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        直噴發(fā)動機轉(zhuǎn)速波動問題的研究

        2021-09-23 09:45:32張少華范慶先黃玉卓
        汽車實用技術(shù) 2021年17期
        關(guān)鍵詞:軌壓針閥噴油量

        張少華,王 博,王 鵬,范慶先,黃玉卓,孫 蕭

        (寧波吉利羅佑發(fā)動機零部件有限公司,浙江 寧波 315336)

        引言

        隨著排放法規(guī)的加嚴(yán),用戶對動力性要求提升,現(xiàn)階段直噴增壓發(fā)動機已成為市場的主流,各整車廠普遍研發(fā)基于高軌壓的燃油導(dǎo)軌發(fā)動機,對于現(xiàn)階段已經(jīng)上市的發(fā)動機中,沃爾沃第三代發(fā)動機將燃油導(dǎo)軌的軌壓提升至45 MPa。本文討論一款35 MPa的燃油導(dǎo)軌總成導(dǎo)致的發(fā)動機轉(zhuǎn)速波動問題及解決方案。

        1 發(fā)動機轉(zhuǎn)速波動的現(xiàn)象

        故障現(xiàn)象是新車首次下線后,熱車怠速出現(xiàn)了周期性的轉(zhuǎn)速波動現(xiàn)象,轉(zhuǎn)速波動的形狀為類似正弦波,同時在機艙外可以聽到“嗚嗚”的不平順的運轉(zhuǎn),采用設(shè)備進(jìn)行測量,轉(zhuǎn)速波動約在±30 rpm左右,如圖1,此時采用診斷設(shè)備讀取發(fā)動機ECU相關(guān)運行參數(shù),發(fā)動機節(jié)氣門開度,供油軌壓,目標(biāo)噴油量等均呈現(xiàn)與發(fā)動機轉(zhuǎn)速波動相對應(yīng)的波動現(xiàn)象,當(dāng)打開空調(diào)后,發(fā)動機負(fù)荷增加,轉(zhuǎn)速波動現(xiàn)象消失,本文主要針對此問題進(jìn)行解析。

        圖1 發(fā)動機轉(zhuǎn)速波動圖

        2 發(fā)動機轉(zhuǎn)速波動的機理

        發(fā)動機轉(zhuǎn)速是指汽缸內(nèi)混合氣燃燒的變化,引起各汽缸功率輸出不平衡,導(dǎo)致各活塞在做功行程時的作用力不均勻作用在曲軸上,導(dǎo)致曲軸系統(tǒng)角速度的周期性變化,從而產(chǎn)生發(fā)動機轉(zhuǎn)速波動。

        3 發(fā)動機轉(zhuǎn)速波動的相關(guān)因素

        3.1 發(fā)電機發(fā)電工況

        當(dāng)車輛的蓄電池虧電時,智能發(fā)電機會介入工作,此時智能發(fā)電機給ECU輸入發(fā)電請求,會導(dǎo)致發(fā)動機扭矩補償發(fā)生變化,如果標(biāo)定不合理,發(fā)動機會產(chǎn)生周期性類似于正弦波的轉(zhuǎn)速波動現(xiàn)象,這種情況下一般需要通過ECU標(biāo)定進(jìn)行解決,標(biāo)定策略是將發(fā)動機扭矩補償速度變快或降低怠速控制PID的P項系數(shù)。對于此因素的排查方案,可直接將發(fā)動機的附件皮帶進(jìn)行拆除,使發(fā)電機不工作,以觀察是否仍然存在轉(zhuǎn)速波動。

        3.2 節(jié)氣門電磁干擾

        當(dāng)電子節(jié)氣門布置與發(fā)電機距離較小時,發(fā)電機發(fā)電時會產(chǎn)生空間磁場,對節(jié)氣門的芯片產(chǎn)生干擾,節(jié)氣門芯片依靠兩方向的磁場強度的比例變化計算出實際開啟角度,當(dāng)發(fā)電機產(chǎn)生的磁場強度改變了兩方向磁場強度比例時,節(jié)氣門芯片計算角度會發(fā)生偏差,從而導(dǎo)致節(jié)氣門開度發(fā)生變化,導(dǎo)致怠速轉(zhuǎn)速波動,對于此因素的排查方案,可以采用一塊0.5 mm~1 mm厚度的鐵皮將節(jié)氣門進(jìn)行包裹,以阻斷發(fā)電機磁場的影響,注意采用鋁箔是不可以的,因為鋁箔不能影響發(fā)電機的磁場。

        3.3 發(fā)動機缺缸

        當(dāng)出現(xiàn)發(fā)動機缺缸時,導(dǎo)致發(fā)動機缺缸一般從噴油器、火花塞、點火線圈、氣缸體缸內(nèi)密封性等四個方面進(jìn)行分析。

        對于噴油器,當(dāng)噴油器出現(xiàn)堵塞時,會導(dǎo)致噴油量減少,空燃比偏稀,缸內(nèi)混合氣不易燃燒,從而導(dǎo)致失火缺缸,可以通過診斷儀分析確定失火缸后,更換樣件驗證。

        對于火花塞,當(dāng)火花塞電極間隙偏大或者火花塞表面存在積碳時,會導(dǎo)致點火不良,產(chǎn)生隨機失火,導(dǎo)致轉(zhuǎn)速波動,可通過火花塞外觀與測量電極間隙的方法進(jìn)行分析排查。

        圖2 火花塞積碳

        對于點火線圈,當(dāng)點火線圈出現(xiàn)功能異常不點火或者點火線圈線束是否存在虛接不良,導(dǎo)致點火線圈間歇性點火,同樣會導(dǎo)致缺缸失火,發(fā)動機轉(zhuǎn)速波動,可以通過診斷儀分析確定失火缸后,更換樣件驗證。

        氣缸體缸內(nèi)密封性,當(dāng)出現(xiàn)活塞環(huán)斷裂,漏裝,或者氣門密封不嚴(yán)時,會導(dǎo)致缸內(nèi)壓縮壓力低,此時進(jìn)氣量減少,噴油過濃,混合氣無法燃燒,導(dǎo)致失火,對此可以通過缸壓表進(jìn)行缸壓檢測。

        3.4 碳罐控制閥低壓脫附介入工作

        碳罐是用來收集汽油箱內(nèi)燃油蒸氣的裝置,為防止燃油蒸氣揮發(fā)至大氣帶來污染,碳罐中的活性炭吸附并收集汽油箱內(nèi)的燃油蒸氣,通過碳罐電磁閥的控制送到進(jìn)氣歧管中,參與燃燒。當(dāng)碳罐電磁閥開啟關(guān)閉異常時,會存在燃油蒸氣隨機進(jìn)入進(jìn)氣歧管,此時參與燃燒的混合氣濃度發(fā)生變化,空燃比出現(xiàn)異常,會出現(xiàn)怠速不穩(wěn)定的現(xiàn)象。

        3.5 進(jìn)氣歧管漏氣

        當(dāng)進(jìn)氣歧管存在漏氣時,因為怠速工況時,進(jìn)氣歧管內(nèi)為負(fù)壓,這個壓差導(dǎo)致外部空氣進(jìn)入進(jìn)氣歧管,進(jìn)氣量增加,節(jié)氣門控制調(diào)節(jié)無法覆蓋時,會出現(xiàn)發(fā)動機轉(zhuǎn)速增加的現(xiàn)象。有一些車型,剎車助力是從進(jìn)氣歧管位置取負(fù)壓,通過單向閥來進(jìn)行控制,當(dāng)單向閥膜片出現(xiàn)漏氣時,也會導(dǎo)致轉(zhuǎn)速波動。

        3.6 怠速標(biāo)定不合理

        從怠速標(biāo)定的維度分析,發(fā)動機怠速PID控制,如怠速控制P項調(diào)節(jié)過大,會導(dǎo)致發(fā)動機怠速扭矩調(diào)節(jié)過快,從而進(jìn)入循環(huán)性的怠速波動。另外發(fā)動機怠速扭矩預(yù)留小,點火角調(diào)節(jié)的空間太小,也容易導(dǎo)致轉(zhuǎn)速波動現(xiàn)象。點火角設(shè)定不合理也會導(dǎo)致怠速不穩(wěn)。點火角過大,點火角上限容易被最優(yōu)點火角限制,導(dǎo)致怠速扭矩調(diào)節(jié)空間受限,點火角過小,發(fā)動機點火延遲,燃燒穩(wěn)定性差,也容易導(dǎo)致導(dǎo)致怠速不穩(wěn)定。

        另外就是關(guān)于發(fā)動機軌壓的設(shè)定,因噴油器的流量特性特點,對于怠速工況的進(jìn)氣量是固定的,因此噴油量需求是固定的,當(dāng)軌壓選擇的越大,噴油脈寬就越小,此時容易進(jìn)入噴油器的噴油脈寬的非線性區(qū),導(dǎo)致噴油量散差大,燃燒不穩(wěn)定,導(dǎo)致怠速波動大。

        4 本案例轉(zhuǎn)速波動的特點剖析

        4.1 故障方向鎖定

        針對以上因素對轉(zhuǎn)速波動進(jìn)行排查驗證,以上因素均排除,對于此案例有以下三個特點:

        (1)車輛首次下線時,冷車不存在異常,熱車至水溫高于90 ℃時可復(fù)現(xiàn)轉(zhuǎn)速正弦波動。

        (2)經(jīng)過車輛試車場運行一圈后,故障不復(fù)現(xiàn),隨后蓄電池斷電,再次啟動怠速熱車后可復(fù)現(xiàn)轉(zhuǎn)速正弦波動。

        (3)安排2臺車進(jìn)行交叉驗證,通過對調(diào)火花塞、罐控制閥、點火線圈抖動問題未改善。對調(diào)噴油器后故障排除,故障現(xiàn)象可以跟隨噴油器進(jìn)行轉(zhuǎn)移,因此鎖定此故障與噴油器相關(guān),接下來對噴油器進(jìn)一步剖析。

        4.2 噴油器結(jié)構(gòu)、原理

        噴油器主要由濾網(wǎng)、彈簧、線圈、回位彈簧、針閥組件、閥座等組成,噴油器不噴油時,彈簧通過銜鐵使針閥緊壓在閥座上,防止滴油,當(dāng)電磁線圈通電時,產(chǎn)生電磁力,將銜鐵吸起,并帶動針閥離開閥座,同時彈簧被壓縮,燃油進(jìn)過針閥并由軸針與噴口的環(huán)隙通過噴孔噴出。當(dāng)電磁線圈斷電時,電磁力消失,彈簧迅速使針閥關(guān)閉,噴油器停止噴油。主彈簧的彈力將針閥緊緊壓在閥座上,將燃油密封住,同時也阻擋了燃燒室的高溫氣體從噴孔進(jìn)入噴油器。

        圖3 噴油器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

        4.3 故障噴油器功能測試

        目前故障現(xiàn)象鎖定與噴油器強相關(guān),安排將噴油器進(jìn)行返廠檢測,識別噴油器的重要參數(shù)為噴油器靜態(tài)流量,動態(tài)CVO流量,泄漏量等,返廠檢測結(jié)果均合格,見表1。

        表1 4支噴油器檢測結(jié)果

        4.4 噴油器特性說明

        對于噴油器流量,分為3個區(qū)間,即彈道區(qū),過渡區(qū),線性區(qū),見圖4。

        圖4 噴油器流量特性

        噴油器的流量是怎樣確定的呢?一般是基于發(fā)動機最大功率與扭矩所需求的噴油量決定的,對于功率指標(biāo)越高,噴油器的流量也就越大。但是對于怠速工況而言,因發(fā)動機不對外做功,因此所需求的噴油量是最小的,這時噴油脈寬容易落在彈道區(qū)或者過渡區(qū)。在噴油器的這兩個區(qū)域,噴油器的動態(tài)流量散差會比較大,易會出現(xiàn)噴油量的波動現(xiàn)象,結(jié)合怠速控制的PID調(diào)節(jié),容易產(chǎn)生正弦波的轉(zhuǎn)速波動。為解決這個問題,這里要引入噴油器CVO(Controlled Valve Opera -tion)自學(xué)習(xí)的概念。

        對于噴油器開發(fā)過程中,有一個重要的功能標(biāo)定是噴油器CVO自學(xué)習(xí)標(biāo)定,這是Bosch 開發(fā)的一種噴油器針閥控制策略,總體而言就是通過軟件策略計算出噴油器針閥開啟的實際持續(xù)時間,并根據(jù)目標(biāo)持續(xù)時間和實際持續(xù)時間的偏差對激勵時間進(jìn)行閉環(huán)修正,從而實現(xiàn)對噴油量的精確控制。

        對于35 MPa噴油器的CVO自學(xué)習(xí)過程,ECU標(biāo)定中會在不同軌壓進(jìn)行學(xué)習(xí)修正,涉及的軌壓為10 MPa,25 MPa,35 MPa這3個軌壓區(qū)間。分為3個燃油溫度點進(jìn)行修正,分別是?15 ℃,20 ℃,80 ℃,在其中一個溫度點修正的值會首先賦值于另外兩個溫度點,到達(dá)相應(yīng)溫度后,會繼續(xù)修正,以實現(xiàn)最佳控制。

        4.5 噴油器自學(xué)習(xí)條件

        這里的修正學(xué)習(xí)條件中有3個最為重要,一是燃油溫度到達(dá)設(shè)定值;二是需要車速大于一定值時,在約30 s時間內(nèi)學(xué)習(xí)完成,在怠速工況下無法完成噴油器的CVO學(xué)習(xí);三是需要停機后600 s進(jìn)行ECU存儲。

        4.6 故障原因

        經(jīng)調(diào)查故障車輛路試結(jié)束后,為避免車輛出現(xiàn)蓄電池虧電問題,駕駛員會斷開負(fù)極線,斷電后導(dǎo)致ECU未完成停機后600 s自學(xué)習(xí)導(dǎo)致熱機出現(xiàn)發(fā)動機轉(zhuǎn)速波動問題,這也是為什么會出現(xiàn)先前提到的經(jīng)過車輛試車場運行一圈后,故障不復(fù)現(xiàn),隨后蓄電池斷電,再次啟動怠速熱車后可復(fù)現(xiàn)轉(zhuǎn)速正弦波動。

        那為什么車輛在冷車狀態(tài)下不存在呢?是因為冷車情況下發(fā)動機摩擦阻力矩大,節(jié)氣門開度大,進(jìn)氣量多,此時噴油脈寬落在線性區(qū)間內(nèi)。隨著水溫升高,發(fā)動機摩擦阻力減小,進(jìn)氣量減小,所需的噴油量相應(yīng)減少,此時噴油脈寬逐步落入到過渡區(qū),因為新車下線沒有進(jìn)行噴油器CVO自學(xué)習(xí),因此也容易產(chǎn)生此現(xiàn)象。

        5 轉(zhuǎn)速波動改善方案實施、驗證

        在了解噴油器CVO特性之后,選取了3臺下線車輛進(jìn)行測試,當(dāng)車輛直接怠速時,存在轉(zhuǎn)速波動現(xiàn)象。然后至試車跑道運行2圈后,車輛熄火,保持蓄電池接線柱正常連接不下電,ECU進(jìn)行充分自學(xué)習(xí),故障消除。

        圖5 噴油器CVO學(xué)習(xí)后轉(zhuǎn)速波動

        那什么情況下需要進(jìn)行噴油器CVO自學(xué)習(xí)呢?當(dāng)更換噴油器,發(fā)動機總成,發(fā)動機ECU,發(fā)動機燃油導(dǎo)軌總成時,需要采用發(fā)動機標(biāo)定設(shè)備或者售后診斷儀進(jìn)行噴油器CVO自學(xué)習(xí)。

        6 總結(jié)

        通過對此問題的解決,加深了對噴油器特性的認(rèn)識,噴油器硬件的一致性可以通過軟件控制策略進(jìn)行彌補,通過軟硬件升級結(jié)合可以得出更適合噴油器的應(yīng)用方案。另外針對此問題也進(jìn)行了其他ECU的標(biāo)定嘗試工作,如增加發(fā)動機的儲備預(yù)留扭矩,增加進(jìn)氣量,也可以解決此問題,但是帶來的弊端是怠速的油耗增加,總體而言噴油器的CVO功能是最佳的解決方案。

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