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柴油機電控噴油系統虛擬制造的研究

注意:本文已經在《組合機床與自動化加工》(2000,1:22~24)雜志發表
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吳迪 高希彥 王光興

摘 要:在集成統一的環境下,應用虛擬現實技術、人工智能技術和工程數據庫技術等,運用虛擬制造的理論,建立了電控噴油系統虛擬制造的框架,提出了其主模型技術和綜合可視化技術等關鍵技術并進行了研究,電控噴油系統虛擬制造的原型系統已部分實現。
關鍵詞:柴油機;電控噴油;虛擬制造
中圖分類號:TK421.42  文獻標識碼:A
文章編號:1001-2265(2000) 01-0022-03

The research on virtual manufacturing of diesel engine electronic control injection system

Wu Di Gao Xiyan Wang Guangxing

AbstractUnder an integration environment a frame of the electroinc control injection system virtual manufacturing is biult,which applying the technology of virtual reality,artificial intelligence,engineering database based on virtual manufacturing theory.Some key technology of it is also described and studied,including main model and vi.A prototype of the electronic control injection virtual manufacturing is implemented partially.
Key words
diesel engine;electronic control injection;virtual manufacturing.

1 引言

  在柴油機領域中,為了降低各種排放,以滿足逐年嚴格的有關環境保護的排放法規要求及包括油耗在內的各種用戶要求,因此對噴油系統提出了更高的期望。噴油系統應用電控技術,通過控制噴油量、噴油正時、噴射速率和噴射壓力,能夠有效地實現柴油機全工況范圍的性能最優化,因此成為世界范圍內柴油機領域的研究熱點[1]。隨著各大柴油機制造商和噴油系統制造商的不斷努力,進入90年代中期,帶有電控噴射的柴油機已有成品上市。雖然到目前為止在柴油機市場上裝有電控噴射系統的柴油機還不是主流產品,但在車用小型柴油機方面,尤其是在轎車領域,新型柴油機無一例外地都使用了電控噴油技術。
  現代柴油機燃油噴射系統的發展方向是提高噴射速率、縮短噴油持續期和提高噴射壓力[2],如果應用電控技術組成電控噴油系統,就可以有效地消除二次噴射等噴射不穩定的情況。但是由于噴油系統內部參數多,耦合性強,優化匹配難度大,中間狀態參數很難通過實驗采集,而且電控噴油系統的控制和執行部件精度要求高,如果對柴油機電控噴油系統的研究主要依靠實驗進行,就需要大量的實驗反復修正,因此實驗難度大,成本高,研究設計周期長;另外,電控噴油系統實驗研究的設計階段容易與產品化脫節,這些因素都使柴油機電控噴油技術的進一步發展受到很大的限制,因此,將虛擬制造技術應用于柴油機電控噴油系統的設計、開發與制造很有必要。

2 虛擬制造

  虛擬制造是以計算機仿真、建模技術和并行工程技術為支持,利用計算機設計虛擬產品模型,在產品的實際加工之前對產品的性能、可制造性進行評價,同時對生產的全過程進行仿真,以達到產品生產的最優目標。虛擬制造不消耗資源和能量,只是模擬產品的設計、開發與生產過程,其目的是盡量降低產品的成本,縮短產品的研制周期,提高產品的質量和壽命[3]
  虛擬制造技術的應用研究雖然剛剛起步,卻已經有了一些成功的應用,展現了巨大的經濟效益和美好的前景。在美國,采用虛擬制造技術成功地設計了波音777飛機,飛機的整體及其300萬個零件,從設計到加工完全實現了無圖紙化,利用建立逼真的虛擬三維實體模型對飛機的各種性能進行分析、模擬,因而縮短了數千小時的工作量并節省了大量經費[4]。福特、通用等汽車公司都成功地運用了部分虛擬制造技術,設計發動機、車體、電氣線路等,建立了三維實體模型并進行了碰撞分析和運動特性分析等,還進行了模擬數控加工和質量檢查等,大大縮短了設計周期,降低了設計成本[5]。在國內,北京科學研究院把虛擬制造技術應用于立體車庫設計,初步實現直觀地布局、參數化設計分析和運動模擬[6]

3 柴油機電控噴油系統

  柴油機電控噴油系統主要有兩種形式[7]:共軌式和泵噴嘴式。共軌式噴油系統具有高度的靈活性,能夠在各種工況下自由選定噴射壓力,并且可以在很大程度上自由確定預噴射、主噴射和后噴射參數,是小型車用發動機的理想選擇。其代表是德國的卡特匹勒(Caterpillar)公司、日本的電裝(Nippondenso)公司、德國的羅伯特.波許(Robert Bosch)公司等開發的小型車用柴油機電控噴油系統。高壓泵噴嘴式噴油系統可以自由調節噴射定時,噴射壓力高,但是對于轉速有較大的依賴,適合與較大型的柴油機匹配。其代表是英國的盧卡斯(Lucas)公司載重車用柴油機噴油系統,美國GE公司開發的機車柴油機電控噴油系統等。各公司的電控噴油系統的形式雖然不同,但其基本構成大致相同。卡特匹勒公司的HEUI系統原理圖如圖1所示。柴油機電控噴油系統的結構主要包括:油泵(含燃油泵和機油泵)、噴油器(含增壓裝置)、油管及附屬裝置(含濾清器、油軌等必備部件)、高速開關閥和電控組件等。

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圖1 卡特匹勒公司的HEUI系統原理圖

4 電控噴油系統虛擬制造的研究

  虛擬制造是多種學科的交叉和多種高新技術的融合,其理論基礎和體系還沒有完全成熟[8]。根據電控噴油系統的特點,在集成的環境下,應用國內外虛擬制造的研究成果,以工程數據庫技術、人工智能技術、虛擬現實技術等為手段,建立了柴油機電控噴油系統的虛擬制造框架結構,提出并研究了其中的關鍵技術。
4.1 電控噴油系統虛擬制造框架的研究
  虛擬制造是實際制造在虛擬環境下的映射。按照權限實際制造大致可以分為三層,即目標決策層、產品決策層和生產決策層。相應地,虛擬制造也分為同樣的三層。
  目標決策層 根據用戶需求、市場信息、排放法規、本企業的資源及技術條件等情況,作出生產電控噴油系統的種類、性能等決策。
  產品決策層 根據上層所制定的電控噴油系統的種類、性能作出總體方案決策,并對其性能作出初步評價和成本初步預估。
  生產決策層 根據上層決策和技術資源等實際情況,在計算機上作出產品設計、工藝規劃、加工裝配計劃,并在計算機上實現制造過程,生產出數字產品,即虛擬電控噴油系統。通過對數字產品的形成過程進行分析,作出成本測算,讓用戶進行綜合評價。各個步驟是在統一的環境下協同工作,以求整體最優。
  電控噴油系統虛擬制造框架結構如圖2所示。其中系統集成技術實現了虛擬制造的統一環境,系統仿真技術實現了各個過程和系統性能的模擬,虛擬現實技術實現了虛擬制造的可視化。

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圖2 電控噴油系統虛擬制造框架結構

4.2 柴油機電控噴油系統虛擬制造的關鍵技術
4.2.1 虛擬環境下的主模型技術
  主模型是一個核心,能夠以此為中心通向設計、制造和生產管理等各個環節并為其提供服務,它具有統一的數據結構和分布式數據管理系統,能夠并行地處理結構設計、性能分析、加工制造等諸多問題。
  (1)參數化智能設計與分析
  電控噴油系統復雜,結構設計內容較多,主要包括噴油器結構、高速開關閥結構、電控組件、油路及附屬裝置結構、系統總體集成結構等。參數化智能設計是以特征建模為基礎,即存入特征庫的每一種特征都由唯一決定該特征的參數集描述,這樣便于設計、修改,大大提高了設計效率和精度。由于電控噴油系統中的許多部件都在高壓、高速的狀態下運動,并有高頻撞擊,因此結構設計必須結合動態特性和強度分析;同時,結構設計和性能分析過程能夠相互關聯,便于信息交換。
  (2)制定數字化工藝
  由于柴油機氣缸數目多,而且燃燒要求精確,因此對于每個氣缸的噴油正時、噴油量、噴油速率和噴油壓力都要嚴格控制。電控噴油系統精密部件(如高速開關閥、噴油器執行部件以及關鍵的連接部件等)的加工精度對噴油的準確性影響很大。制定數字化工藝過程不僅能夠根據零件數字模型生成加工工藝,而且能夠對加工工藝進行評價,對零件數字模型提出修改建議。
  (3)電控組件軟硬件的虛擬實現和控制策略制定
  柴油機電控噴油技術是面向日益嚴格的排放法規、燃燒經濟性、負荷響應特性等。控制精度的控制策略直接影響電控噴油系統的性能,確定不同的控制策略可以滿足用戶的不同要求。
  (4)系統分段集成和系統總體集成特性模擬
  采用計算流體力學、運動學、動力學分析模型對系統各種性能進行模擬、分析,包括所有部件的動態特性、油路中燃油的流量和油壓與控制策略的關系、供油規律等,以使系統能夠充分地面向最優的設計目標。
4.2.2 綜合可視化技術
  (1)設計分析的可視化
  實現設計分析的可視化,對于所設計的部件和系統能夠在計算機上實現三維實體模型。在強度特性分析時,能夠實現諸如可視的有限元網絡模型和等效應力分布圖。在動態特性分析時,能夠在計算機上實現部件的實時運動。
  (2)加工過程的可視化
  實現加工過程的可視化,能夠有效地檢驗加工工藝,其中主要包括:①刀具路徑仿真,即建立工件、刀具、夾具的三維實體模型,使刀具沿著由工藝確定的軌跡切削,以檢驗是否存在干涉等不可加工的情況;②實時計算切削力及其引起的加工系統變形、震顫等,動態生成數據圖形,評估工藝參數的合理性。
  (3)裝配過程的可視化
  實現各部件裝配過程的可視化,能夠直觀地檢測裝置過程中的干涉現象,以此檢驗系統和部件的結構設計。
  (4)電控信號的可視化
  根據不同的控制策略,制定相應的輸入信號,輸入電控系統,得到輸出信號。利用控制過程的信號數據圖形,能夠直觀地了解電控系統的工作過程,評估控制策略。
  (5)電控噴油系統工作過程可視化
  實現電控噴油系統的工作過程的可視化,就是動態實時模擬電控噴油系統工作的全過程,包括各執行部件的運動,燃油在油路中的流動及在噴油嘴處的噴射,電控信號的輸入、輸出等,這樣可以給設計者和用戶最直觀的感受,便于對系統進行研究和評價。

4 結論

  柴油機電控噴油系統結構復雜,執行部件加工精度要求高,控制難度大,因此在開發制造的過程中應用虛擬制造技術,運用軟件對設計和制造的全過程進行仿真模擬,使系統在設計階段就面向最優化的目標,面向加工、裝配,面向用戶。能夠使設計、開發研制和生產的周期大大縮短,使成本盡可能降低。目前,電控噴油系統虛擬制造的原型系統已經部分實現。■

作者簡介:吳迪(1972-)男,遼寧大連人,大連理工大學內燃機研究所博士生。
作者單位:吳迪(大連理工大學 內燃機研究所,遼寧 大連 116023) 
     高希彥(大連理工大學 內燃機研究所,遼寧 大連 116023)
     王光興(東北大學 信息學院,遼寧 沈陽 110006)

參考文獻:

[1]翁祖亮.內燃機產業關鍵技術分析.內燃機工程,1999,20(2):1~9
[2]喬信起,宋有臣,高希彥,陳家驊.高速柴油機噴油過程的測試研究.內燃機工程,1995,16(2):73~78
[3]姚健,嚴雋琪等.虛擬制造的關鍵技術研究.機械工業自動化,1998,20(3):1~4
[4]張申生.擬實制造與現代仿真技術.系統仿真學報,1995,7(3):18~22
[5]潘盛興.計算機在法國美國汽車制造業中的應用.汽車工業研究,1996(1):45~48
[6]陳曉川等.
虛擬制造技術研究概況綜述.機械制造,1998(12):8~10
[7](美)Bunting A.柴油機電控噴油系統新進展.國外內燃機,1998,30(2):40~43
[8]袁清珂,趙汝嘉.虛擬制造系統.中國機械工程,1995,6(4):10~12

(編輯 王紹鈺)

收稿日期:1999-11-01

 


站長點評:

此文是虛擬制造在內燃機研究中的具體應用,這是本文的創新之處。2001.

 

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