一種等壓供油凸輪型線參數化設計方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于發動機設計領域，具體涉及一種等壓供油凸輪型線參數化設計方法。【背景技術】
[0002] 電控單體栗高壓噴射燃油系統，作為第三代脈動式電控噴油系統，其供油規律主 要受供油凸輪型線影響。在供油系統結構參數一定的條件下，其充油過程、建壓過程以及噴 射過程的性能表現都與供油凸輪型線的合理匹配存在直接關系。
[0003] 現有的電控單體栗供油系統廣泛采用切線一升速凸輪，該凸輪型線的特點是隨著 供油持續期的增加，供油速率也在不斷增加，供油峰值壓力不斷上升。近年來等速凸輪越 來越被青睞，其凸輪型線的工作特點是隨著供油持續期增加，凸輪速度不發生變化，但由于 整個噴油過程中噴油栗的供油能力一直大于噴油器的噴油能力，因此造成噴油壓力持續上 升。同時，為了保證在較小持續期下具有足夠的供油峰值壓力，凸輪轉速亦不能設計得過 低，而較高的凸輪轉速容易造成在較大持續期下過高的供油峰值壓力，因此為了保證峰值 壓力不超過許用壓力，又必然會限制循環供油量，進而降低發動機輸出轉矩。同時，傳統的 供油凸輪型線設計方法參數繁多，且計算方程復雜，而其主要設計目的更多的是滿足于動 力學以及加工工藝性能，并未充分考慮到供油系統以及柴油機本身的性能要求，由此導致 凸輪型線與供油系統的匹配問題并最終影響整機性能。
[0004] 因此供油凸輪型線的設計需在保證動力學和加工工藝要求的條件下，簡化設計過 程，同時實現隨供油持續期增加，供油壓力保持不變的等壓噴射特性，便能夠解決傳統供油 凸輪型線所帶來的問題。
【發明內容】
[0005] 有鑒于此，本發明提供了一種等壓供油凸輪型線參數化設計方法，能夠根據柴油 機對供油系統的性能要求，針對性的提出相應的設計準則，同時簡化設計過程，以實現設計 工況下的等壓噴射特性。
[0006] 實現本發明的具體方案如下：
[0007] 在進行供油凸輪型線設計時，主要按照如下步驟進行設計：
[0008] 步驟一：需要根據柴油機對供油系統的性能要求，針對性的提出相應的供油凸輪 型線設計準則；
[0009] 步驟二：確定符合設計準則要求的供油凸輪型線的加速度曲線形式；
[0010] 步驟三：建立加速度曲線的數學模型，對所述加速度曲線的數學模型積分獲得凸 輪相應型線的速度曲線的數學模型，對所述速度曲線的數學模型再次積分獲得升程曲線的 數學模型；并通過供油凸輪型線設計準則，獲得設計參數約束條件；
[0011] 步驟四：將加速度、速度以及升程曲線的連續性條件及所述約束條件代入所述凸 輪速度的數學模型和凸輪升程的數學模型，并引入加速度過渡段包角和物理沖擊常數，建 立凸輪型線各段包角與加速度過渡段包角之間的關系，基于所建立的關系和所述約束條件 通過調整最大正加速度和最大負速度之間的等壓噴射特性工作段加速度，最終獲得符合設 計要求的供油凸輪型線。進一步地，所述供油凸輪型線設計準則，包括：供油特性設計準則、 工作特性設計準則、可靠性設計準則和工藝性設計準則。
[0012] 進一步地，所述供油特性設計準則要求供油系統在低速時能夠產生高的供油壓 力，并在高速時限制壓力增加，同時隨著持續期增加，供油壓力保持不變的等壓供油特性； 所述工作特性設計準則要求供油凸輪在整個工作轉速范圍內不產生飛脫反跳現象，同時在 凸輪回程段工作平穩；所述可靠性設計準則要求減小凸輪與挺柱的接觸應力，同時凸輪型 線方程加速度連續；所述工藝性設計準則要求凸輪型線的設計需要符合現有的加工工藝條 件。
[0013] 進一步地，所述供油凸輪型線加速度曲線形式，獲得該加速度曲線的方法如下：
[0014] 第一步：在建壓過程中，凸輪運動，推動單體栗柱塞上升，從而建立起壓力，在限定 最大加速度Anax的條件下，使速度達到最大速度V
[0015] 第二步：當速度達到最大速度V_后，使整個噴油過程中供油能力等于噴油能力， 噴射過程實現隨噴油持續期增加，凸輪速度持續減低；
[0016] 第三步：泄壓過程與建壓過程類似，在限定最大負加速度六_的條件下，采用矩形 方式，使泄壓過程達到最大負速度￥_最短；
[0017]第四步：當吸油過程結束后，凸輪回到升程起點；
[0018]第五步：對各段加速度采用三角函數曲線進行過渡連接，最終獲得供油凸輪型線 加速度曲線。
[0019] 進一步地，所述供油凸輪型線設計準則適用于電控單體栗供油系統。
[0020] 進一步地，發動機轉速的最高轉速取2500r/min，低于最高轉速的60%為低速，在 最高轉速的60%~80%區間為中速，高于最高轉速的80%為高速。
[0021] 有益效果：
[0022] (1)由于本發明在滿足動力學及加工工藝性能的要求下，充分考慮到供油系統以 及柴油機本身的性能要求，所以本發明設計的凸輪型線與供油系統能夠實現較好的匹配， 最終良好地發揮了整機性能。
[0023] (2)由于本發明在設計供油凸輪型線時，滿足了動力學和加工工藝要求，簡化設計 過程，同時實現了隨供油持續期增加，供油壓力保持不變的等壓噴射特性，所以能夠解決傳 統供油凸輪型線所帶來的問題。
[0024] (3)本發明較大程度地簡化了凸輪型線設計過程，主要針對加速度曲線，通過對加 速度數學模型兩次積分獲得升程曲線的數學模型，并通過解析該數學模型，將復雜的凸輪 型線提煉為幾個關鍵的設計參數。因此，本發明只需給出設計參數的具體數值，便可獲得凸 輪型線的設計。
【附圖說明】
[0025] 圖1為供油凸輪型線設計準則；
[0026] 圖2為供油凸輪型線加速度理想曲線；
[0027] 圖3為符合設計準則要求的供油凸輪型線加速度曲線；
[0028] 圖4為經過數學解析求得的供油凸輪型線速度曲線；
[0029] 圖5為經過數學解析求得的供油凸輪型線升程曲線；
[0030] 圖6為調整凸輪工作段加速度噴射壓力性能預測曲線；
[0031] 圖7為滿足設計要求的等壓噴射壓力性能預測曲線；
[0032] 圖8為原凸輪與新凸輪在設計轉速下噴油量性能對比；
[0033] 圖9為原凸輪與新凸輪在設計轉速下噴油峰值壓力性能對比。
[0034] 其中，a-供油凸輪加速度曲線，A_-最大正加速度，Aa_工作段加速度，A_-最大 負加速度，Ab-回程段最大正加速度，9。~Θ3-各加速度過渡段包角，pF1B-各段型 線包角點相位，V-供油凸輪速度曲線，V_-最大正速度，V_-最負速度，h-供油凸輪升程曲 線，H-最大升程。
【具體實施方式】
[0035] 下面結合附圖并舉實施例，對本發明進行詳細描述。
[0036]本發明提供了一種等壓供油凸輪型線參數化設計方法，在進行供油凸輪型線設計 時，首先要根據柴油機對供油系統的性能要求，提出相應的設計準則。
[0037] 如圖1所示，設計準則包括供油特性設計準則、工作特性設計準則、可靠性設計準 則以及工藝性設計準則。其中供油特性設計準則要求供油系統在低速時能夠產生較高的供 油壓力，并在高速時限制壓力增加，同時隨著持續期增加，供油壓力保持不變的等壓供油特 性；工作特性設計準則要求供油凸輪在整個工作轉速范圍內不產生飛脫反跳現象，同時在 凸輪回程段（即吸油過程）工作平穩，避免吸空和氣穴生成；可靠性設計準則要求盡量減小 與挺柱的接觸應力，同時凸輪型線方程加速度連續，避免由于階躍突變所帶來的沖擊問題； 工藝性設計準則要求凸輪型線的設計需要符合現有的加工工藝條件。
[0038] 圖2所示為供油凸輪型線加速度理想曲線形式，得到該加速度曲線的過程如下： 在建壓過程中，凸輪運動，推動單體栗柱塞上升，從而建立壓力，其中速度增加的越快，建壓 時間就越短，圖2中加速度的面積（即積分）為速度，由于接觸應力的限制，在限定最大加 速度A_的條件下，矩形面積最大，即最大速度V_最大，這意味著供油系統所產生的峰值 壓力越大；當系統達到峰值壓力后，為了實現等壓方式供油，需要整個噴油過程中供油能力 等于噴油能力，而切線凸輪及等速凸輪均不能實現等壓方式噴射，因此噴射過程需要實現 隨噴油持續期增加，凸輪速度不斷減低，即加速度小于零的方式，而采用矩形方式是一種最 簡便的設計方法；泄壓過程與建壓過程類似，速度降低的越快，泄壓時間越短，而為防止凸 輪與滾輪發生飛脫和吸油過程所產生的氣穴，在限定最大負加速度A_的條件下，采用矩形 方式，使得其達到最大負速度V_較短；當吸油過程結束后，凸輪回到升程起點。
[0039] 理想的加速度曲線雖然難以應用于實際中，但其基本設計構思相同，即在包角最 小（即時間最短）的條件下達到相應的加速度極值。而理想的加速度曲線不能應用于實際 中的原因是因為其加速度并不連續，由此導致加速度導數（即沖擊）無窮大，因此實際設計 中，解決方法是理想加速度曲線各加速度極值段采用三角函數連接過渡，這樣做有兩方面 的好處：一方面是采用三角函數過渡，與加速度極值所包圍的面積是除矩形外最大的，這也 意味著能夠最快達到極值點；另一方面是三角函數的泰勒展開式為無限次函數，這意味著 加速度導數可以實現平滑過渡，沖擊最小。圖3為符合設計準則要求的供油凸輪型線加速 度曲線。由于各段加速度過渡處為矩形尖角，導致該點處不可導，因此對各段加速度采用三 角函數曲線進行過渡連接，可減小各凸輪段沖擊應力，并實現加速度曲線連續且各點可導。
[0040] 實施例1 :
[0041]供油凸輪型線各設計參數需滿足如下約束條件L(x)，如式（1)所示：
[0042]
[0043] 由式⑴所示的約束條件中，[A_]為許用的最大正加速度山為最大正加速度A_ 約束，此值過大會導致凸輪機構受力過大，在設計時必須限制該值，此約束條件由可靠性設 計準則獲得山 2為最大負加速度A_約束，為了防止凸輪與滾輪飛脫，負加速度產生的慣性 力必須小于彈簧作用力與運動件重力之和，此約束條件由工作特性設計準則獲得，[A_]為 許用的最大負加速度山3為峰值供