高压下高速凸轮的设计及应用

高压下高速凸轮的设计及应用

0齿轮型线对高压油泵柱塞腔压力的影响在公共车辆系统中，燃料压力的产生和喷油过程相对分离。然而，高压油挤出和公共管的结构对燃料压力的变化有显著影响，并直接影响油气压的稳定性。为了尽可能大地产生高的喷油压，保持压力的稳定性，研究压力波动，确保车辆达到最佳容量的雾、燃烧和良好的排放指标。常见的原因是，由于每个喷油器在一定的时间内都会产生压力波动，所以有必要通过预测时间来适应气的特性。凸路是影响喷油特性的重要因素。由于柱塞腔压在传输阶段中受到很大的控制，柱塞速度取决于凸路，因此研究凸路对了解喷油过程具有决定性意义。目前,共轨式高压油泵凸轮型线的设计方法大致分为几何凸轮和函数凸轮,而几何凸轮又分为:凸型圆弧凸轮、切线凸轮和凹型圆弧凸轮.但是几何凸轮因其速度线和加速度线不连续等自身缺点缺乏良好的运动和动力特性,尤其是应用于高速凸轮设计时会产生更大的惯性力、振动及压力波动.通过采用高次多项式函数设计的凸轮型线能避免这些缺点,这种设计因有连续的速度线和加速度线,所以具有较好的运动和动力特性,尤其是在高速凸轮的设计中,满足了高速的要求,并且降低了凸轮与滚轮之间磨损,以及降低了高压油泵系统的振动,同时也降低了油压的波动,因此现代高速凸轮设计多采用高次多项式函数来设计凸轮型线.从理论上讲,凸轮型线在很大程度上影响着高压油泵产生振动的激励源,也直接影响着柱塞腔和共轨腔压力波的产生,所以凸轮型线设计是否合理直接影响着共轨式供油系统的可靠性和稳定性.本文通过比较同时采用高次多项式函数设计的单作用凸轮和三作用凸轮对高压油泵柱塞腔油压波动的影响,以研究柱塞腔压力变化规律,在提高供油量的同时,降低共轨供油系统中油压的波动,从而得到可控的喷油规律.1设计高速齿轮型线的特点高压泵是将低压燃油转变成高压燃油的装置,高压燃油的建立又受柱塞运动规律的影响,而柱塞的运动规律主要取决于凸轮型线,为了提高燃油喷射率而希望有较大的柱塞运动速度、加速度,但是加速度增大会导致传动系统载荷增加及动力学特性变差,导致产生冲击等现象;所以,凸轮型线的设计实质上是在理想的喷油速率和良好的动力学特性这对矛盾中找到平衡.在高速凸轮的设计中,综合考虑,选择高次多项式函数来设计凸轮型线.多项式函数运动规律形式如下:根据初始条件消去式(1)中a个零系数,得到多项式函数:式中:y是升程;x是凸轮转角;Qa,Qb,Qc,…,Qh为使y和y的导数满足运动过程规定的边界条件的待定系数;a,b,c,…,h为正整数,且a<b<c<…<h.利用边界条件求解Qa,Qb,Qc,…,Qh,可得:运用代数运算解(2)得:由以上公式可以求得升程随凸轮角度转动的表达式,从理论上讲可以求得升程随角度的任意阶导函数连续的多项式.2柱塞腔体积的测量在研究柱塞腔油压前,必须对实际模型进行简化,考虑主要因素,简化条件为:1)燃油在柱塞腔流动为一维非定常流动;2)不考虑燃油在柱塞腔中泄露;3)不考虑因燃油压力变化而引起的结构变形;4)不考虑燃料系的弹性振动和燃油流动阻力.引起柱塞腔体积的变化由两部分组成:一为燃油经出油阀流出的体积;二为压缩引起的燃油体积变化,也即喷油器喷出的流体体积.设dt时间内柱塞移动dy,则柱塞所移过的体积为:而喷入燃烧室的燃油体积为:因压缩引起的燃油体积变化:因此,有:根据上式,得燃油压力随凸轮转角的变化表达式:式中:p—柱塞腔燃油压力;p′—燃烧室压力;d—柱塞直径;u—柱塞速度;μ—流量系数;A—横截面积;γ—燃油比重;n—凸轮转速;α—压缩系数;V—柱塞移过体积;x—转角.3曲线对称的实现本文以国产某型共轨发动机油泵凸轮为对象,进行相应研究,其凸轮升程9mm,柱塞直径9.5mm,升程转角60°,回程转角60°,升程曲线与回程曲线对称.为了方便计算起见,使升程和凸轮转角归一化,即令最大升程和最大凸轮转角都为1.根据边界条件:这里的m=1.76m/s是速度限制附加条件,把以上边界条件和内部约束条件带入式(2)~式(4)求出曲线表达式,再在多项式中每一项Qnxn乘,就得到变成实际的升程曲线为:其中:h—升程;φ—总的升程转角;x—转角.以上表达式只是升程曲线,回程采用对称于升程曲线分布,通过Matlab编程可以得到升程、速度、加速度和跃度曲线图.3.1动力特性和动态特性在凸轮旋转一周时,单作用型凸轮的升程y,速度v,加速度a和跃度j曲线见图1.从图1可以看出,采用多项式函数曲线设计的凸轮型线具有如下明显的特性,即凸轮的高速动态性能非常好,包括:1)图1(a)升程曲线和图1(b)速度曲线连续,具有优良的运动特性;而图1(c)加速度曲线和图1(d)跃度曲线连续,具有有限的跃度值,意味着具有很好的动力特性;2)升程回程过程中凸轮的速度、加速度和跃度均从0开始变化且终点以0结束,因此始点终点既无刚性冲击也无柔性冲击;3)加速度曲线和跃度曲线光滑连续,可以降低凸轮滚轮副之间的磨损,同时也可以减小供油过程的脉动冲击,降低脉动冲击载荷,起到降低喷油泵的振动和噪声,提高高压油泵工作的可靠性和供油过程的稳定性.3.2作用齿轮的燃油性能在凸轮旋转一周时,三作用凸轮升程y,速度v,加速度a和跃度j曲线见图2.对共轨式电控喷油系统来说,压力的产生和喷油量多少是相对独立的过程,压力对喷油量几乎没影响,高压油泵产生高压油,而油压的脉动却是由于高压油泵和喷油器时序向各缸喷油共同作用产生的.比较图1和图2可以看出三作用凸轮供油量理论上讲是单作用凸轮供油量的3倍,能满足发动机各种工况对共轨系统供油要求.采用高次多项式函数设计的单作用凸轮相比于采用传统方法设计的凸轮虽然轮廓线具有连续性,但是其供油量却是一个周期只供油一次,不能满足发动机各工况对共轨系统供油需求,然而为了改善共轨系统供油需求,采用三作用凸轮不仅继承了单作用凸轮的优点,同时在油量供给上也满足了共轨系统的要求.比较图3可知,采用单作用轮廓线设计的凸轮压力变化规律为:每个转动周期内,发动机转速一定,压力波动1次,但波动幅值较大;而采用三作用轮廓线设计的凸轮虽然在1个转动周期内压力波动3次,但其波动幅值是趋于减小的,有利于降低柱塞腔和共轨腔的压力波动.4柴油缸喷油量的均匀性采用单作用设计的凸轮在供油后柱塞腔压力波动幅值较大,这样使得喷油器每次喷油过程都伴随较大的压力波动,从而不能保证柴油机各缸喷油量的均匀性;然而采