《基于位移法高压共轨高频间歇喷油量测量的研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。
硕十学伊论文摘要随着柴油机应用的日益广泛和现代柴油技术的飞速发展，电控高压共轨燃油喷射系统已经成为了目前公认的最理想的喷油系统，是柴油发动机的必然发展趋势。高压共轨系统能实现对燃油喷射过程的精细控制，能在一个工作循环内实现多次受控喷射，在稳态工况下的平均燃油流量小，喷射过程持续时间只有千分之几秒，且随着每循环受控喷射次数的增加以及喷油持续时间的缩短，各次喷射间的时间间隔越来越小，因此具有高频间歇喷油的特点。在对共轨系统进行研究、分析、生产、检验、使用和维修保养过程中，需要专业的试验系统对其进行检测，检测水平的高低直接决定了高压共轨系统的工作能力和总成本。高频间歇喷油量是该检测任务中最为重要的测量参数之一，喷油量的确定是分析喷油规律、建立准确的喷油脉宽与喷油量之间的对应关系以及检验各喷油器间喷油一致性的关键。而高频间歇喷油量测量系统能实现对每循环喷油量或多段喷射中的每段喷油量及喷油次数的精确测量。因此，研发高精度的高压共轨喷油量测量系统是内燃机测试行业迫切需要解决的问题。为了确保共轨系统的高品质，研究动态性能高、测量精度高、效率高的适用于电控高压共轨的喷油量测量系统，对促进高压共轨燃油喷射技术的开发与应用、降低柴油燃油消耗与排放、提高柴油机各项性能具有重大的意义。论文分析总结了国内外柴油机燃油喷射系统的喷油量测量方法及典型装置的工作原理和性能参数，介绍了喷油量测量系统的研究对象——高压共轨燃油喷射系统的主要组成及特点。针对高压共轨喷油系统高频间歇喷油量的测量，分析了测量系统的功能需求，提出了基于位移法原理的测量方案及具体实现方法，构建了测量系统，设计了喷油器组件、位移测量缸组件等部件；提出了利用可完全浸在油中使用的、抗污染能力强、耐振动的球栅位移传感器测量实时位移、为活塞添加顶盖和底盖、对温度和压力进行补偿及设置三条冷却回路等方法。建立了高压共轨燃油喷射系统的高频间歇喷油量测量装置仿真计算用的数学模型。最后，建立了基于虚拟仪器Labview和PLC的上下位机结构，并对高频间歇喷油量位移法测量系统中的其他组成进行了设计。该喷油量测量系统能够用于多种共轨喷油器每循环喷油量的测量，当存在多段喷射时，可分别测量每一段喷射的燃油量。关键词：高压共轨喷油系统；高频间歇喷油；喷油量测量；位移法；球栅传感器 基于位移法的高压共轨高频问歇喷油革测晕研究曼曼皇曼寰ii．i,,．P!!i蔓鼍麓AbstractWiththe、析deuseofdieselandthefastdevelopmentofmodemtechniquesindiesel，theelectro．controlhighpressurecommonrailinjectionsystemhasbecomeallacknowledgedandoptimalfuelinjectionsysteminengineindustry．nlissystemcallrealizeprecisecontrolforthefuelinjectionprocessandhasmultiplecontrolledspurtsintheworkenginecycle．Becausetheaverageperiodicsteadyflowrateislow,硒wellastheinjectiondurationandtheintervaloftimebetweentwospurtsismoreandmoresmall，theinjectionprocesshaStllepropertyofllighfrequencyandintermittent．IIlt11ecourseofresearch,analysis，produce，test,usageandmaintenanceforhighpressurecommonrailinjectionsystem，professionaltestsystemsareneeded．Thelevelofexaminationandmeasurementhasadirectimpactontheworkingabilityandtotalcostoftheinjectionsystem．TheintermittentandhighfrequencyfuelinjectionrateisoneofthemostimportantDammetersofthetest．Sothedeterminationoftheinjectionflowrateisthekeytostudyingtheinjectionlaw,establishingthecorrespondingaccuraterelationbetweenthepulse·widthandfuelrateofinjection．Theflowrateofpefiodicoreachspurtinthemultipleinjectionsandthenumberofinjectioncallbepreciselyachievedbythismeasuringsystemforthehighfrequencyandintermittentinjectedfuel．Aninjectedfuelratemeasuringsystemfortheelectro．controlhighpressurecommonrailinjectionsystem，withhighdynamiccharacter,highmeasurementaccuracyandhighefficient，isofvitalimportancetopromotethedevelopmentandapplicationofhighpressurecommonrailinjectiontechniques，reducetheelTllSS!onandfuelconsumption,andimprovedieselperformances．Firstly,thispaperreviewsthemeasuringmethod，operationprincipleandmainperformanceparametersofthetypicalmeasuringinstrumentforfuelinjectionquantitybothathcImeandabroad，andthenintroducesthebasiccompositionandmaincharacterofahighpressurecommonrailinjectionsystem弱theresearchobject．Thefunctionalrequirementisanalyzedandaschemeforthehighfrequencyandintermittentfuelinjectionquantitymeasurementbyuseofthedisplacementmethodisproposed．Themeasuringsystemisconstructedandallimproveddesignisproposedbasingthemechanicalconstructionoftheexistingfuelinjectionquantitymeasuringdeviceonthemarket，suchasthedesignofinjectorsuppoft，fueldamper,coolingfuelgroove，pistonandthemeasuringcylinder,etc．珊spapercleadvraisedtheimprovingmethodsforthemeaSuringdevice，i．e，adoptingaballgdddisplacementsensorwhichCanbeusedinwateroroiltomeaSurethedisplacementofthepiston，addingatopcoverandabottomcovertothepistonsubstrate，compensatingthetemperatureandpressureintheuppermeasuringcylinder,settingthirecoolingloops·ByanalyzingtheprincipleandcharacterofthismeaSuringsystem，weestablishsimulationn 硕十学位论文．．i．m鼍量皇曼璺舅兰mathematicmodels．Finally,othercomponentpartsinthismeasuringsystemarepresented．ThecontrolsystemwasconsistedbyaPCasahostcomputerandaPLCasslavecomputer,andLabviewiSusedtobasethesoftwareenvironmentonaPC．ThehighfrequencyandintermittentfuelinjectionquantitymeasuringsystemCanbeusedtomeasuretheperiodicflowrateofseveralkindsofhighpressurecommonrailinjector．KeyWords：Highpressurecommonrailinjectionsystem；Highfrequencyandintermittentfuelinject；Fuelinjectionquantitymeasurement；Displacementmethod；Ball酊ddisplacementsensorIII 硕十学位论文第1章绪论当前，能源危机已逐渐成为影响全球政治、经济的重要因素，石油作为重要的燃料，在短短几代人的时间里就被耗去了大约一半，加之环境污染加剧、排放法规日益严格、内燃机市场竞争日益激烈等因素的综合影响，给内燃机发展及应用提出了新的挑战，“十二五"期间，节能将成为内燃机科研、技术改进的重中之重，低油耗成为了内燃机制造商的共同目标。随着微电子、计算机、先进制造等技术的广泛应用，现代柴油机迅速发展，逐渐朝着高可靠性、长寿命、节能环保、小重量、小尺寸、小噪音、低振动和易于维修的方向发展。电控高压共轨系统应用越来越广泛，其研究和开发也十分火热，因此对高性能的共轨系统测试平台需求剧增。高压共轨系统的工作压力高、工况特殊、喷油过程属于高频间歇式喷油且对检测精度要求高，需要借助先进的检测装置及系统，才能进行检测和故障判断，指导正确的维修工作。通过运用先进的高压共轨测试技术及测试系统，可以有效地解决许多技术难题，推动我国柴油机产业又快又好的发展，缩小与发达国家先进技术的差距，因此研究针对高压共轨系统的测试技术及装置十分有意义【l圳。1．1柴油机燃油喷射系统及其发展为了进一步减少柴油机废气排放、降低油耗、降低噪声和提高其动力性，以满足严格的排放法规，关键就在于改善柴油机的燃烧过程，而只有喷油系统、进气系统和燃烧室的结构之间有较好的组合和匹配，才能有效地改善燃烧过程。针对柴油机燃烧过程，可从有效地抑制预混合燃烧、推迟喷油、最大限度地提高喷油压力、采用合理的喷油规律、增加喷油器喷孔数目、减小喷孔直径、实现多段喷射等方面着手来改善。1．1．1柴油机燃油喷射系统概述对于燃烧过程的改善，现代柴油机燃油喷射系统起着极为重要的作用，它是柴油机的重要组成部分，也是柴油机发展美好前景的主要决定因素之一。它根据具体工况要求，于最佳时刻，在预定时间内，将适量的清洁燃油，以一定的压力和良好的雾化状态喷入燃烧室，以便与已经进入燃烧室内被压缩过的空气充分混合，发生燃烧反应，使燃油的化学能以其最佳的燃烧状态和循环工作效率转化为机械能，以实现大功率的输出。目前，柴油机电控技术发展阶段主要是根据柴油机电控燃油系统的发展来划分的，它经历了三个阶段：位置控制式、时间控制式和压力．时间控制式。根据高压产生的形式，柴油机电控共轨喷射系统可分为液压放大系统、蓄压式系统和无液压放大系统。对于有液压放大的增压电控系统，由于共轨管中压力相对较低(多在抛5MPa)，燃油经增压后可达150MPa以上，一般称之为中压共轨系统州；在蓄压式共轨系统中，在喷油器中增压使燃油达到所需的高压，但高压燃油被存放在蓄压室中，而不是直接喷出进行燃烧。由于每次喷射时，液压放大系统和蓄压式系统只是在喷油器的蓄压室中存积高压油， 基于位移法的高乐共轨高频间歇喷油帚测晕研究其喷油压力将会越来越低，喷油速率也越来越小，喷油规律先急后缓，导致喷油结果不理想。而无液压放大系统(无增压电控系统)，其轨压一般较高(多在120～200MPa)，共轨管中的压力基本与喷油压力相等，喷油结果也较为理想。无论是位置控制式还是时间控制式系统，都是在传统的机械式喷射系统的基础上加上一定的电控执行机构，但都无法对喷射压力进行独立控制。而压力时间控制式喷油系统(即高压共轨喷油系统)，与传统的泵．管．嘴式喷油系统不同，它实现了在燃油喷射前完成燃油喷射过程的能量积蓄，完全摆脱了传统的喷油系统的供油和喷油方式，摈弃了脉冲高压供油的原理，通过高压油泵建立需要的油压后将高压燃油送入一根各缸共用的高压油道，再由此油道将燃油送入各缸喷油器中。油泵提供系统所需的油量并产生压力，电驱动信号控制喷油器，喷油器上的电磁阀控制喷出的燃油量，燃油压力的建立和输送与喷射过程完全无关，更能准确地实现小油量的精确控制及多次喷射。共轨管容积远大于一次喷射时的燃油体积，使共轨管中的压力波动受喷射动作的影响小，通过电控单元(ECU)控制进入共轨管内的燃油量，能够对共轨管内油压进行精确控制，大幅地减小了柴油机供油压力随发动机转速变化的程度，也就减少了传统柴油机的缺陷。ECU根据传感器测得的发动机实时运行工况与其本身存储的数据进行对比，从而计算出最佳喷油正时及喷油量，适时发出脉冲指令，使装有电液控制件的喷油器按要求的喷油正时喷油。相对于传统的喷油系统，电控共轨喷油系统采用完全不同的控制方式，将高压喷射与电控技术完美地结合在一起，具有很多突出优点【5'6l：(1)高而稳定的喷油压力，独立的喷油压力闭环控制；(2)独立精确的喷油正时控制；(3)柔性可控的喷油率变化：(4)可实现多段喷射，高精度的喷油量控制；(5)具有快速断油能力；(6)低的驱动扭矩和冲击载荷；(7)高效执行器(如电磁阀)控制喷油；(8)采用预喷改善柴油机冷启动性能等。但它也有缺点，如：燃油压力过高而有泄漏的危险，系统的耐久性和安全性有待进一步提高等。但与其所具有的一系列优点来说，这些缺点是微不足道的。电控高压共轨燃油喷射系统将成为21世纪柴油机燃油系统的主流和新一代绿色柴油机的标志。1．1．2柴油机高压共轨燃油喷射系统发展随着高压共轨系统的广泛使用，各大生产商都纷纷开发了自己相对应的产品，但主要组成是基本相同的，包括电控单元(ECU)、油箱、燃油过滤器、连接管道、低压输油泵、高压油泵、蓄压器(共轨)总成、各类传感器以及电控喷油器总成等部分。目前较为成熟的高压共轨系统生产厂家主要有日本电装(NipponDesno)公司和德国博世(Bosch)公司等，以下对较为流行的公司及其产品进行介绍。1．日本电装公司的高压共轨系统日本电装公司是全球最早研制成功柴油机电控高压共轨燃油喷射系统的企业，其共轨系统己发展到了第四代。1995年，电装公司成功研发并投产了适用于中卡和重卡柴油机的ECD．U2型高压共轨系统(见图1．1)[41，采用了直列柱塞泵作为高压油泵，其喷油器电磁控制阀从最初泄漏很大的三通阀发展到二通阀。为了降低燃油供给和喷射过程中产生的燃油脉动，在共轨管与喷油器间增设了流动阻尼器。通过控制喷油器控制阀来控制喷油正时和喷油量，2 硕+学伊论文通电时刻控制喷油始点，通电时间控制喷油量。该系统可实现预喷射和靴形喷射，最大喷油压力为150MPa，每次最大喷油量为25mm3。图1．1ECD．U2电控高压共轨系统【411998年，代表电装第二代共轨系统的ECD．U2(P)进入市场，该系统主要适用于轿车柴油机，采用径向柱塞供油泵，最高喷射压力为180MPa，具有两次预喷射能力，每个冲程有5次喷油动作，已达到欧Ⅳ排放标准。目前电装公司已经发展到了第三代共轨系统，采用压电晶体喷油器，具有精确的控制功能和优良的喷射特性。该公司现在正在开发第四代共轨系统，第四代共轨系统可与电磁阀式或压电式喷油器匹配，最大工作压力将由第三代的220MPa上升到300．MPQ，电磁阀控制的喷油器实现了静态零泄漏，提高了燃油经济性和系统的可靠性，预计将在2014年将实现量产【71。2．德国博世公司的高压共轨系统‘岫“博世公司的柴油机燃油系统在全球处于领先地位，在我国也占据了半数以上的市场，到目前为止，已成功开发到了第四代共轨系统，而已实现产量化的柴油机高压共轨系统有三代[71。V1997年，第一代共轨系统批量生产，该系统具有预喷射能力，可进行闭环控制，喷射压力达到135MPa，其高压油泵始终保持着最高压力，导致燃油温度很高，也造成了燃油不必要的耗费。2000年，第二代共轨系统批量生产，它可根据发动机工况需求改变输出压力，同时改进了电磁阀式喷油器，具有预喷射和后喷射功能，最高喷射压力提高到160MPa。2003年，第三代共轨系统诞生(见图1．2)，也称为压电式共轨系统，用压电晶体执行器代替电磁阀，喷油器运动件质量减少了75％，喷嘴针阀部件的零件数从4个减少到1个；压电执行器能迅速开闭(时间仅为电磁阀式的一半，小于0．1ms)，喷射控制更加精确；没有了回油管而显得更简单；压力在20"-200MPa间可调，具有每循环5次喷射的能力，最小喷射量为O．5mm3；燃油消耗减少3％，污染物减少15％屯0％，动力增加5％,--7％，发动机噪音减少3招。据称，目前第三代共轨系统(CRSN3．3)的最高压力可达220MPa，每个喷射循环被分成了7个喷射段，进一步优化了燃烧和发动机的性能，预计在今年将成批量生产最大喷射压力可达到250MPa的CRSN3．31s,91。为了把握好柴油机的高负荷运转工况，博世公司开发了第四代共轨喷射系统(见图1．3)，它是一种喷油规律形状可变的增压式高压共轨喷射系统，采用具有双通道特征的 基于位移法的高压共轨高频间歇喷油量测量研究液力增压式可变电磁阀式喷嘴的喷油器(HADI喷油器)，除了一个控制喷油的电磁阀外，还有一个能够激活集成在喷油器中的压力放大器的电磁阀。在怠速及部分负荷时开启小截面喷孔，在高负荷时开启大截面喷孔，实现了精确的燃油计量。该共轨系统将高压油泵作为产生压力的第一级将燃油压缩至25-90MPa，而液力增压器的一个阶梯形柱塞作为压力产生的第二级将燃油增压到210MPa，能以较低的共轨压力获得比其他共轨系统更高的喷射压力。由于喷射所需的高压可以由喷油器内部产生，所以第4代共轨系统可以大量沿用旧有的高压泵等部件从而降低成本【l叫引。辑：蓐_掌苎麓⋯了：：■：二■⋯：兰：．苎==．：：=．===．：二；。．，一图1．2Bosch第三代共轨系统171图1．3Bosch增压式高压共轨系统1121由于不同公司产品开发情况不同，共轨系统的划分也就不相同，因此并不意味着某个公司的第四代喷油系统就一定好于另外一个公司的第三代系统。除了上述三个公司，美国德尔福、卡特彼勒、康明斯、意大利非亚特及德国西门子等也都在积极地开发柴油机高压共轨燃油供给系统，部分已有产品投放市场。显而易见，电控高压共轨燃油喷射系统的出现使得柴油机迅猛发展，具有非常大的研究价值，需要加大其研究力度，使其在不断地发展中逐渐完善，也使我国的柴油机研发制造水平再上一个新台阶。1．2高压共轨喷油系统的高频间歇式喷油高压共轨系统已在各类柴油机上得到了广泛的应用，使得柴油机的性能有了实质性地提高，它能对喷油提前角进行随意的实时调节，也能对供油持续角和供油终点进行调节，尤其能实现对燃油喷射过程的精细控制，能在一个工作循环内实现多次受控喷射，在稳态工况下的平均燃油流量很小，喷射过程持续时间只有千分之几秒，甚至更短，当柴油机转速为2000r／min时，应在0．83～1．25ms内将一个循环中喷油所需的全部燃油从喷油器喷孔中喷入气缸。而且，随着每循环受控喷射次数的增加，各次喷射间的时间间隔越来越小，共轨燃油喷射具有高压、高频等特点，故将其喷油定义为高频间歇喷油。多段(次)喷射(multipleinjection)就是将一个喷油循环分割成若干段既相互关联又各自独立的脉冲喷射段，在主喷前，有适当的、多次的预喷，在主喷后，有适当的、多次的后喷，如图1．4所示，5段喷射包括引导喷射(pilot)、预喷射、主喷射、后喷射(post)及次后喷射等。多段喷射的任务是提高系统响应能力，将连续两次喷射间的最小液力间断缩短到500／zs以下，同时使系统具备在各种喷油正时及预喷和后喷等小喷油量的条件下，实现稳定可重复的连续喷射。对喷油量的精确控制和对喷油正时的最佳选择4 硕十学位论文量毫寡舅I：-m,nm．皇量篡曼曼皇曼曼曼曼曼曼量置量曼舅舅舅曼曼喜曼曼舅曼曼曼曼寰曼曼曼曼曼曼舅曼曼鼍可以减少有害物的排放，降低燃油消耗率，达到同时降低PM和NOx排放的目的【4】。I号I导嘀量寸预_蠹／---厂后喳次后瞻／、八／、图1．4典型的5段喷射示意图预喷射(PilotInjection)是指在主喷之前的某一时刻(百万分之一秒内)向燃烧室中喷入少量燃油，这些燃油与空气混合在着火落后期形成有限的可燃混合气，产生较弱的初期燃烧放热反应，为燃烧室预加热，成为主喷燃油着火的源点，使主喷后的压燃更容易，缩短主喷的燃油滞燃期，避免了直喷柴油机初期压力和温度急剧的升高，使发动机工作缓和。预喷燃烧气体可改善主喷期燃油与空气的混合程度，有效减缓燃烧速率，可明显降低NOx的排放和噪声水平，节省油耗，同时还可降低失火的可能性，改善共轨系统冷启动性能。具体可分为引导喷射和预喷射等，其中引导喷射通过预混合燃烧来降低颗粒排放；预喷射可缩短主喷射着火延迟时间，能减少燃烧噪音和NOx的排放量。‘预喷射在曲轴上止点前90。d内进行，处于初始喷射阶段，速率低，仅有少量燃油(大约为总喷油量的30／0,,,8％，一般为l“mm3／cycle)喷入气缸中，与主喷射的最小时间间隔可在509s左右，随着高压共轨燃油喷射系统的快速发展，最小喷油量和主预喷间隔时间将会越来越短。对于部分载荷工况下的预喷，一般发生在主喷油前10-20*CA内；对于满载荷工况的预喷，预喷与主喷间的时间间隔一般在40～900CA范围内。主喷射时主要是要控制针阀的启闭速率：在初期降低喷油速率，以减少燃油滞燃期内喷入燃烧室内的燃油量；在中期提高喷油速率，缩短喷射时间从而缩短缓燃期，达到在柴油机有效的曲轴转角内完成燃烧的目的，提高了输出功率，减少了耗油量，降低颗粒排放；在末期要快速断油，以减少不完全燃烧的燃油量，降低烟度及碳氢化合物的排放。主喷射提供了发动机输出功率所需的能量，基本上决定了发动机的扭矩，有效控制主喷射可以减少温度高峰和降低NOx的排放。后喷是在主喷之后的做功或排气行程中进行的，导致二次燃烧的产生，将缸内温度增加200--一250。C，降低排气中的碳氢化合物。后喷控制主要是结合催化转换器后处理尾气装置而使用的，具体可分为近后喷射和次后喷射等。其中，近后喷射是紧接着主喷后进行的，近后喷产生的二次燃烧能够促进扩散燃烧，加快主喷燃烧过程中产生的颗粒物氧化，从而降低颗粒物排放，同时也降低CO和HC；次后喷射是在近后喷射之后进行的，配合后处理系统，供给还原剂，由于还原成份的供给和排气温升，使得催化剂活性大大增加，从而降低NOx的排放【13】。后喷一般发生在上止点后200-2200CA范围内，其停止速度快，后喷油量一般占总喷油量的3％～5％左右(1~2mm3／cycle)，与主喷射间的时间间隔一般在0．3-0．7ms。’多次喷射可实现对燃油喷射率的调控，实现动力性、经济性及排放效果的综合改善u引。若希望实现多次喷射，所采用的共轨系统必须具备实现这种工作方式的能力，这主5 基于位移法的高乐共轨高频间歇喷油母测母研究要取决于喷油器的具体结构。同时，多次喷射并不是在任何情况下都值得采用的，通常是在柴油机处于某一特定工况范围内才需要进行多次喷射控制。1．3高压共轨燃油喷射系统喷油量的测量随着计算机技术的普及，新的测试仪器层出不穷，加之其他相关领域技术的快速发展和引入，测试系统的智能化和自动化程度大大提高，集高速数据采集、处理、分析和自动控制为一体的各种测试系统不断地推陈出新，现代测试技术也正在飞速发展着，高压共轨测试技术也在不断发展，测量精度越来越高，测试效率也越来越高。1．3．1柴油机电控高压共轨测试技术对于共轨系统的生产来说，为了使共轨柴油机以较少的油耗和合理的废气排放达到最佳运转效果，在生产时对共轨燃油系统的精确校准就显得格外重要了。参考文献[15】中规定，凡新产品或经过强化、重大改进的柴油机，在投产前必须进行全面性能试验，以考核柴油机的各项技术是否符合设计任务及有关技术文件规定。对于共轨系统的研发来说，由于柴油机的供油特性脉谱是保证柴油机工作性能的最根本的数据保障，在对高压共轨系统进行试验时，可获得和整理出供油特性脉谱，用于高压共轨电控单元的开发及柴油机的控制。利用控制策略进行补偿，使得在不改变高压共轨系统硬件执行器的基础上，完善喷射性能，提高喷油参数水平，有利于多段喷射的稳定工作。因此，测试技术必不可少，测试结果可检验所研发的共轨系统结构设计是否合理、参数是否选择得当，为进一步改进设计、最终确定结构参数提供依据；利用其对国外新开发的先进共轨系统研究，可快速了解其喷油特性和关键参数的作用，有助于推动国内自主研发高压共轨系统的进程f16J。对于共轨系统进厂检验来说，都希望被测部件的测试结果能与制造厂的出厂检验结果具有直接可比性。在与制造厂相同的测试条件下，对高压共轨系统精确地测量喷油量，以确保测试结果可直接比较，这也需要必要的测试技术。对于共轨系统的维修保养来说，在国内，由于高压共轨电喷系统结构复杂，制造和养护成本都十分高昂；柴油品质不达标，或是有部分司机的保养意识不够强，在很短的时间内，以共轨喷油器为代表的共轨零配件会出现大比例的故障；共轨喷油器经过长期使用后，可能由于油污堵塞而造成损坏，也可能是喷油器电路发生故障等，因此需要专门的测试设备来进行故障检修。综上所述，研发和生产适合我国共轨喷油系统的专业精密测试系统迫在眉睫。1．3．2燃油喷射系统试验台越来越多的国内外专家学者、研究院所和生产商，从事各种燃油喷射系统油泵、喷油器等关键部件试验台的研究与生产。共轨系统压力的不断提高，共轨系统主要部件的技术要求也越来越高，对试验台提出了新的要求。在高压共轨系统广泛使用以前，机械喷油泵系统的喷油量控制是通过喷油泵来实现的，因此在以前的喷油系统中，喷油泵十分重要，它决定了传统柴油机的性能。无论是6 硕士学位论文詈量皇曼鼍量舅舅__．mere__．。_一IIll曼曼寡喷油泵的研发、生产还是维修保养，都需对其进行检验和调整，以保证其性能符合相关规定。喷油泵试验台就是这项工作中的核心设备，它通过模拟柴油机驱动及测量来实现喷油泵各项性能的检测和调试。喷油泵试验台种类很多，按其传动原理可分为机械传动式、液压传动式和电传动式等，其中电传动式又可分为直流电机传动式、滑差电机传动式和变频无级调速式等。对于高压共轨系统，控制喷油量的工作不再通过喷油泵来实现，喷射过程的开始及结束是由共轨喷油器的高效执行器进行控制的。喷油器成为共轨系统的关键部件，它将柴油以非常细小的油滴，以雾状的形式喷入燃烧室内，并与空气混合。喷油器这种将燃油喷注粉碎成细粒的过程称为燃油的雾化【l71，它可大大加速蒸发，与空气充分混合，有利于完全燃烧，保证了柴油机良好的经济性和排放性能。因此，现代共轨柴油机的性能在很大程度上取决于喷油器的可靠性，共轨喷油器需要经过调整和检验才能保证其满足性能要求，为柴油机和机车的正常运用提供保证。喷油器试验台就成为了检验共轨柴油机喷油器必不可少的设备，精密的量具和先进的设备在其制造和维修中起着重要作用，因此，对试验台性能也有较高的要求。1．3．3共轨喷射系统高频间歇喷油量的测量t喷油器的喷油量特性是决定高压共轨系统设计的重要因素。每款喷油器在设定的轨压、喷油脉宽下所达到的喷油量是一定的，它是工程技术人员多次实验的结果，要在产品研发和出厂检验时确认高压共轨喷射系统是否达到设计要求，最重要的考核指标就是喷油量。随着柴油机转速的不断提高，柴油机的燃油喷射越来越趋向于高频间歇的小流量喷射，因此掌握各种喷油量随喷油间隔的变化也显得格外重要，为了研究多段喷射中各段喷射对燃油燃烧及其排放的影响，也需要对各段喷射进行高精度测量【l引。另外，喷油器的堵塞或泄漏、电磁线圈老化等故障都将导致不正常的喷油量，当喷油量过大，燃油燃烧不完全，尾气颜色较深，严重时有颗粒物的排出，导致燃油经济性差；当喷油量过小，燃油燃烧不充分，柴油机加速乏力，严重时会产生无法启动或熄火现象，导致动力性差。而喷油器是否处于正常工作状态可通过测量当时的共轨压力和喷油量、判断喷油量与计算值的偏差是否在允许误差范围内及比较各缸喷油量来判定。20世纪90年代之前，喷油量测量主要用于柴油机喷油系统的研究试验和喷油器制造过程中的抽查性试验，由于测量工作量不大，使用不太频繁，因此设计的装置的使用寿命和故障频率都是有限的。进入2l世纪以来，由于柴油机技术飞速发展，尤其是高压共轨系统的发展，要求喷油器生产厂家对每个喷油器都要进行测试，而喷油量测量是测试项目中不可缺少的，因此对喷油量测量装置的需求量及其使用频率都大幅增加【19】。因此，建立喷油量测控环境、获取喷油量相关数据、运用喷油量测量装置，是准确测量高频间歇喷油量、制定喷油量优化控制策略的必要手段，对提高柴油机各项性能具有非常重要的意义。电控高压共轨燃油喷射系统试验台是喷射系统及发动机制造商开发新型喷油器，对喷射系统制造、安装和维修时进行设置和检查的主要工具。而高频喷油量测量装置又是试验台的核心，是影响试验台测量精度的关键，主要用于精确测量共轨燃油喷射系统在各工况下的喷油次数、每循环喷油量或多段喷射中的每段喷油量，以作7 基于位移法的高厍共轨高频间歇喷油帚测龟研究为调整、检测共轨燃油喷射系统的重要依据。衡量高频间歇喷油量测量装置性能的重要指标就是喷油量测量的精确性。在喷油器的开发、检验、标定和生产过程中，高动态性能、高精度、高效率的喷油量测量装置是确定喷油量和喷油规律、建立准确的喷油脉宽与喷油量之间对应关系以及检验喷油器之间的喷油一致性的重要工具，是喷油器及发动机生产企业重要的质量保证手段，是高压共轨喷射技术研发和应用所必需的技术手段。1．4燃油喷射系统喷油量测量的国内外研究现状1．4．1喷油系统喷油量测量方法燃油喷射量的测量方法很多【2睢261，包括蜂孔转盘法、量筒式测量法、冲击动量法、Bosch长管法、图像法、容积法、Zeuch法、称重法、压力升程法和活塞位移法等。早期用于机械式直接测量的蜂孔转盘法，是通过一个由被测喷油泵凸轮轴传动的蜂窝型转盘直接收集与计量被测喷油器的喷油率及其分布规律，用于供油工况稳定时的多次供油循环平均喷油特性的测试分析，装置体积相对庞大，因本身结构的限制，总不确定度很难再提高，用计算机控制比较困难，现在已经被淘汰。量筒式测量法的工作原理是喷油器喷出的燃油流入玻璃量杯中，人工读取进入量杯中的燃油体积，估算多次喷油的总量，然后取其平均值。此方法的不足在于：不能测量单次喷油量，由于量杯中燃油体积是通过人工读取，误差大(量筒排油后的剩油误差、沉积误差、弯液面的读数误差)且测量精度低，自动化程序低，测、计量的时间长，影响了生产效率，同时也不能实现数字化自动测量。20世纪70年代，国内开始应用与开发基于博世长管法的喷油特性测量仪。这是一种适用于中小型柴油机喷油特性的基于非稳定流中一元压力波理论的间接电测法。如图1．5所示，喷油器喷出的燃油进入直径一定且充满了燃油的测量管中，利用质量连续方程，计算出喷油嘴喷出的燃油流量随时间的变化规律即可。喷油持续期内，燃油喷入细长管中，其体积流量的表达式为^、7p==上=Au(1．1)一西式中：彳一细长管的横截面积；甜一燃油在管中的流速。由非稳定流中的一元压力波理论，细长管内压力波p(t)的表达式为p(f)=apu(1．2)式中：a一音速；P一燃油密度。由式(1．1)和式(1．2)n-J得喷油率表达式为盟：彳土p(f)(1·3)dtap。‘。盟：尘堕(1．4)d96npap式中：刀。～凸轮轴转速。8 硕士学位论文通过测试系统钡9出长管内的压力变化，就可以得到喷油规律。喷油量为：9：f2兰丛％(1．5)累积相对喷油量为：x：{乒竺竺(1．6)I，p(t)dt式中：f．一喷油开始时刻；，，一喷油结束时刻；f一喷油过程中的某一时刻。图1．5Bosch长管法测试系统原理图该方法的特点是长管需要足够长，截面要保持一定，避免喷油压力波受管截面突变及细长管端反射波的影响，以保证喷油速率测量精度；可迅速而准确地直接测出单次喷射的喷油规律波形，配合油管压力传感器，供油始点传感器、针阀升程、出油阀升程传感器等可同时测录表征喷射过程的各参数和喷油规律波形，制作方便、使用可靠。但需要10m长的测量管，且要安装应变片，测量装置较为复杂；采用应变式测压设备，频响特性较低，加之应用示波器测录，故测试子系统误差较大，一般达6％左右；喷入燃油后会使系统参数发生变化，该方法只可用于单次测量；在喷射结束后，得出的喷油规律曲线上有一个不稳定的低频波动，使得喷油规律曲线并非第一时间回归到基线上；数据分析处理也十分麻烦，难以满足工程应用与理论研究的要求。图像法是将喷油器喷出的燃油经消雾器后流入玻璃量筒，摄像机同时获取各玻璃量筒的图像，对采集的图像进行处理，通过图像边缘灰度值判定算法及相应参考坐标，即可得到量筒中燃油液面高度，由些可计算出各量筒中燃油量，然后累积求平均值。实现了非接触式测量，采集时间短，但测量精度不高。容积法的工作原理是，由于喷油器是脉冲式喷油，且每循环喷油量(尤其是预喷油量)很少，直接测量每个循环喷油量较困难，在喷油器稳态工作时，若单位时间内的喷油次数不是很少，则可将喷出的燃油通过稳压装置聚集在一个有确定容积的容器内，通过测量充满该容积所需喷油次数来计算出每循环平均喷油量。其优点是其结构及检测电路简单，电路抗干扰能力强，测量方便等。其缺点是只能测量平均喷油量；测量精度较低，通过增大测量容积虽可提高测量精度，但会使工作效率降低；脉冲式喷油所引起的油面波动容易引起测量数据不准确等。Zeuch法的测量原理为，在充满一定压力的燃油、容积为y的封闭容器内，喷入一定量的燃油，由于压力与喷油量成比例，通过测量容器内的压力上升△p，由下式即可计算出喷入燃油的体积AV9 △y：垒里y(1．7)K式中：K一液体体积弹性系数。根据燃油密度n和喷油时间f，喷油率可按下式计算堕：D—V望(1．8)mrtKdt此方法简单易行、精度高、稳定性好，且可进行多次喷油脉冲的连续测量，但也存在缺点，喷油测试体容积大小对喷油过程中容器内压力变化影响很大，若测量室容积相对于喷入的燃料体积过大，燃油喷入后压力变化很小，压力信噪比较小，将会使噪声影响变大；若容积相对过小，喷油器与压力传感器之间距离过短，燃油喷射会影响压力传感器的测量精度，研究表明，当喷油器与压力传感器间的距离超过37mm时，燃油初始速度在燃油液滴间的黏性摩擦作用下快速下降，燃油喷射对于压力测量的影响即可忽略不计；在实际测量中，由于干扰信号对△p的影响，△p函数曲线会产生一些微小变化，容易产生相邻点斜率的大幅改变，导致出现错误的测量数据；测量提前喷射小范围压力变化的传感器决定了压力信噪比，这就要求传感器必须具有很小的非线性、很好的线性关系和非常高的精度；同时，喷油量振幅精度差，因此不能对喷油量进行精确地测量。压力升程法通过测量喷油嘴、压力室及气缸压力和针阀升程，即可按流动方程计算出喷油规律，这是在运转发动机上实测喷油规律的首选方法。其工作原理是：由喷油器的喷孔流量方程知，瞬时喷油速率与喷孔流通截面、喷孔前后的压差有关，计算公式为石dr,=等√丝刈03¨l96nP／9)一=一J—XlIJ^、d纯P、『LLyJ式中：∥一喷孔流量系数；A一喷油器有效流通面积(mm2)；行。一喷油泵转速(r／rain)；p，一内燃油密度(堙／埘3)；印一喷孔前后压力差(Pao用压力传感器实测喷油器端压力，然后计算出盛油腔处的压力(或直接测出喷油器储油腔处的压力)和气缸压力，用位移传感器测出针阀升程的变化，在专用试验台上实测不同升程下的油嘴流通截面积，由此计算出喷油规律弘71。活塞位移法实际是压力升程法的一种改进，其基本原理是将从喷油器喷出的燃油喷入带活塞的固定截面积的密封油缸内，从而推动活塞移动，利用位移传感器来检测活塞位移变化，计算出喷入油缸的燃油体积，缸体的开闭由一个电磁阀控制。此方法不足在于：对油缸的密封性要求较高，需要根据喷油量大小来定制活塞截面积等；该方法采用弹簧模拟背压环境，也靠弹簧来使柱塞复位，典型的弹簧质量系统会产生振荡，位移甚至有可能出现负值，故喷油量也会出现振荡甚至是负值，这种现象在喷油快要结束的时候表现更加明显。在高压共轨中可能出现多次喷射的情况，若两次喷油间时间间隔较短，使用此方法测量的次后喷射结果受其前次喷射振荡的影响非常大，故测量精度下降明显；若活塞与盛油腔壁之间的滑动部分间隙过大，会产生测量油液泄漏，从而使测量精度降低，若间隙过度减小，则会导致滑动油膜破裂而使滑动部分卡死而不能正常工作。基于该基本原理，可用膜片或膜盒替代柱塞，利用膜片或膜盒的薄壁，使得实现体积．位移的转换方式由原来的滑移变为了弹性变形，惯性非常小、内部泄漏基为O；位移10 硕十学位论文皇曼寰舅舅蔓皇曼舅曼寡曼皇舅量皇鲁皇曼曼曼皇曼璺曼皇曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼鼍曼曼篡曼曼蔓罡皇曼曼曼量量鼍曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼舅曼曼曼曼皇曼舅曼量曼量皇曼皇曼曼曼皇曼·测量系统也有很多种类，包括利用光栅传感器、利用线性位移差动变压器(LVDT)等。国外喷油量测量大多采用光栅传感器来进行的，光栅尺测量装置的测量精度非常高，测量速度非常快，但价格较贵，另外，光栅尺对介质的要求很高，经常由于生产线上使用的调泵油含有铁屑等杂质而发生堵塞现象，而无法正常测量。国内进口该装置多用于实验室研究，无法在生产线上普及使用。随着测试技术的发展，出现了很多新方法128】：(1)通过安装质量流量传感器来测量，喷油器喷出的燃油流入一个底部装有称重传感器的量杯，根据其比重来计算出容器中的燃油体积，对称重传感器本身及其安装要求都较严格，传感器需定期校准；(2)基于钛、铂薄膜传感器的喷射率测量，其核心在于低温陶瓷基传感器的微加工，但该传感器尚处于进一步研发阶段，其可靠性和长期工作特性有待研究；(3)利用相位多普勒风力测定法(PDA)来测量油束(油粒大小与速度)等。1．4．2国外喷油系统喷油量测量装置以电控高压共轨燃油喷射系统的产生为界，将国外喷油量测量装置分为两大类型，一类针对于传统燃油喷射系统的喷油泵试验台喷油量测量装置，另一类是伴随着共轨系统诞生的、针对高压共轨燃油喷射系统的喷油量测量装置。1．4．2．1传统燃油喷射系统喷油量的测量由于在共轨系统广泛使用之前，都是通过喷油泵来控制喷油量的，因此当时测量喷油量都是通过喷油泵试验台来实现的，以下是几种国外典型的量油装置【291。1．日本“弥荣"工业株式会社生产的量油系统日本“弥荣"工业株式会社生产的DPT-7AJ7B／7C型喷油泵试验台计量系统，采用了玻璃量杯的计量方式，精度低，而且由于计量一般是通过几百种泵轴转速进行，过程缓慢；另外，由于量杯不能根据油量发出相应的电信号，不能处理数据以便显示和记录。2．英国Hartridge公司生产的量油装置在计量系统上，做出较大改进的，要数HaIrtddge生产的代表着20世纪80年代水平的2500系列喷油泵试验台了。其计量系统采用“活塞量杯"系统，从喷油泵喷出的油液进入控制阀体内，将活塞向下推离玻璃量杯顶端的零位，活塞下部用O．2MPa的气压来维持一个不变的反压。油流的喷出由油阀来控制，每次计算完毕后，活塞在新的位置上处于静止状态，操作人员根据活塞上的红指针读出玻璃杯上的刻度。读出后，在活塞下部施加一个0．5MPa的气压，把活塞挤回玻璃量杯的顶端，可测定的最小供油量为0．2mm3，分辨率可达0．1mm3／冲程／管。尽管该系统改变了老式计量系统的大部分缺点，但仍不能提供数据显示和记录用的电信号，而且还没有脱离玻璃量杯的计量方式。在该公司生产的HA3000喷油泵试验台量油系统中，喷油器喷出的燃油通过分流阀直接回油箱或流入活塞油箱上部，喷出的燃油根据预设次数向下推动活塞，活塞下部与一个光栅位移传感器刚性连接，通过该传感器可测量活塞位移，光学读数器将移动信号经微机处理，最终转化为喷油量值。该系统同时还对燃油温度进行测量，以便将测试结果折算到规定温度下的燃油容积。由于光栅位移传感器的分辨率高达l朋，因此该系 基于伊移法的高压共轨高频间歇喷油帚测萤研究统精度很高。该测量系统的不足在于，喷入的燃油推动活塞受活塞间隙和摩擦影响较大，在小油量时测量精度不耐30J。3．德国Moehwald公司研制的KMM测量系统KMM测量系统可连续测量燃油喷射系统各缸喷油量，喷油泵的每一个喷油器都配有一个流量传感器，燃油经喷油器喷出后流入油杯，然后进入回油管流回油箱。与喷油泵相连的马达上装有圆光栅，光学读数器将马达转动的角度信号输送到微机，经微机处理后在屏幕上显示出油量，可实现不问断测量；其不足在于：驱动流量油泵和马达都需要一定的压力，流量泵及马达内部的间隙和摩擦直接影响了喷油量测量的精度，尤其对于小油量测量，测量误差较大【25。。上述喷油泵试验台大多都是控机械式喷油泵的性能要求来设计和制造的。而随着共轨燃油喷射系统的越来越普及，迫切需要电控柴油机高压共轨系统专用的性能试验台。1．4．2．2高压共轨燃油喷射系统高频间歇喷油量的测量与普通喷油系统不同，高压共轨喷油系统可对喷油率进行柔性控制，每喷射循环中可实现多段喷射，每段喷油量很小，喷油间隔很短，使得普通量油装置无法对其进行精确有效地测量。针对电控高压共轨喷油系统喷油量的测量是必要且非常重要的，下面就国外典型产品工作原理及特点进行介绍和分析。1．日本小野公司小野公司生产的FJ．6000多段喷射量探测器【31I高精度、功能多(见图1．6)，采用Zeuch法可精确连续测量各种共轨系统下5000个循环的最多10段喷射的喷油量和喷油率。不同喷油量对应不同的刚体容积，分辨率为最大喷油量的1／1000，测量精度高，最小测量精度为±0．2mm3／str。但燃油的喷入会使测量室内产生相对其固有频率的压力摆动，可能形成多重量振动模型。测量预喷时，由于喷油量相对测量室容积来说太小，所产生的压力变化小，使得压力传感器的信噪比过小，噪声淹没测量信号而无法测量。同时，对测量室密封性和排油阀的响应能力要求很高，否则会影响下一次喷油量的测量。该公司生产的FJ．030喷油量探测器【321(见图1．7)，采用与FJ．0600测量原理截然不同的位移法原理，用膜片(盒)代替位移法中的活塞，采用弹性变形实现体积．位移的转换，通过非接触式位移传感器测量喷射前后膜片(盒)的位置，来获得每次喷射油量。由于膜片(盒)壁厚很薄，惯性非常小，且不是滑动运动，内部泄露为零。测量精度高，最小可测量0．6mm3的喷油量，最大可测量600mm3的喷油量，分辨率为0．02mm3；有三个测量范围可选。但膜片(盒)的加工精度要求较高，密封性要求较高，加工难度大。糟麓=农谓压一图1．6FJ．0600A型喷油量探测器的工作简图㈨图1．7FJ．030型喷油量探测器的工作简图132l12 硕士学位论文．1I．．i■量皇—暮舅皇毫■皇量—目置|皇—置|—鼍皇舅■罾喜曼薯■|■置皇—■■皇2．德国IAvGmbH公司IAVGmbH公司是世界知名汽车电子开发和技术咨询公司。该公司生产的柴油机高精度喷油分析仪【33}(injectionAnalyzer)以高的精度和好的重复性用于高压喷射系统研发与检测中喷油量和喷油率的同时测量。如图1．8所示，其喷油规律测量部分利用的是Bosch长管法原理，喷油量测量部分利用的是位移法原理。在充满燃油的测量管道内，通过压力传感器测量与一个喷油周期内动态压力随时间的变化，该变化与喷油率成正比，高效数据记录单元记录每冲程喷射过程中各参数值，用来确定瞬时燃油喷射量。两种检测仪整合在同一紧凑的结构中，环境温度变化一致，体积小；顶部充入恒压氮气形成背压(0．5～18MPa可选)；每冲程监测多达七次的喷射；测量范围为0．7--480mm3／str；最小测量精度为±0．2mm3／str；采样频率为lOOkHz；没有了运动部件，避免了测量装置的磨损，保证了精度和产品寿命，降低了维护成本【341。但喷油量测量范围偏小，最大只能测量小于480mm3的喷油量，对于大喷油量的燃油喷射系统就不能适用了。甜部氮气一口蒜簧图1．8IAV喷油分析仪液压装置截面简图【3313．奥地利AVL公司AVL公司的单次喷射流量传感器(ShotToShotFlowSensor,STS)PLU131是一种可实现量产可直接测量流量的装置，主要用于内燃机喷油器和喷射系统研发生产过程中的动态喷油量测量【35】，也将喷油规律和喷油量测定集成在了一台仪器内，采用直线位移传感器与旋转角位移传感器相结合的测量原理，提供同步高速、高分辨率的动态喷油率记录和精确的喷油量测量，为发动机测试应用提供了高速获取数据的便利。它可测量每喷射循环中多达10次的喷射，可全面分析喷油量和喷油率非常小的定量多段喷射系统，可测最小喷油量小于1mm3，可测喷射间隔时间小于150#s，可测最大单次喷油量为600mm3；在全量程内标定的标准偏差为0．01L／h，测量的不确定度为O．1％；工作压力为0．001—20MPa；高精度的测量大大减少了测试时间；适用广泛、稳定性好。4．法国EFS公司法国EFS公司在20世纪80年代初就开始开发研究单次喷射测量仪，拥有燃油喷射油量测量领域的最新技术，是世界最著名的燃油喷射测量仪器和设备开发制造商之一。图1．9(a)所示为该公司生产的单喷嘴检测仪(MonoInjectorQualifier)EFS8246实物图口”们，用于单个喷油器瞬时喷油量的测量，是在早期产品EMl2的基础上为满足高压共轨等电控喷射系统的测量要求而发展起来的，延用了EMl2的机械模块单元【37】(见图1．9(b))，利用位移法原理，适用于市场上各种型号的高压共轨喷油器，可测量每次喷射中高达5次的单独喷射；具有同步时间模块，可检测喷油起始角及持续角度，输出喷油率和喷油量等模拟信号，还可与电磁阀驱动模块配合，实现对电控喷油系统的控制和测 基于位移法的高压共轨高频间歇喷油量测量研究量；每次喷射喷油量分辨率为0．005mm3，允许的喷射频率为30～3000次／min；测量精度高，最小测量精度为士0．05mm3；由于传感器与调节器之间没有电缆，所以噪声等级低；在转速为3000，．／min时，预喷和主喷间时间间隔分辨率达到60艘。该公司的EFS8420型燃油喷射量及喷油规律测量仪是一种能够同时精确测量每次喷油量和喷射速率的高性能测量装置【381。它可对单个喷油器喷油特性进行详细的分析，可测量每喷射循环中多达10次的喷射，取代了活塞式流量测量仪和测试管系统，能够快速、精确地测量每一喷油循环中的所有喷射参数。每冲程分辨率可达O．1mg，重复测量变化不超过O．02删亭：测量精度高，最小喷油量测量精度为±0．1mg／str；可测每循环最大600mm3的总喷油量；两次喷油间的延迟为509s。嘲j_卜一蕈4t||l|=：麓-Ia．EF38246雾扬图b．ExI缮鞫劈|垩翻图1．9EFS相关产品实物及结构原理图f28】EFS的第四代燃油喷射瞬时油量及喷油规律测量仪IFR600也已问世，它能测量每喷射循环中10次喷射的油量及喷油规律，同时将测量精度提高N士o．2mm3。1．4．3国内喷油系统喷油量测量装置我国柴油机发展与国外有一定滞后性，相应的检测装置发展也相对缓慢。目前大部分喷油器检测设备主要还停留在检测传统喷油器的阶段。国内生产和研究喷油量测量的典型产品有【39~42l：安装在泰安农机试验设备厂12PSY55型和唐山第一机床厂12PSD型喷油泵试验台上的测量系统，它们基本都采用了若干个玻璃量杯组合成的一个量杯总成来测量喷油泵的喷油量。量杯充油结束后停留30s再进行读数，读数计量时，以量杯中盛油的弯月面底读取数值。其缺点在于燃油被喷到敞开的玻璃容器里，会损失部分高度雾化的燃油及蒸发部分轻质烃，柴油雾气也影响测试人员身体健康；由于油液有粘度，在流动中必然在量杯壁上有迟滞并依附于量杯壁上，在读数前要等待附着在测量筒内壁上的柴油下沉和消沫；利用操作者的眼睛去判读量杯内弯液面的读数值，读数误差较大；精度也不高。北京南口机车车辆机械工厂、大连机车研究所引进HA2500并进行改造一种利用活塞量杯进行测量的量油装置，在该装置中，喷油器在喷涌期内喷出的燃油经控制阀将活塞往下推离量杯的零位。在活塞的下方保持有背压为0．2MPa的压缩空气，控制阀接受电动转速表的指令，开闭流入量杯的燃油。注油完毕后，活塞在量杯中处于静止状态，操作人员可以根据活塞上的红线读出量杯上的刻度。读数后，按复零按钮，在活塞下方导入O．5MPa的压缩空气，将活塞推回量杯顶端。虽比传统量油装置精度高，但受到操 硕十学位论文作人员读数和辨别量杯刻度能力的限制，而且这种量油装置不适于微机自动测量。1991年铁道部科学基金项目中研制了利用光栅尺测量位移的活塞式量油装置，该装置的技术原理是：由喷油泵泵出的燃油经高压油管进入喷油器，燃油按照喷油器顺喷方向喷入油缸，推动油缸内的活塞移动，活塞杆和光栅位移传感器相连，以记录油缸内活塞的位移，并将位移信号输送到微机，经微机进行数据处理，将其与油缸截面面积相乘即得到进入油缸内燃油的容积，将燃油的容积按国际标准的要求修正后显示或打印。受限于当时的材料和制造水平，活塞的摩擦大、惯性大、活塞与油缸存在间隙使小喷油量时的误差大，不适于小型喷油泵。光栅尺测量精度高，测量速度快，且对介质要求非常高，生产线上使用的校泵油含有铁屑等杂质，所以经常发生堵塞现象，以至于无法测量。2006年北京理工大学的张幽彤等采用非接触式智能油量测试系统，集成了燃油承载装置、控制装置和称重传感器，其中使用了金属挠度形变感应称重传感器可以较为准确地检测出燃油的小喷油量，解决了小喷油量精确采集困难的问题。称重法的静态测量较精确，但电机和油泵的高速运转会产生很大的振动，干扰测量，且对称重传感器冲击很大，过度振动会使测量超出传感器量程，导致传感器损坏。国外对喷油量测量的研究较早，已形成较完善的体系，在专业高压共轨系统测试平台制造方面具有绝对优势，但价格昂贵，制造工艺复杂，且后期的维护保养成本很高。出于商业和政治目的，国外的几家主要的高压共轨喷射量测量产品的制造商，利用其技术优势，都采用一种“套技术服务"的方式向国内相关企业提供产品，把共轨系统有关的设备和技术列为商业机密。作为其技术秘密，相关的先进技术难以获得，通常都是花上百万的投资换来的却是国外企业对我国共轨测试专利、技术的封锁和配件的不开放。、国内该方面的研究起步较晚，虽已取得明显的提高，但与国外先进水平相比还有一定差距。目前，在国内专门针对高压共轨系统的自主研制的测量系统很少，至今还处在模仿和摸索阶段，还没生产出完全具有自主产权、能对高压共轨主要部件进行自动检测的设备，在为数不多的生产企业中，对于喷油量的测量主要采用传统的量筒法对平均喷油量进行测量，该方法误差较大，测量精度低，耗时长，不能满足节能要求；个别厂家对量油系统进行了技术改进，采用智能化量油，但其可靠性和精度不够理想，未能满足要求；有的通过与国外合资而利用国外技术，或采用进口国外核心设备加工制造的喷油量测试仪，不具有自主知识产权。因此，必须进一步加快速度，提高技术水平，以满足柴油机行业发展的需要。在国外设备价格太高，而共轨柴油机日益普及情况下，急需开发国产共轨喷油系统专用的先进自动化的，具有自主产权、精度高且价格合理的喷油量测量系统，以满足当前国内市场的实际需求，促进国内柴油机产业的发展。1．5本文研究目标及主要研究内容1．5．1研究目标本文针对当前国内电控高压共轨喷射系统喷油量测量现状，总结国外先进的量油方法和装置，分析各种测量装置的特点，对主流产品提出了改进意见。提出基于位移法原 基丁伊移法的高压共轨高频间歇喷油最测母研究量曼舅曼曼曼量曼曼曼曼曼量皇曼曼皇量曼曼曼曼曼曼曼曼曼皂曼曼舅曼曼曼量曼曼曼曼曼量鼍曼曼曼曼皇量曼曼皇曼曼皇曼曼曼曼曼皇II舅量曼理的高压共轨高频间歇喷油量测量方案，设计并开发电控柴油机高压共轨燃油喷射系统专用的具有优良性能的高频间歇喷油量测量系统，重点对高压共轨高频间歇喷油量测量装置结构进行了设计，该装置能够对高压共轨喷射系统的喷油量，特别对于每喷射循环中存在多次喷射时，进行精确测量；建立该测量装置的数学模型，并建立基于虚拟仪器Labview和PLC的上下位机结构，以满足新型高压共轨喷油系统测试的需要，缩短与国外先进共轨喷射量测量技术的差距，为自主研发和生产高性能、高精度且拥有自主知识产权的共轨喷油量测试仪提供理论和实践基础。希望本测量系统能对更加先进的燃油喷射系统的研究与开发以及对已有高压共轨喷油系统的检测及维修提供方便。1．5．2主要研究内容本论文设计的系统主要包括喷油量测量装置、驱动系统、燃油供给系统、被测组件、测控系统、温控系统、高压油泵机油润滑系统等部分，重点是对喷油量测量装置的结构进行改进设计，以提高测量精度和工作效率，实现上述研究目标。本文主要开展以下几个方面的工作：第一章，概述了当前柴油机高压共轨喷油系统及其发展，阐述了我国发展喷油量测量系统的必要性、可行性及现实意义，详述了柴油机燃油喷射系统喷油量的测量方法，并介绍了典型的国内外喷油量测量装置的工作原理及发展；第二章，分析了主流高压共轨系统中的传感器、电控单元、高压油泵、共轨总成和共轨喷油器的工作原理及特点。第三章，针对高压共轨系统的发展特点，提出了以位移法为基本原理的新型测量方案，并设计了基于该测量原理的高频间歇喷油量测量系统，确定了该测量系统的基本组成和主要设计技术指标。第四章，提出了高频间歇喷油量位移法测量装置的工作原理，分别对喷油器组件基体、位移测量缸及位移活塞等作了结构设计，用抗污染能力强、耐振动的球栅位移传感器测量位移活塞的动态位移，提出了下腔背压提供方法及上腔压力和温度补偿方法，设置了三条冷却回路。第五章，对高压共轨燃油喷射系统的高频间歇喷油量位移法测量系统中的驱动系统、燃油供给系统、被测组件、测控系统、温控系统、高压油泵机油润滑系统等部分进行了设计。第六章，综合考虑影响测量精度的因素，建立了高压共轨喷油系统的高频间歇喷油量测量装置仿真计算用的数学模型等。1．6本章小结本章首先对柴油机其燃油喷射系统进行了概述，说明了高压共轨燃油喷射系统在现代柴油机中的重要地位，介绍了高压共轨燃油喷射系统的发展及其喷油特点，着重叙述了喷油系统喷油量测量方法及国内外研究现状，阐述了我国发展喷油量测量系统的必要性、可行性及现实意义，确定了本文的研究目标及主要研究内容。16 硕十学位论文量量曼曼舅量皇曼曼曼曼鼍舅曼量曼曼曼鼍曼曼量量鼍曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量曼皇曼舅皇曼曼鲁皇II．I．iI鼍曼蔓曼曼寰曼鼍曼鼍甍曹舅曼皇曼寰曼曼皇舅曼曼曼量曼曼曼第2章高压共轨燃油喷射系统要研究高压共轨喷油系统喷油量的测量，需要有具体的研究对象，而柴油机电控高压共轨燃油喷射系统就是所需要的对象，本章结合主流共轨系统，来研究分析了柴油机电控高压共轨燃油喷射系统的特点、组成及工作原理。2．1高压共轨系统的特点电控高压共轨喷射技术是指在高压油泵、共轨喷油器、压力传感器和电子控制单元(ECU)组成的闭环控制系统中，将喷油压力的产生与喷射过程完全分开的一种供油方式。燃油被低压油泵泵出，经过滤器后输入到高压油泵，经高压油泵压缩后被输送到能将高压燃油储存并保持一个高压环境的共轨管中。ECU根据装在共轨管上的压力传感器测量实时轨压以及柴油机的具体工况，确定合适的喷油时期，并依靠喷油器电磁阀的开闭来控制向燃烧室喷油的喷油时间和喷油量。采用高压共轨系统可实现传统喷油系统无法实现的功能，其特点可归纳为：(1)喷油压力柔性可调，利用轨压传感器测量燃油压力，从而调整供油泵的供油量和共轨压力，来对喷油压力进行控制。根据不同负荷和转速，可确定所需的最佳喷射压力，且喷射压力不随柴油机转速变化；(2)喷油量可自由调节，以发动机的转速及油门开度信号作为基础，计算机可算出最佳喷油量，并控制喷油器的通断电时间；(3)可独立柔性地控制喷油正时，根据发动机转速和喷油量等参数，算出最佳喷油时间，并控制电控喷油器适当地开启或关闭，从而准确控制喷油时间；(4)可柔性控制喷油速率形状，根据发动机用途需求，设置和控制喷油率形状，能实现预喷射、靴型喷射、△喷射和多段喷射，以保证整机的动力性和经济性；(5)电磁阀控制喷油，控制精度高，高压油路中不会出现气泡和残压为零的现象，柴油机各缸工作均匀性好，减轻了柴油机的振动，降低了排放。2．2高压共轨系统的组成通过绪论中的介绍，可以看到典型电控高压共轨系统的基本组成情况，包括传感器、电控单元、低压油泵、高压油泵、共轨管总成及喷油器总成等。2．2．1高压共轨系统中的传感器共轨系统中的基本传感器包括：转速传感器、曲轨信号传感器、凸轮信号传感器、相位与气缸识别传感器、共轨压力传感器、负荷(尺杆或踏板位置)传感器、增压压力传感器、燃油温度传感器、冷却液温度传感器、进气温度和压力传感器等。传感器主要是用于实时采集相关信息并传递给ECU。各种传感器把相关的需要测量的非电量转换为与之有确定对应关系的且便于传递、转换和测量的电量，以便ECU识别与处理，输入传感器的信号分为数字信号、模拟信号和脉冲信号等。大多数传感器都集成在共轨系统各组成部件上，后面将对其分别进行介绍。‘17 基于位移法的高压共轨高频间歇喷油量测量研究2．2．2高压共轨系统中的电子控制单元电控单元(ECU)是控制系统的核心，实际上就是一个微型计算机，它负责喷油参数管理、故障监测和网络通讯等。为了满足日益复杂的管理功能，目前均配备了32位的CPU和功能强大的外围子系统，采用高级语言编程，并由一个固定的系统程序管理。它主要是实时采集和检测转速、共轨油压等各种参数，接收各种信息，在控制软件的管理下，根据采集的系统参数进行工况判断，并根据数据处理所得的喷油正时控制信息，然后根据柴油机的当前工况及工作环境条件来决定控制目标，并传递相应的指令到相关的执行器中，用以控制和调节高压共轨系统的工作参数，如喷油量、喷油正时和喷油压力等，使柴油机处于最佳运行状态。2．2．3高压共轨系统中的高压油泵高压油泵是共轨系统的重要部件，其作用是根据柴油机工况要求将低压燃油加压成为高压燃油，并输送存储到共轨管内。用于高压共轨系统的高压油泵种类很多，有着不同的划分方式，如表2．1[41：表2．1高压共轨用高压油泵的分类分类方式具体分类凸轮轴结构内凸轮高压泵(HP2)、外凸轮高压泵(CPI／2／3／4等)柱塞数量单柱塞高压泵、双柱塞高压泵、三柱塞高压泵、四柱塞高压泵等柱塞排列方式单柱塞、直列泵、V型泵、对向柱塞泵、径向三柱塞高压泵等调压方式入口调节式、出口调节式、预行程调节式高压泵等最大工作压力(MPa)135、140、160、180、200、250、300等目前，采用的主要结构形式有直列柱塞泵和径向柱塞泵。2．2．3．1径向柱塞式高压油泵Bosch公司开发的Unijet系列的高压油泵是一个有三个泵油元件的径向柱塞泵，最高可产生高达180MPa的燃油压力。如图2．1所示，它主要由凸轮轴、偏心凸轮、电控切断阀、柱塞偶件、压力控制阀和出油阀组成。?ij￡，，％掏掰图2．1Bosch径向柱1一传动轴；2—偏心凸轮；3一柱塞偶件：4一柱塞上腔室；5—进油阀；6—供油切断装置电磁阀；7一出油阀；8一填料；棚往蓄压器(油轨)的管道；1卜压力调节阀；11一球阀；l卜回油管；13一迸油管 硕士学位论文油泵曲轴正时齿轮通过齿轮传动而旋转，三个柱塞偶件呈1200辐射状布置，曲轴每转一圈发生三个压油冲程，油泵供油三次，每个柱塞偶件均有一个板阀式进油阀和一个球阀式出油阀。在三个柱塞偶件的进油阀上可根据需要装上电磁线圈控制装置，为了降低部分负荷运转时的功率消耗，在喷油量较小时，可利用电磁线圈控制装置切断通入其中一个或两个柱塞高压泵燃油进口的油路，以减少供油量。在进油口设置一带弹簧的活塞，当供油压力为零时，活塞就切断通向柱塞偶件进油口的油道；当齿轮式低压输油泵供油建立起一定的压力(约0．2MPa)时，活塞才打开，可在实际运转中实现紧急断油的安全功能。压力调节阀装在高压泵壳体上，用来调节高压油路中的压力，消除油路内压力的高频振动。燃油计量阀安装高压油泵进油位置上，用来调节进入高压油泵柱塞的燃油量，ECU通过占空比信号对燃油计量阀的控制来实现共轨压力的调节【5'43】。2．2．3．2直列柱塞式高压油泵日本电装公司采用三作用型凸轮直列泵(见图2．2(a))来给燃油加高压，通过控制低压燃油有效进油量的方法来控制喷油量，使喷油频率与向共轨管的供油频率同步，这样高压油泵不会产生额外的功率消耗，共轨管中压力也能保持稳定。该高压油泵通过凸轮和柱塞机构使燃油增压，柱塞上装有压力控制阀(PCV)对其供油量进行调节。由近似三角形的凸轮驱动柱塞以完成轨压建立和供油量调节任务。高压油泵电磁阀开启时刻和通电持续时间的控制是由ECU根据传感器采集的信号判断柴油机工作状态并向电磁阀传送指令来实现的。高压油泵通过压力传感器、ECU和PCV组成的闭环形式来计量柱塞腔的低压燃油量，供油定时几乎与燃油喷射同步，喷油量和供油量平衡，从而保证了共轨管内的燃油压力可以很高的精度与较快的响应维持稳定，消除了常规直列泵上由于溢流而造成的高压燃油的浪费，减小了驱动功率的消耗。ECU通过安装在共轨管上的压力传感器来反馈油压的高低，然后根据发动机工况，结合预先设定的压力MAP中要求的共轨压力，反馈信号控制压力控制阀的动作使共轨管中的压力稳定在所需值。当实际轨压低于目标轨压，ECU提早关闭压力控制阀，减少柱塞预行程，从而往共轨内泵入更多燃油；反之，则推迟关闭压力控制阀，减少燃油供应。该高压油泵在工作时需要确定控制脉宽及控制脉冲与油泵凸轮间的相位关系，控制系统较为复杂[4,44l。该高压油泵的进油和泄油为同一个通道，而PCV就是用来控制这个通道的通断的。当电磁阀通电，控制阀关闭，回油通道被切断。其工作原理如图2．2(b)所示，(1)吸油行程：柱塞下行，电磁铁没有通电，控制阀处于开启状态，低压燃油经控制阀流入柱塞腔，使得柱塞上部充满燃油，燃油压力不足以让单向阀打开，其处于关闭状态；(2)预压行程：柱塞上行，但电磁铁仍未通电，控制阀仍然处于开启状态，吸入柱塞腔的低压燃油没有被升压，经控制阀流回低压腔，不能建立高压，单向阀仍处于关闭状态；(3)压油行程：当控制阀通电，回油通道被切断，柱塞上行，柱塞腔内燃油被压缩使得压力迅速升高。在压油行程中PCV在高压燃油作用下一直保持关闭，产生的高压作用在PCV上。此时单向出油阀打开，高压油经单向阀进入共轨管。电磁铁通电的时刻由发动机工况决定，控制阀开启后的柱塞行程与供油量相对应，若改变电磁铁的通电时间，则进入共轨的油量也随之改变，共轨压力得到有效地控制。因此共轨管的压力可以在共轨管最大压力和19 基于位移法的高压共轨高频间歇喷油最测帚研究油嘴开启压力之间自由调节；(4)下降行程：当凸轮转过最大升程后，柱塞开始进入下降行程，柱塞腔内压力降低，出油阀关闭，压油停止，控制阀又回到断电状态而重新开启，低压燃油重新被吸入柱塞腔内，开始进行下一个循环。}；|椭伯霉驾|I霸■_，}窟■——1l槲螂V“一1⋯～：}l爱】=^Ill}，／僦“匝匦阐?。、黛釉一I}II}lIl_j，l壤1·1一‘”Ⅸ伊犯■列式矗匝凋泵‘b)一列式矗压油泵工f#曩理圜图直列式高压油泵其及工作原理【5l卜一三作用凸轮；2一挺柱体；3一柱塞弹簧；4一柱塞：5一柱塞套；6一外开型电磁阀；7～接头；8一出油阀：卜溢流阀2．．高压共轨系统中的共轨管总成高压油泵源源不断地将高压燃油泵入共轨管内，共轨管再将高压燃油分配到各喷油器中，在此过程中，共轨容积中永远充满着高压燃油。在传统喷油系统中，油泵供油过程中产生的脉冲及喷油过程中燃油体积、压力的瞬间突变，都会引起燃油压力波动。有了共轨管的存在，压力波动因受到共轨容积阻尼和被压缩燃油的补偿而很快消失，实现共轨效应，也因此共轨管内部压力基本上是恒定的，也起到控制喷油器喷射压力的作用。2．2．4．1与博世公司．3高压油泵配套的4缸机共轨图2．3所示为该共轨总成结构图，其中限压阀为一机械阀，用来根据发动机的负荷状况调整和保持共轨中的压力，共轨压力过高时，调压阀打开，一部分燃油经集油管返回油箱，共轨压力过低时，调压阀关闭，高压端对低压端密封；流量限制器主要是用来阻止喷油器关闭不严的情况下发生的连续喷射，一旦流出油轨的燃油量超过一定值，流量限制器将立刻断开通往故障喷油器的油路，同时也起到减小压力波动的作用；共轨压力传感器由用来检测并向提供共轨内的压力值，燃油经共轨中的一个孔流向共轨压力传感器，传感器的膜片将孔末端封住，压力作用下的燃油经压力室孔流向膜片，在此膜片上装有半导体传感元件，用以将压力转换为电信号。通过一根连接导线，将产生的信号传到向提供加强测量信号的求值电路中。当膜片形状改变时，膜片上涂层电阻就会发生变化，这种由建立的系统压力引起的膜片形状变化的压力引起约的形变)促使电阻阻值改变，并在用5y供电的电阻电桥中产生电压变化【43】。。，～。2善名呈圹，锄、，(，蕊蕾皤t，，》、；参葺譬罐／+锄、．《～f——P一疆2疆t～蜚一。囊⋯鼍荸：—，等一卜—一产～pk一～，’lT～，_’VIV{颦l；’图2．3与公司．3高压油泵配套的4缸机共轨【431 硕+学位论文1一共轨；2一进油接口；3一轨压传感器；4一限压阀；5～回油；6一限流器；7一喷油器接头2．2．4．2ECD．U2系统的共轨管总成ECD．U2燃油喷射系统的共轨管总成是由共轨管体、轨压传感器、限流阀和压力限制阀等组成的(见图2．4)。适当的共轨管容积可削减高压油泵的供油压力波动以及喷油器因喷油过程引起的压力震荡，使共轨中的压力波动控制在5彪P口以内，也能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。该系统的高压泵的最大循环供油量为600mm3，共轨管容积为94000／71／／13。管体的中部装有进油接头，高压油泵产生的高压燃油从接头进入；压力传感器向ECU提供高压油轨的压力信号，压力的测量基于一块可膨胀的膜状钢片，钢片上有一个应变器，组成一个惠斯通电桥，压力信号经特制的集成电路芯片处理后，转换成按比例变化的测量信号；限流阀位于共轨管到喷油器连接的出口处，通过高压油管与喷油器相连，当限流阀的流量超过一定值，燃油流动会在限流阀活塞的前后产生压差，推动活塞从而使其落座，流入喷油器的油道就会关闭，它保证了在喷油器出现燃油漏泄故障或非正常喷油现象时切断向喷油器的供油，从而对柴油机起到一定的保护作用，并可减小共轨和高压油管中的压力波动；共轨管的一端装有压力限制阀，它相当于一个安全阀，用来限制共轨管中的压力过高，但不用来控制轨压。当共轨管中的压力出现压力异常而达到限定值时，压力限制阀便打开，使共轨管中的压力迅速下降，保证了系统安全。2．气l、屈葛，量丛．5匕：z：三==，点。“：二二：j“，⋯_二=j_一l-_．一勃-t～～．一⋯、一⋯L^⋯⋯，一～一■P一⋯L．霉．：雾一．-～～毒∥—一‘k，图2．4ECD．U2共轨管总成1一共轨管体；2一高压油进油接口：3一轨压传感器；4一压力限制阀；5一出油管；6一限流阀；7一喷油器接头2．2．5高压共轨电控喷油器电控喷油器是高压共轨系统中最关键也最复杂的部件，它根据电控单元ECU发出的控制信号，由执行器驱动组件实现针阀开闭，利用控制室内高压燃油的液力性能完成以较小的功率来实现高速响应控制能力，将共轨管中的加压燃油以最佳的喷油压力、喷油正时、喷油量及喷油率喷入柴油发动机燃烧室中。与共轨高压油泵一样，共轨喷油器也种类繁多，可按照如表2．2所示的不同方式分类【3～。表2．2共轨喷油器的分类分类方式具体分类执行器结构电磁阀式喷油器、压电式喷油器等针阀控制方式液压伺服式喷油器、半直动控制式喷油器、直接控制式喷油器等控制针阀的结构锥面阀式喷油器、球阀式喷油器、平面阀式喷油器、无控制针阀式喷油器喷油器同油结构低压式喷油器、高压式喷油器、无回油式喷油器等2l 基于伊移法的高乐共轨高频间歇喷油帚测母研究共轨喷油器通常安装在柴油机气缸盖上，将一定压力的燃油雾化，使其形成细小而均匀的油粒，使得燃油在燃烧室内能与空气完全混合。喷油嘴是喷油器的重要组成之一，其结构参数包括喷孔数、喷孔直径、喷油锥角等，位于燃烧室顶部，直接暴露在高压的可燃混合气体中，其工作环境差，热负荷及机械负荷常引起喷油器针阀偶件密封不良、燃气回窜等问题，严重时会停止工作，喷油器的工作性能好坏直接影响了柴油机性能。2．2．5．1电磁阀式共轨喷油器电磁阀式共轨喷油器具有雾化燃油和控制喷油量的功能，其喷油过程一般是采用预喷射加主喷射的过程。1．ECU．U2电控喷油器由图2．5知ECU．U2电磁阀式喷油器包括喷油器体、多孔喷油嘴、两个控制喷油率的量孔、衔铁机构、电磁阀、顶杆及针阀等。它按照实现功能可分为孔式喷油嘴、液压伺服系统、电磁阀三个模块。来自共轨管的高压燃油经高压油管进入喷油器后分成两路，一路经过进油节流量孔进入针阀控制室，通过一个由球阀式电磁阀控制的回油节流量孔进入回油管路；另一路经喷油阀内腔进入喷油嘴针阀下部[4,44J。图2．5ECD-U2喷油器结构图喷油器通过二通阀的开启和关闭控制喷油量和喷油定时，当二通阀开启，控制腔内的高压燃油经量孔2流入低压腔中，控制腔中的燃油压力降低，但喷油嘴压力腔中仍是高压燃油。压力室中的高压使针阀开启，向气缸内喷射燃油；当二通阀关闭，通过量孔l控制腔中的压力升高，针阀下降，喷油结束。量孔2的直径必须小于量孔1，否则不能正常工作。喷油始点由二通阀的通电时刻确定，喷油量由二通阀的通电持续时间确定，而这些参数都是由指令脉冲决定的，与发动机的转速及负荷无关。量孔控制喷油嘴针阀的开启速度，也就控制了喷油率形状[41。2．Bosch电控喷油器Bosch共轨喷油器也可分成三大部分，分别是孔式喷油嘴，液压伺服系统和电磁阀(见图2．6)。来自于高压油路的燃油经通道流向喷油嘴，同时经节流孔流向控制腔，控制腔与燃油回路相连，途径一个受电磁阀控制其开关的泄油孔。其工作过程可分成以下三 硕士学位论文步：(1)喷油器关闭(静止状态)：电磁阀关闭，回油节流孔关闭，控制室内建立起共轨压力，该压力也存在于内腔容积中。共轨压力施加在控制活塞端面上的液压力及喷油器调压弹簧作用力超过了作用在喷油嘴针阀承压面上的力，使得针阀被迫进入阀座，将高压通道与燃烧室隔离和密封，针阀处于关闭状态；(2)喷油器开启(喷油开始)：电磁阀通电，当电磁铁作用力大于弹簧作用力时，回油节流孔开启，随着回油节流孔的打开，燃油从控制室流入上面的空腔，并经回油通道回流到油箱。控制室内压力下降，当下降N4,于内腔容积中的压力时，就会引起作用在控制柱塞上的作用力减小，一旦液压力降至低于作用于喷油嘴针阀承压面上的力，针阀开启，开始喷油。针阀的开启速度取决于进、回油节流孔间的流量差。控制柱塞最后达到上限位置，并定位在进、回油节流孔之间，此时喷油嘴完全打开，燃油以近于共轨压力的压力喷入燃烧室。此外，燃油还在针阀和控制柱塞处产生泄漏，控制及泄漏燃油量，经连接回油管，同高压泵和压力控制阀的回油流回油箱；(3)喷油器关闭(喷油结束)：当电磁阀断电，电枢在弹簧力的作用下向下压，阀球关闭回油节流孔，进油节流孔进油使控制室中建立起与共轨相同的压力。升高的压力使作用在控制柱塞上端的压力增加。这个来自控制室的作用力和弹簧力超出了针阀下方的液压力，于是针阀关闭。针阀关闭速度决定于进油节流孔的数量。7‘‘舛．=，专‘’’’?；寸呼图2．6Bosch电磁阀式喷油器[41l一回油管：2一电线接头；3一电磁阀；4一高压油管：5—球阀；6一出油节流量孔；7～进油节流量孔；8—控制阀腔；9一控制柱塞；10一喷油阀内油道；11一针阀2．2．5．2压电式共轨喷油器1880年居里夫人发现“压电"现象，即离子构成的晶体(电气石、石英和酒石酸钾钠等)在压力作用下发生变形，晶体中的载荷会产生部分离子移动的现象，产生一个电势；反过来，这类晶体加上电压后会出现相应的晶格变形，从而产生线性移动。压电喷油器与电磁式喷油器最大区别在于它采用了压电(Piezo)喷油阀取代电磁阀，利用压电效应来控制【3，451。1．压电式喷油器的结构压电喷油器与电磁喷油器结构类似，主要由执行器、伺服阀、喷油嘴针阀构成(见图2。7)，为了使喷油器中压电执行器获得足够大的位移，便将几百片压电陶瓷薄片烧结23 基于位移法的高压共轨高频间歇喷油量测量研究成一个长方形的六面体，这种多层压电陶瓷元件能应用在．40,-,一+140。CA高振动场合中。喇绷攀螂图2．7压电晶体喷油器结构及其工件原理示意图1一压电堆：2一推杆；3一推杆弹簧；4一阀门活塞；5—控制阀；6一回位弹簧；7，14一节流孔；8一控制室；9一控制活塞；10-压力室；1l—针阀；12一喷孔；13—针阀弹簧：15一回油孔：16一密封圈；2．压电式喷油器的工作原理高压燃油从共轨管道进入喷油器后分两路：一路由管道进入喷油器油槽，作用在针阀锥面上；另一路通过节流孔进入活塞顶部的油腔。如图2．7(a)所示，当没有控制信号时，压电晶体堆未充电，单向阀关闭，作用在针阀上表面与下部锥面处的燃油压力相同，但由于上表面的有效截面积大，所以针阀落座，处于关闭状态；当ECU根据共轨压力不同向压电喷油器提供110～150V的控制电压信号，压电晶体堆通电，压电晶体与电压信号成比例地变形而向下伸长(见图2．7(b))，推动推杆和阀门活塞，将单向阀中的钢球推离锥面，控制阀打开，形成有一定过流截面的通道，使高压油腔中的燃油回油箱，导致控制室中燃油压力下降，针阀在压力室中燃油作用下，克服弹簧预紧力向上运动，从而打开喷油嘴，开始喷射过程；当压电晶体断电时，压电晶体堆缩短，单向阀落座，控制阀关闭，控制室中的燃油压力升高，针阀落座，喷油嘴关闭，喷油过程结束。3．压电式喷油器的特点压电喷油器的压电晶体元件利用石英晶体在电场作用下伸长的原理，通电0．1肌s以内就可发生晶体的晶格畸变，因此与高速开关阀控制的共轨喷射器相比，压电晶体驱动的高压共轨电控喷油器的优点有：在万分之一秒内作出动作响应，其动作响应速度比电磁阀提高一倍，喷油没有时间滞后，预喷与主喷间间隔小于lOOps，最小喷油量可小于1．5mm3／册，重复精度高，寿命长，不会因设计气隙而出现偏差，喷油速率调节可更灵活．，工作非常稳定、可靠。采用压电喷油阀后，由于压电元件的切换脉冲非常快，每个工作行程可产生多个触发周期，大大缩短了多个喷油阀间的切换时间，可产生很大的力以抵抗共轨压力。燃油卸压时可精确地控制行程，触发电压为110～148V，取决于轨压。4．压电式喷油器的发展2000年底德国西门子公司将压电执行器用于高压共轨系统的喷油器中，成为了最早使用压电执行器式共轨喷油器的制造商mJ。2003年5月，博世公司推出第三代柴油轿车用压电直接控制式喷油器共轨喷油系24 硕士学位论文曼舅舅——■——■曹量舅鲁量—■—■■量量曼曼量曼曼■——|蔓鲁皇曼■量■—量皇I[II皇■置|量皇舅詈量暑—●—|量鲁量曼曼曼鲁■—■■皇曼统，成为了柴油共轨喷射技术领域里一次技术飞跃，该压电喷油器结构简单，反应迅速，喷油迟滞可控制在O．1嬲左右，每循环可高精度地喷油7次以上，集成在压电式喷油器体内的压电执行器能使其迅速开闭，相比于传统喷油器减少了约75％的运动件及质量，开关速度也得到很大提高，喷油器的液力响应速度是其他电磁式或压电式喷油器的2倍。2009年德尔福开发出直接驱动压电式喷油器，该喷油器结构简单，其喷射压力能够达到200MPa，具有独特的液压行程放大器和超大的蓄压容积，使其在控制喷油针阀的开启、关闭速度以及开度自由度方面有了很大的提高，同时喷雾质量和精确度也得到了提高。它省去了控制针阀结构及液压伺服机构，从而没有了液压回油，减少了喷油器在电气、机械和液力上的迟滞和能量消耗。压电执行器直接淹没在高压燃油中，没有了动静态泄漏。相比其它公司压电式喷油器的共轨燃油喷射系统只有五次喷射，该喷油器可实现七次喷射，可满足欧V、欧Ⅵ中NOx和PM排放【471。2．2．5．3双电磁阀式共轨喷油器如图2．8所示为博世最新第四代共轨系统的HADI喷油器，它与博世之前的三代共轨喷油器差异很大，使用的是双电磁阀结构，在喷油器内增加了液压活塞加压结构，当共轨压力达到130MPa时，喷油器最高可产生250MPa的喷射压力。在进行130MPa以下压力的喷射动作时，控制电脑无需启动喷油器的液压放大装置，只需要通过触发喷油器下方的喷油电磁阀即可完成喷射动作，这与以前的喷油器的控制是基本一样的。在进行130MPa以上压力的喷射动作时，控制电脑会提前触发喷油器上方的三通阀，切断液压活塞的回位压力供给，启动喷油器的液压放大装置，由于活塞上、下方的面积比是2：1，因此活塞下方的燃油压力被放大一倍，这时通过触发喷油器下方的喷油电磁阀即可完成加压喷射动作。喷射动作结束后，两个电磁阀的供电被切断，共轨压力通过三通阀被输送到液压活塞的回位室，液压活塞会上移至指定位置，燃油通过液压活塞中心的单向阀向下方补充燃油【l引。2．3本章小结图2．8Bosch公司HADI喷油器【1习本章对德国博世和日本电装公司的电控高压共轨系统进行了详细介绍，分析了各自高压共轨系统中的传感器、电控单元、高压油泵、共轨总成和共轨喷油器的工作原理及特点，为后文基于位移法的高压共轨燃油喷射系统高频间歇喷油量测量系统设计提供了研究对象。25 基于位移法的高乐共轨高频间歇喷油帚测母研究第3章高压共轨高频间歇位移法喷油量测量系统设计本章分析了用于高压共轨燃油喷射系统高频间歇喷油量测量系统的主要功能需求，提出了基于位移法的测量方案，介绍了基本测量原理，并对高频间歇喷油量测量系统进行了设计，确定了测量系统的测量范围、测量精度、分辨率、调速方式、可测每循环喷射段数、可测喷油频率和工作环境温度等设计技术参数。3．1国家和行业对喷油量测量系统的技术要求按照国标GB／T8029、GB2522000、GB／T25365．1-2010和GB／T25367．2010规定，本测量系统应该满足以下基本要求：1．测量系统中的泵、表、油管接头、开关、阀等高压通道的所有连接处均应保持密封，各密封部位不得有明显的肉眼可见的渗漏油现象；2．试验用油应符合规定的校泵油或0号轻柴油；3．试验用喷油量测试仪的精度要求为：在10三／而<流量≤lOOL／h时，要求精度不低于0．1％；在流量≤10L／h时，要求精度不低于O．2％；4．共轨喷油器在标定工况测得的喷油量与柴油机要求的标定工况循环喷油量相比，其喷油量偏差最应小于士7％，喷油量偏差点按下式计算：五：丝二红×100(3．1)‘绋式中：g一共轨喷油器在标定工况测得的喷油量(聊垅3)；级一柴油机要求的标定工况循环喷油量(mm3)。3．2高频间歇喷油量测量系统主要功能需求分析随着电控高压共轨燃油喷射技术的不断发展，要求共轨系统柔性地塑造喷油曲线形状，对喷射定时和喷油量进行更加精确地控制，每喷射循环中设置多次小喷射(目前最多可达10次)，而最小的喷射量在1mm3左右。随之也对喷油量测量技术提出更高的要求，要求测量对象要广、测量精度要高、可靠性要好、实用性要强、适应特殊测量环境、控制系统更智能化和统一化等。本论文研究的喷油量测量系统，作为动态测量共轨系统喷油量的专用系统，考虑目前高压共轨喷射系统的特点和发展趋势，结合日常使用需求，应满足和实现以下功能要求[$,t8,481：1．能够实现对多个公司的电磁喷油器和压电喷油器喷油量的测量，根据所测喷油器型号，选择匹配特征点进行多点测量，测量点的调节可用人工或自动的方式得出。2．能测量柴油机的第一次喷射，以便在热启动和冷启动下研究喷射情况。3．能连续测量共轨系统的每循环喷油量，或当存在多段喷射时，能连续测量各段喷射间时间间隔很短的每一小段的喷油量，可测量并输出每段小喷射的电磁阀打开滞后时间，一般在几百微秒量级。 硕十学位论文4．能测量每次喷射的喷油起始角、喷油持续期等参数，需输入1／rev(即l脉冲／转)的转速信号，用于每喷射循环间各测量信号的同步；还需输入N／rev的转速信号，用于计算喷油起始角、喷油持续期。5．能适应瞬时转速和温度条件，可应用的压力及温度范围大。6．喷油量能以体积单位或质量单位显示，有瞬时油量、平均油量、累计油量等多种显示方式。对于累计油量，能给出测量结果的最大值、最小值、平均值和均方差，以此评价喷油器连续工作时的一致性和稳定性。7．可对各喷油器喷射时的油温、油压和转速等多项参数进行控制、测量和输出。8．可用模拟和数字方式实现测量结果的输出，具有灵活、可实时显示测试数据的测试系统，可进行数据记录、转换、储存和图表显示等。9．测量装置应具有背压调节功能，以模拟喷油器安装在发动机上的实际工况，提高测量数据的参考价值。10．能对测量装置活塞泄漏、卡死及排油故障等情况报警并执行相关保护措施。11．测量系统在连续工作时，液压传动装置的油温不得超过700C，试验用燃油温度应能保持在40d：50C的范围内(测量位置在距喷油泵进油121的l所处)，最好装有燃油加热器和恒温控制器，以消除因温度的变化对测量结果的影响【491。12．要求测量总误差最小，对于一系列的测量结果而言，总误差是由国际标准化组织的测量误差表达手册规定的150l。由于各因素间的影响，共轨喷油器在测试条件下的性能只有在考虑了燃油喷射系统、测量系统的情况下才能得出，在开发、制造和使用时得出相同的特性参数值是研发喷油器结构和制造的必要判据。13．应具有良好的动态性能，测量系统的动态性能是确定燃油喷射过程喷油量的先决条件，根据测量系统的特点，其动态特性指标包括各种电磁阀开启和关闭时的延迟时间、上升时间，及活塞组件的响应时间等。14．系统的测量精度可靠性要高，测量时间尽可能短以提高测量效率。同时还需要考虑燃油可能具有波动、存在气泡、燃油密度随压力和温度变化、燃油粘滞性、测量装置的密封性、介质是否含有腐蚀物以及是否具有毒性和易爆性等问题对测量要求的影响。另外，测试系统应有很大的可操作空间，能安装一个完整的燃油喷射系统和多个单次喷射仪的机械部件。测量装置应是高性价比的设备，能保证测量工作的正常顺利进行，同时功率和配置的选择应可适合各不同的用户。3．3基于位移法的测量方案及基本原理根据测量系统的功能要求及现有的技术条件，构建完整的硬件结构，确定测量参数、选择传感器、建立测控系统，以满足喷油量测量对测试系统的要求。柴油机燃油喷射系统的喷油量测量方法包括蜂孔转盘法、量简式测量法、Bosch长管法、图像法、容积法、Zeuch法、压力升程法和活塞位移法等。绪论中已经对主要且常用的燃油喷射量测量方法进行了介绍，分析了各自的优缺点，考虑到位移法的优势，以及其劣势的可弥补性，最终确定采用活塞位移法作为本测量系统的基本测量原理。本27 基于位移法的高乐共轨高频间歇喷油母洲量研究测量系统能对柴油机的喷油过程进行高动态测量，可精确测量喷油系统每喷射循环的燃油量，对于每循环中存在多段喷射的情况，可精确测量出最多10段喷射的每段喷油量。图3．1所示为测量基本原理图，位移测量缸中安装有一个可以移动的活塞，活塞的上端面与位移测量缸构成本测量装置的测量室，由于活塞可上下滑移，因此该测量室为一体积可变的容腔。测量室中预先注有厚度为厶的测试燃油(如％=o．5mm)，称之为液垫(hydrauliccushion)t511，可对其厚度进行自行设定和更改。通过排油电磁阀的关闭时刻可精确控制液垫的厚度。测量室的顶端中间位置开有一个孔，其上通过喷油器支架可以密封地安装共轨喷油器。测量室通过压力补偿与活塞保持平衡。当高压油泵处于喷射阶段，待测燃油通过喷油器直接喷入可变容腔中，处于测量室中的燃油会受到挤压，在喷射燃油的压力作用下，燃油增加所产生的体积变化会导致活塞克服位移测量缸下腔背压而向下运动，产生线性位移，活塞上固定安装一可以反映体积量的高精度位移传感器，随活塞一起运动，可精确检测活塞的运动量，相应的信号会传送给分析处理单元。由于燃油可压缩性小，该位移即反映了喷油体积，由于活塞横截面积A已知，通过测量出的活塞线性位移，，即可得到喷油量的体积V。位移传感器不断地测量活塞位置，并在喷射过程中将位移值转换为体积质量。利用燃油密度P，通过计算可将间接测得的体积转换为质量m(见式(3．2))，再考虑压力和温度等附加条件，通过一个精确的补偿法则，可得出所喷射的确切燃油质量。活塞的运动速率间接反映了喷油系统瞬时喷油率的大小，通过对喷油量微分可得出喷油速率。在喷油过程中，排油电磁阀一直保持关闭状态。m=P．V=彬(3．2)排油电磁闽(关闭)喷油前口图3．1基于位移法的测量原理图当一个喷油循环结束后，测控系统中的PLC发出控制信号，高速排油电磁阀开启，活塞在下腔背压作用下将测量室内已被测量的燃油排出，使活塞在测量完成后回到最初位置。通过一个流量计(未画出)来监测排油电磁阀排出的燃油量，以保证固定的液垫厚度，当液垫厚度达到设定值时，活塞便已回到初始位置，准备进行下一次喷油测量。 硕十学位论文曼曼曼量皇舅曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼鼍量曼罾曼曼曼皇曼曼量鼍曼量III皇曼曼曼曼曼曼鼍量曼鼍舅曼曼曼曼曼曼量量舅曼鲁舅鼍曼曼曼曼蔓量量曼曼皇曼皇舅皇曼曼如图3．2所示，已测量的燃油通过排油电磁阀和一个压力调节阀进入一个集油管中，利用精密电子称可测量若干次喷油后的总喷油量，该结果可与相同喷油次数下通过位移传感器得出的总喷油量进行比较，进行较正。其中，压力调节阀保证了测量室中保持一定的初始压力，也使其中的液垫保持在设定的厚度。测量装置的具体结构设计将在下一章中详细介绍。图3．2排出燃油的收集原理图3．4高频间歇喷油量位移法测量系统设计本文中的喷油量测量系统是为在研发、制造、安装和维修中检测电控高压共轨燃油喷射系统而设计的，主要包括台架、喷油量测量装置、驱动系统、燃油供给系统、被测组件、测控系统、温控系统、高压油泵机油润滑系统及电源等。喷油量测量装置由夹持一个或多个喷油器的夹具系统、能够提供对应喷油器瞬时喷油量的测量单元等部分组成，用来实时精确地为系统提供每一次喷射的喷油量数据，其中测量单元包括喷油器支架、位移传感器、温度传感器、压力传感器、装置冷却系统、位移测量缸、活塞、各种电磁阀及比例阀等，喷油量测量装置的数量应与被测系统的缸数相等；驱动系统包括变频器、电机、角度传感器和联轴器等，其主要作用是驱动高压油泵、各种控制阀；燃油供给系统包括燃油油箱、液位计、燃油粗滤器、泵油溢流阀、输油溢流阀、电磁调压阀、低压齿轮泵、燃油精滤器、各种油管、各种传感器及仪表等，主要用来为被测系统和测量装置提供燃油，同时回收从被测系统及测量装置中出来的燃油，保证油路的循环，安装的一系列传感器用来监视油路状态，过滤器将燃油中的水、橡胶屑和铁屑等杂质过滤掉，提供清洁的燃油；被测组件是系统的测试对象，包括高压油泵、共轨管、电控共轨喷油器等；测控系统包括上位机佃C)及软件(LabVIEW)、下位机(PLC)、相位同步模块、通讯串口、显示屏、键盘和二些其他的外设，其主要作用是通过采集、分析和处理安装在测量装置上和试验系统中的传感器测量数据，同时控制和驱动各种执行器，为测量装置提供1／rev和3600／rev模拟信号，作为相位基准，以保证喷油和测试同步，对驱动信号或触发信号进行记录，通过操作软件来完成配置、储存、显示及打印等功能，并为传感器提供供电电压，保证整个系统按需求运行，在测控系统的界面上可实时地修改循环喷射次数、喷射脉宽和主预间隔时间等喷射参数；由于燃油粘度对试验结果影响很大，而燃油温度是影响其粘度的主要参数之一，因此温控系统就 基于位移法的高压共轨高频间歇喷油量测茸研究显得十分重要了，它由冷却器、加热器、温度计、温度调节器等组成，用于控制和调节试验燃油的温度，以消除因温度的变化对测量精度产生的影响；高压油泵润滑系统包括机油油箱、机油泵、机油滤清器和机油溢流阀等，为油路提供润滑作用。如图3．3所示，低压油泵将燃油从油箱中吸出，经燃油粗滤器和精滤器过滤后送到高压油泵进油口。电机拖动传动轴作旋转运动，由凸轮驱动高压油泵内的活塞进行往复运动，低压燃油被加压并经高压油管输送至共轨管中，轨压传感器对共轨内压力进行实时监测，最后从共轨出来的燃油经喷油器在适当的时候喷入测量装置的测量室内。另外，机油经过机油粗滤器被机油泵从机油油箱中泵出，经机油精滤器后进入高压油泵，对其进行润滑。输油溢流阀、机油泵溢流阀和机油溢流阀起到溢流及安全保护作用，燃油压力表监控输油压力，液位计对燃油油箱进行液位监控，电磁调压阀可调节泵油压力。18分图3．3高频间歇喷油量位移法测量系统液压回路(部分)1一燃油油箱；2一冷却器；3—温度计；4一液位计；5—燃油粗滤器：6一温度调节器；7一加热器；8—低压输油泵；9—输油溢流阀；lO一压力表；1l一燃油精滤器；12一高压油泵；13一电机；14一电磁调压阀：15一高压共轨；16一轨压传感器；17一共轨喷油器；18一机油箱；19一机油粗滤器；20一机油泵；2卜一机油泵溢流阀：22一机油精滤器；23一机油溢流阀测量装置部分油路及结构图详见第四章。如图3．4所示，在测控系统中，PC的控制程序在设定相关参数后，通过串13向PLC发出喷油及喷油量测量的开始和停止指令。PC通过通讯接口与PLC连接，PLC与喷油器和测量装置上的各电磁阀相连，轨压传感器采集实时的燃油压力并反馈至PLC，PLC控制作为动力的变频器及变频调速电机，驱动高压油泵将低压油泵输出的燃油输送到共轨管中，调节共轨管上的调压阀使共轨压力稳定在目标压力上，并通过喷油器控制单元 硕士学位论文量吕皇曼皇曼!皇量量量曼量曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼量曼曼量量曼曼曼曼皇曼曼量曼皇曼曼量曼量量曼邑曼曼曼曼舅曼皇鼍鼍-ml—mnm曼曼曼鼍曼曼曼曼鼍皇舅曼皇曼皇曼舅舅曼曼量发出同步喷油驱动脉冲信号驱动喷油器进行喷油。喷油量测量装置中的位移传感器、温度传感器和压力传感器将反应燃油变化位移、温度和压力信号通过通讯接口传送给PLC，PLC对信号进行处理后，通过串口通讯传输给PC，在PC中利用数据处理程序对结果进行处理，即得到喷油量相关信息，最终将所得的正确结果传送给显示单元，完成整个测量过程。为了减少外界信号和寄生电容的干扰，信号传输线路采用屏蔽电缆，屏蔽线外套良好接地。图3．4高频间歇喷油量位移法测量系统连接及控制图3．5高频间歇喷油量位移法测量系统的主要设计技术指标针对上述功能要求及基本测量原理，在此提出测量系统的具体参数要求如表所示：表3．1喷油量测量系统的主要设计技术指标参数名称指标数据参数名称指标数据输入电源交流，三相四线制，380V±10％调速方式无级变频调速输入功率5．5、7．5、11、15、18．5、22kW可选可试验缸数12缸工作转速30---3000oCAImin(凸轮轴转数)可测每循环喷射10段范围(对应发动机转速0．-6000rpm)段数0～100／200／300／400／500／600／喷入装置的燃油测量范围1500C700／800／900／1000mm3／str最高温度测量范围>100聊所3时为
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