电控汽油喷射系统（精选九篇）
电控汽油喷射系统 篇1
1.1 汽油喷射系统的发展
汽油喷射系统在20世纪50年代初应用在德国奔驰300SL汽车上的, 它采用的是机械式喷油系统, 直接向气缸内喷油, 到了20世纪60年代发展成为机电组合式汽油喷射系统, 直到目前发展为电控汽油喷射系统 (EFI) 。
1.2 电控汽油喷射系统的特点
1.2.1 优点:
进气阻力小, 雾化程度高;汽油滞后性小, 加速性能提高;空燃比控制精度高;汽车加速或减速反应灵敏;能根据不同工况对混合气浓度进行修正, 为发动机提供浓度最佳的混合气。
1.2.2 缺点:结构复杂, 故障诊断困难
为达到快速、准确地查找故障原因, 需要利用科学的故障诊断方法, 以减少人力和物力的消耗。
2 电控汽油喷射系统发动机的故障诊断探讨
2.1 人工经验诊断法
人工经验诊断法可以概括为问、看、听、嗅、摸、试等, 诊断故障时, 要根据故障的症状、特征及伴随的现象, 进行由表及里、逐步深入的推理分析, 进而判断得出结论。通常情况下, 某一故障在特定条件下表现最为明显, 当条件改变时, 故障现象也随之改变, 因此, 要仔细观察故障现象的变化, 才能找出故障发生的原因。例如发动机启动时, 起动机转速正常, 发生故障时发动机不能启动, 且无着火征兆, 应注意观察点火系统或供油系统, 因为点火系统不点火或者火花太弱, 进入气缸内的混合气就不能燃烧;如供油系统不供油或油压太低, 造成喷油器不喷油或喷油质量太差, 这些都能造成发动机不能启动。由此可以看出, 人工经验诊断法要求汽车维修人员要有丰富的实际工作经验, 才能准确的判断出故障的原因和发生的位置。
2.2 故障码的调取与清除
2.2.1 故障自诊断原理
故障自诊断系统是在ECU中设置了判别各输入信号的监控程序和有关诊断标准参数, 它能在发动机运行过程中不断监测各传感器的输人信号及各执行器的反馈信号。当某一信号出现异常时, 故障自诊断系统便判断为这一信号对应的电路或元件出现故障, 并把这一故障以代码的形式进行存储, 以便发动机修理时调取出来, 同时点亮仪表盘上的“CHECK EN-GINE”故障指示灯, 提醒驾驶人注意。
2.2.2 故障码调取
a.解码仪 (电脑故障诊断仪) 调取故障码
用于汽车的解码仪都有广泛的通用性, 只要换上不同的智能卡即可适用不同的车系或同一车系不同年代生产的汽车。将解码仪与汽车上的诊断接口对接, 打开解码仪上的电源开关, 通过按键按照提示操纵解码仪, 即可找到与被检测汽车相应的车型、生产年代、诊断类型, 可以通过解码仪获得故障代码及故障位置、原因, 然后就可以进入检修阶段。
b.故障诊断座调取故障码
利用车上的故障诊断座调取故障码时, 必须按制造商规定的操纵方式进行, 使ECU安全的进入自诊断测试状态, 读取故障码之前, 先关闭点火开关, 将变速器值置于空挡, 关闭所有附属用电设备, 检查电压是否合适, 然后找到诊断接口, 用一根导线将诊断接口有关的两个端子短接, 或将诊断接口的某个端子搭铁, 然后打开点火开关 (通电3s后拆除) , 不要启动发动机, 此时仪表盘上的“故障灯”即会闪烁, 根据闪烁的次数来读取故障码, 再查看故障码表就可以知道故障部位和原因。但要注意的是, 故障的出现不一定是单一因素所造成的, 例如:氧传感器本身是正常的, 但与之相关线路短路、断路或接触不良等, 诊断系统将显示氧传感器信号有故障。
因此故障的出现不一定只与传感器和执行器有关, 也可能与出现故障的整个电路有关。因此在故障诊断中, 除检查传感器和执行器外, 还需检查与之相关的其它元件。
2.2.3 故障码清楚
汽车故障排除后, 要将RAM中故障码清除。清除方法是将RAM存储器断电就可以, 不同车型规定的RAM断点方法各有不同, 有的车故障代码的清除方法是拔下EFI的熔丝, 有的车是断开蓄电池的负极电缆。一般情况下, 无论何种发动机电子控制系统, 只要断开蓄电池30s以上, 都能将RAM中的故障码清除掉。应注意的是, 断开蓄电池清除了故障码, 但也同时清除了RAM所储存的自适应修正参数等信息, 因此, 清除故障码, 最好是按相关车型所规定的方法进行, 不应随意断开蓄电池的连接。
实例:一辆捷达王轿车已经行驶了60000Km, 一次外出返回后感到发动机响, 类似爆震的声音, 并看到电控系统故障指示灯闪亮。送到修理厂后, 首先用V.A.G 1 5 5 1读取故障码, 代码00524, 表明爆震传感器的故障, 拔下爆震传感器G61插头仔细检查, 发现在插头处有一处断线, 安装上新的爆震传感器, 电控系统恢复工作, 清除故障代码, 发动车辆后爆震声消失。
2.3 数据流分析法
现代汽车的电子控制系统出现故障时, 诊断比较困难, 故障代码仅是控制器认可或否定的界定结论, 不一定是汽车真正的故障部位, 只依靠故障代码寻找故障, 尤其是有故障但没有故障码时, 可能会做出错误的判断, 最为可行的方法就是利用故障诊断扫描仪进行数据流检测。数据流中的参数是按汽车和发动机的各个系统进行分类的, 故障诊断仪根据电控系统静态或动态数据状况, 对控制系统的各类相关数据参数进行综合分析, 通过与正常信号和数据的对比从而找出故障所在。这些数据主要包括喷油脉宽、点火提前角、发动机转速、节气门开度、氧传感器状态等一系列信号。例如:桑塔纳2000GLi型轿, 行驶中尾气冒黑烟, 且呛人, 油耗升高, 连接V.A.G 1 5 5 2进行检测, 无故障码输出, 进入数据流检测, 发现进气质量、喷油脉宽、氧传感器信号的检测值比正常值高出很多, 其它信号均正常, 经过分析判定有可能是空气流量计损坏, 造成进气量增大, ECU接收到错误信号后, 使喷油脉宽增大, 增加了喷油量, 造成混合气过浓, 油耗增加, 也使氧传感器反馈信号值过高。根据分析更换新空气流量计后试车, 故障现象消失。
2.4 波形分析法
现代汽车上使用了大量的传感器, 传感器在工作中以电流或电压的方式向ECU传送所感觉到的变化, 当传感器或控制器及其相关电路出故障时, 会造成有关信号丢失、波形异常等现象, 波形分析法即利用汽车专用示波器对这些信号波形进行检测和显示, 通过与正常波形有关特征差别的分析对比, 判断出故障的部位。
传感器的波形是否正常, 主要以幅值、频率、形状、脉宽和阵列测量参数来加以判断。
2.5 故障树法
故障树 (FTA) 即故障因果关系图, 故障树法是把故障作为一种事件, 按其故障原因进行逻辑推理, 层层分析演绎, 绘出树枝图。树枝图中, 每下一级事件都是上一级事件的原因, 而上一级事件是下一级事件引起的结果。
结束语
电控汽油喷射系统 篇2
发动机电控燃油喷射系统常用部件的作用和检测
发动机电控燃油喷射系统取消传统的.机械系统(如化油器),采用电子控制装置来控制发动机的供油过程.任何一种电子控制燃油喷射系统,都是由喷油油路及各执行部件、传感器和电子控制单元三大部分组成.
作 者：张焦军 ZHANG Jiao-jun 作者单位：河南省焦作市东环路东方花苑一号楼,454002刊 名：汽车电器英文刊名：AUTO ELECTRIC PARTS年，卷(期)：“”(7)分类号：U464.136.1关键词：
电控汽油发动机燃油系统故障诊断 篇3
关键词 燃油压力；调节器；自诊断系统
中图分类号 U464 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2012)011-0162-01
1 电控汽油发动机燃油系统的基本构成
1.1 汽油泵
位于燃油箱内的2级汽油泵。一级叶片泵通过滤网从燃油箱底部抽出燃油放入储油器内。叶片泵作为燃油传输泵。二级齿轮泵从储油器底部抽出燃油并输出到燃油管路。
1.2 燃油压力调压器
真空膜片式燃油调压器安装于燃油导管燃油回路侧。根据进气歧管压力来调节燃油压力。进气歧管压力变化时，调压器将提高或降低燃油系统压力。
1.3 喷油器
通过电源继电器将蓄电池（系统）电压供给喷油器，并且由ECU控制（接地）。喷油器按气缸点火顺序依次打开。喷油器即时确定燃油量（占空比）。
2 电控发动机燃油故障的基本诊断程序
诊断任何驾驶性故障的第一步是根据驾驶员所述在故障发生的状态下进行驾驶测试，以验证驾驶员的意见。
进入自诊断之前，进行仔细而全面的直观检查。多数发动机控制故障起因于机械故障、电气连接不良或真空軟管损坏/连接错误。通常情况下应使用最小输入阻抗为10 MΩ的数字万用表（DVOM）进行全部的电压测试。
2.1 检查燃油压力
燃油系统基本诊断应从确定燃油系统压力开始。
1）燃油系统压力释放。断开点火线圈输出级线束以使点火不起作用。为释放燃油系统压力，拆下汽油泵18号熔丝或汽油泵继电器（位于熔断器/继电器板上）以使汽油泵不起作用。将干净的抹布绕在燃油管接头并缓慢松开接头。
2）燃油压力测试。①释放燃油压力，确保点火开关置于OFF位，连接燃油压力表。断开燃油压力调节器的真空连接；②起动发动机并运行。如果燃油压力大于规定值，转入下一步。如果系统燃油压力小于规定值，进行燃油容量检查。如果燃油容量正常，释放燃油压力并更换燃油压力调节器；③释放燃油压力，拆下调压器回油软管并置于容器上。重复测试。如果系统压力不正常，释放燃油压力并更换燃油调压器。如果系统压力正常，检查燃油回油管路是否阻塞，必要时修理。转入下一步；④点火开关置于OFF位，10 min之后检查燃油压力。如果系统燃油压力低，检查汽油泵止回阀、传感器板自由间隙、燃油分配器O形圈和基座。必要时释放燃油压力并更换相关部件。如果这些部件正常，释放燃油压力并更换燃油调压器。
2.2 汽油泵检查
汽油泵泵油量的检查步骤如下。
1）点火开关置于OFF位。为检查汽油泵（油箱内），拆下后座椅。拆下燃油输送装置进口盖。断开次级点火线圈线路并连接至接地。
2）变速器处于空档位置，起动发动机3 s~4 s。同时起动机转动，几秒以后应能听到泵的声音。如果没有听到声音，转入下一步。如果听到声音，转入步骤5）。
3）从熔断器/继电器板拆下汽油泵继电器。使用遥控装置，起动汽油泵。如果泵不能运转，拆下汽油泵线束接头。
4）用测试灯，检查棕线和红/黄线之间的电压。如果电压出现，更换汽油泵。如果电压没有出现，修理线束断路或短路。
5）拆下汽油泵继电器跳线。断开并堵塞汽油泵输出软管。在泵出口接头固定软管，并将软管另一端部置于有刻度的储油器上。激活汽油泵10 s。
6）最小燃油流量应是0.3 L/10 s。如果燃油流量低。检查燃油箱过滤器是否约束。如果燃油箱过滤器正常，更换汽油泵。
2.3 喷油器的检查
2.3.1 检查喷油器功能及供电
1）用解码器进行执行元件诊断激活喷油器。如果有一个或多个喷油器没有“咔哒”声的动作，则应检查喷油器的功能和供电。
2）拔下喷油器连接插头，将二极管检测灯连接到喷油器插头的两个端子上。起动发动机，二极管应闪烁。①如二极管检测灯在所有缸上都不闪烁，将二极管检测灯连接到喷油器插头的电源端子和搭铁之间，起动发动机，二极管检测灯必须闪亮。如果二极管检测灯不亮，关闭点火开关。根据电路图，检查喷油器插头电源端子和燃油泵继电器之间的导线是否导通，导线电阻最大值应为1.5 Ω；必要时应检查喷油泵继电器和熔丝；②如二极管检测灯在一个或多个缸上闪烁，根据电路图，检查喷油器插头（控制端）端子至发动机控制单元对应端子之间导线是否导通，其导线电阻最大值为1.5 Ω。另外检查各导线相互之间是否短路，其阻值为无穷大。
2.3.2 检查喷油器电阻
拔下喷油器连接插头，用万用表检查喷油器插座两端子之间的电阻。正常温度时电阻应在11 Ω～17 Ω之间。发动机热态时，电阻值约有升高。如不满足要求，应更换喷油器。
2.3.3 检查喷油器的密封性和喷油量
检查喷油器的密封性和喷油量时，燃油压力必须正常。
1）检查密封性。拔下喷油器连接插头，拆下燃油分配管总成，将燃油分配管连同喷油器从进气歧管上拆下并支撑好。连接解码器，打开点火开关，选择执行元件诊断功能，此时燃油泵运转，燃油分配管内充满燃油。检查每个喷油器的滴漏情况，一分钟之内不得多于2滴。如果个别喷油器燃油滴漏超过2滴，说明喷油器密封性不良，应更换。
2）检查喷油量。①将喷油器拆下插入喷油器检查仪的量杯中；
②将喷油器检查仪驱动插头与喷油器连接插头连接；③接通开关30 s，检测喷油量；④如果某喷油器的喷油量过高或过低，说明该喷油器已经损坏，应更换；如果所有喷油器的喷油量都超过范围，则需要检查燃油压力调节器及保持压力。
在检查喷油量的同时，还要观察各喷油器的喷雾形状，所有喷油器的喷雾形状应一致。
3 电控发动机的自诊断系统
自诊断系统是电子控制模块（ECM）能识别在下列电路/元件中的故障（断路，短路，丢失信号，或连续输入信号电压）。如果汽车运转时MIL打开并持续亮着，必须确定故障原因。
3.1 硬故障
硬故障将点亮故障指标灯（MIL）并保持到故障修理完成。如果汽车运转时，指示灯点亮并保持，必须用诊断（故障代码）表判断故障原因。如果传感器损坏，PCM在计算机中将用替代值使发动机继续运转。在此状态，通常称作故障运行模式，汽车运行，但驾驶性不是最佳的。
3.2 间歇故障
间歇故障可能使故障指示灯（MIL）闪烁或发亮，并且在间歇故障不发生后熄灭。然而，相应故障代码将保留在PCM存储器里。如果一定时间范围内不再发生相关故障，相关故障代码将从PCM存储器清除。间歇故障可能由传感器、接头或线束的相关故障引起。
3.3 读取故障代码（DTC）
所有汽车要求用读码器来读取DTC。按照读码器制造商的说明书来读取DTC，V.A.G1551与汽车的连接见图。发动机DTC的识别和说明见诊断手册。
3.4 清除DTC
所有汽车在故障排除后要求用读码器清除DTC。故障代码的清除可按制造商的说明书进行。
参考文献
[1]邹小明.汽车检测与诊断技术[M].北京:机械工业出版社,2004.
[2]张双国.汽车维修技术[M].北京:机械工业出版社,2005.
[3]刘锐.汽车使用与技术管理[M].北京:人民交通出版社,2002.
[4]戴焯.汽车电子控制装置[M].北京:北京理工大学出版社,1999.
电控汽油喷射系统 篇4
1.1 汽油喷射系统的发展
汽油喷射系统在20世纪50年代初应用在德国奔驰300SL汽车上的, 它采用的是机械式喷油系统, 直接向气缸内喷油, 到了20世纪60年代发展成为机电组合式汽油喷射系统, 直到目前发展为电控汽油喷射系统 (EFI) 。
1.2 电控汽油喷射系统的特点
(1) 优点:
进气阻力小, 雾化程度高;汽油滞后性小, 加速性能提高;空燃比控制精度高;汽车加速或减速反应灵敏;能根据不同工况对混合气浓度进行修正, 为发动机提供浓度最佳的混合气。
(2) 缺点:
结构复杂, 故障诊断困难。
为达到快速、准确地查找故障原因, 需要利用科学的故障诊断方法, 以减少人力和物力的消耗。
2 电控汽油喷射系统发动机的故障诊断探讨
2.1 人工经验诊断法
人工经验诊断法可以概括为问、看、听、嗅、摸、试等。诊断故障时, 要根据故障的症状、特征及伴随的现象, 进行由表及里、逐步深入的推理分析, 进而判断得出结论。[1]通常情况下, 某一故障在特定条件下表现最为明显, 当条件改变时, 故障现象也随之改变, 因此, 要仔细观察故障现象的变化, 才能找出故障发生的原因。例如发动机启动时, 起动机转速正常, 发生故障时发动机不能启动, 且无着火征兆, 应注意观察点火系统或供油系统, 因为点火系统不点火或者火花太弱, 进入气缸内的混合气就不能燃烧;如供油系统不供油或油压太低, 造成喷油器不喷油或喷油质量太差, 这些都能造成发动机不能启动。由此可以看出, 人工经验诊断法要求汽车维修人员要有丰富的实际工作经验, 才能准确地判断出故障的原因和发生的位置。在我院汽车实训基地对桑塔纳2000GLi型轿车1.8LAFE电控发动机进行了故障设置试验, 总结为下表所列故障现象与故障部位的对应关系。在汽车出现这些故障时, 汽车维修人员首先应检查这些部位, 在大多情况下就能查找到发生故障的原因及部位。
2.2 故障码的调取与清除
2.2.1故障自诊断原理
故障自诊断系统是在ECU中设置了判别各输入信号的监控程序和有关诊断标准参数, 它能在发动机运行过程中不断监测各传感器的输入信号及各执行器的反馈信号。当某一信号出现异常时, 故障自诊断系统便判断为这一信号对应的电路或元件出现故障, 并把这一故障以代码的形式进行存储, 以便发动机修理时调取出来, 同时点亮仪表盘上的“CHECK ENGINE”故障指示灯, 提醒驾驶人注意。
2.2.2故障码调取
(1) 解码仪 (电脑故障诊断仪) 调取故障码
用于汽车的解码仪都有广泛的通用性, [4]只要换上不同的智能卡即可适用不同的车系或同一车系不同年代生产的汽车。将解码仪与汽车上的诊断接口对接, 打开解码仪上的电源开关, 通过按键按照提示操纵解码仪, 即可找到与被检测汽车相应的车型、生产年代、诊断类型, 可以通过解码仪获得故障代码及故障位置、原因, 然后就可以进入检修阶段。
(2) 故障诊断座调取故障码
利用车上的故障诊断座调取故障码时, 必须按制造商规定的操纵方式进行, 使ECU安全地进入自诊断测试状态。读取故障码之前, 先关闭点火开关, 将变速器置于空挡, 关闭所有附属用电设备, 检查电压是否合适, 然后找到诊断接口, 用一根导线将诊断接口有关的两个端子短接, 或将诊断接口的某个端子搭铁, 然后打开点火开关 (通电3s后拆除) , 不要启动发动机, 此时仪表盘上的“故障灯”即会闪烁, 根据闪烁的次数来读取故障码, 再查看故障码表就可以知道故障部位和原因。但要注意的是, 故障的出现不一定是单一因素所造成的, 例如: 氧传感器本身是正常的, 但与之相关的线路短路、断路或接触不良等, 诊断系统将显示氧传感器信号有故障。[2]因此故障的出现不一定只与传感器和执行器有关, 也可能与出现故障的整个电路有关。因此在故障诊断中, 除检查传感器和执行器外, 还需检查与之相关的其它元件。
2.2.3故障码清除
汽车故障排除后, 要将RAM中故障码清除。清除方法是将RAM存储器断电就可以, 不同车型规定的RAM断点方法各有不同, 有的车故障代码的清除方法是拔下EFI的熔丝, 有的车是断开蓄电池的负极电缆。一般情况下, 无论何种发动机电子控制系统, 只要断开蓄电池30s以上, 都能将RAM中的故障码清除掉。应注意的是, 断开蓄电池清除了故障码, 但也同时清除了RAM所储存的自适应修正参数等信息, 因此, 清除故障码, 最好是按相关车型所规定的方法进行, 不应随意断开蓄电池的连接。
实例:一辆捷达王轿车已经行驶了60000km, 一次外出返回后感到发动机响, 类似爆震的声音, 并看到电控系统故障指示灯闪烁。送到修理厂后, 首先用V.A.G1551读取故障码, 代码00524, 表明爆震传感器的故障, 拔下爆震传感器G61插头仔细检查, 发现在插头处有一处断线, 安装上新的爆震传感器, 电控系统恢复工作, 清除故障代码, 发动车辆后爆震声消失。
2.3 数据流分析法
现代汽车的电子控制系统出现故障时, 诊断比较困难, 故障代码仅是控制器认可或否定的界定结论, 不一定是汽车真正的故障部位, 只依靠故障代码寻找故障, 尤其是有故障但没有故障码时, 可能会做出错误的判断, 最为可行的方法就是利用故障诊断扫描仪进行数据流检测。[3]数据流中的参数是按汽车和发动机的各个系统进行分类的, 故障诊断仪根据电控系统静态或动态数据状况, 对控制系统的各类相关数据参数进行综合分析, 通过与正常信号和数据的对比从而找出故障所在。[3]这些数据主要包括喷油脉宽、点火提前角、发动机转速、节气门开度、氧传感器状态等一系列信号。例如:桑塔纳2000GLi型轿车, 行驶中尾气冒黑烟, 且呛人, 油耗升高, 连接V.A.G1552进行检测, 无故障码输出, 进入数据流检测, 发现进气质量、喷油脉宽、氧传感器信号的检测值比正常值高出很多, 其它信号均正常, 经过分析判定有可能是空气流量计损坏, 造成进气量增大, ECU接收到错误信号后, 使喷油脉宽增大, 增加了喷油量, 造成混合气过浓, 油耗增加, 也使氧传感器反馈信号值过高。根据分析更换新空气流量计后试车, 故障现象消失。
2.4 波形分析法
现代汽车上使用了大量的传感器, 传感器在工作中以电流或电压的方式向ECU传送所感觉到的变化, 当传感器或控制器及其相关电路出故障时, 会造成有关信号丢失、波形异常等现象。波形分析法即利用汽车专用示波器对这些信号波形进行检测和显示, 通过与正常波形有关特征差别的分析对比, 判断出故障的部位。[5]传感器的波形是否正常, 主要以幅值、 频率、 形状、脉宽和阵列测量参数来加以判断。
2.5 故障树法
故障树 (FTA) 即故障因果关系图, 故障树法是把故障作为一种事件, 按其故障原因进行逻辑推理, 层层分析演绎, 绘出树枝图。树枝图中, 每下一级事件都是上一级事件的原因, 而上一级事件是下一级事件引起的结果。例如发动机功率不足的故障树见下图。
3 结束语
随着网络化、多功能化、智能化发展及其在设备故障诊断中的成功应用, 汽车故障诊断技术发展会更加迅速。现代汽车故障诊断技术的研究和生产应用, 在汽车维修工作中将发挥更大作用。
参考文献
[1]周凡.汽车电控系统故障的诊断方法.交通标准化, 2006 (2/3) :79-82.
[2]刘志忠.汽车计算机控制系统故障诊断方法.汽车电器, 2005 (4) :36-41.
[3]故小红, 王可.数据流分析在电控汽车故障诊断中的应用.公路与运输, 2009.9 (5) :28-29.
[4]杨利强等.汽车故障自诊断系统及使用.汽车电器, 2005 (12) :55-57.
电控汽油喷射系统 篇5
电控喷射沼气/汽油双燃料发动机是指在168F单缸化油器式四冲程风冷汽油机基础上，对燃料供给系统改装而成的发动机。为了克服沼气冷起动困难和解决发动机过渡工况的控制问题，保留了原有化油器，在化油器节气门后加装了数字控制电磁阀，以实现沼气的定量供给，而形成电控沼气喷射混合汽油燃烧系统，其结构如图1所示。主要由沼气瓶(包括逆止阀、安全泄放阀、充气阀、手动关闭阀等)、减压器、数字控制电磁阀、汽油箱、汽油电磁阀、化油器、发动机电子控制单元(ECU)、发动机转速传感器、节气门位置传感器、沼气储量传感器、控制面板和线束等组成。
1.电子控制单元 (ECU) ;2.汽油电磁阀;3.汽油箱;4.沼气瓶;5.沼气压力表;6.化油器;7.减压器;8.数字控制电磁阀;9.168F汽油机
沼气从气瓶通过高压不锈钢管流入减压器，在此沼气的压力由20MPa降低到600kPa。然后，沼气通过数字控制电磁阀喷入发动机进气歧管，在进气歧管内沼气与空气、汽油充分混合后流进发动机气缸内，该发动机既可以用沼气掺烧汽油或汽油掺烧沼气。为寻求电控喷射沼气/汽油双燃料发动机各运行参数在满足动力性、经济性、可靠性要求和排放、噪声指标限制等条件下，达到发动机性能指标的最佳折中，采用多目标优化对沼气/汽油双燃料进行优化设计。
二、多目标优化模型
多目标优化又称多目标决策，它是求解多个相互矛盾的目标的向量极值问题。与单目标优化不同，多目标优化一般不存在绝对最优解，只存在一系列的不能直接比较优劣的有效解(或称非劣解)。因而，采用交互可行方向法(Interative Feasible Direction Method，简称IFDM)优化计算沼气/汽油双燃料发动机工作参数。
（一）目标函数及约束函数
根据168F发动机沼气/汽油双燃料的改进设计要求，构造了以经济指标和最大压力升高率指标为优化目标，缸内燃烧最大压力和排气温度不超过设计允许值为约束函数的多目标优化问题：
式中：Pz为缸内燃烧最大压力[Pz]为设计允许的缸内燃烧最大压力;[Pz]设计允许的燃烧最大压力值;Tt为排气温度;[Tt]为排气温度设计允许的最高排气温度;F (x)为二维向量函数，其分量f1 (x)=ge为标定工况下的油耗率，f2 (x)=(dp/dφ)max为最大压力升高率;x=(x1, x2…，x5) T为优化变量。
目标函数f1 (x)可以保证优化设计后的发动机具有较好的经济性，而最大压力升高率f2 (x)则影响发动机的燃烧噪声、机械强度以及可靠性，因此选其作为优化目标能够保证发动机具有较好的可靠性和较低的燃烧噪声。
（二）优化变量的选取
影响沼气/汽油双燃料发动机的参数多达上百个，为了减少计算工作量，应尽量选取那些对目标函数影响显著并且可控或可调的结构参数作为优化变量。本文选取压缩比、进气开启角AVB、进气关闭角AVE、排气关闭角EVE、排气开启角EVB等参数作为优化变量，这5个参数对沼气/汽油双燃料发动机性能影响比较大，而且容易进行调整。
（三）优化变量的取值范围
优化变量的取值范围对优化计算影响相当大，如果选取得过小，会使得决策人所偏好的有效解遗失，优化结果失真;而过大则不但会使得优化变量取值超过工程实际所允许的限度，使优化计算结果失去意义，还增加了优化计算的工作量。
针对168F单缸四冲程风冷汽油机，并参考有关手册，所选的优化变量的取值范围如表1。
优化变量的取值范围在优化计算中被转换为约束函数来处理，它与性能的约束函数一起确定了优化问题的可行域。
三、多目标优化方法
多目标优化的方法很多，主要有：多目标为单目标法、分层序列法、引进次序法、直接求非劣解法等。由于交互式可行方向法(IFDM)算法先进、效率较高，则采用该优化法进行优化试验。
（一）IFDM的基本原理
可行方向法是单目标非线性规划中的一类重要方法，它具有直观、迭代点列总保持可行以及目标函数值逐步改善等其他方法所没有的优点，其优化形式为：
记有限指标集L={1, 2, …, l}, P={1, 2, …, p}, l≥1, p≥1。
定理1若x∈X为多目标优化问题(P)的弱有效解，则x必为其Fritz-John点。
定理1说明Fritz-John条件是多目标优化问题弱有效解的必要条件。
定义1称非零向量d∈R为向量函数F (x)在x∈X处的一个下降可行方向，若d满足：
(1)存在正数δ>0，使得对于任意λ∈(0，δ)都有x+λd∈X;
(2)对于充分小的正数λ都有fi (x+λd)
逐步寻找满足定义1的方向d，然后沿着方向搜索出下降的最大步长，得到一个新的可行点，并判断该点是否为原问题(P)的点。
（二）IFDM的算法步骤
以Pk表示第k次交互前不满意的目标指标集, Xk表示第k次交互的可行域, xk第k次交互所得到的结果, 表示第k次交互过程中第n次搜索所得到的可行点, 表示第k次交互过程中第n次求得的下降可行方向, 表示第k次交互过程中第n次搜索所得到的最大下降步长。, tnk
STEP0.令P1=P, X1=X, 取初始点∈X1, 置交互次数k=1;
STEP1.给定权系数ωi, k∈[0, 1] (i∈Pk) ;
STEP2.进行第k次交互，求解第k个多目标问题(MOD) k:
四、优化计算结果及数据分析
在以上建立的优化模型的基础上，采用Matab软件计算优化问题的目标函数，分别选用两种不同的权数进步优化计算，所得优化变量的计算结果如表2所示，优化目标及约束函数的计算结果如表3所示(ω1，ω2分别为油耗和最大压力升高率的权数)。
仿真实验计算值与原机实测值基本接近，表明采用仿真的工作过程模拟计算程序具有较高的精度，这为多目标优化计算打下了良好的基础。
168F汽油机改装为电控喷射沼气/汽油双燃料发动机标定工况油耗比实测值低了许多，说明原机采用的化油器供油的各参数不匹配，运用IFDM进行多目标优化明显改善了原机性能。
两个目标在两种权数下得到不同的寻优结果证明发动机的经济性要求与机械负荷、燃烧噪声限制是相互矛盾的，它们不可能同时达到最优，只有通过多目标优化才能兼顾各种要求。
所选用的5个优化变量对两个优化目标的显响是显著的，调整这5个变量可实现优化设计。
五、结论
1.用IFDM对电控喷射沼气/汽油双燃料发动机工作过程进行多目标优化是有效的，并且可以通过选取不同权数得到适应于各种要求的结果;
2.试验结果表明，所选用的两个优化目标是相互矛盾的，因而发动机工作过程参数优化应选用多个目标，才能达到最佳折中，实现合理的优化设计。
摘要：发动机燃烧清洁能源的开发的难点是发动机工作过程各参数的匹配, 采用多目标优化比单目标优化更能获得合理的优化结果, 通过工程实际运用, 证明交互可行方向法 (IFDM) 为发动机性能优化提供了很实用的多目标优化解决方案。
关键词：沼气,汽油,发动机,多目标优化
参考文献
[1]方世杰, 綦耀光.机械优化设计[M].北京:机械工业出版社, 1999.
浅析柴油机的电控燃油喷射系统 篇6
1 电控单体泵系统
1.1 结构特点
电控单体泵系统是一种时间控制式的高压燃油喷射系统。该系统由燃油供给系统(包括低压部分和高压部分)、电控单元和传感器等组成。所谓单体泵，是指一个气缸有一个喷油泵，它主要包括一个带有出油控制阀(电磁阀)的高压油泵、机械喷油器，以及连接所需的燃油管路、滤清系统。电控单体泵系统安装在每个缸体外部，其基本结构是喷油泵柱塞驱动与发动机配气机构驱动共用一根(顶置)凸轮轴，喷油泵由凸轮轴上的喷油凸轮驱动，这样使得结构得到最大程度的简化，从而实现油泵出油口到喷油器的燃油管路距离的最短化。
1.2 工作原理
电控单体泵通过与其制成一体的电磁阀(出油控制阀)配合进行工作，通过电磁阀直接控制柱塞腔内燃油压力的建立和泄流，电磁阀触发的时刻就是关闭的时刻，即供油起点，电磁阀触发时间的长短决定着喷油量的大小。发动机工作时，电控单元将所收集到的柴油机传感器信息处理后，发出启喷指令，给电磁阀通电，控制阀杆闭合泄油回路，建立高压，高压燃油通过高压油管、高压短接管进入喷油器，然后喷入气缸内燃烧室;当电磁阀电流断开时，控制阀杆在弹簧的作用下开通泄油油路，高压燃油迅速经回油孔泄压，停止喷油。
1.3 优 点
1)电控单体泵系统通过对电子控制系统和油泵结构设计的优化来实现喷油压力的提高，喷油压力可达1 600～1 800bar，从而改善发动机的燃烧工作过程，在有效降低发动机排放水平的同时，改善发动机燃油经济性和噪声特性，具有广阔的应用前景。通过将机械喷油器改进为电磁阀喷油器，形成双电磁阀单体泵系统，燃油喷射压力可达到2 000bar以上，能够实现多次喷射，可以达到国Ⅳ，甚至国Ⅴ排放水平。
2)单体泵安装在气缸体的外面，结构相对简单，对原型发动机的改动较小，制造成本较低，而且对油品的清洁度不太敏感，尤其是因喷射压力较大，大功率柴油机的敏感性相对更弱，在当前国内油品质量无法满足要求的条件下，使用单体泵技术的优势不言而喻，因此深受发动机制造企业和用户的欢迎。
3)工作性能可靠，故障率低，使用寿命长，维修方便。其可靠性能已经在欧洲和北美市场上得到长时间的使用验证，而且对生产厂家的售后服务要求也不高，用户使用维修成本较低。
1.4 不 足
1)不能自由控制燃油喷射压力，柴油机低速性能欠佳。由于单体泵油压的建立过程依赖于曲轴的转速，油泵的压力与发动机的转速成正比，因此在低转速区域燃油压力较低，不利于柴油机燃烧性能的提高。
2)采用机械喷油器时，不具备多次喷射的能力。一旦燃油系统与整机的匹配设计完成，在每一个工况点下，燃油系统的特性将不具备调节性。
3)在国内，为控制成本和降低技术难度，一般都是采用了外挂式单体泵(安装在气缸盖上)，这种设计很难避免较大的驱动扭矩，并且噪声较大。随着排放水平的逐步升级，单体泵需安装在缸体内，这需要重新设计发动机机体。
2 电控泵喷嘴系统
2.1 结构特点
普通的柴油机通常采用泵-管-嘴燃油喷射系统，即由高压油泵产生高压燃油，再经过油管把高压燃油输送到喷油嘴来完成喷油动作，由于燃油具有可压缩性，高压燃油在传递过程中会出现时间滞后的问题，影响到喷油的正时，且难以实现燃油喷射的精确控制，不利于燃料的燃烧，产生较多的排放物质。在电控泵喷嘴系统中，电控的高压油泵和喷油嘴之间没有管路连接，它把高压油泵、喷油嘴和电磁阀集成在一起，直接安装在气缸盖上，这样不占用更多的空间，每一个高压油泵(每缸一个)与进排气门一样，都由同一根凸轮轴同时驱动。
2.2 工作原理
泵喷嘴系统分为机械驱动式和蓄压式两种，目前发展最完善的电控泵喷嘴系统是机械驱动式的。泵喷嘴的喷油始点和喷油终点由快速启闭的电磁阀控制，当电磁阀关闭时，将柱塞高压油腔与低压油路切断，燃油加压并开始喷射;当电磁阀开启时，则泄掉喷射压力，结束喷油。通过电磁阀的多次动作可产生多次喷射，实现对喷油速率的控制，从而使燃烧过程得到优化，其可靠性和燃烧效率得到保证。
2.3 优 点
1)电控泵喷嘴系统结构紧凑，喷油嘴孔径非常小，不仅消除了高压油管中压力波动的影响，提高了燃油喷射的响应速度，而且很容易产生高喷油压力(最高喷油压力达到2 200bar以上)，燃油雾化良好，燃烧效率很高，从而提高柴油机的动力性和燃油经济性，降低排放。
2)燃油的喷射过程实现了全电子控制，由安装在泵喷嘴上的高速电磁阀精确控制，不仅利于彻底燃烧，提高动力性，而且可降低噪声和废气排放。同时发动机在低速和小负荷时燃油喷射的稳定性好，具有较好的控制灵活性，低速时的发动机综合性能得到改善，采用该技术的车用柴油机可满足国Ⅳ、国Ⅴ排放标准。因此，该系统被看作是柴油机满足苛刻排放标准和燃油经济性要求的最佳选择之一。
2.4 不足
1)电控泵喷嘴系统最大的缺点在于燃油喷射压力不能保持恒定，仍然受发动机转速的限制。
2)由于该系统喷射压力很高，因而对气缸套和气缸盖的刚度要求很高，此外，高压油泵的凸轮和曲轴的距离较远，对传动系统的刚度要求也很高。
3)电控泵喷嘴系统由于需要重新设计发动机本体，尤其是发动机缸盖，加工难度大，制造成本高。
3 电控高压共轨燃油喷射系统
3.1 结构特点
电控高压共轨燃油喷射系统是建立在直喷技术、预喷技术和电控技术基础之上的一种时间-压力控制式的高压燃油喷射系统。它主要由高压泵、带压力传感器和调压阀的共轨管、带电磁阀或压电式的喷油器、电控单元和传感器组成。共轨系统与之前以凸轮轴驱动的柴油喷射系统不同，共轨式柴油喷射系统将喷射压力的产生和喷射过程完全分开，电磁阀控制的喷油器替代了传统的机械式喷油器。
3.2 工作原理
电控高压共轨燃油喷射系统共轨管中的燃油压力由一个径向柱塞式高压泵产生，压力大小与发动机的转速无关，可在一定范围内自由设定，其大小由一个电磁压力调节阀控制，根据发动机的工作需要进行连续压力调节。电控单元作用于喷油器电磁阀上的脉冲信号控制燃油的喷射过程，喷油量的大小取决于共轨管中的油压和喷油器电磁阀开启时间的长短，及喷油嘴液体流动特性。工作时，该系统将共轨管内形成的恒定高压燃油，通过高压油管分送到每个喷油器，并借助于集成在每个喷油器上的高速电磁阀的开启与闭合，控制喷油器定时、定量地将燃油喷射至燃烧室。
3.3 优 点
1)燃油喷射压力独立于发动机转速，压力恒定，且喷油压力较大，大大改善了发动机低速、大负荷时的工作性能，在有效降低发动机排放水平的同时，提高发动机的燃油经济性并降低燃烧噪声。
2)喷油压力柔性可调，在不同负荷和转速下都可确定所需的最佳喷油压力。
3)实现了对喷油正时、喷油量和喷油速率的最优控制，因而改善了柴油机的燃烧过程，提高了燃油经济性，减少了污染物的排放，降低了燃烧噪声。
4)结构简单、性能可靠、实用性强，应用范围广，目前已广泛应用于各种型号、各种排量的柴油机。
3.4 不 足
1)该系统的共轨管燃油压力调整十分复杂，存在建立时间和建立精度的矛盾，即缩短调节时间将很可能导致共轨管内的燃油压力超调，一般共轨管燃油压力需要在柴油机的几个循环内才能完成调整，在一个循环中不能实现各缸的独立调节。
2)随着共轨管燃油压力的不断提高，对系统各部件的性能要求越来越苛刻，对传感器的精度要求也较高。另外，采用电控高压共轨燃油喷射系统后，需对发动机结构进行相应的改进。
3)油品适应性差，用户维修保养成本高，必须使用符合国Ⅲ标准以上的低硫柴油，共轨发动机电控系统的故障必须依靠专业故障诊断仪器进行检测和维修。
4 结 语
电控汽油喷射系统 篇7
三角转子发动机自20世纪50年代在德国问世以来,经过德国、美国、英国和日本等许多国家的研制,已经逐渐成熟。在军用上,如美国RPI公司在美国国家航空航天局等军方的大力支持下,特别为海军无人机研制了可使用汽油、柴油、航空煤油等多种燃料的三角转子发动机。在民用上,如在汽车工业领域,日本的马自达公司已将三角转子发动机作为RX-7和RX-8型汽车的引擎;在农业机械领域,如作为农林机械割草机、伐林设备的动力[1～3]。由于国外发动机技术一直对我国进行封锁,而国内发动机研制基础相对薄弱,对三角转子发动机的研制较晚,特别是喷射系统的研究还处于起步阶段。目前国内仅机械科学研究总院,正在对柴油三角转子发动机进行研制,主要用于军用设备、发电设备等[3]。近几年来,化油器式汽油三角转子发动机国内已有研制[4],但在其汽油喷射系统的研制上,目前还处于研制的初步阶段。
为提高三角发动机的动力性、经济性和灵活性,实现三角转子发动机工作过程中各参数的实时控制,特别是实现在不同工况下的空燃比控制,亟待开发三角发动机汽油喷射系统。笔者针对三角转子发动机的特点,对其汽油喷射系统进行研制,并将研制出的喷射系统在208 cm3排量的三角转子发动机上,进行了发动机台架匹配试验。
1 三角转子发动机运动原理
三角转子发动机活塞形状为三角形,三角活塞安装在缸体的内腔,缸体固定,开有进气口和排气口,内腔的轮廓线为双弧长短辐圆外旋轮线,呈8字形,被三角活塞分成三个工作区域,三角活塞的三个顶点紧贴着发动机缸体的内壁,见图1。三角活塞的运动不是直线往复运动,而是通过齿轮啮合逆时针做行星运动,即三角形活塞在绕输出轴公转的同时,又绕自身自转[1]。而三角形活塞的内齿齿数与相应外齿齿数比为3:2,因此三角活塞的转速与输出轴的转速比为1:3。
三角转子发动机工作时,随着三角活塞的行星运动,首先进气口打开,混合气进入工作室,三角转子带动混合气运动,进而三角转子旋转压缩混合气使工作室变小,在压缩阶段的顶点达到最小,此时将混合气点燃,然后受热膨胀的气体对三角转子施加作用力,产生能量脉冲,推动转子转动,最后当三角转子顶点露出排气口时,废气被排除室外,完成一个工作循环。一个工作循环分为进气、压缩、做功和排气四个冲程,在缸体不同的区域完成[4,5]。由此可知,三角转子发动机是一种旋转式活塞四冲程发动机,与往复式活塞四冲程发动机相比较,主要区别见表1。
2 三角转子发动机汽油喷射系统
2.1 三角转子发动机汽油喷射系统原理
三角转子发动机在小型无人机上广泛应用,目前仍然使用化油器进行供油,虽然化油器能供给发动机混合气,但空燃比不易控制,特别是化油器的供油量难以适应三角转子发动机工作环境的不断变化,因而必须通过汽油喷射系统来控制发动机的空燃比[6,7]。由于在小型无人机上使用的活塞发动机,为提高发动机功率,减小排气阻力,发动机上不安装消声器和三元催化器,排气管不安装或安装的排气管长度尽可能短,因而三角转子发动机汽油喷射系统中无法安装使用氧传感器进行空燃比的闭环控制。但在无人机自主飞行如巡航时,可以进行发动机转速的闭环控制。同时由于研制的三角转子发动机排量仅为208 cm3,排量较小,而目前仍无匹配的小型空气流量计来测试小排量发动机的进气流量,所以汽油喷射系统目前不能采用质量流量方式测试进气量。考虑到三角转子发动机独特的进气结构,进气系统通畅,进气不中断,因而进气歧管中气流压强波动较小,便于对气流进行稳压后进行测量,因此可采用速度密度法测试进气量。同时也采用速度开度法测试发动机进气流量,然后对两种方法测试的进气量数据进行融合,得到较为准确的进气量数据。综上考虑,依据三角转子发动机的结构特点和无人机使用的特性,三角转子发动机汽油喷射系统的工作原理框图见图2。
在图2中的三角转子发动机汽油喷射系统为较为理想的汽油喷射系统,系统是集成燃油喷射、高能点火、电子风门、增压和实时数据采集及发动机监控保护、故障诊断、通讯于一体的发动机管理系统。系统主要分为传感器、电子计算单元和执行器三个部分。
三角转子发动机汽油喷射系统的原理是采用各种传感器,将发动机的转速、节气门开度、进气压强、歧管压强、进气温度和缸体温度等转换成电信号,然后把这些电信号立刻传递给电子控制单元,电子控制单元根据这些信号经运算处理后,计算出合适的喷油正时、喷油持续时间和点火正时等,并由执行器如喷油嘴、点火器和电子节气门等机构进行执行。三角转子发动机汽油喷射系统的核心是空燃比的控制,是通过电子控制单元控制节气门和喷油嘴来控制进气量和喷油量。
2.2 三角转子发动机汽油喷射系统组成
由于无人机要求使用的发动机体积小,质量轻,功率大,转速高和安装方便,同时由于受无人机体积、质量和安装空间的限制,以及无人机用发动机工作在不同海拔高度时,环境压强、环境温度的变化较大,因此需要三角转子发动机的汽油喷射系统必须响应快,精度高,体积小,易安装,安全性高和耗能低。三角转子发动机汽油喷射系统组成见图3,主要由电子控制单元、进气系统、燃油喷射系统和点火系统组成。
在图3中的三角转子发动机汽油喷射系统是针对现有三角转子发动机的特点,进行研制的喷射系统。系统在燃油喷射上采用在进气歧管上安装喷油嘴进行喷油,汽油首先从油箱中流过滤清器,并由电动燃油泵将汽油泵出,再经油路进入燃油调压器。调压器的作用是使汽油保持在380 kPa的恒压,供给喷油嘴进行喷油,在进气上由电子节气门控制进气量;在点火上采用直流数字点火。
1.燃油箱2.燃油滤清器3.燃油泵4.调压器5.喷油嘴6.进气温度传感器7.进气压强传感器8.节气门位置传感器9.歧管压强传感器10.转速信号11.冷却风道气温传感器12.高压包13.缸体温度传感器14.火花塞
2.3 三角转子发动机汽油喷射系统的关键技术
三角转子发动机汽油喷射系统的目标是为发动机提供最佳的汽油与空气的混合气,使汽油和空气更加容易地在缸体内部燃烧,涉及喷油、点火、进气和控制等,其关键技术主要有:
2.3.1 喷射方式
在汽油喷射系统分类上,汽油喷射系统按喷射位置可分为进气道喷射方式和缸内直喷方式,根据三角转子发动机的结构特点,其汽油喷射方式可以归结于见图4的三种情况。
a.进气道喷射方式见图4中Ⅰ所示,喷油嘴安装在进气歧管上,这种喷射方式使发动机零件改动最小,最容易实现汽油喷射,是替代化油器最实用的一种汽油喷射方式,目前在往复式活塞发动机上广泛使用。但由于三角转子发动机的转速较高,每转都要喷油一次,因此喷油正时必须与三角活塞的相位准确配合,才能使喷出的汽油全部被吸入到进气腔,否则可能会产生部分混合气从排气管中泄漏的现象。
b.进气腔直接喷射方式见图4中Ⅱ所示,是三角转子发动机独有的一种喷射方式,这种喷油方式是由于三角转子发动机的四个冲程在缸体不同位置进行,因此可以在进气腔内进行直接喷射。这种喷油方式结合了传统进气道喷射方式和缸内直接喷射方式这两种喷射方式的各自优点,如需要的喷油嘴压力小,可为0.3～0.4 MPa,混合气混合时间长,混合均匀,空燃比精度容易控制,燃油不会泄漏以及喷油正时与三角活塞相位容易配合等。不足之处是这种喷射方式需要对发动机缸体进行稍微改动,如需配钻安装孔。
c.燃烧腔直接喷射方式见图4中Ⅲ所示,与往复式活塞发动机缸内直接喷射方式相同,这种喷射方式将燃油直接喷射燃烧室内进行燃烧,因此既可以适用于喷射汽油,也可以适用于喷射柴油、航空煤油和甲醇等。不足之处是,这种喷射方式需要对发动机缸体改动较大,且需要高压油泵,喷油正时要准,喷油时间要短。同时也要考虑到喷油嘴与点火器安装的相对位置和相对角度等。
综合这三种喷油方式,目前在不改变三角转子发动机主要零件情况下,进气道喷射方式是最适合、最容易实现的汽油喷射方式。
2.3.2 进气量测试
当无人机在空中飞行时,三角转子发动机的进气量会受到海拔高度、无人机飞行速度、飞行方向和风向等因素影响,这使得进气量测试计算的精度要较高。对于三角转子发动机,由于进气机构少,空气仅需流经节气门和歧管,便可填充到缸体内进气腔,歧管压强波动小,因此采用速度密度法测试计算进气量,同时采用速度开度法测试进气量,并将两种方法测试的进气量数据进行信息融合,这样可以得到较为准确的进气量数据[8～10]。
在进气量测试中,歧管压强传感器的要求较高,必须采用采样响应频率高的石英晶体传感器,实时对歧管压强进行测试。由于歧管气流有波动,需要加长歧管长度来稳定气流压强,同时采用气流导引管将歧管中心的气流引入到压强传感器测量头处进行测量,这样既可以进一步稳定气流,又可以测量到歧管中心的迎风压力,使测量数据准确度提高。这两种方法测试的进气量图见图5、图6。
图5中的数据是在进气压强为100 kPa,温度为20℃时,三角转子发动机稳态工作下计算出的每转进气量与速度、节气门开度之间的对应关系。从图5中可知,当节气门开度较小时,随着开度的增加,进气量急剧增加;而当节气门开度较大时,随着开度的增加,进气量变化比较平缓。因此节气门位置传感器在小开度时灵敏度较高。从图6中可知,在相同转速下进气量随歧管压强的增加而增多,整个曲面较平滑,这种方法测试进气量更为直接,能很好地反映整个工况的负载变化。
从图5、图6可知,速度密度法和速度开度法都能较好地测试三角转子发动机的进气量,从而在汽油喷射系统中,可以同时采用这两种方法测量进气量,也可采用其中一种方法测试进气量。
2.3.3 空燃比控制
三角转子发动机汽油喷射系统是一个多工况的、时滞、复杂的非线性控制系统,主要是空燃比的控制,空燃比的取值尤为重要。由于汽油发动机在一定负荷下,发动机的输出扭矩达到最大的空燃比在12.5附近,空燃比在15～16之间,经济性较好。因此当在加速和大开度时,需要大扭矩输出,将空燃比设置在12.5附近;当发动机在中开度时,考虑到发动机燃油的经济性,将空燃比设置为15。三角转子发动机的空燃比曲线见图7。
2.3.4 三角发动机控制模式
三角转子发动机在无人机上进行使用时,其控制分为遥控控制和自主控制。在遥控控制时,通过遥控器控制节气门开度的大小,从而控制进气量和发动机转速,称为开度控制模式。在自主控制时,发动机的控制信息源于飞行控制系统,飞行控制系统将发动机的目标转速传递给发动机电子控制单元,进入巡航状态,称为转速闭环控制,三角转子发动机的控制原理见图8。
在图8中,当电子控制单元接收到开度指令,进入开度控制模式,此时发动机的运转以控制节气门开度为中心,通过调节开度来改变进气量,然后依据不同开度下对应的空燃比,计算喷油量,控制发动机运转。当电子控制单元接收到转速指令,进入转速闭环控制模式,发动机的控制目标是使转速稳定在目标转速。当发动机实际转速与目标转速有偏差时,通过自适应模糊控制算法优化计算出节气门所需开度,并通过控制电子节气门的电机进行开度调节,使发动机稳定在目标转速运行。
3 汽油喷射系统的台架试验
将研制的三角转子发动机汽油喷射系统安装到208 cm3排量的三角转子发动机上,并进行发动机台架试验,其主要参数见表2。
发动机台架匹配试验时,针对三角转子发动机汽油喷射特点,为测试三角转子发动机特性参数和标定发动机特性参数的需要,开发了三角转子发动机数据采集与分析系统,并通过串口与电子控制单元进行通信,计算机上的数据采集和分析系统可以实时调整发动机控制参数,动态显示和回放发动机的各个环境参数、工作状况和控制参数等。
三角转子发动机台架试验主要是进行进气量图测定、喷油量匹配试验,建立扭矩、功率与转速的关系曲线以及与同排量化油器式三角转子发动机油耗比较,见图9、图10。
试验采用28×18的螺旋反桨,从三角转子发动机台架试验来看,功率最大约26 kW,油耗比化油器发动机油耗约低5%,达到了设计要求,且发动机运行平稳,进气量、喷油量可控,油耗也有所降低,因此汽油喷射系统有效地改善了三角转子发动机的综合性能。其原因主要体现在:汽油喷射系统中的进气特性得到改善,电子节气门的进气更加通畅;在各种工况下,喷油量可控,可以形成所需空燃比的混合气。
4 结论
针对三角转子发动机使用化油器的不足,为提高三角转子发动机性能,改善三角转子发动机的安全性、动力性和经济性,研制出了汽油三角转子发动机喷射系统。系统采用进气口喷射汽油的方式进行供油,并将研制出的喷射系统应用到208 cm3排量的三角转子发动机上。通过发动机台架试验表明,研制的汽油喷射系统改善了208 cm3排量三角转子发动机的可靠性、动力性和经济性。
参考文献
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电控汽油喷射系统 篇8
模糊控制是一种模仿人类思维推理方式的智能控制方法, 适用于燃油喷射系统的控制。遗传算法具有很强的全局寻优能力, 适合求解模糊控制规则的寻优问题。本文拟采用模糊控制方法控制电磁阀的开闭时间, 在Matlab/Simulink和Hydsim软件环境中进行协同控制仿真和优化设计, 分析影响柴油机燃油喷射系统工作性能的因素, 为柴油机燃油喷射系统匹配和改进升级提供了有价值的参考。
1 电磁阀力学运动模型
高速电磁阀的运动模型如图1所示。
由麦克斯韦电磁吸力计算公式得:
式中, B为磁感应强度。
由胡克定律可得回位弹簧作用力:
式中, KS为回位弹簧刚度, x0为弹簧预紧量。
阀芯运动摩擦力为:
式中, B为运动阻尼。
衔铁上、下止点的阻力为:
式中, Kup、Kdown为上下止点限位的刚度, Cup、Cdown为上下止点的阻尼系数。
由分析可知, 当xv
根据牛顿第二定律可得阀芯运动方程:
式中, m为阀芯质量, Fr为阀芯运动阻力。
2 模糊控制器的设计
根据高速电磁阀的控制量和控制目标, 模糊控制器选择二维模糊控制器。
2.1 确定输入输出变量
高速电磁阀系统的动态响应与结构参数密切相关, 选择驱动电压U、磁通量φ准作为二维模糊控制器的输入量;选择磁场强度作为模糊控制器的输出量u。
2.2 模糊控制规则
模糊控制规则是模糊控制器的核心。控制器输入量和输出量的关系决定了模糊控制规则。在本论文建立的模糊控制器中, 两个输入量均有7个模糊子集, 可以构成49条模糊规则:IF
其中:1 i7, 1j7
模糊规则根据高速电磁阀系统的控制经验确定, 如表1所示, 比如:若驱动电压输入量大 (PB) , 并且磁通量的变化率输入量大 (PB) , 则, 输出磁场强度大 (C7) 。
2.3 精确量的模糊化
设输入量U、φ的模糊论域都为[-1, 1], 其模糊子集为{NB, NM, NS, ZE, PS, PM, PB}。输出量u的论域为[0, 7], 其模糊子集为{C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7}, 选择常用的Trimf (三角形) 作为此模糊控制系统的隶属函数。模糊推理采用Mandain法, 去模糊化采用重心法。
3 基于改进遗传算法的模糊控制器优化设计
3.1 模糊规则编码
模糊控制器的输入量和输出量有7个模糊子集, 每条规则中的取值有7种, 49条规则形成了种控制规则方案。传统的优化方法很难求得最优的模糊控制规则。本节采用改进遗传算法进行寻优。
遗传算法编码采用实数编码, 按顺序排列模糊规则表中的输出量作为优化问题的设计变量, 即将表1中阴影部分的49个模糊集构成设计变量。为了方便表示, 选取模糊集的下标数字符号{1, 2, 3, 4, 5, 6, 7}分别代替模糊集{C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7}。则表1的模糊规则对应的个体编码为:
高速电磁阀的动态响应为优化的目标函数, 目标函数均方根值的倒数作为遗传算法个体的适应度函数。
3.2 算法实现
在Matlab/Command中采用命令方式, 实现遗传算法并控制整个仿真系统的运行。程序中的每一项功能编写成一个小模块, 具有良好的移植性和通用性。本算法包含的程序模块如下:初始种群模块、模糊规则模块、个体评价模块、遗传操作模块、子代生成模块、比较模块、排序模块和结果输出模块等。其中, 遗传算法操作模块包括选择算子、交叉算子、变异算子。
4 仿真结果及分析
为了验证模糊控制器的控制效果, 本文利用Matlab和Hydsim软件分别对未施加控制器的燃油喷射系统和施加模糊控制器的燃油喷射系统进行仿真分析。仿真结果如图2~7所示。
仿真结果表明, 基于遗传算法的电控单体集成泵系统模糊控制能够显著改善系统喷油特性, 验证了采用联合仿真方法的可行性和准确性。另外, 在优化过程中, 只要给予适当的初始规则就可以通过遗传算法得到更好的规则以获得更好的控制性能。
5 结论
(1) 考虑到Hydsim软件和Matlab/simulink有接口的功能, 在建模中加入Matlab/simulink来控制电磁阀的开闭时间, 以此来改善系统仿真效果。
(2) 提出利用模糊控制对燃油喷射系统进行优化控制仿真。
参考文献
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电控汽油喷射系统 篇9
20世纪, 柴油机技术发展史上经历了三次重大的飞跃:机械式燃油系统、中冷增压和电控喷射。在排放法规日益严格以及稳定性、安全性、舒适性等新要求不断提高的背景下, 随着电子技术的飞速发展, 20世纪70年代, 柴油机的燃油喷射技术进入到电控燃油喷射阶段, 开创了柴油机燃油喷射技术的新时代。
实现电喷有三条技术路线图, 分别是泵喷嘴、单体泵和高压共轨。其中, 高压共轨系统是迄今为止柴油机电控喷油喷射技术中结构最完善、性能最先进、技术难度也最大的电控喷油喷射系统, 是世界各大汽车公司竞相争夺的制高点。谁掌握了这项技术, 谁就掌握了未来汽车发展的主动权。随着排放法规要求的不断提高, 选择电控高压共轨已成为柴油机行业的必然趋势。
从技术发展的总趋势来看, 国外共轨喷射系统的发展趋向是:喷射系统的喷射压力不断提高、喷油过程更加柔性可调、系统的响应速度不断提高, 可使系统在一个工作循环中能进行更多次数的喷射, 最终实现在一个工作循环中的压力和喷油速率的可调, 真正实现与柴油机其他系统的柔性配合。
目前, 世界上主要有德国的博世、西门子, 美国的德尔福和日本的电装公司等几家共轨喷射系统生产厂家, 基本上垄断了全世界柴油机电控共轨喷油系统的配套权。国内一些单位 (如无锡油泵油嘴研究所及辽宁新风) 研发和生产的共轨喷油系统产品或者自用, 或者技术还没有成熟, 无法形成大批量生产。有数据显示, 博世等四家跨国公司生产的共轨系统的全球年产量已超过1000万套。随着中国这个全球最大的汽车市场即将全面实施国Ⅲ、国Ⅳ排放标准, 这一数字将在不久的将来迎来快速增长。如果国内企业不能及时将已掌握的共轨喷油系统技术成果迅速转化为市场产品, 我国自主汽车产业将会受到跨国公司的技术制约和经济制约。
制造工艺和关键技术
目前共轨喷油系统的喷油压力已高达1 6 0~180M P a, 喷油特性的控制精度要求高, 用户对喷油系统的B10寿命要求达到80万k m。另外, 发动机的运转速度又非常高, 系统中的一些关键部件承受高温和振动的环境。因此, 共轨喷油系统的每一个零部件在结构、制造精度、材料和性能检测等方面的要求比常规系统高得多。这些高精度零部件的表面加工质量要求高, 几何精度高, 特殊要求多, 其加工都是微米、亚纳米级的精度, 代表了目前机械制造行业的最高加工水平。不难看出, 该系统的核心是机械系统和电磁一体化零部件的制造和试验检测。
归纳起来, 共轨喷油系统机械制造的关键技术难点主要有下列几个方面:
(1) 配合面的加工精度要求高, 配合精度进一步提高。配合偶件的圆柱度要求一般为1μm, 圆度要求为0.5μm, 表面粗糙度值一般为Ra=0.05μm, 达到这样的精度加工难度很大。
(2) 为提高喷油性能的一致性, 流量控制孔的加工成为共轨喷油系统制造的另一个关键技术, 除了提高底孔的加工精度外, 还要优化孔的形状, 提高小孔孔壁的表面质量, 提高流量系数。
(3) 零部件的强度和刚度要求高, 运动表面的耐磨性能需进一步提高。除采用新的材料提高机械强度外, 还必须对关键的零件接触表面和滑动表面进行表面特殊处理, 如表面增加类金刚石涂层, 以降低摩擦副的摩擦系数和磨损。
(4) 高压共轨的测试技术。共轨系统的加工, 不仅涉及到大量关键的加工制造设备, 还涉及到大量新型的试验设备。只有能够准确检测各项参数, 才能够对加工制造过程进行调整。
(5) 共轨系统的装配和调试的精度和自动化要求高, 环境要求高。
目前解决这些关键技术难点基本上是靠引进国外设备来满足需求, 而这些设备都相当昂贵。为尽快地使我国实现共轨喷油系统的大规模生产, 开发国产共轨喷油系统的关键生产装备已十分迫切和必要。
制造装备国产化需求
1.高压共轨系统精密加工设备
为满足高压共轨系统大批量生产的需要, 保证产品质量达到国外同类产品的水平, 以下关键加工装备的国产化需求比较迫切。
(1) 喷油器体成形加工中心该机床主要用于喷油器热处理前成形, 装夹一次可以完成诸如车、钻、铣削、深钻孔、滚螺纹直至工具和工件的测量。这样喷油器上很多定位尺寸可以得到保证, 其加工效率相当于两台三轴机床, 甚至可以完全省去某些大型自动化生产线的投资, 能节约占地空间和工作在不同制造单元之间的周转运输时间及费用。
(2) 喷油器体中孔精密配珩机床该机床用于喷油器偶件的φ3~φ15m m的中孔精密珩磨, 精密偶件体积较小中孔采用精密配珩来对偶件配副, 通常以加工成形的控制活塞外圆为基准加工喷油器体中孔, 作精密配珩加工, 切削余量为0.02~0.03mm。机床要求能自动上下料, 带多个粗、精珩及在线测量、清洗。最终成品加工中孔圆度要求0.5μm, 圆柱度1μm, 偶件配副间隙2~4μm。
(3) 精密电火花喷孔机床该机床用于喷油器喷孔和节流孔的精密电火花加工, 加工孔径要求φ0.08~φ0.3mm, 孔深1~3m m。要求机床有电极丝进给轴、喷油器喷孔中心调节轴、喷孔安装角度调节轴、喷孔夹角分度轴等精密数控系统, 喷孔加工过程要求电极丝回转, 保证加工孔形的圆度。电火花电源应设计成加工小孔专用电源, 脉冲波形、频率、脉冲占空比可按需要设定, 并且可打出“K”因素喷孔。加工的喷孔流量散差应控制在±3%以内, 设备应设计成多工位同时加工多个零件。
(4) 中孔座面磨床该机床用于精密喷油嘴中孔和密封锥面, 节流孔板密封锥面, 控制阀中孔的精密磨削。加工零件的孔径φ3~φ6m m, 加工结果中孔圆度0.5μm, 圆柱度1μm, 中孔直径散差±5μm。加工的密封锥面圆度要求0.5μm, 密封凡尔线直径φ0.6~φ6mm, 电主轴转速要求90 000~120 000r/min。
(5) 精密凹端面磨床该机床用于精密磨削喷油器凹端面和喷油器密封端面。机床要求立式多工位布置, 自动上下料, 加工密封端面平面度0.6~0.9μm, 表面粗糙度值须在Ra=0.05μm。
(6) 高精度配磨外圆磨床该机床用于控制阀心配磨和衔铁端面等零件的精密磨削。配磨控制阀心时, 要求能够实时测量控制阀座中孔直径, 对阀心进行配磨。配磨结果圆度0.5μm, 圆柱度1μm, 偶件配副间隙2~4μm。机床同时要求可用于斜切磨削衔铁端面, 应设计成自动上下料。
(7) 液体挤压研磨机床高压共轨系统中喷油器的喷孔、各节流量孔孔径通常φ0.08~φ0.3mm, 这种小孔的流量值和流量系数有很严格的要求。而且随着汽车排放要求的不断提高喷孔孔径还在减小, 而喷孔的流量系数要求在不断提高, 因此尽管我们采用了带“K”因数的电火花机床加工喷孔, 但流量系数还不能满足要求, 因此用液体挤压研磨机床来倒圆相贯线清角, 改善小孔表面质量, 提高流量系数, 提高流量精度。
(8) 高压共轨管加工中心该机床用于共轨管的加工制造。主要包括枪钻中孔, 铣端面, 钻螺纹底面, 加工内螺纹、螺纹退刀槽, 加工密封锥面等工序, 机床需要配置第四轴, 要求自动上下料。其加工效率相当于两台三轴机床, 甚至可以完全省去某些大型自动化生产线的投资, 大大节约了占地空间和工作在不同制造单元之间的周转运输时间及费用。
(9) 高精度硬切削车床该机床用于进油阀、限压阀、限流阀等零件的精密加工。要求自动上下料, 可切削热处理后硬度在58~62H R C的工件, 加工零件中孔和外圆的圆度1μm, 圆柱度1.5μm。密封锥面的圆度1μm, 表面粗糙度值须在Ra=0.1μm。
(10) 50MPa高压清洗设备该机床用于喷油器体、共轨管的高压清洗。基本结构类似立式加工中心或其他便于进行六面清洗的结构, 将刀库改成多种高压喷嘴, 喷嘴清洗压力50MPa以上。可配装第四轴, 可编程, 对零部件各部位进行准确的高压清洗。
2.高压共轨喷油器自动装配生产线
生产线要求全自动, 带有生产线自动检测系统和自动影像检测系统。主要技术特征如下:
(1) 各类工装设备的选型、型谱确定、零部件选用均应符合ISO国际标准和国家标准。
(2) 装配线所有零件和各种仪表的计量单位应全部采用国际计量单位 (SI) 标准。
(3) 装配线上工件由工装输送机构准确输送, 在相应的装配工位上作零部件的安装。装配线应附有电磁铁紧帽力矩拧紧机, 喷油器紧帽力矩拧紧机, 控制阀体力矩拧紧机, 衬环、电磁铁垫片厚度自动选配机和油嘴调整垫片厚度自动选配机。
(4) 装配线应配备喷油器装配信息识别系统及计算机数据管理系统, 将装配过程的工件编码、装配过程中的测量数据、统计显示装配数量等各类装配信息录入数据库中, 并经数据通讯接口将数据传输给信息管理系统。
3.高压共轨系统零部件成套在线测量装备
(1) 偶件配合间隙在线测量设备偶件配合间隙的测量范围为2~5μm, 目前常用的检测设备是进口的M A R P O S S间隙测量仪, 该仪器价格比较贵, 使用中各种配件 (如测头) 比较难配, 对测量的环境和零件要求较高, 很难实现在线测量的要求, 同时该设备的重复检测精度也满足不了需要。因此, 需要能够实现该项目在线全数检测的设备。
(2) 中孔圆柱度快速测量设备中孔圆柱度一般要求1μm左右, 加工过程中没有与之配套的在线检测设备。因此, 需要能够实现该项目在线快速全数检测的设备。
(3) 平面度及平行度检测设备由于共轨产品的高压力, 要求产品零件的结合面和密封面有平面度0.6μm和平行度1μm的要求。从国外进口一台白光测量仪要几百万元, 因此需要经济适用、操作简单、能满足大批量生产现场使用的白光测量仪, 解决平面度和平行度的测量问题。
(4) 螺纹与平面的垂直度检测设备产品由于高压力的密封要求, 所以很多部位有螺纹与密封面的垂直度0.02mm的要求。目前需要一种价格便宜、操作简单, 能够满足测试要求, 适用于大批量生产使用的螺纹与平面的垂直度检测设备。
(5) 孔板、喷油器高压流量检测产品要求高压流量偏差为±2%, 工作压力为60M P a以上, 测量效率高的设备。
4.高压共轨系统零部件性能检测设备
(1) 高压供油泵总成性能检测设备该设备用于检测供油泵的供油压力、供油效率、密封性、供油均匀度等。要求价格低廉、操作简单且能够满足测试要求, 适用于大批量生产使用。
(2) 喷油器总成性能检测设备该设备用于喷油器总成装配后对每个喷油器的几个主要工况点做喷油量测试, 还要对喷油器的回油量、开启压力做测试, 测试时要能够显示测试的条件, 如轨压、转速、温度以及测试的结果等。要求价格低廉、操作简单且能够满足测试要求, 测试效率高, 适用于大批量生产使用的设备。
(3) 共轨管总成性能检测设备共轨管上装有多个限流器和一个限压阀, 该设备要检测的性能项目包括:限流器关闭流量偏差, 限压阀开启和关闭压力, 总成在160MPa以上高压密封性等。要求价格低廉、操作简单且能够满足单独限流器、限压阀、共轨管测试要求又能满足共轨管总成测试要求, 适用于大批量生产使用。
(4) 喷油器总成不解体清洁度检测设备喷油器总成清洁度要求为杂质总重量小于1mg, 目前还没有相应的清洁度取样设备。该设备要求为可以模拟喷油器工作情况下的清洁度取样, 而且适用于大批量生产使用检测。
加速创新体系建设
