柴油机电控喷油系统虚拟制造的研究

注意：本文已经在《组合机床与自动化加工》(2000,1:22～24)杂志发表
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吴迪　高希彦　王光兴

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
中图分类号：TK421^＋.42　　文献标识码：A
文章编号：1001-2265(2000)　01-0022-03

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

Wu Di　Gao Xiyan　Wang Guangxing

Abstract：Under 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可以满足用户的不同要求。
　　(4)系统分段集成和系统总体集成特性模拟
　　采用计算流体力学、运动学、动力学分析模型对系统各种性能进行模拟、分析，包括所有部件的动态特性、油路中燃油的流量和油压与控制策略的关系、供油规律等，以使系统能够充分地面向最优的设计目标。
4.2.2　综合可视化技术
　　(1)设计分析的可视化
　　实现设计分析的可视化，对于所设计的部件和系统能够在计算机上实现三维实体模型。在强度特性分析时，能够实现诸如可视的有限元网络模型和等效应力分布图。在动态特性分析时，能够在计算机上实现部件的实时运动。
　　(2)加工过程的可视化
　　实现加工过程的可视化，能够有效地检验加工工艺，其中主要包括：①刀具路径仿真，即建立工件、刀具、夹具的三维实体模型，使刀具沿着由工艺确定的轨迹切削，以检验是否存在干涉等不可加工的情况；②实时计算切削力及其引起的加工系统变形、震颤等，动态生成数据图形，评估工艺参数的合理性。
　　(3)装配过程的可视化
　　实现各部件装配过程的可视化，能够直观地检测装置过程中的干涉现象，以此检验系统和部件的结构设计。
　　(4)电控信号的可视化
　　根据不同的控制策略，制定相应的输入信号，输入电控系统，得到输出信号。利用控制过程的信号数据图形，能够直观地了解电控系统的工作过程，评估控制策略。
　　(5)电控喷油系统工作过程可视化
　　实现电控喷油系统的工作过程的可视化，就是动态实时模拟电控喷油系统工作的全过程，包括各执行部件的运动，燃油在油路中的流动及在喷油嘴处的喷射，电控信号的输入、输出等，这样可以给设计者和用户最直观的感受，便于对系统进行研究和评价。

4　结论

　　柴油机电控喷油系统结构复杂，执行部件加工精度要求高，控制难度大，因此在开发制造的过程中应用虚拟制造技术，运用软件对设计和制造的全过程进行仿真模拟，使系统在设计阶段就面向最优化的目标，面向加工、装配，面向用户。能够使设计、开发研制和生产的周期大大缩短，使成本尽可能降低。目前，电控喷油系统虚拟制造的原型系统已经部分实现。■

作者简介：吴迪(1972-)男，辽宁大连人，大连理工大学内燃机研究所博士生。
作者单位：吴迪（大连理工大学 内燃机研究所，辽宁 大连　116023）　
　　　　　高希彦（大连理工大学 内燃机研究所，辽宁 大连　116023）
　　　　　王光兴（东北大学 信息学院，辽宁 沈阳　110006）

［1］翁祖亮.内燃机产业关键技术分析.内燃机工程，1999，20(2)：1～9
［2］乔信起，宋有臣，高希彦，陈家骅.高速柴油机喷油过程的测试研究.内燃机工程，1995，16(2)：73～78
［3］姚健，严隽琪等.虚拟制造的关键技术研究.机械工业自动化，1998，20(3)：1～4
［4］张申生.拟实制造与现代仿真技术.系统仿真学报，1995，7(3)：18～22
［5］潘盛兴.计算机在法国美国汽车制造业中的应用.汽车工业研究，1996(1)：45～48
［6］陈晓川等.虚拟制造技术研究概况综述.机械制造，1998(12)：8～10
［7］(美)Bunting A.柴油机电控喷油系统新进展.国外内燃机，1998，30(2)：40～43
［8］袁清珂，赵汝嘉.虚拟制造系统.中国机械工程，1995，6(4)：10～12