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Word格式文档下载.docx
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(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ResearchAndDevelopmentonControlandTestSystemofHighspeedSolenoidValveForHighpressureCommonRailInjectingSystemofDieselEngineAbstractAtpresent,electroniccontroltechnologyisakeyareaofdieselenginedevelopment,andCommonRail(cRinjectionsystemisoneoftheadvancedelectroniccontrolinjectionsystem.ThroughtheusageofahighspeedpowerfulswitchingSolenoidValve(SVofCRsystem,theflexibleandprecisecontrolofinjectionquantity,injectiontintingandinjectionratecanberealized.Ahigh.speedpowerfulsolenoidvalveanditscontroltechniquebasedhighpressurecommonrailinjectionsystemareresearchedinthisdoctoratepaper.Theinvestigationachievementsandtechnicaldatathatareofpracticalityvaluearepresented.andcorrespondingelectronicdriveunit(EDUandtestequipmentarealsodeveloped.(1Practicalstaticanddynamicmathematicmodelsofsolenoidvalveareprovidedinthispaper.Thestaticmodelisofadvantagetothestructure,mechanismdesignandparameteroptimizationofsolenoidvalve;
andthedynamicmodelisappliedintheresearchofsolenoidvalvedynamiccharacterandEDUdevelopment.(2AmultiparametersadjustableEDUwithoptimizeshapedcurrentoutputisdeveloped.ThepaperproposesapowerabsorbprincipleandaboostchargemethodusedintheEDU,whichcanpromptlyloadingandunloadingmagneticenergyofsolenoidwithgreatefficiency.ThePaperalsointroducesanintelligentEDUcontrolstrategythatcangreatlyimprovethestabilityandadaptabilityofEDUwhenappliedinvehicleofdieselengine.(3Asameansofacquiringprecisenumericalparametersusedindesignandcontrolevaluationofsolenoidvalve,astaticperformancetestsystemofsolenoidvalveisdeveloped.Atechnicalstrategyofimplementingoutputprecisionofsolenoidvalvedrivecurrentwiththerangewidelyadjustableiscarriedout,whichisappliedinpulsecurrentgeneratorofthetestsystem.Relyingonthestaticperformancechartobtainedfromdevelopedtestsystem,thepapergivestheanalysesresultsandverifiesthevalidityofsolenoidvalvemathematicmodel.Keywords:
DieselengineHigh-pressurecommon-railInjectionsystemHighspeedsolenoidvalveInjectioncontrol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O8%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ECER83Ol,即欧l法规,或称MVEGl。
该法规是对原ECER8300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ECER83oo又进行了两次修订。
ECER8303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1.1.2电子控制技术应用于柴油机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150MPa160MPa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。
1.1.4我国汽车污染排放日益严重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。
1.1.5发展我国柴油机新技术具有重要意义目前,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1.2.1柴油机电子控制技术的发展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1.2.2国外柴油机电控共轨喷油系统发展基本情况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Servojet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.1Bosch1999/2000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分目C泵产量(万台39933697.3.4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ECLj(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-I1Bosch第二代共轨喷射系统喷射过程在喷油系统的电子控制方面.Bosch公司十几年前使用的是8位的控制器.而现在已用新一代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PentiuIn11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KJ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25L2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
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