大功率车用柴油机喷油定时电液执行器响应速度研究

大功率车用柴油机喷油定时电液执行器响应速度研究陈娟、张幽彤、王军、李铁栓（北京理工大学机械与车辆学院，100081）摘要:本文针对大功率车用柴油机喷油定时电液执行器响应速度的问题进行研究，仿真分析了影响电液执行器响应速度的因素，并针对执行器系统进行了一系列改进措施。实验结果表明，电液执行器的响应速度得到了有效提高。关键词:柴油机，电子控制，实时控制，喷油定时1、概述电子控制已成为改善柴油机性能的重要措施。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。国内大功率柴油机喷油控制以齿杆控制的电子调速器为主，这种电控系统具有结构简单、性能稳定、匹配参数少、易于实现的特点，但存在喷油定时不能控制的弱点。而柴油机喷油定时对变工况工作的车用发动机排放和燃油经济性影响很大，是电控喷油技术中不可缺少的控制参数。本文针对大功率车用柴油机喷油定时电液执行器存在的响应速度问题进行的研究。2喷油定时系统结构设计图1喷油定时电控系统结构图柴油机电控系统主要由执行器、传感器、电控单元、辅助监控装置四个部分组成。如图1所示，喷油定时电控系统传感器主要包括采集发动机曲轴和凸轮轴位置传感器，计算出喷油提前角；电控单元核心为单片机，以及I/O接口电路；执行器为电液式，通过采用位置式实现，喷油定时调节。辅助系统为上位机监控界面和CAN通信接口。12345图2电液执行器结构原理图本系统具有对发动机改动小、易于实现和简单、实用的特点。2.1电控系统电液执行器柴油机电子控制中的关键部分是执行器。电液式执行器以其响应速度快、推力大和耗电少、环境适应性好而用于大功率柴油机,其主要缺点是需要油源系统，安装布置需要详细设计。图2为电液式供油提前器结构原理图，由两位三通电磁阀（6）来控制油缸内燃油流量，燃油作用在活塞（5）上，推动移动轴（2），该以动轴与大齿轮（3）支持啮合，利用移动轴上的斜齿与内斜齿套（1）啮合，使凸轮轴相对曲轴1完成系统设计加工后，试验中发现了喷油定时控制系统响应速度较慢的问题，针对这一问题进行了系统的响应特性影响分析。向角度增大的方向转动一个角度；相反，当电磁阀（6）处于泄油状态时，弹簧（7）推动移动轴向右移，活塞回位，凸轮轴相对曲轴向角度减少的方向转动一个角度，通过改变凸轮轴和曲轴的相位关系来改变喷油时间。在电控喷油定时控制系统中，通过电磁阀的PWM控制实现位置的调节。该电液执行器的核心元件电磁阀为常闭型高速开关阀，型号为HSV3023C，其昀大流量为5L/min，通径为4毫米。3.1液压模型根据液压回路的特点，采用FLOWMASTER软件对电液式供油提前角液压控制回路进行计算，对油箱、定量泵、滤清器进行简化，采用恒定的压力源代替，得到液压模型图如图3所示。3.2电磁阀流量特性在用PWM控制高速电磁阀时，电磁阀的流量特性对活塞的位移大小有至关重要。在不同的占空比T、用连续的脉冲信号作用下，电磁阀会输出连续脉冲流，其进出口的平均压力差P与平2.2传感器选用两个霍尔效应式传感器（曲轴转速传感器和凸轮轴转速传感器）测量转速和凸轮轴位置信号，通过检测相位差，实时获得供油提前角。油门位置采用电位器式传感器采集油门信号。均流量Q之间的流量特性见图4所示。当进出口的压差固定为不同值时，改变脉冲宽度调制信号的占空比T，其流量Q和PWM信号占空比T成线性变化。2.3电控单元由于柴油机电控单元的工作环境比较恶劣，不仅要承受发动机工作时的剧烈振动，还有高温和电磁干扰的影响。此外，柴油机喷油系统要求实时、准确和高可靠性。本系统选用摩托罗拉公司16位的微控制器MC9S12DP256。该微控制器基于HCS12CPU和0.25μm高速、高性能5.0VFLASH技术，工作频率为25MHz，具有强大的运算功能和丰富的I/O接口，适合中档的电子控制系统。ρPTCAQV∆=212.4PC机监控界面的数据采集本系统采用VC++.net开发了PC机监控软件，后台数据库为MicrosoftSQLSever2000。软件从功能上分在线监控和离线监控，从模块上分为CAN总线通讯、数据显示、实时绘图、数据存储。图4高速电磁阀的流量特性不同电磁阀的流量应在固定80%的占空比，压力10bar确定，活塞在0.5S之内移动行程,见图5所示，流量5L/min和25L/min条件下，活塞移动位移分别为3mm和5mm。为实现离线分析以及再现实验过程，需要实时保存实验数据。保证实时性即是能快速的实现数据存储，且不能因为数据的存储而过多的影响了程序的运行速度和通讯速度。使用多线程编程，以及选用支持多线程的数据库很好的解决了这个问题。3系统响应特性分析图5活塞位移和时间的关系21-压力源2-管路3-进口损失4-节流控制阀5-控制信号6-出口损失7-油缸图3电液式供油提前角液压控制模型图3.3油源压力影响分析油源压力对活塞移动的快慢起决定作用，但是油源压力的高低又受到柴油机系统的限制。在固定80%的占空比，电磁阀流量5L/min条件下，对供油压力取10bar、12bar时，对活塞移动时间的影响见图6所示。在给定的10bar油压力，0.5S时间要求的条件下，选用HSV3021NC高速电磁阀，活塞在0.5S内只能移动3mm；12bar油压下，活塞移动6mm,要使活塞在0.5S内要移动12mm，高速电磁阀流量应再相应提高。图6不同油压活塞位移和时间的关系3.4响应速度系统试验分析图7为原系统采集喷油定时-时间曲线，图中喷油定时增大那部分曲线为推活塞的过程，而喷油定时减少那部分曲线是活塞回位。从活塞回位曲线可以看出，活塞回位较慢（超过40秒），导致执行器速度响应慢。01224364860728496101214161820图7原系统采集喷油定时-时间曲线活塞回位慢的原因主要有三个：1）弹簧的推力不够，不能迅速地把活塞推回到起始位置。2）电磁阀的通径太小，影响液压油路的流量和推活塞的压力，以及活塞回位时泄油的速度，导致活塞回位慢。3）活塞和活塞缸的配合关系，配合关系不合理会导致漏油和活塞卡死的现象。4试验结果根据响应速度系统及实验分析，从三方面着手改善提前器的响应速度：1）提高回位弹簧的刚度。在原有弹簧的基础上，结合弹簧的尺寸限制，重新加工制作了9种不同刚度的弹簧。试验结果表明，弹簧刚度对系统回位的响应速度改善作用不明显。2）提高供油油路的流量。根据流量公式ρPTCAQV∆=21。通过增大横截面积，采用流量较大的Sauer-DanfesEVH06/D5电磁球阀，如表1所示，试验验证了执行器推进的响应速度得到了明显的改善，由4秒提高到2秒。VA表1电磁阀的主要性能参数表型号两位三通常闭型通径6mm昀大流量25L/min允许的昀大压力25MPa昀大紧固力矩50Nm3）提高活塞和活塞缸的配合关系。活塞和活塞缸不仅要考虑轴向运动而且要考虑密封性，原系统是靠Y-X圈密封，虽然满足了密封的要求，但运动性却不够理想‚也是导致执行器响应速度太慢的原因之一。在此基础上通过把活塞和活塞缸配合加工工艺改成研磨，使其运动性得到很大程度改善的同时又保证了密封性。4）改为双作用缸的设计。此设计主要是从弹簧的推力着手，弹簧由主要回位推力变成辅助推力，可控油压变成主要的推力。这样可以通过调节油压来改善执行器响应速度。图9所示为双作用缸系统采集的喷油定时—时间曲线图，从图中可以看出电液执行器喷油定时响应时间在中期改进基础上又有了进一步的提高。301224364860728496101214161820图9双作用缸系统采集喷油定时—时间曲线通过一系列改进措施和一系列实验的验证，执行器的速度响应时间得到了一定的改善。推活塞的速度提高了60%，活塞回位的速度提高了93%，达到预期的设计目标（全程推进+位置小于3秒）。5结论本文在介绍柴油机喷油定时电液控制系统的基础上针对提高系统响应速度进行了仿真分析和实验研究。分析了不同因素对提前角响应的影响。通过理论分析和改进措施，实验结果表明，系统的响应时间得到了较大幅度的改善，证明了分析试验的方法是有效的。提前角电液执行器响应速度的研究，为后续匹配优化控制奠定基础。6主要参考文献：1.唐振明.电子液压式供油提前器与6V150柴油机匹配[D]：[博士论文].北京：北京理工大学，1993。2.钱岳平.柴油机电子液压式供油提前器研究[D]：[博士论文].北京：北京工业学院，1988。3.李涛.车用柴油机提前角动态采集系统开发[M]：[硕士论文].北京：北京理工大学,2004。4.杨国田，白焰．摩托罗拉68HC12系列微控制器原理、应用与开发技术．中国电力出版社，2003。5.Motorola,IncMC9S12DP256BDeviceUserGuideV02.14。6.张幽彤,刘兴华,王珂,程昌圻。大功率车用柴油机电子控制技术的研究[M].内燃机学报，2000。StudyofInjectionTimingElectro-HydraulicActuator’sResponseSpeedForHeavyDutyDieselEngineChenJuan,Zhangyoutong,WangJun,LiTieShuanBeijingInstituteofTechnology,DepartmentofMechanicalandVehicularEngineeringBeijing100081Abstract:Inthispaper,theresponsespeedofinjectiontimingofanhydro-electronicactuatorforaheavydutydieselenginewasstudied.Thefactorswhichinfluencetheresponsetimeofhydro-electronicwereconductedbysimulationwithFLOWMASTER.Accordingthesimulationandexperimentalresearch,asetofmethodsforrespondspeedimprovementwerepresentedandverifiedbytest.Keywords:Dieselengine,Electroniccontrol,Realtimecontrol,timingofinjection4