一种等压供油凸轮型线参数化设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于发动机设计领域，具体涉及一种等压供油凸轮型线参数化设计方法。【背景技术】
[0002] 电控单体栗高压喷射燃油系统，作为第三代脉动式电控喷油系统，其供油规律主 要受供油凸轮型线影响。在供油系统结构参数一定的条件下，其充油过程、建压过程以及喷 射过程的性能表现都与供油凸轮型线的合理匹配存在直接关系。
[0003] 现有的电控单体栗供油系统广泛采用切线一升速凸轮，该凸轮型线的特点是随着 供油持续期的增加，供油速率也在不断增加，供油峰值压力不断上升。近年来等速凸轮越 来越被青睐，其凸轮型线的工作特点是随着供油持续期增加，凸轮速度不发生变化，但由于 整个喷油过程中喷油栗的供油能力一直大于喷油器的喷油能力，因此造成喷油压力持续上 升。同时，为了保证在较小持续期下具有足够的供油峰值压力，凸轮转速亦不能设计得过 低，而较高的凸轮转速容易造成在较大持续期下过高的供油峰值压力，因此为了保证峰值 压力不超过许用压力，又必然会限制循环供油量，进而降低发动机输出转矩。同时，传统的 供油凸轮型线设计方法参数繁多，且计算方程复杂，而其主要设计目的更多的是满足于动 力学以及加工工艺性能，并未充分考虑到供油系统以及柴油机本身的性能要求，由此导致 凸轮型线与供油系统的匹配问题并最终影响整机性能。
[0004] 因此供油凸轮型线的设计需在保证动力学和加工工艺要求的条件下，简化设计过 程，同时实现随供油持续期增加，供油压力保持不变的等压喷射特性，便能够解决传统供油 凸轮型线所带来的问题。
【发明内容】
[0005] 有鉴于此，本发明提供了一种等压供油凸轮型线参数化设计方法，能够根据柴油 机对供油系统的性能要求，针对性的提出相应的设计准则，同时简化设计过程，以实现设计 工况下的等压喷射特性。
[0006] 实现本发明的具体方案如下：
[0007] 在进行供油凸轮型线设计时，主要按照如下步骤进行设计：
[0008] 步骤一：需要根据柴油机对供油系统的性能要求，针对性的提出相应的供油凸轮 型线设计准则；
[0009] 步骤二：确定符合设计准则要求的供油凸轮型线的加速度曲线形式；
[0010] 步骤三：建立加速度曲线的数学模型，对所述加速度曲线的数学模型积分获得凸 轮相应型线的速度曲线的数学模型，对所述速度曲线的数学模型再次积分获得升程曲线的 数学模型；并通过供油凸轮型线设计准则，获得设计参数约束条件；
[0011] 步骤四：将加速度、速度以及升程曲线的连续性条件及所述约束条件代入所述凸 轮速度的数学模型和凸轮升程的数学模型，并引入加速度过渡段包角和物理冲击常数，建 立凸轮型线各段包角与加速度过渡段包角之间的关系，基于所建立的关系和所述约束条件 通过调整最大正加速度和最大负速度之间的等压喷射特性工作段加速度，最终获得符合设 计要求的供油凸轮型线。进一步地，所述供油凸轮型线设计准则，包括：供油特性设计准则、 工作特性设计准则、可靠性设计准则和工艺性设计准则。
[0012] 进一步地，所述供油特性设计准则要求供油系统在低速时能够产生高的供油压 力，并在高速时限制压力增加，同时随着持续期增加，供油压力保持不变的等压供油特性； 所述工作特性设计准则要求供油凸轮在整个工作转速范围内不产生飞脱反跳现象，同时在 凸轮回程段工作平稳；所述可靠性设计准则要求减小凸轮与挺柱的接触应力，同时凸轮型 线方程加速度连续；所述工艺性设计准则要求凸轮型线的设计需要符合现有的加工工艺条 件。
[0013] 进一步地，所述供油凸轮型线加速度曲线形式，获得该加速度曲线的方法如下：
[0014] 第一步：在建压过程中，凸轮运动，推动单体栗柱塞上升，从而建立起压力，在限定 最大加速度Anax的条件下，使速度达到最大速度V
[0015] 第二步：当速度达到最大速度V_后，使整个喷油过程中供油能力等于喷油能力， 喷射过程实现随喷油持续期增加，凸轮速度持续减低；
[0016] 第三步：泄压过程与建压过程类似，在限定最大负加速度六_的条件下，采用矩形 方式，使泄压过程达到最大负速度￥_最短；
[0017]第四步：当吸油过程结束后，凸轮回到升程起点；
[0018]第五步：对各段加速度采用三角函数曲线进行过渡连接，最终获得供油凸轮型线 加速度曲线。
[0019] 进一步地，所述供油凸轮型线设计准则适用于电控单体栗供油系统。
[0020] 进一步地，发动机转速的最高转速取2500r/min，低于最高转速的60%为低速，在 最高转速的60%~80%区间为中速，高于最高转速的80%为高速。
[0021] 有益效果：
[0022] (1)由于本发明在满足动力学及加工工艺性能的要求下，充分考虑到供油系统以 及柴油机本身的性能要求，所以本发明设计的凸轮型线与供油系统能够实现较好的匹配， 最终良好地发挥了整机性能。
[0023] (2)由于本发明在设计供油凸轮型线时，满足了动力学和加工工艺要求，简化设计 过程，同时实现了随供油持续期增加，供油压力保持不变的等压喷射特性，所以能够解决传 统供油凸轮型线所带来的问题。
[0024] (3)本发明较大程度地简化了凸轮型线设计过程，主要针对加速度曲线，通过对加 速度数学模型两次积分获得升程曲线的数学模型，并通过解析该数学模型，将复杂的凸轮 型线提炼为几个关键的设计参数。因此，本发明只需给出设计参数的具体数值，便可获得凸 轮型线的设计。
【附图说明】
[0025] 图1为供油凸轮型线设计准则；
[0026] 图2为供油凸轮型线加速度理想曲线；
[0027] 图3为符合设计准则要求的供油凸轮型线加速度曲线；
[0028] 图4为经过数学解析求得的供油凸轮型线速度曲线；
[0029] 图5为经过数学解析求得的供油凸轮型线升程曲线；
[0030] 图6为调整凸轮工作段加速度喷射压力性能预测曲线；
[0031] 图7为满足设计要求的等压喷射压力性能预测曲线；
[0032] 图8为原凸轮与新凸轮在设计转速下喷油量性能对比；
[0033] 图9为原凸轮与新凸轮在设计转速下喷油峰值压力性能对比。
[0034] 其中，a-供油凸轮加速度曲线，A_-最大正加速度，Aa_工作段加速度，A_-最大 负加速度，Ab-回程段最大正加速度，9。~Θ3-各加速度过渡段包角，pF1B-各段型 线包角点相位，V-供油凸轮速度曲线，V_-最大正速度，V_-最负速度，h-供油凸轮升程曲 线，H-最大升程。
【具体实施方式】
[0035] 下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
[0036]本发明提供了一种等压供油凸轮型线参数化设计方法，在进行供油凸轮型线设计 时，首先要根据柴油机对供油系统的性能要求，提出相应的设计准则。
[0037] 如图1所示，设计准则包括供油特性设计准则、工作特性设计准则、可靠性设计准 则以及工艺性设计准则。其中供油特性设计准则要求供油系统在低速时能够产生较高的供 油压力，并在高速时限制压力增加，同时随着持续期增加，供油压力保持不变的等压供油特 性；工作特性设计准则要求供油凸轮在整个工作转速范围内不产生飞脱反跳现象，同时在 凸轮回程段（即吸油过程）工作平稳，避免吸空和气穴生成；可靠性设计准则要求尽量减小 与挺柱的接触应力，同时凸轮型线方程加速度连续，避免由于阶跃突变所带来的冲击问题； 工艺性设计准则要求凸轮型线的设计需要符合现有的加工工艺条件。
[0038] 图2所示为供油凸轮型线加速度理想曲线形式，得到该加速度曲线的过程如下： 在建压过程中，凸轮运动，推动单体栗柱塞上升，从而建立压力，其中速度增加的越快，建压 时间就越短，图2中加速度的面积（即积分）为速度，由于接触应力的限制，在限定最大加 速度A_的条件下，矩形面积最大，即最大速度V_最大，这意味着供油系统所产生的峰值 压力越大；当系统达到峰值压力后，为了实现等压方式供油，需要整个喷油过程中供油能力 等于喷油能力，而切线凸轮及等速凸轮均不能实现等压方式喷射，因此喷射过程需要实现 随喷油持续期增加，凸轮速度不断减低，即加速度小于零的方式，而采用矩形方式是一种最 简便的设计方法；泄压过程与建压过程类似，速度降低的越快，泄压时间越短，而为防止凸 轮与滚轮发生飞脱和吸油过程所产生的气穴，在限定最大负加速度A_的条件下，采用矩形 方式，使得其达到最大负速度V_较短；当吸油过程结束后，凸轮回到升程起点。
[0039] 理想的加速度曲线虽然难以应用于实际中，但其基本设计构思相同，即在包角最 小（即时间最短）的条件下达到相应的加速度极值。而理想的加速度曲线不能应用于实际 中的原因是因为其加速度并不连续，由此导致加速度导数（即冲击）无穷大，因此实际设计 中，解决方法是理想加速度曲线各加速度极值段采用三角函数连接过渡，这样做有两方面 的好处：一方面是采用三角函数过渡，与加速度极值所包围的面积是除矩形外最大的，这也 意味着能够最快达到极值点；另一方面是三角函数的泰勒展开式为无限次函数，这意味着 加速度导数可以实现平滑过渡，冲击最小。图3为符合设计准则要求的供油凸轮型线加速 度曲线。由于各段加速度过渡处为矩形尖角，导致该点处不可导，因此对各段加速度采用三 角函数曲线进行过渡连接，可减小各凸轮段冲击应力，并实现加速度曲线连续且各点可导。
[0040] 实施例1 :
[0041]供油凸轮型线各设计参数需满足如下约束条件L(x)，如式（1)所示：
[0042]
[0043] 由式⑴所示的约束条件中，[A_]为许用的最大正加速度山为最大正加速度A_ 约束，此值过大会导致凸轮机构受力过大，在设计时必须限制该值，此约束条件由可靠性设 计准则获得山 2为最大负加速度A_约束，为了防止凸轮与滚轮飞脱，负加速度产生的惯性 力必须小于弹簧作用力与运动件重力之和，此约束条件由工作特性设计准则获得，[A_]为 许用的最大负加速度山3为峰值供