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

1、东南大学博士学位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 研究与开发姓名:张靖申请学位级别:博士专业:精密仪器及机械指导教师:翟羽健20030501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NOx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

2、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

3、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

4、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 Research And Development on Control and Test System ofHighspeed Solenoid Valve For HighpressureCommon RailInjecting System of Diesel EngineAbstractAt present,electronic control technology is a key area of diesel engine developme

5、nt, and Common Rail(cRinjection system is one of the advanced electronic control injection system.Through the usage of a highspeed powerful switching Solenoid Valve(SVof CR system,the flexible and precise control of injection quantity,injection tinting and injection rate can be realized.A high.speed

6、 powerful solenoid valve and its control technique based highpressure common rail injection system are researched in this doctorate paper.The investigation achievements and technical data that are of practicality value are presented.and corresponding electronic drive unit(EDUand test equipment are a

7、lso developed.(1Practical static and dynamic mathematic models of solenoid valve are provided in this paper.The static model is of advantage to the structure,mechanism design and parameter optimization of solenoid valve;and the dynamic model is applied in the research of solenoid valve dynamic chara

8、cter and EDU development.(2A multiparametersadjustable EDU with optimizeshaped current output is developed.The paper proposes a power absorb principle and a boost charge method used in the EDU,which can promptly loading and unloading magnetic energy of solenoid with great efficiency.The Paper also i

9、ntroduces an intelligent EDU control strategy that can greatly improve the stability and adaptability of EDU when applied in vehicle of diesel engine.(3As a means of acquiring precise numerical parameters used in design and control evaluation of solenoid valve,a static performance test system of sol

10、enoid valve is developed. A technical strategy of implementing output precision of solenoid valve drive current with the range widely adjustable is carried out,which is applied in pulse current generator of the test system.Relying on the static performance chart obtained from developed test system,t

11、he paper gives the analyses resultsand verifies the validity ofsolenoid valve mathematic model.Keywords:Diesel engine High-pressure common-rail Injection systemHighspeed solenoid valve Injection control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

12、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

13、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11.1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CO,HC,S02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54%,而汽油机排放颗粒仅占O 8 %1591。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

14、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jj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。20世纪7080年代欧洲汽车的排放标准是比较宽松的。1993年欧洲联盟开始实施相对严格的 排放法规ECE R 83Ol,即欧l法规,或称MVEGl。该法规是对原ECE R8300法规的修订, 它们的不同表现在测试方法的改进、CO和HC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2500kg的轿车与轻型货车。其对柴

15、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(PM排放量的限制。其后ECE R83oo又进行了两次修订。 ECE R8303即欧2法规,对柴油车HC+NOx排放的限值降低为欧l法规的71%9l%,PM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,2000年欧3法规对CO,HC+NOx和PM的限值 都降低到了欧2法规的96%以上,其中PM的限制变化最大,接近60%。而到2005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50%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

16、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

17、和自诊断等,其中最重要的是燃油系统 的控制。11.3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NOx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15

18、0MPa160MPa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180MPa。据估计,到2010年,将有90%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

19、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No#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19962004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。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

20、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GBl4761-99汽车排放污染物限值及测试方法于2000年1月1日正式 实施。GBl769卜_99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2001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(ECER49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(1993年12月1日颁布的全部技术内容p。目前

21、,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

22、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2000年,直喷式柴油机的比例已提升到85%,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 NOx催化剂(DeNOx。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

23、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140MPa -160MPa的喷射压力、低涡流燃烧系统、采用部分EGR系统等技术。欧洲从1999年年初己开始讨 论到2005年和2008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DeNOx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l5重型柴油机不同排放标准阶段降低排放的技术措施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

24、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120160MPa,典型的如日本电装公 司的ECDU2和Bosch公司的CR系统:另一种是中压共轨系统,其共轨中压力较低,一般在425MPa,但在喷油器结构中有增压机构,通过增压使喷射压力达到150MPa以上。典型的如卡特公 司HEUI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BKM公司的Serv

25、ojet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:Bosch公司的Unijet(或称 CR系统、日本电装公司的ECDU2系统和美国矗特公司的HEUI系统。1Bosch公司的共轨喷射系统Bosch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。Bosch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。Bosch公司于1927年开始批量生产柴油机用喷油泵和喷油器。1962年开始推出分配泵,1986年开始生产电控分配泵,1987年开始推出电控直列泵,1989年开始推出直喷式轿车柴油机用屯控喷 射系统,1994年开始批量生

26、产卡车用泵喷嘴,1995年开始生产单体泵.1996年推出径向柱塞的VP44.4.东南大学博士学位论文分配泵,1997年开始批量供应轿车用共轨系统。图16所示为Bosch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,Bosch电控喷射系统进入市场的先后顺序I“】。韭轨末统 I￥g-景垃“In惰景缱袍¨柱舔舟乱裂挑们L据仆配禾兄n轮单1牟禁dq强蹦I-6Bosch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lo年直喷式柴油机中屯控喷射系统的开入表11为

27、Bosch公司柴油燃料喷射部门1999年和2000年的销售额和主要产揣产量情况。可见. Bosch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.1Bosch 1999/2000年柴油机燃料喷射系统生产情况1999正 2000正 增减(%销售额(亿马克 734484.96十157直列泵产量(万台 48246144共轨系统、电控泉喷嘴系统、16053090+905电控单体泵系统(万台EC Lj(万台 36504967+36l近年来Bosch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

28、中了 800900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1997年7月批量投放市场,其喷射压力达135MPa,可用于 38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Bosch共轨式喷射系统,这也促使 Bosch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l9所示为Bosch公司第一代用于轿车柴油机的共

29、轨式喷射系统。其主要特点是:(I喷射 压力达135MPa;(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1.10所示为Boseh公司 带压电石英执行器的共轨喷浊器。带口口口口图I一9Bosch公司第一代共轨喷射系统圈I10Bosch带压电石英执行器的共轨喷油器Bosch公司计划于2002ilz/2003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160MPa,可以适用于升功率在5255Kw/L以下发动机的匹配需要,井可满足欧.4排放法

30、规要求。为降低发动机噪声,预喷油量可控制在1mm/SI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1-11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NO。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。Bosch的第三代共轨喷射系统压力将提升到180MPa.以满足2008年欧5排放标准的需要。pl坝喷射州丰喷射Pd后喷射 图1-I 1Bosch第二代共轨喷射系统喷射过程32位控制器,共具有相当于以往700万只晶体管的功能,几乎具有相当于PentiuI

31、n11处理器的工作能力-处理能力提高了4倍,记忆功能增加了30倍。十年前匹配发动机仅需要用到500个参数,由于功能扩大,而今匹配发动机需要用到6000个参数,因此,接插座在1989年时大约要用55针,现在轿车电控用的接插座已用到154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1-12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ml瞄喷7嚣针N贽动饥轴啦艿辄K J调甜#鹰气再谱jf(EGRI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-12轿车电控柴油喷射系统计算机性能要求

32、意大利的VM公司从1999年开始推出3种麸轨式柴油机新机型,第一种机型是在原25L 2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2000年推出的4气门2,5L的TD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2000年初推出的新一代高速直喷式柴油机,包括直立3缸I.5L发动机和4缸2L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Bosch公司的共轨系统。.,., 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Bos

33、ch公司之后,日本电装公司(Denso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。Denso公司的共轨喷射系统,是和日本丰田公司的工程师在1995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1999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135MPa,使用后减少了柴油机的 噪声和NOx,并使柴油机工作得更平稳。电装公司开发的EcDu2电控共轨系统在1999年己达到年产30000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

34、利建了一个工厂,生产ECD-U2P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J08cJ1A型自然吸气式柴油机于1998年首先采用EcDu2共轨系统。 该发动机的主要参数是缸径114mm,行程130ram,压缩比9.2,最大功率147kW/2900r/min,最 大扭矩30Nm/I 700r/min.全负荷最低燃油耗2109/kwh/1000r/rain.排放量符合日本1998年法 规要求。进入1999年,日野公司已经停止生产自然吸气式的J08cJlA型柴油机,但是

35、J08C系列 的增压及增压中冷柴油机全部采用EcDu2系统。此外,三菱公司、日产公司等也有逐步扩大采 用EcDu2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80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DELPHI 的LDCR系统、德国MTU公司的共轨系统、瑞士GANSER公司的共轨系统、Siemens公司和汉诺 威大学的压电晶体共轨系统、美国Stanadyne公司的共轨喷射系统等等f”I。l 2.3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

36、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80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Sofim8140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Phaser系列柴油机, 这些产品都具备国外80年代末和90年代初的技术水平。国外先进的柴油

37、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 50%。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1999年底推出的Sofim 2.8L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1999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

38、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2000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129MPa,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Sc rvoj“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 19虬军用于车孳眄发王JI机臼奉移信葛器控制嚼

39、昭器焉通电磁用茬制蠡壬垃暨.可鹕凸鸵相德躅1085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19盯军用于辜鲴心同340(,111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6D盟r等 囊 位譬肓速电磁田譬制拄塞誉筒卫齿菜位置9R?年投产,I 992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989匿投产,j 993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q8z手嗣于丰口:L-TE型甸l 贽哆泊时刻蔓瞄 n仟砖 4卧年在vb、上_;i【驻配 日毒 用干五十斡4F目蔓雷 993年

40、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 16午并j于车茬口qo,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 985年投产I 993羊1o 75百. 羹匿 底辑薄磁菏差矫皓喷,汗一浮噎 T 5l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 987年用于丰日3缸直唑机上 配录 羹墨 凸.RS 用高速电毫四控制噎油盱剥种油蕾 994年用于GMb.jL妊油机问1995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,2Mh油世过试驻 檀O Mh拉压压 臼车 ￥镕 闱蟪缱臂靶动憎压话謇 996

41、平试验制 共蔓嗣秆盘挂基蒙.高通电鞋闸电子压力调 994年Pcekiml 3策科.五十锋 机 节器.机油蘸力增压4M一23Mm 显奉口0司卡车326型轨 油匣 羹圈压日本 小绉 1口B2年试驻高压德雷 电磁用竭电一括喷联电一薄唼 998年羊茬柴油轷车1o万旨 共轨萎国 菲韭锌辛f车MT山J菜列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

42、时间仅为几个毫秒,甚至更高。德国FEV发动机研究所认为,重型柴油 机要达到2005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

43、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FEV及西门子公司已经展示了他们的产品.BOSCH公司和电装公司也计划2002年以后推出用压电晶体的共轨喷油系统。图1一13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1.14为带压电执行器的喷油器。 图1-I 3压电晶体和控制器部件 图I14带压电执行器的喷油器在国内,一些高校及科研机构对

44、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(PPVI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【601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(PPVI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.45ms以内,在0.45ms内输 出位移和输出力基本稳定。文献65】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PWM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

45、.89ms。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【641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1500Hz,顶杆推力1500N,位移0I 5mm,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 一10.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a1.3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

46、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(CFD、摩擦磨损分析及产品协同工程(ECE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36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

47、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。(

48、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。.11.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(ECU

49、中由存储的特性曲线(MAP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控制单元ECU, 它根据柴油机的工况和工作要求控制燃油喷射的时间和油量;柴油机的传感器有凸轮轴转速传感器

50、、 曲轴转速传感器、加速踏板位置传感器、冷却水温传感器、进气温度传感器、增压压力传感器和燃 油温度传感器等;执行机构有电控液压伺服喷油器,高压油泵压力控制阀等。.12.至亘查兰堡主兰焦兰L墨一 1高压油泵高压油泵的作用是将燃油压缩,经压缩的高压燃油通过高压油管被送到共轨中。不同的共轨喷 油系统中所采用的高压油泵也不同。Bosch公司利用现有的喷油器件来产生高达160MPaT左右的共轨压力,三缸径向柱塞泵(见圈 2-2用于小型柴油机,而多缸直列泵用于功率较大的柴油机。共轨系统中的高压油泵按照峰值钮矩 最低、接触应力最小和最耐磨的准则来设计。有些高压泵的一个压油单元采用多个均布压油凸轮, 减少了每

51、次压油量,这样就使高压油泵的峰值扭矩降低,约为传统高压油泵的1/9,负荷也l:k较均接头共轨图2-2高压油泵日本电装公司采用一个多凸起凸轮驱动的直列泵,同样可产生160MPa的共轨压力,其高压油 泵采用可变压缩始点来调节供油量,供油脉宽的后沿正对压油凸轮顶点固定不变,此方法虽然不会 额外增加柴油机的功率消耗,但是不仅要确定控制信号的脉冲宽度,而且要确定它与柴油机曲轴间 的相位关系,这比Bosch公司的PWM控制方法更复杂;同时EcDu2高压油泵中安装了柴油机的 判缸传感器,从而使高压油泵与柴油机曲轴之间有确定的相位关系,给安装带来了不便。此外ECD u2高压油泵用润滑油润滑,对防止渗漏燃油稀释

52、润滑油提出了更高的要求。共轨式喷油系统的效 率不高.因为喷油器的控制油量、泄漏油量和压力控制阀释放的油量都是高压油,因此较传统喷油 系统有更大的能量损失。2共轨共轨中用于存放经高压油泵压缩的高压燃油,其压力即喷油器的喷射压力。高压油泵供油及喷 油器喷油产生的压力波动应由共轨容积来缓冲,在整个喷油过程中共轨中的压力应几乎保持不变, 只允许有小于5MPa的小幅压力波动。如果高压泵的供油压力波及每个喷油器开启关闭时压力的反 馈引起共轨中压力的振荡,会影响到喷油嘴的燃油计量和定时功能。一般共轨被设计成一个锻造的管道,如图2.3所示。管道的内部容积应能存储足够的压能,并 有效地阻尼喷射过程和供油过程中燃

53、油压力的振荡。但共轨的容积不能太大。以保证共轨有足够的 压力响应速度以快速跟踪柴油机工况的变化。此外共轨上还装有燃油压力传感器、限流器和溢流阎。 一13.东南大学博上学位论文溢流阀为机械式应急超压保护装置.可防止因高压泵油量调节阀的失效引起的系统损坏。从共轨蓄 压管到喷油嘴密封座面均为高压燃油,如果高压油管损坏,有可能引起燃油的大量泄漏,容易造成 火灾等事故;喷油嘴的泄漏如果使柴油机燃烧室内充满燃油,则不可压缩的燃油将在柴油机的压缩 冲程造成灾难性的后果,因此耍在共轨上为每一个喷油器加装一个流量限制器,使其能立即关闭有 问题的高压油管通路。流量限制器的阀芯上有一节流孔,燃油必须经过节流孔才能流

54、向喷油器,因 此喷油器喷油时阀芯前后产生压力差,而且压力差随流量的增加而增大,当流向喷油器的流量超过 可能值时,阀芯前后的压力差就克服弹簧力使阀芯关闭流向喷油器的入口,以防止可能出现的泄漏。 共轨压力轨到油回油管匕麟瓣图2-3共轨蓄压器3喷油器共轨式喷油系统中最关键和最复杂的部件应该是喷油器,它是一个电控液压伺服喷射系统。如 图24所示,燃油从高压接头经一进油通道送往喷油嘴,并经进油节流孔送入阀控制室。阀控制宝 经可用电磁阀打开的出油节流孔与回油孔连接。【a喷油器关闭(静止状态 (b喷油器打开(喷油状态图2-4喷油器示意图出油节流孔在关闭状态时,作用在阀控制活塞上的液力大于作用在喷油嘴针阀承压

55、面上的力、 因此喷油嘴针阎被压在其座面上,紧紧关闭了通往发动机内腔的高压通道,从而没有燃油进入燃烧 室(见圈2.4a。.14.只要此液压力低于作用在喷油嘴针阀承压面上的力,喷油嘴针阀立即打开,燃油可通过喷孔进入燃 烧室(见图2-4b。受柴油机缸盖安装空间的限制,电磁闽一般设计得很小,不能提供足够使喷油嘴 针阀快速开启的力,所以在喷油器上应用了一个类似增压活塞的液力放大机构,采用很小的回流孔 径使电磁阀关闭的弹簧力很小,电磁阀仅仅需要克服该弹簧关闭回流孔的弹簧力-控制回流孔开启 使控制室内燃油泄压,使作用在喷油器控制活塞上的液力发生很大的变化,因而能保证喷油嘴针阀 有很大的开启速度。此间除喷入的

56、燃油量之外,附加的所谓控制油量经控制室的节流孔进入回油通 道。除控制油量外,还有针阀导向和阀活塞导向部分的泄油。这种控制油量和泄油量经带有集油管 (溢流阀、高压泵和调压阀也与集油管接通的回油通道回流到油箱。4电子控制单元(ECU电子控制单元(ECU或EDC一般封闭在一个金属壳体中,采用金属壳体主要是为了散山控制 单元驱动级产生的热量。共轨式喷油系统的核心是电控单元,电控单元是共轨式喷油系统开发的难 点和重点,其控制策略决定了柴油机在起动、怠速、正常运转和故障运行的模式和性能,对发动机 的性能有决定性影响。电控柴油机主要应用在轿车和其他路用车辆上,随着微处理器性能的提高, 柴油机电控单元集成了柴

57、油机和车辆的所有控制功能,柴油机电控单元和其它一些控制单元组成了 车辆的分布式控制局域网,共享信息和资源,共同协调控制使车辆成为一个有机的整体,因此在设 计柴油机的电控单元时,不仅要考虑柴油机的控制要求,而且要考虑车辆的使用性、安全性和舒适 性等不断增多的控制要求,只有充分考虑了柴油机和车辆的控制要求后,才有可能设计出性能优良 的柴油机电控单元。ECU借助于传感器获取司机的要求(加速踏板位置以及发动机和车辆的实时工作状态,它处理 传感器输入的信号,利用获取的信息对车辆、特别是对发动机施加控制和调节。曲轴转速传感器测 定发动机转速,凸轮轴转速传感器确定发火顺序(相位。加速踏板传感器是一种电位计.它将司机对 发动机扭矩数值的要求传送到ECU;空气质量流量计将空气流量信号实时地传送到ECU,ECU将 采取相应的控制手段以满足所需的排放要求;在涡轮增压并带增压压力调节的发动机中,需用到增 压压力传感器用以测定增压压力;在低温和发动机处于冷态时,ECU可根据冷却水温度传感器和空 气温度传感器的数值对喷油始