在高凸轮轴转速下,由于柱塞无法充分吸油,油泵吸油受VCV阀量油孔的限制。随着VCV阀弹簧刚度和预紧力的增加,VCV阀流通面积减小,所以油泵供油量随VCV阀弹簧刚度和预紧力的升高而减小。并且,随着VCV阀弹簧刚度的增加,柱塞充分吸油的拐点提前,这在VCV阀弹簧刚度变化时表现尤为明显。当弹簧刚度为2N/mm时,油泵在全工况内都可以充分吸油;当弹簧刚度为4N/mm时,转速高于1 400r/min时无法充分吸油;当弹簧刚度为6N/mm时,转速高于400r/min时就无法充分吸油。

在占空比为1.00时,油泵供油量只在转速为2 000r/min时随VCV阀弹簧刚度的增大而减小,在其他转速下VCV阀弹簧刚度和预紧力对油泵供油量无明显影响。这是因为,当占空比为1.00时,电磁阀电磁力足够大,即使VCV阀弹簧刚度和预紧力增加,但在绝大多数转速下量油孔流通能力仍可以满足柱塞充分吸油的要求,所以柱塞在充分吸油的情况下,VCV阀弹簧刚度和预紧力对油泵供油量无明显影响。而当转速为2 000r/min时,由于转速过快,柱塞吸油时间很短,当VCV阀弹簧刚度为6N/mm时,其量油孔流通能力无法满足柱塞充分吸油的要求,所以油泵供油量下降。

4.3 进油阀参数

进油阀为单向球阀。在柱塞吸油时,由于柱塞的抽吸作用,柱塞腔压力降低,进油阀在低压燃油压力的作用下开启,燃油由低压油路进入柱塞腔;在柱塞供油时,由于柱塞的压缩作用,柱塞腔压力升高,进油阀关闭隔绝了柱塞腔与低压油路防止柱塞内的高压燃油倒流。进油阀受力和位移均会影响柱塞的吸油量,所以对进油阀弹簧刚度和预紧力进行了研究。图13为转速1 000r/min、轨压120MPa、占空比为1.0时,进油阀的位移曲线。由图13可见,进油阀的最大位移值小于0.4mm,而进油阀弹簧刚度的变化范围为0.2N/mm,即因进油阀弹簧刚度变化而导致的进油阀最大受力变化仅为0.04N,因此图12中高压油泵的供油量几乎不受进油阀弹簧刚度变化的影响。图14和图15分别为轨压120MPa,占空比分别为0.25、0.50、0.75和1.00时,不同进油阀弹簧刚度和预紧力下高压油泵循环供油量随凸轮轴转速的变化曲线.

图14表明:在不同占空比和转速下,进油阀弹簧刚度对油泵供油量均无明显影响。这是因为,低压燃油压力较低,为了保证进油阀顺利开启且不会对进油产生节流效果,进油阀弹簧刚度和预紧力都很小,进油阀弹簧刚度为0.2N/mm,预紧力为1N。

图15表明:在占空比为0.25和0.50的全部转速和占空比为0.75的高转速时,随着进油阀弹簧预紧力的增加,油泵供油量下降。这是因为,在此占空比下,VCV阀尚未开启或开启位移较小,柱塞无法充分吸油,随着进油阀预紧力的增加,供油柱塞吸油时所需的进油阀两侧的压差增大,同时在相同的压差下进油阀位移随预紧力的增大而减小,增大了进油阀密封球与阀座间的节流作用,从而使经进油阀进入柱塞腔的燃油体积流率减小,进而造成供油量减少。在占空比为0.75的低转速和占空比为1.00的全部转速下,进油阀弹簧预紧力对油泵供油量没有明显影响。这是因为,此时VCV阀量油孔流通面积可以满足柱塞充分吸油的要求,此时柱塞充分吸油,进油阀弹簧预紧力不会对油泵供油量产生明显影响。

4.4 出油阀参数

出油阀为单向球阀,当柱塞吸油时柱塞腔压力降低,出油阀关闭,隔绝柱塞腔与高压油管,防止高压油管内的高压燃油回流入柱塞腔;当柱塞供油时,柱塞压缩燃油,柱塞腔压力升高,当柱塞腔压力超过高压油管压力和出油阀预紧力之和时出油阀打开,油泵供油。出油阀的受力与位移是影响供油量的主要因素,所以本文对出油阀弹簧刚度和预紧力进行了研究。图16和图17分别为轨压120MPa,占空比分别为0.25、0.50、0.75和1.00时,不同出油阀弹簧刚度和预紧力条件下高压油泵循环供油量随凸轮轴转速的变化曲线。

图16和图17表明:在所有转速和占空比下出油阀弹簧刚度和预紧力对油泵供油量均没有明显影响。这是因为,在柱塞压油的过程中,相对于高压油管内高压燃油的压力而言,出油阀弹簧刚度和预紧力都很小,所以其弹簧刚度和预紧力的变化不会对油泵供油量产生明显影响。

4.5 阻尼孔参数

阻尼孔位于油箱与进油阀之间,当VCV阀尚未开启或开度很小对燃油有节流作用时,柱塞从阻尼孔吸油以缓解从VCV阀吸油不足的现象,并稳定柱塞腔最低压力,防止柱塞腔压力过低,避免严重空化而造成柱塞腔穴蚀。当VCV阀通流面积足够大可以使柱塞充分吸油时,柱塞腔内过量的燃油通过阻尼孔回流到油箱。阻尼孔通流面积是影响油泵循环供油量的主要原因。图18为轨压120MPa,占空比分别为0.25、0.50、0.75和1.00时,不同阻尼孔直径下高压油泵循环供油量随凸轮轴转速的变化曲线。

图18表明:在占空比为0.25和0.50的全部转速及占空比为0.75的高转速下,随着阻尼孔直径的增加,油泵供油量增加。这是因为,此时VCV阀未开启或开启位移较小,柱塞无法充分吸油需要从阻尼孔吸油。随着阻尼孔直径的增加,柱塞吸油能力增加,油泵供油量增加。在占空比为0.75的低转速和占空比为1.00的全部转速下,VCV阀位移较大,量油孔流通面积足以保证柱塞充分吸油,此时阻尼孔起回油作用,所以其直径对油泵供油量没有明显影响。

5 结论

(1)建立了包括VCV阀、溢流阀和进/出油阀在内的高压油泵AMESim数值模型,与在油泵试验台上得到的油泵效率曲线对比,表明该模型可准确预测高压油泵的供油特性。

(2)当VCV阀未开启时,循环供油量随凸轮轴转速的升高而减小,阻尼孔直径和进油阀弹簧预紧力对循环供油量影响明显。当VCV阀量油孔流通面积较小柱塞无法充分吸油时,溢流阀弹簧预紧力、VCV阀弹簧刚度和预紧力、进油阀弹簧预紧力和阻尼孔直径对循环供油量影响明显。

(3)在全负荷工况下,柱塞可以充分吸油,当凸轮轴转速较低时循环供油量随凸轮轴转速的升高而升高,当凸轮轴转速较高时,循环供油量无明显变化,油泵的各个阀组件及阻尼孔参数对循环供油量均无明显影响。全工况内高压油泵循环供油量随轨压的升高而减小。

参考文献

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高压共轨:柴油发动机的“大脑” 篇3

如果把发动机比作汽车的“心脏”, 那么, 高压共轨 (Common Rail) 系统无疑就是柴油车发动机的“大脑”。随着全球日益严格的排放要求升级, 高压共轨技术在柴油车发动机上发挥着越来越重要的作用。目前在欧美国家及日本、韩国等国制造的柴油商用车 (包括载货车、客车、专用车) 上, 高压共轨技术的应用已经达到了90%以上, 欧洲50%的轿车也都采用了柴油机共轨技术, 全球柴油车高压共轨技术正在得到快速推广。

高压共轨市场, 博世一家独大

高压共轨电喷技术是指在高压油泵、压力传感器和电子控制单元 (ECU) 组成的闭环系统中, 将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开的一种供油方式。由高压油泵把高压燃油输送到公共供油管, 通过对公共供油管内的油压实现精确控制, 使高压油管压力大小与发动机的转速无关, 可以大幅度减小柴油机供油压力随发动机转速变化的程度。相对于其他燃油喷射系统, 共轨燃油喷射系统有如下特点:在燃油定量和喷油定时方面实行全电子和柔性的控制;喷油规律曲线形状可以比较自由地调整;最高可达到180~220MPa喷油压力控制;能实现每个工作循环多达7次的燃油喷射;具有高度的紧凑性和较低的高压油泵驱动转矩。数据表明, 采用高压共轨的柴油机, 燃烧效率可达45%, 而汽油机的燃烧效率仅为35%左右。德国联邦汽车运输管理局 (KBA) 对大量柴油机的测试表明, 同排量共轨柴油机比汽油机节油30%~35%;而与传统的柴油发动机相比, 又有着出色的舒适性和环保性;高压共轨柴油机排放可达欧Ⅵ水平, 以往人们看到的柴油车“噪声大、冒黑烟”的现象早已一去不复返。

目前世界上主要有三大汽车零部件跨国公司在研发和生产柴油机高压共轨系统:德国博世、日本电装和美国德尔福。共轨系统将燃油压力产生和燃油喷射分离开来, 如果把单体泵柴油喷射技术比做柴油机技术创新的话, 那共轨技术就是一次创新性革命, 它开辟了降低柴油发动机排放和噪声的新途径。

几年前, 博世在中国重型柴油机电控高压共轨市场, 只占有60%的市场份额。那时, 不论是北京国际车展还是上海国际车展, 日本电装、美国德尔福都与德国博世同台亮相, 共同展示高压共轨技术, 大有外资零部件巨头在中国上演“三国演义”之势。近几年, 博世的表演如日中天, 而电装和德尔福的表演则江河日下, 尤其是2014年的北京车展, 博世在高压共轨展台已明显一家独大, 电装、德尔福则已处于下风。

如今, 国内柴油机高压共轨市场90%都被博世垄断, 与此同时, 其尾气后处理系统业务也同样大幅增长。近两年, 博世在中国赚取的巨额垄断利润, 即使像德尔福、电装这样的跨国巨头, 也鞭长莫及。在采访中记者了解到, 高压共轨系统尽管在柴油机铝合金材料上所占比重不大, 但其价格却占到了柴油机的25%左右, 如一台柴油机售价5万元, 小小的高压共轨系统就高达上万元。

目前, 博世公司已在全球生产出至少2 500万套高压共轨系统, 在欧洲乘用车、轻型车以及商用车柴油机上已得到普遍应用, 如德国戴姆勒-奔驰公司C系列轿车、意大利Alfa Remeo156轿车、德国大众的奥迪3.3L V8涡轮增压柴油机、美国通用公司与日本五十铃公司合资生产的Duramax6600柴油机及美国康明斯公司的ISBe3.9L和5.9L全电控柴油机等。博世还在江苏无锡投资建设了技术中心和工厂, 实现了本地化生产。长城汽车与博世公司开发出了高压共轨柴油发动机, 此外奥迪、奔驰、华泰等品牌也推出了采用博世共轨系统的汽车。

2013年, 博世在中国销售重型、轻型高压共轨系统约在百万套。受益于柴油车国Ⅲ向国Ⅳ进程的加快, 2014年博世高压共轨系统有望实现翻倍增长。目前, 博世高压共轨系统产能100万套, 2014年博世青岛工厂投产后, 将新增产能30万套以上。

目前我国柴油车年产量约340万辆, 其中70%为轻型车。在升级的过程中, 这些轻型车大多数用的是博世轻型共轨系统, 剩下的中重型发动机, 也有超百万台用博世的电控共轨产品。如果2015年全国范围内全部实施国Ⅳ的话, 博世仅百万套的产能远远不能满足市场需求, 届时, 博世电控系统产能不足的情况很快就会显现。那时, 电装、德尔福及自主品牌或许会有机会大展拳脚, 与博世拼一把。

日本电装公司在20世纪90年代初推出了名为ECD-U2的共轨燃油喷射系统。按说推出时间并不晚, 但无奈博世捷足先登, 率先抢占了中国市场, 电装只能在夹缝里生存。电装公司的高压共轨燃油喷射系统通过对喷射时间和喷油量的精准控制, 可有效减少尾气污染, 燃油雾化效果更好, 发动机噪声更低。电装高压共轨系统目前约占全球市场份额的16%, 主要市场为日本、欧洲、亚洲和大洋洲。目前电装在中国高压共轨市场的份额还比较低。

美国德尔福柴油系统的前身是卢卡斯柴油系统, 进入20世纪90年代, 开始研发电控高压共轨系统, 并在2000年首次投放了高速电磁阀的轻型高压共轨系统。2008年, 德尔福推出革命性的全球独创的直接控制式的压电晶体共轨系统, 应用于奔驰轿车柴油机上。

但目前, 德尔福与日本电装一样, 柴油机高压共轨系统在中国市场占有率很低。据了解, 2014年德尔福计划在中国继续加大投资, 其中包括在烟台投资1亿美元的柴油共轨系统生产基地。德尔福采用电子控制的高压共轨系统柴油机, 与同等级别的传统汽油发动机相比, 平均可以节省30%的燃油, 同时降低大约25%的CO2排放, 该技术应用特点吻合中国对减排的迫切需求。

共轨技术, 不断升级

有关专家介绍, 在高压共轨技术产生之前, 柴油机一直采用机械增压的方式, 燃油压力会随着发动机的转速变化而变化, 极难控制。特别是在怠速状态下, 燃油压力更是不稳定, 所以人们会看到一些老式的柴油车在怠速状态下冒黑烟的情况。现在绿色柴油机先进的高压共轨技术采用独立的高压泵技术, 使得压力的产生不再受转速影响, 时刻都能获得理想的燃油压力, 与传统柴油机相比, 高压共轨使柴油机有了一个革命性的飞跃。

高压共轨技术的作用是使柴油机形成更大更均匀的喷射压力, 将高压燃油直接喷射到燃烧室内形成雾化均匀的混合气, 提升了喷油的雾化效果, 使其能够在短时间内完成更充分的燃烧。据了解, 国内最先进的高压共轨喷射系统, 已经将喷射压力从传统柴油机的60-80MPa, 提高到了180~220MPa的水平。这不仅仅是数据上的变化, 更给柴油机技术水平带来了巨大提升。

电控共轨系统是在20世纪80年代末引起人们关注的新型燃油喷射系统, 国外跨国公司在90年代初就开始投入巨资开发电控共轨系统。该系统应用于柴油机之后, 大大降低了其振动和噪声, 同时也提高了排放水平。90年代后期, 电控共轨系统开始在德国、美国、日本等少数发达国家批量投放市场。由于其节能、环保的优点, 发展速度惊人, 目前欧洲发达国家柴油轿车的市场占有率已超过50%。与此同时, 电控共轨系统也开始逐渐应用于重型载货车、客车和各种轻型商用车。电控共轨系统的开发成功, 成为汽车工业的一次革命性突破。

业内人士普遍认为:电控高压共轨系统是世界汽车领域难度最大、水平最高的一项核心技术, 是世界各大汽车公司竞相争夺的制高点。谁掌握了这项技术, 谁就掌握了未来汽车发展的主动权。随着排放法规要求的不断提高, 选择电控高压共轨已成为柴油机行业的必然趋势, 采用电控高压共轨系统是柴油机节能减排、满足我国国Ⅳ及以上排放标准的最重要的技术路径。鉴于共轨系统的使用范围除了汽车外, 还包括各类军车、舰船、农机等, 长期市场需求将达到至少5 000万套以上。

柴油机及排放系统经历了上百年的发展史, 高压共轨技术为绿色柴油机添上了光彩一笔。

1892年, 德国工程师鲁道夫·狄赛尔发明了世界上第一台柴油发动机。早期的柴油发动机体积巨大, 借助压缩空气来完成柴油喷射的过程, 在当时的蒸汽机时代, 巨大的气瓶似乎已经司空见惯。庞大的身躯给运输车辆带来了很大麻烦, 解决柴油高压喷射的问题, 成为车用柴油机应用的关键。

1922年博世公司正式启动柴油机喷油泵的开发, 得益于其以往开发润滑泵的经验, 研制的高压喷油泵能够提供精确数量的液体压力。新型的高压油泵体积缩小, 突破了车用柴油机的应用瓶颈。

1923年, 柏林车展上, 奔驰公司展出了安装博世喷油泵的33k W OB 2型柴油发动机, 1924年全世界第一辆装备柴油发动机的载货车在德国诞生。

1927年, 博世机械式喷油泵开始正式生产, 为车用柴油机的应用铺平了道路。机械式油泵一直生产使用了几十年, 其弊端也逐渐暴露出来, 如供油压力受发动机转速制约, 柴油雾化不好造成燃油消耗大、污染严重等。随着时代发展, 机械式油泵已难以适应更高的环保要求与发动机技术性能。

1945年, 高压共轨系统进入研发课题。但受到当时的精密电子技术的制约, 可靠性与控制方式没有完全攻破。

1990年之后, 高压共轨技术才完全应用于车用柴油机。共轨喷射式供油系统由高压油泵、公共供油管、喷油器、电控单元 (ECU) 和一些管道压力传感器组成, 系统中的每一个喷油器通过各自的高压油管与公共供油管相连, 公共供油管对喷油器起到液力蓄压作用。工作时, 高压油泵以高压将燃油输送到公共供油管, 高压油泵、压力传感器和ECU组成闭环工作, 对公共供油管内的油压实现精确控制, 彻底改变了供油压力随发动机转速变化的现象。

柴油燃油喷射系统从机械控制式发展到电子控制式, 经历了三次大的变革:即位置式燃油喷射系统、时间式燃油喷射系统和时间压力式燃油喷射系统 (共轨系统) 。高压共轨系统实现了压力建立和喷射过程的分离, 从而使控制过程更具有柔性, 能更准确地实现小油量的精确控制, 更好地实现多次喷射。

自主企业, 加快研制开发

近年来, 我国部分大学、研究所和企业通过合作或独立自主研发, 在高压共轨技术上取得了各具特色的研究成果, 并有数十项专利公布。因此, 我国在电控直喷式柴油机方面已积累了一定的经验, 但总体来说与国外还存在差距, 主要体现在制造工艺和批量生产的质量控制上。此外, 国内共轨系统相关配套体系不健全, 部分零部件还依靠进口, 如单片机芯片和共轨压力传感器等。

随着排放标准的提高, 柴油机必须采用电控喷射系统。目前国内柴油电控系统主要有共轨和单体泵等, 和国外先进技术比, 虽然还不具备对等的实力, 但发展势头良好。如无锡油泵油嘴研究所研发的共轨系统已在少量客车上试用。

2014年8月30日, 由无锡油泵油嘴研究所牵头承担的“电控共轨柴油喷射系统制造技术与关键装备的研发及应用”国家04重大专项顺利通过了工信部的验收。攻克的难题包括:满足了超高压力下 (300MPa) 运动部件的需要, 密封可靠, 对耦合件提高了超精加工的要求, 如圆度小于0.005mm, 圆柱度小于0.001mm, 尺寸散差小于0.005mm, 表面涂层强化技术、高精度的测量技术和设备, 以及精确控制等技术水平均到达验收要求。前期以喷油器的8项关键技术开发了12台加工和检测设备。

2012年5月8日, 潍柴动力集团自主开发的首款重型柴油机高压共轨电控系统正式批量投放市场。这一系统经过潍柴严格的排放试验、道路试验和“三高”验证, 该技术打破了国外企业在此领域的垄断局面。

柴油发动机高压共轨电控系统一直是自主企业的软肋, 制约着我国柴油机工业发展。潍柴自2008年启动自主高压共轨电控系统ECU研发工程, 加大研发投入和人才引进, 建成了世界一流的电控研发平台。经过几年努力, 潍柴目前已建成中国顶级的研发实验基地, 通过整合国内相关资源, 攻克了发动机电控系统的技术难关, 全面掌握了这一核心技术。

辽宁新风集团经过8年的努力, 现已形成了年产40万套高压共轨系统的生产能力。自2006年初从德国CRT共轨技术公司引进柴油机高压共轨技术专利到2014年, 辽宁新风的研发人员通过消化、吸收、再创新, 开发出适合中国车用柴油机达到欧Ⅲ、欧Ⅳ排放标准要求的共轨技术, 而且拥有多项自主知识产权。辽宁新风现已完成一、二期工程的建设, 先后向高压共轨燃油系统研发项目投入资金13.4亿元, 目前已开始为部分自主品牌车提供配套。

近两年, 成都威特电喷公司与德尔福柴油系统公司进行合作, 联合开发柴油高压共轨技术也取得了较大突破。成都威特与德尔福合作开发了适用于轻型柴油机的高压共轨系统, 可满足国Ⅳ排放法规要求。公司将电控组合式单体泵技术与单点多点天然气喷射技术相结合, 开发了电控柴油天然气双燃料发动机燃料喷射系统。成都威特对电控组合式单体泵进行了综合性的技术升级, 优化了电磁阀设计, 强化了泵箱及凸轮轴, 有效提高了喷射压力和一致性, 达到了国Ⅳ发动机对燃油喷射系统的要求。

编后语

高压共轨柴油机启动性能研究 篇4

1 高压共轨柴油机的启动过程

对于高压共轨柴油机的启动, 起动机带动曲轴, 曲轴带动高压油泵, 把高压油泵中的燃油压入共轨管中。电控喷油器是共轨式燃油系统中最关键和最复杂的部件, 它的作用电控单元E CU向电控喷油器发出指令, 通过控制电磁阀的开启和关闭, 将高压油轨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, 最终到达怠速。图1是电控柴油机的启动阶段示意图。

2 影响高压共轨柴油机启动性能的因素

柴油机的启动包括常温启动和低温启动影响电控柴油机启动性能的因素分析如下。

2.1 常温启动影响因素

轨压、主喷提前角、预喷提前角、预喷油量等参数。

2.1.1 轨压

轨压对高压共轨柴油机的启动时间影响很大, 轨压包括柴油机在启动过程中轨压的建立和喷油器喷射过程中的轨压。为实现轨压的迅速建立必须保证整车的高/低压路的气密性;低压油管的管径、油路布置必须进行合理的选择和布置。图2和图3分别为匹配华菱的WD 10柴油机正常启动时和在油路布置不合理时的启动过程。

2.1.2 主喷提前角、预喷提前角、预喷油量等参数

启动过程中的主喷提前角、预喷提前角、预喷油量等参数均对电控柴油机的启动性能产生影响。因此需要在不同环境条件下进行做多次起动试验, 对上述参数进行优化, 提高柴油机的启动性能。

2.2 低温启动影响因素

2.2.1 进气温度

低温时, 电控柴油机的启动除受常温启动因素的影响外, 受进气温度的影响也很大, 如果进入气缸中的气温度很低, 虽然喷油器放行, 但喷到燃烧室的燃油仍然不能着火, 无法完成启动过程。因此在进气管安装进气加热器是提高柴油机进气温度的重要辅助设备之一。

2.2.2 其他影响因素

冷却液温度及蓄电池电压对启动都有影响。低温情况下, 电控柴油机在启动过程中要消耗大量电, 这对蓄电池提出比较高的要求。因此在寒区运行的车辆可根据相关标准采用大容量的低温蓄电池, 以保证车辆在低温环境仍然能够启动。

3 结语

电控柴油机的启动性能对电控柴油机的推广起到关键作用, 为优化电控柴油机的启动性能, 必须从电控柴油机的工作原理和控制策略出发, 对影响启动性能的油路、相关标定变量和相应的辅助设备进行改进和完善。

参考文献

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高压共轨柴油机电控系统设计 篇5

电控系统用电负荷复杂多样, 工作环境电磁干扰强烈, ECU必须能够抵御任何外部的电磁干扰, 除了采取线性滤波、合理的线路板布局、屏蔽措施等, 正确的电源设计可以有效减少有源干扰。为使柴油机总体满足各项性能指标, 电控系统电源设计必须具有高功率密度、高效率和高可靠性, 因此本系统不采用封装完好的模块式电源, 尚且没有现成产品, 而在功率半导体器件选择、拓扑结构研究、控制电路设计以及器件的排列布局等优化设计方面作充分考虑。随着电子技术的飞速发展, 多年来不断涌现的集成DC-DC电源控制器提供了越来越好的性能, 本系统电源主控制电路采用自主设计的非隔离型D C-DC变换器电路满足了柴油机各部件对电源系统的要求。

电源总体设计

电源设计总体结构及组成见图1, ECU由24V蓄电池供电, ECU对电源的要求是电源电压调整率低, 稳定性很好, 输入电压波动对输出电压的影响很小, 电压温度系数小, 当坏境温度变化时, 能有效抑制输出电压的漂移, 保持输出电压稳定, 电源的稳定度、输出电阻、纹波电压及温度系数等各项技术指标因具体电路各有侧重, 大多数电路为单5V电源。

CPU需要2.6V、3.3V、5V, 电磁阀调制需要±12V电源, 110V电源驱动喷油器电磁阀打开, 24V电源提供电磁阀维持电流, CAN通信的接口电路需要5VDC/DC隔离, 故障诊断仪供电5VDC/DC隔离, 电流稍大一些, 各传感器要求5V独立供电, 需要四路低电平输出驱动指示灯等的功率电源, 两路高电平输出驱动VNT和PCV阀的功率电源, 在起动或蓄电池过放电时, 蓄电池电压有可能低至16V, 在蓄电池过充电时能高达28V, 车体供电可能出现异常高压, ECU要求供电在16～48V波动时仍能维持正常运转。ECU电源模块包括高压模块、片内供电模块和外部供电模块。高压模块采用自行设计的开关电源, 具有结构小巧、工作效率高、电压稳定、带载能力强等特点, 达到了系统的要求。片内供电模块采用多通道输出的DC/DC电源模块, 具有处理电路少、稳定性和可靠性高的优点。外部供电模块采用电压可调的DC/DC电源模块, 采用高效磁性材料设计专用变压器, 提供4组带隔离的电压输出。同时电源系统设计满足电磁兼容要求, 且具有过流过压保护, 不因外界有害电压或电流的冲击而损坏, 通过电源检测电路和故障诊断策略确保ECU安全可靠工作。

硬件电路设计

1.电源滤波

电磁干扰EMI是指任何能中断、阻碍、降低或限制通信电子设备有效性能的电磁能量, 它分为传导干扰和辐射干扰, 电源EMI滤波器是一种抑制传导发射和辐射发射非常有效的方法, 根据电磁环境水平、带载能力以及阻抗匹配, 选择20A电源滤波器, 紧密布置在电源进ECU入口端, 考虑到充分利用有限的ECU空间以及可维修性, 通过螺柱悬空固定电源EMI滤波器。

2.CPU电源

采用英飞凌公司推出的多通道电压输出电源芯片T L E6368, 该芯片适用于汽车等12V/24V/42V电源网络, 专门为要求2.6V、3.3V、5V的32位微处理器提供电源。具有如下特征:效率高, 5.5～60V的宽输入电压范围, 电磁辐射低, 开关损耗小, 六路独立的5V/17mA电压输出可用于外部传感器供电, 三个独立欠压检测电路 (如复位、预警等) , 跟踪控制和诊断SPI, 所有输出都有短路保护。

3.模拟电源

选用LM2587单片开关式集成稳压器, 该稳压器是新型高效节能稳压电源, 其电源效率可达90%以上, 由于它把开关功率管集成在芯片中, 所以不仅性能优良, 而且外围电路简单, 输入电压为4～40V, 输出电流为5A, 开关频率为100kHz, 具有输出电流保护和热关断功能, 尤其适用于多电压输出场合。

该电路的工作原理为:若由于输入电压或负载电流以及内部参数变化, 引起输出直流电压VO波动, 取样回路立即将波动信号送入误差放大器, 且与基准电压比较, 然后将放大后的信号送至脉宽调制回路, 使脉宽调制器的脉冲占空比发生变化, 再将它送给功率开关调制管, 改变调整管的输出, 结果使稳压电源的直流输出电压VO维持不变。

4.通信及诊断电源

通过低压差线性稳压器LM3940实现稳压, 低压差线性稳压器的突出优点是具有最低的成本、最低的噪声和最低的静态电流, 它的外围器件也很少, 通常只有一两个旁路电容, 与传统的线性稳压器相比, 它的最大优点是输入输出压差很低, 经过稳压作用, 可以使整流滤波后的纹波电压大大降低。

5.传感器电源

电压跟随器TLE4250作为传感器电源, 成本低, 能有效防止传感器短路对控制器产生冲击, 采用很小的SMD封装, 具有较宽的输入电压范围, 能输出最大50mA的电流, 并对过温、反接、短路等进行保护 (见图2) 。

6.升压电路

采用脉宽调制方式实现升压, 控制电路通过被控信号与基准信号的差值进行闭环反馈, 从而调节占空比, 推动开关功率管的开与关, 使开关电源能够根据敲阀造成的高压能量损耗降低得到及时补充达到稳定。在设计中, 控制方法的选择和设计对于开关电源的性能来说十分重要, 采用不同的检测信号和不同的控制电路会有不同的控制效果, 本系统采用定频控制方式的电压电流联合控制, 采用数字电位器通过用数字信号改变其阻值, 从而改变升压电流与电源。

为了降低升压电路功率损耗, 选用低导通电阻和快速开关速度的高功率MOSFET管, 选用合适的驱动电路, 降低开关管的导通和关断损耗, 选用合适的开关频率, 开关频率越低, 开关管及升压电感的开关损耗就越小, 但最小不能小于20kHz, 输出整流选用肖特基二极管, 输出滤波电容采用多个并联, 降低电容的ESR, 升压电路的控制速度、效率、功耗很大程度上都是由PWM比较器决定, 电路的反应速度与输入信号差的绝对值有关, 该绝对值越大, 反应速度也越快 (见图3) 。

7.高低位电源开关

选用BTS432作为高位电源开关, BTS432导通电阻38mΩ, 负载电流11A, 操作电压4.5～42V, 电压具有负载突降和电池反接保护、负电压输出箝位、短路保护、电流限制、热关断、诊断反馈、开路检测、CMOS兼容输入、过压保护、欠压与过压关断等特点。

选用TLE6220作为低位电源开关, TLE6220是低端智能功率电源开关, 具有如下功能:短路保护、过热保护、过压保护、八位串行数据输入和诊断输出, 包括负载开路检测、对地短路检测、对电源短路检测、低静态电流、u C兼容输入, 特别适合电源管理和动力总成系统, 本系统采用两片低位开关通过级联方式, 提供八路低位电源开关。

8.电源检测及复位

电源的瞬间异常变化会导致电控系统巨大的损失, E C U多数器件对其工作电压要求较高, 偏差不能超过5%, 一旦工作电压超出该偏差, 长时间工作容易缩短器件寿命甚至烧毁, 需要对电源状态进行监测和分析, 以加强防范措施, 限制强干扰源, 保证电源可靠工作。

本系统所有电源都设计检测电路, 通过合理分压, 分配到QADC不同通道, 包括八路传感器供电输出、5V电压基准、逻辑5V电压、24V蓄电池电压、高压电压、±12V电压。复位电路包括上电复位、通用看门狗复位电路、集成看门狗复位电路。

电源控制与诊断

1.TLE6368的控制与诊断

通过一个标准的16位SPI接口作为控制和诊断, 可以通过对相应寄存器写控制命令, 热启动复位时间, 看门狗触发使能, 看门狗激活或关闭时间, 六路5V输出单独关闭或打开, 通过读相应寄存器读TLE6368工作状态, 包括芯片正常操作与预警, 各个5V输出开, 关闭或短路, 冷热起动, 看门狗操作是否正常, 2.6V、3.3V、5V, 是否工作正常等。

2.TLE6220的控制与诊断

TLE6220主要用来指示发动机运行状态, 控制可以有并行和串行两种模式, 并行输入和对应的串行位可以是“AND”或“OR”, 通过SPI编程指定, 分别控制四路低位开关输出, 只能是通过SPI进行串行诊断, 时钟下降沿采样数据输入, 时钟上升沿进行数据输出, 通过控制命令符对芯片编程, 控制命令符由四位控制位与四位数据位组成。

首先通过写命令AXH进行SPI口自诊断, 如果SPI工作正常, 可以通过控制符OXH只进行诊断功能, 不控制输出, 而且只返回当前状态, 控制符CXH表示读出并行控制方式各通道的输入信号与诊断状态, 控制符0 0 1 1D3 D2 D1 D0执行并行与串行或控制, 控制符1 1 1 1 D3D2 D1 D0执行并行与串行与控制, 诊断输出码规定如图4所示。

结语

柴油机高压共轨新技术介绍 篇6

高速运转的柴油机使柴油喷射过程的时间只有千分之几秒, 事实上, 在喷射过程中高压油管各处的压力是随时间和位置的不同而变化的。由于柴油的可压缩性和高压油管中柴油的压力波动, 使实际的喷油状态与喷油泵所规定的柱塞供油规律有较大的差异。油管内的压力波动有时还会在主喷射之后, 使高压油管内的压力再次上升, 达到令喷油器的针阀开启的压力, 将已经关闭的针阀又重新打开产生二次喷油现象, 由于二次喷油不可能完全燃烧, 增加了烟度和碳氢化合物 (HC) 的排放量, 油耗增加。此外, 每次喷射循环后高压油管内的残压都会发生变化, 随之引起不稳定的喷射, 尤其在低转速区域容易产生上述现象, 严重时不仅喷油不均匀, 而且会发生间歇性不喷射现象。

二、电控柴油机是怎么回事?

“电控”是指喷油系统由电脑控制, ECU (俗称电脑) 对每个喷油嘴的喷油量、喷油时刻进行精确控制, 能使柴油机的燃油经济性和动力性达到最佳的平衡, 而传统的柴油机则是由机械控制, 控制精度无法得以保障。

三、高压柴油机是指什么?

柴油机“高压”是指喷油系统压力比传统柴油机要高出1.1倍, 最高能达到145MPa (而传统柴油机喷油压力在60—70 MPa) , 压力大雾化好燃烧充分, 从而提高了动力性, 最终达到省油的目的。

四、电控高压共轨柴油机有哪些技术特点?

这种柴油机具有以下特点:一是结构简单, 安装方便。二是共轨油压独立于发动机转速控制、整车控制功能强;三是噪声低:预喷技术可以降低怠速噪声;四是多次喷射:可以实现多次喷射, 目前最好的共轨系统可以进行6次喷射;共轨系统的灵活性好;五是对燃油适应能力差, 对用户使用条件要求高;六是用户维修比较困难, 零部件更换成本高, 特别是电控喷油器和电控喷油泵。

五、电控高压共轨柴油机供油系统如何实现精确控制?

低压油泵将柴油从油箱中吸出, 经过过滤提供给高压油泵, 在低压泵内有一电磁阀控制燃油到达高压泵室, 燃油进入管形蓄压器—燃油轨道。在共轨上有压力传感器时时监测燃油压力, 并将这一信号传递给ECU, 通过对流量的调节, 控制共轨内的燃油压力达到希望值。喷射压力根据发动机运转条件的不同从200～1800Pa, 再通过电脑控制分别喷射到汽缸中, 共轨不但保持了燃油压力, 还消除了压力波动。燃油喷射由机械、液压、电子系统联合作业, 要适应发动机各种工况下的工作环境, 在燃烧之前燃油必须经过过滤和增压, 在准确的时间以一定的喷射速率喷射到每一个汽缸内。发动机电脑控制废气再循环、增压、排气后处理系统, 以得到最佳的发动机特性和废气排放。

六、共轨技术有哪些特点?

一是共轨腔内的高压直接用于喷射, 可以省去喷油器内的增压机构;而且共轨腔内是持续高压, 高压油泵所需的驱动力矩比传统油泵小得多。二是通过高压油泵上的压力调节电磁阀, 可以根据发动机负荷状况以及经济性和排放性的要求对共轨腔内的油压进行灵活调节, 优化了发动机的低速性能。三是通过喷油器上的电磁阀控制喷射定时, 喷射油量以及喷射速率, 还可以灵活调节不同工况下预喷射和后喷射的喷射油量以及与主喷射的间隔。

七、高压共轨系统由哪几部分组成?

高压共轨柴油机的保护策略研究 篇7

内燃机运行在高温、高压和瞬变工作状态下,因此,必须采取相应的技术措施进行保护,以避免机械损伤和造成人员的伤亡。据初步统计,我国每年因机油压力过低和因水温过高所造成的经济损失高达亿元[1]。

内燃机保护主要是通过对喷油量的控制来实现。传统内燃机的机械保护,通过加速补偿器来实现喷油量的控制。加速补偿器装在进气管道上,通过进气压力的大小来调节弹簧长度,从而实现喷油量补偿。由于弹簧刚度是固定的,所以对喷油量的调节也是固定的。传统的机械保护没有对温度的限制保护,对烟度的限制也是粗略的,尤其是烟度限制器与内燃机不匹配时,还会起到负作用。传统内燃机一旦出现错误,就必须停机,否则,会对内燃机造成损伤。传统内燃机的机械保护,不能对环境的变化作出快速响应,同时由于控制精度低,不能满足目前排放法规的要求。而目前开发的高压共轨柴油机具有良好的燃油经济性、动力性,并且在很大程度上改善了排放污染问题。高压共轨柴油机的保护通过ECU来控制实现,并且对内燃机的保护是实时的,能实现点对点的柔性控制。一旦内燃机出现故障,ECU即能检错,并送出替代值保证内燃机仍能工作,然后进行修复,此时不需要停机。若内燃机出现致命错误,如喷油器报错等,此时ECU发出停机信号,必须停机。目前广泛使用的高压共轨柴油机采用电控技术,能够对内燃机进行实时保护,从而保证了内燃机处于高效、安全运转状态。针对这些问题,本文对内燃机保护进行了深入、系统的研究。

1 高压共轨柴油机保护的控制策略分析

高压共轨柴油机的保护主要有机械保护和冒烟限制保护,具体的结构流程如图1所示。

机械保护控制是通过对内燃机的喷油量和扭矩来实现,能保护高压共轨柴油机免受热过载及超负荷所导致的损坏。其中,通过对扭矩和速度的限制实现对内燃机的超负荷保护和超速保护;通过对喷油量的限制实现对内燃机的过热保护;通过进气流量和内燃机转速的限制实现冒烟限制保护。

1.1 高压共轨柴油机的机械保护

高压共轨柴油机的机械保护是通过对扭矩和喷油量的限制来实现(图2)。由图2可见,高压共轨柴油机的机械保护包括避免内燃机过载的限制扭矩、避免过高内燃机转速的限制扭矩、避免过高涡轮转速的限制扭矩、制动时的限制扭矩和避免热过载的限制扭矩。以下详细介绍各保护模块的控制思想。

1.1.1 制动时的限制扭矩

传统的内燃机没有制动保护,当踩下刹车后会继续喷油,由于功率一定,此时会给车辆行驶造成一系列危害,例如加速刹车片磨损或者内燃机熄火。如图2所示,高压共轨柴油机可以通过ECU对制动进行保护。当内燃机制动时,内燃机的保护扭矩被限制到排气制动时的扭矩。通过对内燃机转速和排气制动时的需求扭矩进行MAP插值来得到排气制动时的限制扭矩。正常扭矩到排气制动扭矩之间的转换通过斜坡函数来完成。通过负的斜率来完成从正常扭矩到排气制动扭矩的转换,通过正的斜率来完成从排气制动扭矩到正常扭矩的转换。

1.1.2 过载保护

一定功率的内燃机,当扭矩超过外特性曲线最大功率对应的扭矩值时,会造成内燃机熄火[2],即超负荷。为了避免超负荷造成内燃机熄火,所以要进行过载保护。尤其在高海拔地区,由于大气压力较小,会导致过量空气系数和有效功率减小,吸入缸内的空气量减小,使燃油消耗率增加,缸内吸气终了的温度和压力下降,从而使得柴油机的动力性和经济性下降[3,4]。这种情况下的热负荷高,增压器超速,更易过载。

传统内燃机保护只有增压补偿器,对压力进行修正,而不能对温度进行修正,所以修正粗糙,容易造成过载。而电控高压共轨柴油机可以精确地由ECU通过大气压力和水温来修正内燃机的扭矩。

为了确保在高海拔下内燃机能正常运转,扭矩限制量要通过扭矩限制曲线来修正。根据内燃机转速、冷却水温度及大气压力进行不同的MAP插值得到扭矩限制修正值。图3为扭矩限制修正流程图。

1.1.3 超速保护

当柴油机发生超速故障时,很高的转速会造成柴油机各运动部件高速运动,从而产生很高的附加惯性载荷,即使发生超速故障的时间很短,也会对内燃机造成很大的危害[5]。为了避免这些情况的发生,要对内燃机进行实时的超速保护。

如果ECU系统出现错误或者内燃机在某种特定运转状况(如汽车下坡行驶时)下,内燃机的高速运转是不允许的。运用ETAS公司的ASCET软件对超速状态进行了仿真(图4)。

图4中假设内燃机转速是正弦曲线,转速范围800～3600r/min,保护时的极限转速为3400r/min,车辆性能检测时的极限转速为3200r/min,输出值是内燃机超速状态:0—不超速;1—超速。由图4可看出:内燃机转速为0～3200r/min时,超速状态为0,不超速,正常运转;内燃机转速>3200r/min时,超速状态为1,即为超速。系统一旦检测出超速,ECU将对其进行及时快速地调整,通过系统错误时的速度限制曲线插值,并通过斜坡函数进行计算,从而输出内燃机转速替代值,或者内燃机转速置为0,从而完成对内燃机的超速保护。

1.1.4 过热保护

内燃机过热是一种恶性故障,它直接影响内燃机正常工作,例如会造成内燃机功率下降、加速无力、油耗增加、不正常燃烧等,严重时可导致活塞与气缸的卡滞或拉伤[6]。过热保护可以防止水温过高和进气温度过高对内燃机的损害,以及防止燃油温度过高对喷油系统的损害。

传统的内燃机没有对温度的保护,只有驾驶员通过仪表人为的对喷油量进行适当地调整,温度过高时就降低喷油量,当然这只是粗略地保护。而高压共轨柴油机,可以通过ECU对温度进行缜密的控制。高压共轨柴油机过热保护的控制思路是限制喷油量,降低功率,并根据不同的车速和内燃机转速进行修正,如图5所示。

1.1.5 对过高涡轮转速的保护

涡轮保护的扭矩限制主要是为了避免内燃机运行在高海拔时涡轮超速。通过对内燃机转速、大气压力进行喷油量三维MAP插值,得到涡轮保护时的喷油量限制值,经过当前效率修正系数修正后,再经过油量/扭矩转换为扭矩限制;通过对内燃机转速、大气压力进行扭矩三维MAP插值,得到涡轮保护时的扭矩限制值;根据内燃机的实时要求选择所需的扭矩限制值。

1.2 内燃机的冒烟限制保护

冒烟是内燃机的一种常见故障,它不仅降低了内燃机的动力性、经济性,而且使排放污染加剧。影响内燃机的正常工作,所以对它的检测和限制十分必要[7]。

传统内燃机是在油泵上安装一个冒烟限制器,在突然加油门时,冒烟限制器里的弹簧就会起作用,使其转速缓慢的增加而不是快速的增加到期望值,但这种控制方法不可靠,其调节作用很小。而电控高压共轨柴油机,由于增压器的迟滞效应或者进气系统存在故障和泄漏的情况下,在柴油机加速过程中易引起进气量不足,空燃比下降,燃油不完全燃烧,从而产生冒烟的现象。

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由式(1)可知,必须根据实际的进气量来对柴油机的喷油量进行限制,以满足空燃比的要求,从而防止在瞬态加速过程中冒黑烟。

冒烟限制的控制策略是进气流量下降时限制最大扭矩。冒烟限制喷油量主要考虑了进气流量和内燃机转速,同时又考虑内燃机温度及环境压力的补偿(具体数值由高原标定确定),如图6所示。由图6可知,冒烟限制喷油量等于冒烟限制喷油量的基本值减去全负荷时的修正喷油量。

图7为喷油量通过油量/扭矩转换器被转换成相应的冒烟限制下的内燃机扭矩。

2 保护功能软件的试验验证

综上所述,高压共轨内燃机的保护最终是以控制内燃机的扭矩,再转化为对喷油量的控制来实现的。为此,对采用保护控制策略的控制器在某型号的高压共轨柴油机上进行了试验验证,结果表明,采用保护控制策略后能够实现预期保护功能,以冒烟保护和过热保护为例对试验验证结果进行说明。

冒烟限制主要是针对内燃机高转速和瞬态加速时的工况,为了防止因进气量不足而导致冒烟,在进气量和转速一定时通过限制过量空气系数来控制冒烟。表1为过量空气系数与进气量和转速的关系。

将表1中的数据转化成如图8所示的MAP图。根据图6和图7可以看出,在内燃机转速<3000r/min、进气量一定时,过量空气系数随转速变化而快速变化;而转速>3000r/min后,为了对冒烟进行限制,过量空气系数值不再随转速变化。根据公式(1)可知,喷油量不随转速的增加而增大,从而实现了高转速条件下的冒烟限制。

图9为利用内燃机在不同温度和转速下,通过降低扭矩需求来实现过热保护的试验结果。从试验结果可知,在内燃机转速<1750r/min、温度≤111℃时,发动机的扭矩降不超过40N·m,当温度>111℃时,控制器为了防止内燃机低速条件下过热,扭矩降明显增大;在内燃机转速>1750r/min、在内燃机温度>99℃时,扭矩降就快速增大到100N·m以上,如果冷却水温度>109℃,控制器能将扭矩降迅速增加到200N·m,从而降低喷油量实现过热保护的目的。

3 软件设计中的功能模块介绍

3.1 MAP的确定

高压共轨柴油机保护的软件设计中涉及到大量MAP的确定,系统中涉及的最基本的几个MAP:为过热保护中依据内燃机转速和温度系数进行喷油量限制的MAP(图5);为冒烟限制中依据内燃机转速和进气流量对过量空气系数限制的MAP(图8);扭矩/油量换算对应的MAP(图10)。

3.2 斜坡函数

斜坡函数相当于一个比例环节,与比例环节不同的是斜坡函数的输出值随时间而变化。斜坡函数有正斜率,也有负斜率。当实际的控制量大于目标量时采用负斜率,逐渐降低控制量,以消除误差;反之,则采用正斜率,增加控制量,消除控制偏差。当偏差较大时,为了快速补偿偏差,需要采用大斜率,但是偏差过大易导致系统的振荡;反之,偏差较小时,则需要采用小斜率调节,防止斜率过大造成过调节,引起控制量的发散振荡。

在排气制动时对扭矩进行调节就用到了斜坡函数。当从正常运转到排气制动时,通过斜坡函数的负斜率降低喷油量,从而降低转速,以实现快速稳定制动。相反,当内燃机从制动到正常运转时,为了提高内燃机转速,则需要通过斜坡函数的正斜率来增加喷油量。另外,超速时也用到了斜坡函数,当超速状态为1时,系统报错,会出现一个附加的速度值,即速度备用值,通过斜坡函数来完成正常值和备用值之间的转换。当然,因为斜坡函数是一个时间的函数,所以它的控制是实时的,从而更有效的对内燃机进行实时地保护。

4 结论

(1) 在高海拔条件下,通过对内燃机转速、温度和大气压力进行MAP修正,能够实时地对内燃机的过载进行限制。

(2) 当温度系数一定时,喷油量随着内燃机转速的增加而增大;但当转速升高到一定值时,就要降低喷油量,开始过热保护。

(3) 内燃机转速一旦超过了保护时内燃机的极限转速和车辆性能检测的极限速度的最小值,就需要减小喷油量,降低转速。

(4) 当转速一定时,通过实际的进气量对喷油量进行限制,以满足空燃比的要求,从而防止冒烟现象的发生。

参考文献

[1]高文中,康志一,陈用勋.发动机智能保护系统的设计和应用[J].铁道建筑技术,1994(4):35-39.

[2]周龙保.内燃机学[M].2版.北京:机械工业出版社,2005.

[3]申立中,杨永忠,雷基林,等.不同海拔下增压中冷柴油机性能和排放研究[J].内燃机学报,2006,24(3):250-251.Shen L Z,Yang Y Z,Lei J L,et al.Study of performance and e-missions of a turbocharged inter-cooling diesel engine at differ-ent altitudes[J].Transcations of CSICE,2006,24(3):250-251.

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[5]许力,王忠义.柴油内燃机超速故障浅析[J].城市车辆使用与维修,2003(2):21-23.

[6]包恩东,刘培波,崔兴玉.内燃机过热的原因分析及处置[J].农机使用与维修,2005(4):53.