高压共轨喷油器设计参数对性能影响的研究_林铁坚

3. 1 电磁铁响应特性分析 3. 1. 1 研究电磁铁响应特性的基本方程
电磁铁线圈电路方程如下:
u= i r+
dJ dt
( 1)
式中: u 为电磁铁驱动电压 ; i 为线圈电流 ; r 为线圈内
阻 ; J为磁链。
考虑到线圈电感 ,上式可变为:
u =
i r+
L
ddit+
已相继开发成功高压共轨系统 ,并应用于批量生产的 柴油机上 [ 1～ 3] ,而国内单位开发高压共轨系统时间还 不长。 作者曾对高压共轨喷油器液压系统设计参数对喷 油特性的影响进行了研究 [4 ]。 本文从电磁铁响应特性 和高压共轨喷油器液力过程入手 ,综合分析了作者开 发的高压共轨电控喷油器 ( FIRCRI)设计参数对性能 的影响。
2( pr - pc ) d
( 7)
Qout= C2· Aout
2( pc - p0 ) d
( 8)
式中: pc 为控制室压力 ; pr 为共轨压力 ; p0 为环境 背
压 ; Vc 为控制室容积 ; E 为体积弹性模量 ; Qin为控制室
进油孔流量 ; Qout为控制室出油孔流量 ; Q1 为液压活塞
4. 共轨油压反馈 5. 喷油器电磁阀驱动信号 6. 电磁阀电流反馈
7. 喷油规律及单次喷油量
共轨压力传感器 升程传感器 喷油规律仪 比例电磁铁
表 1 试验装置说明 Tab. 1 Experiment device
CY-Y L1应变式压力传感器 ( 0 M Pa～ 150 M Pa) AV L 424电感式位移传感器及信号放大器 EFS EM I-1喷油规律及单次油量测量仪
比例电磁铁控制脉冲 ( PW M)的占宽比 ,从而控制高压 油泵的供油量 ,进行油压的粗调。精调是微机根据共轨 油压的反馈 ,改变调压阀控制脉冲 ( PWM )的占宽比 ,
从而控制调压阀阀芯上的电磁力而实现的。 喷油量由共轨油压和喷油器电磁铁控制脉冲的宽 度共同确定。
3 喷油器设计参数对动态特性 影响的研究
电磁铁衔铁运动方程为:
m· a= Fm+ Fh - Fs - Ff
( 5)
式中: Fs 为衔铁弹簧力 ; Ff 为衔铁及控制阀运动阻力 ;
Fh 为控制阀所受液压力 ,开启时液压力有助于开启 ,
关闭时液压力阻碍关闭 ; m 为衔铁及与其相连的控制
2001年 7月 林铁 坚291·
阀质量 ; a 为衔铁的运动加速度 ,开启时 a> 0,关闭时 a < 0。 根据以上基本方程 ,可从试验角度分析降低电磁 铁响应时间的主要措施。 3. 1. 2 电磁铁响应特性试验研究 3. 1. 2. 1 电磁铁的结构及尺寸参数对响应时间的影 响 图 3为两种采用 E型结构的电磁阀示意图。 E型 电磁铁结构紧凑 ,运动件的质量相对较小 ,吸力相对较 大 ,通过参数优化 ,能够较好地满足高压共轨喷油器的 需要 ,是国外高压共轨喷油器电磁铁普遍采用的结 构 [5～ 7 ]。这两种电磁铁结构不同点在于图 3b所示的电 磁铁底部有缩口 ,设计缩口的目的是为了降低衔铁质 量。
表征高压共轨喷油器动态特性的主要参数是响应
时间 ,其中包括电磁铁响应时间和喷油器液力响应时 间。 电磁铁的响应时间又分为电响应时间和机械响应
时间。 在下面的讨论中各种响应时间分别表示为: To1—— 电磁铁电开启响应时间 ,即从电磁铁通电 到衔铁开始运动所用的时间 ; To2—— 电磁铁机械开启响应时间 ,即从衔铁开始 运动到电磁铁完全打开所用的时间 ;
1 FIRCRI高压共轨喷油器工作原理
图 1是 FIRCRI高压共轨喷油器的部分剖面图。 其工作原理是电磁铁未通电时 ,与电磁铁衔铁相连的 平衡控制阀处于关闭状态 ,高压共轨压力通过进油节 流孔作用在液压活塞顶面 ,由于液压活塞顶面面积大 于喷油嘴承压面积 ,加上喷嘴弹簧的作用力 ,使得喷嘴 针阀不能抬起。当电磁铁通电后 ,在电磁力的作用下衔 铁带动平衡阀迅速开启 ,将控制室与回油口连通 ,而高
试验研究 ,设计了一种新型的液力平衡式电磁阀并对其结构参 数进行了参数优化研究。给 出了控制室结 构参数对 喷油器液力响应特性和喷油规律形状剪裁的研究结果 ,实现了喷油规律形状的 灵活控制 ,因此 称该喷油 器为灵活控制喷油规律的共轨喷油器 ,简称 F IRCRI。 关键词: 高压共轨 ; 响应特性 ; 喷油规律 ; 平衡阀 中图分类 号: T K423. 84 文献标识码: A
图 7 电磁阀优化试验结果 (未加共轨油压 ) Fig. 7 Response time of electromagnet
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内 燃 机 学 报 第 19卷第 4期
控制参数进行匹配优化后所得的结果。 在带有衔铁升 程传感器这一惯性质量的条件下 ,总开启响应时间 To1+ To2为 0. 35 m s,总关闭响应时间 Tc1+ T c2为 0. 30 m s。 3. 2 喷油器液力过程分析 以上所讨论的电磁铁的高速响应特性是在未加共
图 5 衔铁弹簧力对电磁铁响应时间的影响 Fig. 5 Ef fects of armature spr ing
3. 1. 2. 3 电磁铁线圈驱动电压的影响 图 6为驱动 电压对电磁铁响应时间的影响。从图中可以看出 ,采用 110 V 高压驱动时 ,关闭响应时间与采用 24 V驱动时 差别不大 ,开启响应时间较短。 3. 1. 3 电磁铁试验优化结果 图 7所示为经过对电磁铁结构参 数、线圈 参数及
图 6 线圈驱动电压对电磁铁 响应时间的影响 Fig. 6 Influence of driving voltage on response t ime
图 4 电磁铁 d2 , d3 对性能的影响 Fig. 4 Eff ects of parameter d2 and d3
A: 较大 d2、较小 d3; B: 较大 d 2、较大 d 3 C: 较小 d2、较小 d 3; D: 较小 d2、较大 d 3
( a) 无缩口 ( b) 有缩口 图 3 高速响应电磁铁结构示意图 Fig. 3 Schematics of electromagnets
经试验对比 ,无缩口电磁铁的响应时间和吸力均 优于有缩口电磁铁。 这主要是由于在缩口处发生了磁 路的短路。 图 4为在图 3a 结构基础上对采用不同 d2、 d3 两 个参数所得的试验结果。综合比较来看 ,采用第 1组即 较大 d2、较小 d3 的电磁铁性能较好。 主要是由于在保 证磁流通面积情况下 , d2 较大的电磁铁铁芯与侧壁之 间漏磁较少 ,通过衔铁的有效磁通较大 ,根据式 ( 4)可 知其电磁力较大 ; d3 较小的衔铁运动惯性质量较小 , 根据式 ( 5)可知其运动加速度较大 ,机械响应时间 To2 缩短。
林铁坚1 , 汪 洋1 , 苏万华1 , 谢 辉1 , 李绍安2 , 程 刚2 , 王小波 2
( 1. 天津大学 内燃机燃烧学国家 重点实验室 ,天津 300072; 2. 无锡威孚集团有限公司 ,江苏 无锡 214031)
摘要: 对一种新型高压共轨式柴油机电控喷油器的结构参数对 喷油器响应特性、喷油规律的影响进 行了
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内 燃 机 学 报 第 19卷第 4期
压油管与控制室之间通过节流孔相连 ,使控制室内的 压力下降 ,针阀打开喷油。 电磁铁断电后 ,在弹簧力的 作用下 ,平衡阀关闭 ,作用于液压活塞顶面的 压力增 大 ,喷嘴针阀落座 ,停止喷油。显然 ,高压共轨喷油器的 性能不但受电磁铁和控制阀的影响 ,也受与控制室相 关的诸参数的影响。
i
dL dt
( 2)
式中: L 为电感。
磁路方程如下:
I N = HGW+
H Gm
( 3)
式中: I 为电流 ; N 为线圈匝数 ; H为磁通 ; GW为气息磁
导 ; Gm 为铁磁导。
电磁力方程为:
Fm=
H2 2_ 0 S
( 4)
式中: Fm 为电磁力 ;_ 0为空气磁导率 ; S为导磁面积。
3. 1. 2. 2 衔铁弹簧力的影响 图 5为开启响应时间 和关闭响应时间随弹簧力的变化。 衔铁弹簧力主要影 响机械响应时间。根据电磁铁衔铁运动方程 ,电磁力一 定时 ,减小弹簧力则开启响应时间减少 ,关闭响应时间 加长 ,反之亦然。显然 ,在保证可靠密封的前提下 ,弹簧 力应选择在图中的曲线交点。
轨油压的情况下测得的 ,这只是高压共轨喷油器实现 良好动态性能的基础 ,而喷油器最终性能的好坏还取 决于共轨油压作用下的液力过程。 3. 2. 1 高压共轨喷油器控制方程 控制室液压方程为
dpc dt
=
E Vc
(
Qin
-
Qout -
Ql -
Ap
dh p dt
)
( 6)
Qin = C1· Ain
To3—— 喷油器液力开启响应时间 ,即从衔铁开始 运动到喷嘴针阀开始运动所用的时间 ;
Tc1—— 电磁铁电关闭响应时间 ,即从电磁铁断电 到衔铁开始回落所用的时间 ;
Tc2—— 电磁铁机械关闭响应时间 ,即从衔铁开始
回落到电磁铁完全关闭所用的时间 ;
Tc3—— 喷油器液力关闭响应时间 ,即从衔铁开始 回落到喷嘴针阀开始回落所用的时间。
图 1 FIRCRI喷油器 Fig. 1 FIRCRI inj ector
收稿日期: 2000-10-10; 修订日期: 2001-01-10。 基金项目: 国家自然科学基金重点资助项目 ( 59936130)。 作者简介: 林铁坚 ( 1975- ) ,男 ,博士生 ,主要研究方向为车用柴油机电子控制。
引言
喷 油 系统 是 柴油 机 实 现低 排 放、 低 噪 声目 标 的 关 键。 面对严格的法规 ,柴油机喷油系统应满足以下要 求: 1) 高压喷射及喷射压力灵活可控 ; 2) 喷射定时可 柔性调节 ; 3) 可控喷油率 (如预喷射和可变喷油规律 形状 )。 与其它喷射系统相比 ,高压共轨喷油系统自身所 具有的优势 ,使其能够完全满足以上要求。这些优势包 括: 1) 在高压共轨系统中 ,压力形成与油量计量在时 间、位置和功能方面是分开的 ,高压共轨系统在宽广的 转速范围内均能实现高压喷射 ; 2) 喷射定时由执行器 (电磁铁 )的开启决定 ,可完全柔性地控制 ; 3) 通过执 行器的多次动作 ,可实现预喷射或多次喷射 ; 4) 通过 对高压共轨喷油器内部结构参数的调整 ,可形成所需 的喷油规律形状。 目前 ,德国 Bo sch、日本 Denso、英国 Lucas等公司