柴油机电控喷油系统虚拟制造的研究园林石雕调压器望远镜螺帽集电环

柴油机电控喷油系统虚拟制造的研究

摘要：在集成统一的环境下，应用虚拟现实技术、人工智能技术和工程数据库技术等，运用虚拟制造的理论，建立了电控喷油系统虚拟制造的框架，提出了其主模型技术和综合可视化技术等关键技术并进行了研究，电控喷油系统虚拟制造的原型系统已部分实现。

关键词：柴油机；电控喷油；虚拟制造

1引言

在柴油机领域中，为了降低各种排放，以满足逐年严格的有关环境保护的排放法规要求及包括油耗在内的各种用户要求，因此对喷油系统提出了更高的期望。喷油系统应用电控技术，通过控制喷油量、喷油正时、喷射速率和喷射压力，能够有效地实现柴油机全工况范围的性能最优化，因此成为世界范围内柴油机领域的研究热点［1］。随着各大柴油机制造商和喷油系统制造商的不断努力，进入90年代中期，带有电控喷射的柴油机已有成品上市。虽然到目前为止在柴油机市场上装有电控喷射系统的柴油灭菌设备机还不是主流产品，但在车用小型柴油机方面，尤其是在轿车领域，新型柴油机无一例外地都使用了电控喷油技术。

现代柴油机燃油喷射系统的发展方向是提高喷射速率、缩短喷油持续期和提高喷射压力［2］，如果应用电控技术组成电控喷油系统，就可以有效地消除二次喷射等喷射不稳定的情况。但是由于喷油系统内部参数多，耦合性强，优化匹配难度大，中间状态参数很难通过实验采集，而且电控喷油系统的控制和执行部件精度要求高，如果对柴油机电控喷油系统的研究主要依靠实验进行，就需要大量的实验反复修正，因此实验难度大，成本高，研究设计周期长；另外，电控喷油系统实验研究的设计阶段容易与产品化脱节，这些因素都使柴油机电控喷油技术的进一步发展受到很大的限制，因此，将虚拟制造技术应用于柴油机电控喷油系统的设计、开发与制造很有必要。

2虚拟制造

虚拟制造是以计算机仿真、建模技术和并行工程技术为支持，利用计算机设计虚拟产品模型，在产品的实际加工之前对产品的性能、可制造性进行评价，同时对生产的全过程进行仿真，以达到产品生产的最优目标。虚拟制造不消耗资源和能量，只是模拟产品的设计、开发与生产过程，其目的是尽量降低产品的成本，缩短产品的研制周期，提高产品的质量和寿命［3］。

虚拟制造技术的应用研究虽然刚刚起步，却已经有了一些成功的应用，展现了巨大的经济效益和美好的前景。在美国，采用虚拟制造技术成功地设计了波音777飞机，飞机的整体及其300万个零件，从设计到加工完全实现了无图纸化，利用建立逼真的虚拟三维实体模型对飞机的各种性能进行分析、模拟，因而缩短了数千小时的工作量并节省了大量经费［4］。福特、通用等汽车公司都成功地运用了部分虚拟制造技术，设计发动机、车体、电气线路等，建立了三维实体模型并进行了碰撞分析和运动特性分析等，还进行了模拟数控加工和质量检查等，大大缩短了设计周期，降低了设计成本［5］。在国内，北京科学研究院把虚拟制造技术应用于立体车库设计，初步实现直观地布局、参数化设计分析和运动模拟［6］。

3柴油机电控喷油系统

柴油机电控喷油系统主要有两种形式［7］：共轨式和泵喷嘴式。共轨式喷油系统具有高度的灵活性，能够在各种工况下自由选定喷射压力，并且可以在很大程度上自由确定预喷射、主喷射和后喷射参数，是小型车用发动机的理想选择。其代表是德国的卡特匹勒(Caterpillar)公司、日本的电装(Nippondenso)公司、德国的罗伯特.波许(Robert Bosch)公司等开发的小型车用柴油机电控喷油系统。高压泵喷嘴式喷油系统可以自由调节喷射定时，喷射压力高，但是对于转速有较大的依赖，适合与较大型的柴油机匹配。其代表是英国的卢卡斯(Lucas)公司载重车用柴油机喷油系统，美国GE公司开发的机车柴油机电控喷油系统等。各公司的电控喷油系统的形式虽然不同，但其基本构成大致相同。卡特匹勒公司的HEUI系统原理图如图1所示。柴油机电控喷油系统的结构主要包括：油泵(含燃油泵和机油泵)、喷油器(含增压装置)、油管及附属装置(含滤清器、油轨等必备部件)、高速开关阀和电控组件等。

图1卡特匹勒公司的HEUI系统原理图

4电控喷油系统虚拟制造的研究

虚拟制造是多种学科的交叉和多种高新技术的融合，其理论基础和体系还没有完全成熟［8］。根据电控喷油系统的特点，在集成的环境下，应用国内外虚拟制造的研究成果，以工程数据库技术、人工智能技术、虚拟现实技术等为手段，建立了柴油机电控喷油系统的虚拟制造框架结构，提出并研究了其中的关键技术。

4.1电控喷油系统虚拟制造框架的研究

虚拟制造是实际制造在虚拟环境下的映射。按照权限实际制造大致可以分为三层，即目标决策层、产品决策层和生产决策层。相应地，虚拟制造也分为同样的三层。

目标决策层 根据用户需求、市场信息、排放法规、本企业的资源及技术条件等情况，作出生产电控喷油系统的种类、性能等决策。

产品决策层 根据上层所制定的电控喷油系统的种类、性能作出总体方案决策，并对其性能作出初步评价和成本初步预估。

生产决策层 根据上层决策和技术资源等实际情况，在计算机上作出产品设计、工艺规划、加工装配计划，并在计算机上实现制造过程，生产出数字产品，即虚拟电控喷油系统。通过对数字产品的形成过程进行分析，作出成本测算，让用户进行综合评价。各个步骤是在统一的环境下协同工作，以求整体最优。

电控喷油系统虚拟制造框架结构如图2所示。其中系统集成技术实现了虚拟制造的统一环境，系统仿真技术实现了各个过程和系统性能的模拟，虚拟现实技术实现了虚拟制造的可视化。

图2电控喷油系统虚拟制造框架结构

4.2柴油机电控喷油系统虚拟制造的关键技术

4.2.1虚拟环境下的主模型技术

主模型是一个核心，能够以此为中心通向设计、制造和生产管理等各个环节并为其提供服务，它具有统一的数据结构和分布式数据管理系统，能够并行地处理结构设计、性能分析、加工制造等诸多问题。

(1)参数化智能设计与分析

电控喷油系统复杂，结构设计内容较多，主要包括喷油器结构、高速开关阀结构、电控组件、油路及附属装置结构、系统总体集成结构等。参数化智能设计是以特征建模为基础，即存入特征库的每一种特征都由唯一决定该特征的参数集描述，这样便于设计、修改，大大提高了设计效率和精度。由于电控喷油系统中的许多部件都在高压、高速的状态下运动，并有高频撞击，因此结构设计必须结合动态特性和强度分析；同时，结构设计和性能分析过程能够相互关联，便于信息交换。

(2)制定数字化工艺

由于柴油机气缸数目多，而且燃烧要求精确，因此对于每个气缸的喷油正时、喷油量、喷油速率和喷油压力都要严格控制。电控喷油系统精密部件(如高速开关阀、喷油器执行部件以及关键的连接部件等)的加工精度对喷油的准确性影响很大。制定数字化工艺过程不仅能够根据零件数字模型生成加工工艺，而且能够对加工工艺进行评价，对零件数字模型提出修改建议。

(3)电控组件软硬件的虚拟实现和控制策略制定

柴油机电控喷油技术是面向日益严格的排放法规、燃烧经济性、负荷响应特性等。控制精度的控制策略直接影响电控喷油系统的性能，确定不同的控制策略使用复合多层材料组织以后可以满足用户的不同要求。