（机械设计及理论专业论文）柴油发动机电液调速器的研究.pdf

摘要 摘要 日益严格的排放法规和其它替代动力的应用向柴油机的生存和发展提出了 严峻的挑战。柴油机电控技术能够显著的改善柴油机排放性能，还可以有效地 降低燃油消耗率、提高发动机的动力性能以及其它性能指标，因此大力发展柴 油机的控制技术成为目前以及今后的研究重点。 本文首先，从理论上分析了柴油机调速系统的工作原理，设计了柴油机电 液调速器，然后，建立了柴油机调速系统的数学模型，并对控制策略进行了研 究。 传统p i d 控制器结构简单，具有一定的鲁棒性，容易实现有着广泛的应用。 并取得良好的控制效果。但是随着柴油机的发展，对柴油机运行的可靠性能和 动态品质要求越来越高。传统的p i d 控制器已经不能满足这一要求，寻找更好 的控制算法势在必行。而模糊控制不要求被控对象的精确模型且适应性强。为 了克服传统p i d 的缺点，将模糊控制与p i d 控制结合起来，扬长避短研究了多 种模糊p i d 控制器。但模糊控制器各参数一旦确定后就无法改变，不能够大范 围自动适应参数的变化，仍需要进一步改进。 本文在系统研究模糊控制及遗传算法基础上，提出了将模糊p i d 技术应用 于柴油机电液调速系统，并对所设计的模糊p i d 控制器和经过遗传算法优化的 模糊p i d 控制器进行了仿真研究。仿真结果表明经遗传算法优化的控制器较常 规的控制器有良好的控制效果。 关键词：柴油机，电控，调速系统，模糊p i d 控制，遗传算法，仿真模拟 a b s t r a e t a b s t r a c t i n c r e a s i n g l ys t r i n g e n te m i s s i o nr e g u l a t i o n s a n da p p l i c a t i o n so fo t h e rp o w e r s u b s t i t u t e sh a v em a d ef l i n t yc h a l l e n g ef o rt h ed i e s e le n g i n e se x i s t e n c ea n d d e v e l o p m e n t d i e s e le n g i n e se l e c t r o n i cc o n t r o lt e c h n o l o g yc a l l to n l ys i g n i f i c a n t l y i m p r o v ed i e s e le n g i n e s e m i s s i o np e r f o r m a n c e ，b u te f f e c t i v e l yr e d u c ei t sf u e l c o n s u m p t i o na n di m p r o v ei t so u t p u ta n do t h e rp e r f o r m a n c e ，s ot h ed e v e l o p m e n to f d i e s e le n g i n e se l e c t r o n i cc o n t r o lt e c h n o l o g yh a sb e c o m er e s e a r c hh o t s p o ta n dt r e n d a tp r e s e n ta n di nt h ef u t u r e f i r s t l y , t h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l eo fd i e s e le n g i n e sc o n t r o ls y s t e mi sa n a l y z e d ， o nt h e s eb a s e s ，d i e se le n g i n e se l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e d ；s e c o n d l y , a m o d e lo fc o n t r o ls y s t e mo fd i e s e le n g i n ei sp r o p o s e d ；t h el a s t ，t h ec o n t r o lm e t h o di s r e s e a r c h e d t r a d i t i o n a lp i dc o n t r o l l e rh a st h ec h a r a c t e r so fs i m p l es t r u c t u r e ，r o b u s t n e s s ， e a s yt oi m p l e m e n ta n ds oo na n dh a sb e e na p p l i e dw i d e l yw i t hav e r yg o o dc o n t r o l e f f e c t b u t a st h es c a l ea n dc a p a c i t ye n l a r g e m e n to fd i e s e le n g i n e ，t h et r a d i t i o n a lp i d c o n t r o l l e rc a n tm e e tt h en e e d s ，i ti si m p e r a t i v et of i n dab e t t e rc o n t r o la l g o r i t h m s i n o r d e rt oo v e r c o m et h es h o r t c o m i n g so ft r a d i t i o n a lp i dc o n t r o l l e r , f u z z yc o n t r o l ，t h a t d o e s n tn e e dt h ea c c u “i t em o d e lo ft h ec o n t r o l l e dt a r g e ta n dh a sw o n d e r f u l a d a p t a b i l i t y , i sc o m b i n e dw i t i lt h et r a d i t i o n a lp i d c o n t r o l l e rt of o r mm a n yk i n d so f f u z z y - p i dc o n t r o l l e r s ，b u to nt h eo t h e rh a n dt h ef u z z y - p l dc o n t r o l l e ri su n a b l et o c h a n g et h ep a r a m e t e r so fi to n c et h ep a r a m e t e r sa l ec o n f i r m e da n d c a n ta d a p tt o c h a n g ea u t o m a t i c a l l y s o ，i ts t i l ln e e d st ob ef u r t h e ri m p r o v e d i nt h i s p a p e r , i ti sp r o p o s e dt h a tf u z z yp i da l g o r i t h m s i sa p p l i e dt ot h e e l e c t r o - h y d r a u l i cs p e e d a d j u s to fd i e s e le n g i n es y s t e mb a s e do ns t u d y i n gt h ef u z z y c o n t r o la n dt h eg a ( g e n e t i ea l g o r i t h m s ) o nt h ew h o l e s i m u l a t i o nr e s e a r c h e sa r e c a r r i e do nt ot h ef o l l o w i n gc o n t r o l l e r ：t h ef u z z y p i dc o n t r o l l e ra n dt h ef u z z y - p i d a b s t r a c t c o n t r o l l e ro p t i m i z e db yg a ( g c n c t i ca l g o r i t h m s ) t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t t h ef u z z y - p i dc o n t r o l l e ro p t i m i z e db y ( al m sab e t t e re f f e c tt h a nt h et r a d i t i o n a lo n 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 c a l l yc o n t r o l ，s p e e da d j u s t m e n ts y s t e m , f u z z y - p i dc o n t r o l ，g e n 硝ca l g o r i t h m s ，s i m u l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的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谓 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 获得石家庄铁道学院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：盔丝翌日期：皿2 1 1 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石家庄铁道学院有关保留、使用学位论文的规定， 即：学院有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：垒i l 宝导师签名：日期：幽：兰：! 竖 第一章绪论 第一章绪论 1 1发展柴油机的意义和面临的问题 1 1 1 发展柴油机的意义 自1 8 9 7 年第一台柴油机出现以来，由于它的热效率高、功率大、适应性好 等优点而被广泛的应用于工业、农业、交通运输业以及军事工业中，是目前世 界上应用最广泛的一种动力机械。在重载车中，一些国家如德国、日本几乎全 部用柴油机作动力，国内的柴油车的比重也在逐年上升。 从6 0 年代至今，世界车用动力的发展曾经历过三次向柴油机的转变，由最 初只限于在城市外围使用和仅作为重型汽车动力扩展到广泛应用于中型汽车、 轻型汽车和轿车领域，柴油机己成为车用动力中占主导地位的产品。近2 5 年来， 世界柴油机业迅速发展，传统柴油机也逐步发展成为现代柴油机【h 】。 在中国，柴油车同样具有极大的发展潜力。来自中国汽车工程学会的资料 表明：我国重型柴油车的产量在逐年增加，中型、轻型车柴油化步伐也在加快， 但在微型汽车，轿车领域，柴油车所占比例仍然很小。据介绍，以北京的出租 车为例，大众汽车集团做了一些计算，北京市现有6 万辆出租车，假定每辆出 租车平均每天行驶3 0 0k m ，如果全部改换成柴油发动机，每天便可节省6 5 万升 燃油。以2 0 0 0 年9 月份的油价为基础，北京出租车公司每天就可节省大约2 5 0 万元人民币。这样，不仅柴油发动机轿车的经济效益非常明显，而且在保护环 境方面，柴油车也大放光彩。因为燃油消耗少了，排放也随之减少。国家环保 总局也规定：只要排放达到标准的车，无论是柴油车还是汽油车，都应准许进 城，继续使用。由此看来现代柴油机在中国的应用前景非常广阔。 根据以上的分析，我们可以得出一个结论：现代柴油机已完全不同于传统 意义上的柴油机，它具有高效、经济、环保和面向未来等优点，由于这些优点 使得在今后2 0 年，甚至更长时间内柴油机将成为世界车用动力的主流【4 j 。 1 1 2 柴油机发展面临的问题 第一章绪论 目前柴油机的发展面临着巨大的挑战。现在已经出现了所谓的无污染或低 污染的电驱动发动机及代用燃料发动机，如天然气发动机、甲醇发动机及混合 燃料发动机。这些都对柴油机在汽车领域中的主导地位及生存权构成了潜在的 威胁。所以必须不断提高柴油机的性能，开发出符合日益严格的排放法规的高 性能、低排放的现代绿色柴油机 4 】。 柴油机排放试验规范最初由美国加里福尼亚政府于1 9 7 1 年提出，1 9 7 4 年经 美国联邦政府认可，成为世界上第一部柴油机排放法规。该排放法规主要针对 柴油机的稳定工况，但是对排放性能较差的非稳定工况没有做出规定。自1 9 8 5 年起美国开始采用联邦环境保护局( e p a ) 重型柴油机瞬态试验规范，日本及欧盟 也相继制定了排放法规。美国、日本及欧盟汽车柴油机有害排放标准见表1 1 1 5 1 0 我国也开始对汽车排放进行法规限制，2 0 0 0 年开始执行e u r o i 标准。北京 市于1 9 9 8 年制定了汽车柴油机排气污染物排放标准，见表1 2 【卯。可以说，日益 严格的排放法规已经使柴油机的排放性能成为决定柴油机存亡的关键因素。 我国柴油机产业自2 0 世纪8 0 年代后有了较快发展，最新投产的柴油机产 品排放水平已经达到了欧洲l 号法规的要求，有的甚至达到了欧洲2 号排放标 准，但整体发展仍然面临诸多问题，我国柴油机总体技术落后予国外，许多国 外已经普遍采用的技术在我国仍处于研究阶段，有些甚至仍是空白。从总体上 讲，我国柴油机技术基础薄弱，还不具备完整的全新柴油机产品和关键零部件 开发能力。因此大力提高我国的柴油机技术具有十分重要的意义，特别是为了 与国际接轨，缩小与国外的差距，我们必须自主开发柴油机电子控制。 表卜1美国，日本及欧盟汽车柴油机排放标准 g k w h 一2 一 第一章绪论 表1 2 北京市汽车柴油机排放标准 g k w h 1 2 柴油机的发展方向 柴油机在面临广阔发展前景的同时，其生存和发展已受到了来自各方面的 威胁：未来严格的排放法规和替代燃料。根据我国柴油机产业的现状，可以得 出我国柴油机技术的攻关重点应放在：电控技术、排放后处理技术、整机开发 和匹配技术等关键技术研究和材料开发上；提高柴油品质，为各类柴油机新技 术的应用奠定基础；把高速公路使用8t 以上柴油载货车作为我国柴油车发展的 重点，并为我国柴油轿车发展做好前期准备【6 j 。 为了进一步提高柴油机性能，降低有害物的排放，需各种改进措施优化组 合，这就对柴油机提出了高精度、多参数优化控制的要求，因此电子控制已成 为柴油机的必然发展趋势。近几十年来，电子技术特别是微电子技术的飞速发 展，为内燃机的电子控制创造了条件。目前世界上一些发达的国家竞相研制电 子控制的柴油机，并有不少已形成产品投放市场，获得了明显的经济效益和社 会效益。 1 3 柴油机的电子控制的意义 柴油机尤其是车用柴油机，是一个非线性、非稳定的复杂系统。而且，车 用柴油机经常在变转速、变负荷，变柴油机温度，变燃油特性、变大气环境条 一3 一 第一章绪论 件下运行。为了实现全工况整体最优运行，必须对柴油机的多个控制参数进行 全面的调节。柴油机性能的好坏，很大程度上取决于调节控制系统的完善程度。 调节的目的在于使柴油机在各种工况下、各种环境下都能保证较佳的综合性能 指标。如燃油经济性、排放性、运转稳定性等，并且调节过程所需的时间尽量 短，具有快速适应能力。传统的机械式调节控制系统( 一般指机械式调速器) 难以 满足上述复杂的要求。 随着微电子技术、自动控制技术和人工智能技术的不断发展及其在柴油机 控制中的应用，柴油机的电子控制技术已成为改善柴油机性能最有力的手段之 一，电子控制能充分利用计算机技术的优势，更好地贯彻人们对柴油机工作过 程的控制思想，使柴油机的各种控制参数始终保持在最佳状态，大大改善柴油 机的性能，同时还可对柴油机进行自动监视和诊断。 因此综合来看，实现柴油机的最佳油量、最佳定时等多功能的精确控制， 不仅在节能、污染及排放控制等方面容易满足日益严格的法规要求，这是传统 机械式控制无法达到的；就是在操作性能、启动特性、调速特性和对环境适应 性方面也是传统机械式控制所无法相比的。因此电子控制技术具有明显的经济 效益和社会效益，目前世界上许多国家，特别是一些工业发达国家竞相开发柴 油机电子控制技术。 柴油机电控技术已成为目前车用柴油机的一个重要发展方向。而柴油机电 子调速系统是柴油机电控系统的一个重要组成部分，对此进行较深入的研究可以 提高我国柴油机的主要性能并具有重要的理论意义和使用价值。 1 4 柴油机调速系统 1 4 1 调速的必要性 柴油机的速度特性中，扭矩曲线比较平坦，扭矩适应性系数小，克服短期 增加的外界阻力的能力差，即发动机无法稳定工作，一旦遇到阻力突然增加， 转速便快速下降甚至熄火，而当外界阻力突然减小时，发动机转速又迅速增加， 乃至“飞车”。这对工况多变的柴油机是非常不利的。为了保证柴油机工作稳 定，希望柴油机在负荷变化的情况下，转速变化不要过大。因此对柴油机进行 调速以期获得较稳定的转速。汽车和工程机械是经常在负荷不断变化的情况下 d 一 第一章绪论 工作的，而且还会遇到负荷突变的情况。如推土机作业时，当卸土以后，由于 突然卸去了负荷，喷油泵油量调节杆一时还来不及向减少供油量的方向移动。 柴油机的转速就会迅速升高。而这时由于喷油泵速度特性的作用，喷油泵的循 环供油量反而增大，促使柴油机的转速进一步提高。这样相互影响的结果，使 柴油机的转速越来越高，严重时会出现超速，甚至发生“飞车”事故，以致引 起机件损坏。因此，柴油机上必须安装调速器1 ”。 1 4 2 调速器的工作原理 调速器的作用是使柴油枫在不同工况下工作时均能按设计要求在给定转速 范围内保持稳定运行。因此。调速器的控制思想是相同的，都是通过敏感元件 测定转速的瞬时值，并且与系统的设定值进行比较，当测定值超出设定值的范 围时，由执行机构对转速控制部件( 喷油泵齿条) 进行调节，使转速恢复到设 定范围内。 传统的机械离心式调速器采用飞锤机构进行速度调节，这种调速系统直到现 在还在些中小柴油机一i - 碍到广泛应用。机械调速系统的执行机构本身就是感 应元件，简化模型如图l 一1 所示。 驱动机构喷油器 ffii i 转速卜- t 感应元件 曲轴i - 圈1 - 1 机械式调速系统模型 由于机械式调速器缺乏积分作用，导致其调节结果必须有一定的静差才能补 偿外界的条件变化，另外，机械式调速器较大的时间常数会导致柴油机对转速 变化响应较慢，齿杆位置不能及时地进行调节，因此转速波动较大。而电子调 速器可以弥补这方面的缺点，下面着重介绍电子调速器的工作原理。 电子调速器作为柴油机电子控制的重要组成部分，是一种新型的柴油机调 速系统，它的信号采集、控制方式以及执行机构都与传统调速器完全不同，电 子调速器一般由三部分组成：控制器、执行器和转速传感器，如图1 2 所示。 一5 一 第一章绪论 图卜2 柴油机电子调透器梗型 电子控制是将测得的转速信号与目标转速进行比较，两个信号之差经过控 制算法计算出相应的控制量，再送入齿杆执行机构来调节柴油机喷油泵的齿杆 位置，以达到调节喷油泵的供油量，进而实现柴油机的稳速运行。通过在系统 中增加传感器、添加新功能芯片以及编写程序可以实现多功能、多参数调节， 并提供了软件升级的可能，换装发动机的时候并不需要对硬件做出很大的改动， 只需重编软件或修改程序即可唧。 1 5 国内外柴油机电控技术研究发展概况 目前，国外高速柴油机采用电子控制系统已相当普遍，控制内容包括喷油 系统、调速、进排气系统、冷却系统、废气再循环、增压系统等。最新的技术 发展动向是燃油系统和车辆的其它电子控制系统之间进行数据通讯，各种传感 器和技术数据可以共享，实现车辆控制综合化、智能化、网络化f l o 】。 国外柴油机电控喷油系统的开发研究从7 0 年代开始，大致经历了三代【l o j ： 第一代电控喷油系统是位置控制式。它保留了传统喷射系统的基本结构，将原 有的机械控制机构用电控元件来取代，使控制精度和响应速度得以提高。这种 系统的优点是用电控泵及其控制部件代替原有的机械泵就可转为电喷系统，柴 油机的结构几乎无须改动，生产继承性好，便于对现有机构进行升级改造。其 缺点是控制自由度小，控制精度差，喷油率和喷射压力难于控制，很难大幅度 地提高喷射压力。 第二代电控喷油系统是时间控制式。它改变了传统喷射系统的一些机械结 构，利用柱塞泵可承载高压的特性提供高的供油压力，采用高速强力电磁阀的 溢流控制来实现喷油量和喷油定时的控制，油泵的机械结构得到了简化和强化， 一6 一 第一章绪论 适合于高压喷射。这种系统机械结构简单，控制反应快，但电磁阀的响应时间 对喷油过程的影响较大，特别是高速时，电磁阀的响应相对变慢。因此，需要 通过电磁阀的合理设计尽量缩短响应时间，提高控制精度。它主要包括电控泵 喷嘴系统、电控单体泵系统i m 他】。 第三代电控喷油系统是时日j 压力控制式。这种喷油系统不再采用传统的柱 塞泵脉动供油原理，而是通过一条公共油管( 共轨) ，用高压( 或中压) 输油泵向共 轨中泵油，用电磁阀进行压力调节并由压力传感器反馈控制从而保持所需的共 轨压力，有一定压力的柴油经由共轨分别通向各缸喷油器，喷油器上的电磁阀 控制喷油正时和喷油量。由于共轨式喷油系统能达到1 2 0 - - 1 6 0m p a 的喷射压力， 而且在一定限度内喷射压力的选择不受柴油机转速和喷油量的影响，这样，燃 油燃烧和噪声就可通过提高喷射压力及引入预喷射和复合喷射来改善。 随着国外柴油机电控技术的迅速发展，我国对电控喷油系统的研究日趋重 视。在八十年代的主要工作集中在电液式供油提前器的研究，九十年代初清华 大学对时间控制式的泵管嘴系统进行了研究 6 1 ，并开发了泵管阀喷油嘴系统 f l g - - 2 0 l 。 贵航集团红林机械公司与美国b k m 公司合作，已批量生产了中低压压力的 高速电磁开关阀和斜盘式柱塞泵。 北京理工大学发动机实验室十几年来一直从事柴油机电控技术的研究开 发，在电控单元( e c u ) 、喷油系统开发、高增压坦克柴油机的研究等方面均取得 了较大的进展。在八五期问就丌始了对大功率柴油机电子控制的研究，已经在 台架上实现了柴油机基本喷油量和喷油定时的控制，研制成功了电子提前器和 电控可变几何涡轮增压器，在此基础上进行了柴油机电控系统的台架实验和装 车实验，并通过了部级鉴定。同时还开发了一些适于中、小柴油机上的电子控 制系统，如柴油发电机电站调速器、分配泵电子控制、共轨蓄压式电控喷油系 统、柴油机管理系统等的开发研究等，已经取得了阶段性成果 1 2 , 1 s l 。 由于柴油机的电子燃油供给系统主要分为以上三种，其中对于改善柴油机 性能较好的方式是时间压力控制式，即共轨系统。但是虽然共轨式喷油系统可 以同时改善柴油机的经济性及排放，被认为是近年来世界上正在积极发展的一 种喷射系统。这种系统主要是为了满足欧三标准，但是由于这种系统成本高， 技术难度大，使得其应用成本变得很高。而且就我国而言，在这方面的研究工 作做的还很少，引进国外技术的难度较大。而位置控制式燃油供给系统保留了 一 第一章绪论 传统喷射系统的基本结构，将原有的机械控制机构用电控元件来取代，使控制 精度和响应速度得以提高。这种供油方式虽然对改善柴油机性能不如时间压力 控制式，但是它将电控泵及其控制部件代替原有的机械泵就可转为电喷系统， 柴油机的结构几乎无须改动，生产继承性好，便于对现有机构进行升级改造， 而且可以满足欧二标准。这些优点十分适合我国柴油机发展的现状。作为位置 控制式燃油供给系统中的重要部分电子调速装置又成为决定柴油机各种性能的 核心部分i ”。 本项研究的内容是柴油机转速控制电子调速系统，它是发展电控柴油机， 特别是发展电控喷油系统的一项关键技术，在我国相当一段时间内仍具有成熟 的应用基础和广阔的市场。 1 6 本课题的主要研究内容 考虑到目前我国柴油机发展面临的新形势，尤其是针对柴油机愈加严格的 低油耗、高输出功率和低排放的要求，本课题决定对机械式调速器进行设计改 造，在仍采用传统机械式喷油泵和喷油机构进行工作的前提下，对柴油机调速 器进行较小的结构改动，使柴油机能够实现电控。本课题属于自选课题，目的 在于用所研制的电子调速器取代以往的机械式调速器，以提高系统的响应速度、 控制精度、改善排放以及改善系统的操作性能，从而全面有效地提高柴油机的 使用性能。本文所作的工作主要是对电子调速器进行整体设计，并对调速系统 进行仿真研究。具体需要完成内容如下： ( 1 ) 在分析了现有柴油机调速系统工作原理的基础上，对柴油机电液调速系 统进行总体方案设计，并对其电液执行器单元进行设计； ( 2 ) 建立柴油机电液调速系统各部分的数学模型； ( 3 ) 对采用p i d 控制策略的柴油机调速系统进行分析，在现有控制策略存在 不足的基础上，提出采用模糊p i d 控制，并着重介绍了模糊p i d 控制的原理和 方法； ( 4 ) 利用遗传算法优化模糊控制器，着重介绍遗传算法的原理及其实现方法； ( 5 ) 通过m a t l a b 的s i m u l i n k 环境建立分别建立模糊p i d 控制算法和利 用遗传算法优化模糊p i d 控制算法的柴油机调速系统仿真模型，对两种控制方 式下的仿真结果进行对比。 一8 一 第二章柴油机电液调速器执行器的设计 第二章柴油机电液调速器执行器的设计 2 1 柴油机电液调速系统的总体方案设计 考虑到目前对柴油机愈加严格的低油耗、高输出功率和低排放的要求，对 柴油机调速器进行电控是十分必要的。对于仍采用传统机械式喷油泵和喷油机 构进行工作的柴油机而言，调速器是柴油机电控中的一个重要组成部分，对柴 油机进行电控调速的主要目标就是稳速，稳速控制的基本原理是根据给定转速 与实测转速之差，经控制算法计算求出相应的控制量，送入齿杆执行机构，来 调节柴油机喷油泵的齿杆位置，以达到调节柴油机喷油泵的供油量，进而实现 柴油机稳定运行的目的。基于这种原理研制出的柴油机电子调速器，是属于第 一代柴油机电控产品，是基于位置式的油量控制系统，这种方法不仅对现有柴 油机改装简单( 只需改换喷油泵内部调速器) ，控制系统投资少，而且能有效地 降低排放【2 1 1 。 图2 1 为6 1 3 5 q 2 柴油机电子调速系统的结构框图，主要由踏板位移、齿条 位置信号及转速信号的检测单元、控制器及执行机构组成。工作过程是电子调 速器把测得的发动机转速和当前油门踏板位置信号作为标志发动机的实际工况 点的基本信号，根据这两项推算出齿条位置的目标值，把齿条位置的反馈信号 与目标值进行对比，得到偏差值，再采用控制算法求出相应的控制量，送入执 油 门 踏 板 位 移 围2 - i 柴油机电子调速系统结构框 一o 一 第二章柴油机电液调速器执行器的设计 行机构来调节柴油机喷油泵的齿条位置，以调节喷油泵的供油量而实现柴油机 稳速运行。下面对执行器单元进行设计 2 1 - 2 3 】。 2 2 电液执行器 控制机构是柴油机电控系统中的一个关键部件，它的性能直接影响到整个 控制系统的性能，控制机构的关键是执行器，它是实现电一机械转换功能的元件， 决定整个控制机构的性能，因此，执行器的设计是整个调速系统设计过程中的 一个重点。 执行器按工作原理可分为电磁式、电液式、气液式等方式，其中电磁式是 利用电磁铁把电能转换成磁力，用磁力工作；电液式、气液式是通过电磁阀进 行转换而得到操作力。 经上述几种类型执行器的对比分析，最终选择了我们自行设计的电液执行 器。 此执行器采用高速开关阀、液压缸、单向阀、泵、蓄能器等液压件设计而 成。对于液压伺服系统我们采用了保压回路，利用蓄能器来储存能量。其原理 图如图2 2 ，液压缸结构如图2 3 所示。下面分别介绍其各个组成部分。 我们采用电液执行器是因为以高速开关阀为核心的液压系统，具有如下优 点： ( 1 ) 电液执行器以其较小的体积 就可以输出较大的推力； ( 2 ) 采用高速开关阀作为电液转 换元件，具有响应快、成本低、可 靠性高、重复性好的优点，而且对 电的功耗低，抗污染能力强； ( 3 ) 液压元件的涧滑性好、寿命 长；调速范围宽、低速稳定性好； ( 4 ) 在柴油机动力的强振动和高 温的工作环境中，仍能e 常稳定地 工作。 综上所述，电液执行器具有体 1 油缸；2 单向阀；3 液压泵； 禾先导卸荷阀：5 - 蓄能器：6 一高速数字开关阀。 图2 - 2 执行器原理图 一j 0 一 第二章柴油机电液调速器执行器的设计 积小、重量轻、响应速度快等特点，除此以外，还有一些优点，如液压元件借 助油管动力传输性好、方便；借助蓄能器，能量储存比较方便；过载保护容易； 解决系统温升问题比较方便等嗍。 连接片 位移传感器 图2 _ 3 液压缸结构图 2 2 。1 液压缸的设计 2 2 1 1 单活塞杆液压缸缸筒内径( 缸径) 的计算 预设液压缸的内径为d = 1 2 m m ，活塞杆直径d = 6 m m ，工作压力p = 2 m p a ， 则液压缸的输出力f 可由下式估算1 2 5 1 。 ，：i t q z 了r l p d 2 ( 2 - i ) 式中， c ，液压缸的负载率，一般= 0 5 0 7 ； 露液压缸的总效率，一般取r = 0 7 o 9 。 将d = 1 2 m n l 、d - - 6 1 1 1 i n 、p - - - - 2m p a 、妒= o 5 、叩= 0 7 带入式( 2 1 ) 得 f = 7 9 i n ，该系统实际需要输出力f = 7 8n f 。因此液压缸的推力符合要 求。取液压缸得内径d = 1 2 m m 。 2 2 1 2 单活塞杆液压缸缸简壁厚的计算 按薄壁筒计算缸筒壁厚街1 第二章柴油机电液调速器执行器的设计 赴p 蛐南 式中，p 一最高允许压力( m p a ) ； p 一液压缸缸径( m ) ； p 卜缸筒材料的许用应力。 将p 一= 1 5 p = 3 m p a 、d t l 2m i l l b 】= 1 l om p a 将数据带入式( 2 2 ) 得 艿0 1 6 m m ，取占= 3n l m 。 2 2 1 3 单活塞杆液压缸缸筒底部厚度的计算 因为缸底没有油口，所以缸底厚度 籼盾 式中，致液压缸的额定压力( m p a ) ； 一液压缸缸径( m ) ； p 卜一缸筒材料的许用应力。 将d = 1 2n l m 、k 】= 1 1 0m p a 、见= 4m p a 带入式( 2 - 3 ) 得8 = 1m m ，取 万= 1 0 m m 。 2 2 2 活塞杆的设计 2 2 2 1 活塞杆应力计算 预设液压缸的内径为d = 1 2 r a m ，活塞杆直径d = 6 m m ，工作压力p - - - - 2 m p a ， 计算活塞杆所受应力嗍 删5 7 2 砉 ( 2 4 ) 前面已计算出液压缸的输出力乒7 9 1n ，将数值带入式( 2 - 4 ) 得盯= 2 8 m p a ，盯 纠= l i o m p a 。 2 2 2 2 活塞杆稳定性验算( 实心) 因为活塞杆的固定类型属于一端固定而另一端铰接，所以其末端条件系数 刀= 2 ，柔性系数肼= 1 1 0 网。 一1 2 - - 第二章柴油机电液调速器执行器的设计 括器秆截面i 旦l 转半径l 后= 层 式中，活塞杆截面的转动惯量 ，= 等 彳活塞杆截面积 彳= 譬 将，3 6 1 1 1 1 1 1 4 ，a = 2 8 2 6 1 1 1 1 1 1 2 带入式( 2 5 ) ，得出k = 1 5 。 由于活塞杆长l = 2 2 4 m i l l ，得出l k ；1 5 m 1 - n = 1 5 5 6 ， 所以临界载荷 攻= 眈彳) ( 2 - 5 ) ( 2 7 ) ( 2 - 8 ) 将z = 2 5 0 ，a = 2 8 2 6m m 2 ，a = l 9 0 0 0 ，疗= 2 ，l k = 1 5 带入式( 2 8 ) 得 乓；6 9 8k n 。 因为仇f = 0 0 9 8 1k n ，所以该活塞杆可以稳定运动。 2 2 3 液压泵的选择 由于油缸的工作压力为2m p a ，且油管路有压力损失。同时考虑到液压泵的 动力来源于喷油泵的曲轴，因此需考虑其尺寸及其安装位置【2 1 埘l 。所以选择的 液压泵的型号为b b b 1 0 。 主要参数：流量为1 0l r a i n ；压力为2 4 5m p a ；转速为1 5 0 0r m i n ；压力摆 动为o 1 5m p a ；容积效率8 0 ；驱动功率为o 1 5k w 。 2 2 4 蓄能器的选择 由于该蓄能器的作用为液体补充装置，所以其有效容积为 a v = 署( d 2 一d 2 坶 ( 2 - 9 ) 4 、 7 一1 3 一 第二章柴油机电液调速器执行器的设计 式中，d 和d 一活塞和活塞杆的直径； 江活塞行程。 由上面计算可知) = 1 2i r l m 、d - - 6m i l l 、黠1 2f f l l n ，所以将数据带入式( 2 - 9 ) 计算得a v = 1 0 1 l ，由以上数据，选择的蓄能器的型号为：n x q a - l 0 4 。主要 参数：公称容积为0 4l ；公称压力为1 0m p a ；最大排放流量为ll s 。 2 2 5 单向阀的选择 考虑到调速器整体的紧凑性，所以单向阀采用插入式直角。根据油管的流 量需要确定其通径为6 姗的单向阀，其型号为：s 6 p k 5 。主要参数：流量为0 a l ；工作压力为1 0 m p a 。 2 2 6 卸荷溢流阀的选择 先导卸荷阀由溢流阀和单向阀组成，能自动控制泵的卸荷和加载。其 有三个接：p 接泵，a 接控制压力，t 接油箱。当系统压力达到溢流阀的 开启压力时，溢流阀开启，泵卸荷；当系统压力降到溢流阀的关闭压力时， 溢流阀关闭，使泵向系统加载。 我们选择的卸荷溢流阀的型号为：d a l 0 2 - 3 0 8 0 y 。主要参数：最大流 量为4 0l m i n ；通径为1 0n l m 。 2 2 7高速数字开关阀的选择 2 2 7 1高速数字开关阀的原理和结构 高速数字开关阀是电液执行器的关键元件，它工作在“开”和“关”两种 状态下，可直接与计算机接口，不需要d a 转换器，因此，它非常适于微机控制 系统。 图2 - 4 是二位二通高速开关阀的结构图。它由衔铁、阀体、线圈、球阀、极 靴等五部分构成。高速开关阀的控制方式是p w m ( p u l s ew i d l l l m o d u l a t e d ) 方式， 即脉宽调制式。其p w m 信号如图2 5 所示，当脉冲信号为低电平时，电磁阀断电， 球阀5 在出油口和进油口压差的作用下向左运动，最终紧靠在阀座密封座面上， 使迸油口与出油口断开，实现控制动作。当脉冲信号为高电平时，电磁阀通电， 衔铁l 产生电磁推力通过顶杆使球阀一起向右移动而离开阀座密封座面，此时进 1 4 - 第二章柴油机电液调速器执行器的设计 油口与出油口连通。 2345 出油口 l 一衔线：2 - 线圈；3 - 极靴；4 阀体；5 球阀 图2 - 4 二位二通高速开关阀结构图 高速开关阀采用脉宽调制原理 来控制其平均流量，由于脉宽调制 p w m 信号的周期非常小，常为几 毫秒到几十毫秒，因此，可用平均 流量q 来表示这一时间内阀的输 出流量。 一进油口 图2 - 5 脉冲宽度调制信号 畔舯再 式中，占占空l - i ： q 阀口流量系数； 彳阀口流通面积； 肇进出油的压差； p 二一油的密度。 占空比j 表示时间乙与脉冲周期7 韵比值，即 ( 2 i o ) 第二章柴油机电液调速器执行器的设计 占= 等( 2 一1 1 ) 于是阀的平均流量q 与脉冲信号的占空比占成正比。脉宽占空比占越大， 通过高速开关阀进入或流出油缸的平均流量越大，油缸的运动速度越快。而且 由于脉宽调f 日i j ( p w m ) 信号可直接由计算机输出，高速开关阀能够直接以数字的 方式进行控制，不必经d a 转换，单片机可以根据控制要求发出脉宽调制信号， 控制高速开关阀开或关，以控制液压缸液流的大小。 2 2 7 2 高速数宇开关阀性能参数 根据执行器的工作原理和结构形式，本系统选用两个二位二通高速开关阀 作为执行器的电液转换元件。性能参数：形式为二位二通常闭；工作方式为脉 冲宽度调制；材料为炭钢；密封形式为0 型圈；额定电压为2 4vd c ；工作温 度为一4 0 + 1 3 5 ；内泄露为o ；最高工作频率为不小于2 0 0h z ：额定压力为 5 m p a ；额定流量为4 - _ 9 l m i r a 开启时间为3 5 m s ；关闭时间为2 5 m s ；重复 性为士o 0 5 m s ；寿命为设计寿命不小于l x l 0 9 次，耐久性试验己超过2 x 1 0 9 次。 2 2 8管道的选择和连接 管道种类的选择 2 5 】。 液压传动系统常用的管道有钢管、铜管、橡胶软管和尼龙管等。选择 的重要依据是工作压力，工作环境和液压装置的总体布局等。本系统中无 元件之间的相对运动且考虑到稳定性，因此所有管路均用钢管。 钢管的选择： 由于钢管属于金属管，所以其内径的计算公式为 赴锯( 2 - 1 2 ) 式中，d 管子内径( m ) ； 孽一一油液的流量( m 3 s ) ； 矿一一管内油液的流速( m s ) 。 其中，管内油液的流速v 在不同类型的管道中数值不同，对吸油管道 可取矿= l 2m s ( 在一般情况下去l m s 以下) 。对压油管道，可取矿- 2 5 5 m s ( 压力高时取大值，压力小时去小值；管道较短时取大值，管道较长 一1 6 第二章柴油机电液调速器执行器的设计 时取小值) ，对于短管道和局部收缩处，可取v = 5 7m s ，对于回油管道可 取矿= 1 5 2 5m s 。 因此， ( 1 ) 油箱与泵相连的钢管属于吸油管道，取v = i m sq = 3 7 5 l m i n ， 将数据带入式( 2 1 2 ) 得d 2 8 2 5 r a m 。 所以选定钢管外径为3 4m m ；管子壁厚为2m m 。 管道接头选取形式为焊接式直通管接头( j b 9 6 6 - 7 7 ) 。 考虑到油泵吸油口的螺纹为m 3 3x 2m m ， 所以选择管接头体的型号为：3 4 m 3 3 2j b 9 8 4 7 7 ； 管接头接管的型号为：接管3 4j b2 0 9 9 7 7 ； 管接头用螺母的型号为：螺母m 4 2 x 2j b9 8 1 7 7 ： 垫圈的型号为：0 形圈3 5 3 1g b 3 4 5 2 1 8 2 ； 直角焊接接管的型号为：接管3 4j b 9 7 9 7 7 ： 组合密封垫圈为：垫圈3 3j b 9 8 2 7 7 。 ( 2 ) 其它的油管属于压油管，取v - - 2 5m s ，q = 3 7 5 l m i n ，将数据带 入式( 2 1 2 ) 得d21 3 2 m m 。 所以选定钢管外径为1 8m m ；管子壁厚为2m m 。管道接头选取形式 为焊接式直通管接头( j b 9 6 6 7 7 ) ，考虑到油泵出油口的螺纹和蓄能器螺 纹均为为m 2 7 2m m 。 所以选择管接头体的型号为：2 2 m 2 7 x 2j b 9 8 4 7 7 、组合密封垫圈 为：垫圈2 7j b 9 8 2 7 7 。但由于油管的外径为1 9 r a m ，所以需对该接头体进 行改制，即把接头体另一边的螺纹割去然后把1 8 r a m 的钢管焊接上。 对于其它部分的管接头采用型号为：1 8 m 2 2 x1 5 j b 9 8 4 7 7 ； 管接头接管的型号为：接管1 8j b 2 0 9 9 7 7 ： 管接头用螺母的型号为；螺母m 2 7 1 5j b 9 8 1 7 7 ； 垫圈的型号为：0 形圈2 0 2 4g b 3 4 5 2 1 - 8 2 ： 直角焊接接管的型号为：接管1 8j b 9 7 9 7 7 ： 组合密封垫圈为；垫圈1 8j b 9 8 2 7 7 。 一1 7 一 第二章柴油机电液调速器执行器的设计 2 3 液压系统性能验算 2 3 1 压力损失的验算 2 3 1 1 吸油管路压力损失计算 液压油在管内的流速k 为【2 1 , - , 2 6 1 k = 等 式中，q l 吸油管流量( 1 m i n ) ； 吐管路内径( m m ) 。 将q l = 3 7 5i m i n 、面= 3 0t o n i ，带入式( 2 1 3 ) 得v l = 8 8 4n l l l l ，s 。 管道流量雷诺数足。为 如：盟 式中，巧管内的流速： 吐管路内径( n u n ) ，流体的运动粘度。 将矾= 3 0 m m 、巧= 8 8 4 m m $ 、，= 6 0 0 带入式( 2 - 1 4 ) 得r 。l = 4 4 2 。 如 2 3 0 0 ，可见液压油在该段管路中流态为层流，其沿程阻力系数为 j：一64 6 4 ：1 4 4 元。百2 砸2 该段压力损失媚。为 吼吼丢粤乩舛等坠笋- o s a 2 3 1 2 压油管路压力损失计算 液压油在管内的流速吒为 一1 8 一 ( 2 1 3 ) ( 2 - 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) 第二章柴油机电液调速器执行器的设计 吒= 暴 ( 2 - 1 6 ) 式中