一种用于两冲程缸内直喷重油发动机的电磁脉冲喷射泵及其
控制方法
技术领域
本发明属于发动机喷油系统相关领域,涉及发动机喷油系统中的喷油泵及其驱动电路,可用于发动机进气道喷射也可用于发动机缸内直喷系统,尤其适用于两冲程缸内直喷重油发动机喷油系统。
背景技术
发动机喷油系统直接决定发动机油气混合过程,从而直接影响发动机的燃烧品质,属于发动机核心部件。当前发动机喷油系统一般由包括燃油供给系统、高压油泵、高压油轨、喷油器、控制电路和回油通路,燃油经燃油供给系统输送到高压油泵,经过高压油泵加压后,由高压油轨输送至喷油器,由控制器的控制电路控制喷油器行为,按一定规律给发动机各缸喷入合适的燃油。上述喷油系统结构复杂,体积庞大,且高压油轨由于冷却不足常出现气阻现象,影响喷油质量,从而恶化发动机燃烧过程,使发动机的动力性能和排放性能大大降低。二冲程重油发动机以其体积小,质量轻的特点,广泛应用于航空领域。重油粘度较大,传统的喷油系统很难满足其雾化要求,喷油系统的喷油品质成为限制二冲程重油发动机性能的关键技术。
发明内容
针对上述问题,本发明提出一种高度集成的基于电磁脉冲喷射泵的一体化喷油系统,减少结构体积的同时,提高燃油雾化性能,同时缩短喷油循环周期,改善发动机燃烧品质,提高发动机性能。
本发明用于两冲程缸内直喷重油发动机的电磁脉冲喷射泵,包括驱动部分、柱塞部分与喷嘴部分;驱动部分、柱塞部分与喷嘴部分的壳体由后至前同轴固定,内部相通。驱动部分的壳体内部为低压油腔,驱动部分的壳体后端侧壁上开有与低压油腔相通的回油通道;柱塞部分壳体侧壁上开有供油通道,燃油经过供油通道进入,经过高压油腔供油通道进入高压油腔,经过回油通道流出,构成油路循环回路。
所述驱动部分内部同轴设置有铁芯,铁芯上套有可沿铁芯轴向往复运动的螺线管;螺线管上绕有螺线管绕组线圈,同时螺线管外设置有同轴相套的永磁体。
所述柱塞部分内部具有柱塞,柱塞与螺线管固定,可随螺线管一同运动。柱塞与柱塞部分的壳体前端设计的柱塞通道配合,沿柱塞通道移动;柱塞通过柱塞回位弹簧回位;柱塞前端端面上沿柱塞轴向设计有高压油腔供油通道。高压油腔供油通道包括柱塞前端面上沿柱塞轴向设计有轴向油道,与柱塞前端周向上设计的径向油道,径向油道与轴向油道连通。
当螺线管绕组线圈通正向电流时,螺线管受电磁场力的作用向下运动,克服柱塞回位弹簧的弹性力,带动柱塞下行,完成燃油的加压。
所述喷嘴部分内部设计有针阀通道,针阀通道内同轴设置有针阀;针阀由针阀回位弹簧控制回位;当喷嘴部分内部油压达到针阀开启值时,针阀下行,喷油开始。上述喷嘴部分的壳体前端周向上设计有旋流油道,同时在针阀前端设计有环形油槽;且在未喷油时,旋流油道与环形油槽连通,且与环形油槽相切燃油。
本发明用于两冲程缸内直喷重油发动机的电磁脉冲喷射泵,通过驱动控制电路控制一号与二号功率开关的通断时间控制喷油量;驱动控制电路具有由驾驶员启动的驱动控制电路开关;在螺线管绕组线圈断电时起续流作用的二极管,同时为电容器充电;分别保护一号与二号功率开关的保护电阻;以及接受ECU控制信号的控制信号输入通CH1和CH2,分别控制两个功率开关的通断。
上述驱动控制电路由DC-DC升压变换电路提供48V直流电压;DC-DC升压变换电路采用变频生压方式,具有由初级线圈和次级线圈构成的变压器系统;保护功率开关的保护电阻;防止储能电容向次级线圈放电的二极管;DC-DC升压变换电路输入电压为12V直流电压;由微控单元MCU采集输入电压检测信号和输出电压反馈信号,向功率开关输出控制脉冲信号,从而精确控制三号功率开关的通断时间,保证储能电容的充电速度,并且使得输出电压达到48V。
本发明用于两冲程缸内直喷重油发动机的电磁脉冲喷射泵的控制方法,采用正反向电流控制策略,具体如下:
a、发动机未启动,驱动控制电路开关关断,电磁脉冲喷射泵不工作。
b、发动机准备启动,接通驱动控制电路开关,电磁脉冲喷射泵进入待命状态。
c、发动机启动,ECU根据每次循环的喷油量需求计算功率开关导通时间T,向控制信号输入通道CH1输出持续期为T的高电平,一号功率开关导通,电磁脉冲喷射泵中螺线管绕组线圈正向通电,使螺线管受力向下运动,加压高压油腔内燃油,并在油压足够克复弹簧弹力时打开喷嘴,进行喷油;电磁脉冲喷射泵开始工作,喷油过程开始,持续直到喷油结束。
d、喷油过程结束,CH1电平变为低电平时,二号功率开关处于关闭状态,但螺线管绕组线圈续流作用,二极管自动正向导通,此时螺线管绕组线圈续流放电,螺线管绕组线圈对电容正向充电,螺线管绕组线圈电流快速下降。
e、螺线管绕组线圈电流为零时,ECU向CH2发送高电平,二号功率开关导通,螺线管绕组线圈106反向通电,电容对音圈电机反向放电开始;电流经过二号功率开关,并经保护电阻,流入螺线管绕组线圈,此时螺线管绕组线圈中电流方向所产生的电磁场与永磁场相反,产生吸力并配合针阀回位弹簧的弹力,加速针阀的上行,喷嘴迅速关闭,断油迅速;此时,CH2电平变为低电平,第二功率开关关断,整个喷射过程结束。
本发明的优点在于:
1、本发明电磁脉冲喷射泵,高度集成喷油泵与喷油器,使得喷油系统结构紧凑,为发动机结构布局提供空间。
2、本发明电磁脉冲喷射泵,采用由正反向电流控制策略驱动的音圈电机,增加喷射压力,缩短喷油周期,加快响应速度。
3、本发明电磁脉冲喷射泵,喷嘴部分采用高强度旋流油道设计,加强燃油雾化性能,产生高旋流喷雾,雾化效果明显提高,改善发动机燃烧品质,适合重油发动机应用。
4、本发明电磁脉冲喷射泵,采用DC-DC升压变换电路为音圈电机的驱动控制电路提供48V直流电压供电,加快音圈电机充电速度。
5、本发明电磁脉冲喷射泵,采用正反向电流控制音圈电机,加速针阀体回座运动。
6、本发明电磁脉冲喷射泵,由燃油循环提供冷却,防止气阻产生;
7、本发明电磁脉冲喷射泵,喷射压力超过4MPa,喷油循环周期低至6ms的目标实现,使得发动机最高转速突破10000rpm。
9本发明电磁脉冲喷射泵,增加周向4条高压油腔供油通道,保证燃油流量的充足,并且取消单向压力阀门的设计,减少零部件数目,增加系统可靠性。
附图说明
图1为本发明电磁脉冲喷射泵结构示意图;
图2为本发明电磁脉冲喷射泵B-B剖面图;
图3为本发明电磁脉冲喷射泵A-A剖面图;
图4为本发明电磁脉冲喷射泵的驱动控制电路原理图;
图5为本发明电磁脉冲喷射泵中DC-DC升压变换原理图。
图中:
1-驱动部分 2-柱塞部分 3-喷嘴部分
4-开关 5-续流二极管 6-电容器
7-保护电阻 8-二极管 9-储能电容
10-初级线圈 11-次级线圈 101-驱动部分壳体
102-铁芯 103-螺线管 104-永磁体
105-螺线管绕组线圈 106-回油通道 201-柱塞部分壳体
202-柱塞 203-柱塞回位弹簧 204-柱塞通道
205-轴向油道 206-径向油道 207-供油通道
301-喷嘴部分壳体 302-针阀 303-针阀回位弹簧
304-针阀通道 305-喷嘴 306-锥形口
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
本发明电磁脉冲喷射泵,包括驱动部分1、柱塞部分2与喷嘴部分3,如图1所示。驱动部分1包括驱动部分壳体101、铁芯102、螺线管103与永磁体104。柱塞部分2包括柱塞部分壳体201、柱塞202与柱塞回位弹簧203;喷嘴部分3包括喷嘴部分壳体301、针阀302与针阀回位弹簧303,如图1所示。
上述驱动部分壳体101、柱塞部分壳体201与喷嘴部分壳体301由后至前同轴通过螺纹副连接固定,内部相通,且由于驱动部分壳体101与柱塞部分壳体201内部燃油压力较低,无需特殊密封,仅需在接触表面涂敷密封胶即可;而喷嘴部分壳体301内部燃油压力较高,因此柱塞部分壳体201与喷嘴部分壳体301间通密封圈完成密封,为燃油加压提供必要条件。
所述驱动部分壳体101内部为低压油腔。驱动部分壳体101后端侧壁上开有与低压油腔相通的回油通道106。驱动部分壳体101内同轴安装铁芯102,铁芯102后段直径大于前段直径,后段端部固定于驱动部分壳体101后端面,前段作为导向轴,其上套有螺线管103,螺线管103可沿铁芯102轴向往复运动。螺线管103上绕有螺线管绕组线圈105,同时螺线管103外设置有同轴相套的永磁体104。永磁体104外圈与驱动部分壳体101内壁周向贴合,内圈与螺线管103间具有间隙。永磁体104后向位移通过驱动部分壳体101内壁上的台肩限制,永磁体104前向位移通过柱塞部分壳体201后端面限制;由此实现永磁体104在驱动部分壳体101内的定位。由此,通过螺线管103、螺线管绕组线圈105与永磁体104共同构成本发明电磁脉冲喷射泵的核心配件-音圈电机。上述螺线管绕组线圈105通过导线穿过螺线管103上设计有导线通道与回油通道106后,与驱动控制电路相连,由驱动控制电路对音圈电机进行驱动控制。
所述柱塞202与螺线管103同轴设置,位于柱塞部分壳体201内;柱塞202末端与螺线管103前端同轴相接,使柱塞202可随螺线管103一同运动。本发明中将柱塞202与螺线管103制成一体结构,从而使结构更加简单紧凑,减少配件数目。柱塞202前端与柱塞部分壳体201前端设计的柱塞通道204配合,可沿柱塞通道204移动。如图2所示,柱塞202前端端面上沿柱塞202轴向设计有轴向油道205,同时柱塞202前端周向上还均匀设计有四条径向油道206,四条径向油道206均与轴向油道205连通,共同构成高压油腔供油通道,采用上述设计的高压油腔供油通道,可保证柱塞202强度符合要求的情况下尽量增大燃油流量,从而保证发动机在高速运转的情况下,避免由于供油通道的数少而造成的燃油供应量不足的缺陷。上述柱塞202外套有柱塞回位弹簧203,柱塞回位弹簧203用于柱塞202的回位,其末端通过柱塞202末端设计的环形台肩限位,前端通过柱塞部分壳体201上设计的台肩结构限位。由音圈电机的原理可知,当螺线管绕组线圈105通正向电流时,螺线管103受电磁场力的作用向下运动,克服柱塞回位弹簧203的弹性力,带动柱塞202下行,完成燃油的加压。上述柱塞部分壳体101侧壁上开有供油通道207,燃油经过供油通道207进入电磁脉冲喷射泵,经过高压油腔供油通道进入高压油腔,经过回油通道106流出电磁脉冲喷射泵,构成本发明电磁脉冲喷射泵的油路循环回路,电磁脉冲喷射泵依赖此燃油循环进行冷却,防止气阻产生。
所述喷嘴部分壳体301内部为高压油腔。喷嘴部分壳体301内设计有针阀通道304,且该针阀通道304的前端与喷嘴部分壳体301前端面相通。针阀302同轴设置于针阀通道304内。针阀302末端套有针阀回位弹簧303,针阀回位弹簧303末端通过针阀302末端设计的台肩限位,前端通过针阀通道304末端端面限位;由针阀302和针阀回位弹簧304共同构成喷油执行机构,针阀302和针阀回位弹簧304的配合设计是喷射品质的关键,针阀回位弹簧304的弹性系数k可根据k=PS/h确定;其中,P为高压油腔内的燃油压力,S为针阀302顶部面积,h为针阀304的下行行程。当高压油腔内油压达到针阀开启值(4MPa)时,针阀17下行,喷油开始。针阀302前端设计有锥形结构喷嘴305,同时针阀通道304后端设计为锥形口306,且喷嘴305的锥角小于锥形口306的锥角,使得喷嘴305与针阀通道305的锥形面间形成线密封,加强密封效果。如图3所示,喷嘴部分壳体301前端周向上还均匀设计有四条旋流油道307,同时在针阀前端设计有环形油槽308;且在喷嘴305与针阀通道306间密封时,四条旋流油道307均与环形油槽308连通,且与环形油槽308相切,共同构成旋流通道,配合锥形结构喷嘴305,充分雾化高压燃油,提高喷油品质;且上述旋流油道307为四通道高旋流油道,进一步提高旋流速度。在电磁脉冲喷射泵增压时,喷油压力一般可超过4MPa,配合上述高旋流喷嘴305,燃油经过旋流油道307进入旋流油槽,最终由喷嘴305与锥形口之间喷入发动机汽缸,形成沿发动机汽缸轴线旋转的锥形喷雾,从而更好的实现燃油的雾化,尤其是粘度大重油雾化,从而改善油气混合,提高燃烧品质,改进发动机的动力、尤其是排放性能。
上述结构的电磁脉冲喷射泵,在进行燃油增压前,螺线管103连同柱塞202在柱塞回位弹簧203的作用下处于最末端,此时柱塞202前端端部位于柱塞通道204内,而柱塞202上的四条高压油腔供油通道206均与低压油腔连通。此时由于高压油腔14内经过前一个喷油循环压力降低,燃油在压力梯度的作用下,低压油腔内的燃油经高压油腔供油通道206与供油孔205加速涌入高压油腔,直到充满高压油腔。螺线管103上的线圈通入正向电流,在永磁体104产生的磁场中受向下的作用力,柱塞202开始前行,直到柱塞202前端完全进入到柱塞通道204内,此时高压油腔供油通道206完全关闭,增压行程开始。当柱塞202不断前行,高压油腔内燃油压力不断升高,直到达到设定的压力峰值,针阀302受高压燃油下压力,克服针阀回位弹簧303的作用力和高压燃油的反作用力前行,随即喷嘴305与锥形口306分离,喷油行程开始,高压油腔内的燃油由锥形口306喷出;且通过本发明中四条旋流油道307的结构设计,兼顾了喷嘴的结构强度和喷雾的旋流强度,并且具备良好的工艺性。旋流油道307配合环形油槽308和以及锥台结构的喷嘴305,在高压燃油的作用下,可以达到理想的喷油雾化质量,使得油气混合更加均匀,从而改善发动机的燃烧品质。
在喷油开始后,螺线管绕组线圈105继续正向通电,柱塞202还会继续下行一段距离以
维持喷油压力,保证喷油时间,进而保证喷油量的充足。在柱塞202抵达下止点前的某个时刻,螺线管103上的线圈断电,电流迅速下降,但由于此时线圈上尚有正向电流,柱塞202所受向下的作用力尚且大于柱塞回位弹簧203提供的向上的作用力和高压油腔内高压燃油反作用力的合力,柱塞202会继续下行直到抵达下止点。当螺线管103上的线圈中电流值小于一定程度时(尚不为负值),柱塞202所受柱塞回位弹簧203的作用力与高压油腔中高压燃油反作用力的合力大于电磁作用力,柱塞202上行。当螺线管103上的线圈中中电流为负值时,柱塞202加速上行,返回上止点,为下一个循环的燃油增压做准备。本发明电磁脉冲喷射泵一旦结构参数确定,则针阀302开启时间(也即喷油量)只与螺线管103上的线圈中电流波形相关,因此,本发明中通过驱动控制电路控制功率开关MOSFET1和MOSFET2的通断时间即可控制喷油量。
如图4所示,所述驱动控制电路,由驾驶员启动驱动控制电路开关4,续流二极管5可以在螺线管绕组线圈105突然断电时起续流作用,并为电容器6充电,两个保护电阻7保护MOSFET1和功率开关MOSFET2不被高压损坏。控制信号输入通CH1和CH2的控制信号直接取自发动机ECU,分别控制功率开关MOSFET1和功率开关MOSFET2的通断。
本发明采用正反向电流控制策略,控制音圈电机,增加喷射压力,加速针阀302的回位,缩短喷油周期,加快响应速度;具体如下:
1、发动机未启动,驱动控制电路开关4关断,电磁脉冲喷射泵不工作。
2、发动机准备启动,驾驶员手动接通驱动控制电路开关4,电磁脉冲喷射泵进入待命状态。
3、发动机启动,ECU根据每次循环的喷油量需求计算MOSFET1导通时间T,向控制信号输入通道CH1输出持续期为T的高电平,MOSFET1导通,电磁脉冲喷射泵中螺线管绕组线圈106正向通电,使得螺线管103受力向下运动,加压高压油腔内燃油,并在油压足够克复弹簧303弹力时打开喷嘴305,进行喷油;电磁脉冲喷射泵开始工作,喷油过程开始,持续直到喷油结束。
4、喷油过程结束,CH1电平变为低电平时,MOSFET2此时仍然关闭,但由于螺线管绕组线圈105续流作用,故线圈电位比电容正极电位高出0.7V时,二极管自动正向导通,此时螺线管绕组线圈105续流放电,螺线管绕组线圈106对电容正向充电,螺线管绕组线圈106电流快速下降。
5、螺线管绕组线圈106电流为零时,ECU向CH2发送高电平,MOSFET2导通,螺线管绕组线圈106反向通电,电容对音圈电机反向放电开始;电流经过功率开关MOSFET2,经保护电阻7,流入螺线管绕组线圈105,此时螺线管绕组线圈105中电流方向所产生的电磁场与永磁场相反,产生吸力并配合回位弹簧303的弹力,加速针阀302的上行,喷嘴305迅速关闭,断油迅速;此时,CH2电平变为低电平,功率开关MOSFET2关断,整个喷射过程结束,可以进行下次喷射过程。
由于采用音圈电机正反向电流的控制策略,发动机喷油循环周期可以降低至6ms,发动机最高转速由此可提升至10000rpm,这对于两冲程高速缸内直喷发动机是非常有利的。
一般车载电源都是直流12V低压系统供电,由于12V直流电压的限制,本发明采用前述的正反电流控制策略控制音圈电机,很难将燃油压力加压至4MPa以上,并且喷油循环周期也会超过6ms,为了解决这个问题,本发明还提出一种DC-DC升压变换电路,利用变频升压原理,精确控制储能电容的充电时间和输出电压Vo,提供48V直流电压供电给用来驱动音圈电机的驱动控制电路,加快音圈电机充电速度。具体如下:
DC-DC升压变换控制系统中,采用变频生压方式,如图5所示,由初级线圈10和次级线圈11构成变压器系统;保护电阻7保护功率开关MOSFET3不被击穿。输入电压Vi一般为车载12V直流电压;二极管8防止储能电容9向次级线圈放电。微控单元MCU采集输入电压检测信号和输出电压反馈信号,向功率开关MOSFET3输出控制脉冲信号,从而精确控制功率开关MOSFET3的通断时间,保证储能电容9的充电速度,并且使得输出电压Vo达到48V。
上述方法是变频高速的电容充电方法,可以满足发动机10000转左右的工作转速要求,也即在6ms之内实现对输出电容的恢复充电。