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VE型分配泵是单柱塞式高压燃油喷射泵
，它的结构特点是用一组供油元件通过分配机构定时定量地将燃油分别供给柴油机
各气缸
。 VE型分配泵集喷油泵
、调速器
、输油泵
和供油提前器等机构于一身，是封闭的一个整体。VE型分配式喷油泵
结构紧凑、体积小、重量轻
。具有高速性能好、使用可靠、功能齐全、安装布置方便等优点。VE型分配泵主要技术参数 缸数：2、3、4、6旋转方向：左旋
、右旋（从油泵驱动端或发兰端看）柱塞直径：8mm～14mm（根据发动机
需要）凸轮
升程：1.8mm～3.3mm（根据发动机需要）最大供油量：140mm3/循环最大泵端压力：95MPa最高转速
：3000r/min（根据发动机需要）调速器：机械离心式（全程式或两极式） 提前器：液压活塞式
冷起动：电磁式或手动式
停油：电磁式或手动式
输油泵型式：滑片式
润滑方式：燃油润滑
安装方式：法兰（三角形或菱形）
李国岫(北方交通大学,北京 100044)张幽彤 韩秀坤 王尚勇 李铁栓 李建纯 程昌圻(北京理工大学,北京 100081)摘 要 本文介绍了高速柴油机VE型分配式喷油泵电控系统的研制成果.其油量控制机构采用比例电磁铁作为执行元件,定时控制机构采用高速开关阀作为电液转换元件.电控单元的硬件系统和具有层次体系的模块化结构的控制软件也在文中作了说明.发动机台架试验结果表明 VE型分配泵电控系统能够实现预期的控制功能.
关键词 分配泵;电子控制;高速柴油机
1 引 言
柴油机采用电子控制是改善柴油机动力性、燃油经济性、操纵性和排放性能的有效途径.国内从80年代起就开始了柴油机喷油泵电控系统的研究,但到目前为止,基本上都是针对直列泵进行的.VE型分配泵比直列泵更适合于小缸径多缸高速柴油机,而国内采用高速柴油机的轻型车发展迅速,对VE型分配泵有着迫切的需求.为了满足高速柴油机的性能需要,提高配泵的性能已成为厂家追求的主要目标.采用电控技术是提高分配泵性能的有效措施.国外在VE型分配泵电控系统的研究方面作了大量工作,典型的电控系统是德国BOSCH公司的EDC[1]系统,油量控制机构中采用旋转电磁铁作为执行元件,并采用半差动环形传感器来检测滑套的位置,以实现喷油量的精确控制.
作者在现有技术基础上,研制了新型的油量控制机构和定时控制机构,开发了功能完善的电控单元的硬件系统和控制软件,在国内首次研制成功了VE型分配泵电控系统,并进行了发动机台架试验.
2 电控分配泵系统总体构成
电控分配泵系统总体结构如图1所示.系统包括喷油量控制系统和喷油定时控制系统,属于综合控制系统.其中喷油量控制系统中的新型油量控制机构采用比例电磁铁作为执行元件,响应速度快,稳态精度高;喷油定时控制系统中的定时控制机构采用高速开关阀.电控单元是控制系统的核心,完成信号采集处理、控制规律计算、驱动执行机构、故障诊断和系统监控等功能.传感器组负责采集发动机转速、滑套位置、定时器活塞位置、油门踏板位置等参数.
3 系统控制机构及传感器
3.1 油量控制机构的结构及工作原理蚊子网
油量控制机构主要由直流比例电磁铁、位置传感器、壳体、拨杆、摆架、复位弹簧、油调整螺钉、控制滑套等组成,采用弹簧复位结构.
油量控制机构的工作原理是当比例电磁铁的线圈中通以电流时,线圈中产生磁场,使其中的衔铁受到磁力的作用,克服负载弹簧的力向前运动,推动拨杆向前运动,其推力与输入的电流成正比,通过支点,拨杆带动油量控制滑套运动,改变了滑套相对于柱塞上进油口的位置,从而控制喷油量的大小.当线圈断电后,弹簧复位使滑套处于断油位置,避免电控系统出现故障后由于油量过大而造成损失.在油泵试验台上对所研制的油量控制机构进行了稳态和动态试验.试
验结果表明油量控制机构的稳态控制精度和动态控制精度完全可以满足车用柴油机电控系统的需要.
3.2 定时控制机构的结构及工作原理
喷油定时控制系统的控制机构的结构如图2所示.主要由定时活塞、复位弹簧、定时销、定时控制阀、控制油路、阀体、定时活塞位置传感器等组成.其中霍尔式传感器安装在控制阀阀体上,磁钢镶在定时活塞上,当定时活塞移动时,霍尔传感器的电压就会变化,从而反映出位置的变化.定时控制阀采用两位两通的高速数字开关阀,本系统选用的高速开关阀响速度快、体积小、寿命长、结构简单、具有较强的抗污染能力.电控单元输出一定频率的占空比变化的PWM信号凯膜过滤技术.信号为高电平的瞬时,高速开关阀处于开启位置,燃油从高压侧流向低压侧;信号为低电平的瞬时,高速开关阀处于关闭位置,路在高压侧和低压侧断开.阀以一定的频率不断开关,高压侧流向低压侧的油量则由脉冲信号的占空比(即每周期内阀的开启时间所占比例)所决定,信号脉宽上升时,高压侧流向
低压侧的油量增加,高压侧油压下降,定时活塞在复位弹簧的作用下向右移动,喷油定时延迟;
反之,信号脉宽下降,活塞高压侧油压上升,推动定时活塞一同左移,回位弹簧被压缩,喷油定时提前.当信号脉宽一定时,高低压侧油压稳定,油压力与复位弹簧恢复力在某一位置达到平衡,定时活塞停留在一个稳定的位置,喷油定时一定.定时控制机构的稳态特性测试结果如图3所示.由图可见,控制机构的稳态特性良好,线性度较好,基本无滞环,上下行两条线基本重合.定时控制机构的阶跃响应过程如图4所示,无超调、阶跃响应迅速、动态过渡时间短.定时控制机构的稳态性能和动态性能均可以满足分配泵电控系统定时控制的要求.
3.3 电控系统中的主要传感器
转速传感器采用霍尔式转速传感器,输出为频率信号.霍尔式转速传感器结构紧凑、可靠性高、抗污染能力强、接口电路简单、温度特性好,可以很好地满足系统要求.转速测量的相对误差为0.01%<0.5%,最大绝对误差为±0.4rmin.油门位置传感器采用电位式角位移传感器,输出为频率固定而占空比变化的脉冲信号,不同的油门位置对应固定频率下不同的占空比水性墨水.油门传感器输出的频率为500Hz,占空比系数调节范围为5%~95%.滑套位移传感器是喷油量控制系统的反馈环节.采用差动变压器式传感器作为滑套位移传感器.它具有工作可靠、寿命长、抗震、抗污染性能好、结构紧凑、便于安装等特点.
拉画笔
4 电控单元
4.1 电控单元硬件系统
电控单元硬件系统主要包括系统电路、电源电路、输入采集接口电路、驱动电路等,分装在两层电路版上.
系统电路以MC68HC811E2单片机为核心,主要有存储区扩展电路、时钟电路、复位电路、通信电路等.存储区扩展电路包括32K程序存储区(EPROM)和8K联络开关的数据存储区(RAM),时钟电路设计采用外部时钟,主频为8MHz.输入接口主要将从传感器中采集到的转速、油套位置、定时器活塞位置、油门踏板位置、冷却剂温度等各种发动机信号进行放大、整形、电压转换、滤波处理等,保证实时准确地为CPU提供发动机的各种参数,以便CPU进行监控.驱动电路主要是将CPU根据发动机状态和操纵人员的要求计算得到的控制信号(PWM)放大驱动,实现对油量控制机构和定时控制机构的控制.监测系统通过通信接口电路建立ECU与控制室微机之间的通信,实时显示和存储发动机试验中的各种状态信息.
4.2 控制软件设计
分配泵电控系统是一个典型的多任务快速实时系统,它将控制规律、控制算法以及整个硬件系统资源联结在一起实现控制功能.作者采用结构化分析方法进行了详细的需求分析,建立起整个软件系统的逻辑模型,之后以需求分析得到的数据流图为基础,采用面向数据流的结构化设计方法进行软件总体结构的设计,采用层次结构图来描述系统的结构.采集重构把所有的模块按层次关系组织在一起,形成一个具有层次结构的系统.软件总体结构如图6所示,该控制软件具有功能完善、管理范围明确、通信渠道简单、易于修改、便于扩展等优点.
5 电控分配泵系统的应用效果
为了验证分配泵电控系统的功能以及具体的应用效果,进行了北内493Q高速柴油机装用分泵电控系统和装机械式VE型分配泵的发动机特性对比试验,包括怠速特性、外特性、负荷特性以及调速特性对比试验等.图7给出了负荷特性对比试验结果,由试验结果可知装用分配泵电控系统后,燃油消耗率和烟度较原机都有所降低.
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