1引言
噴油系統(tǒng)應(yīng)用電控技術(shù)，通過控制噴油量、噴油正時、噴射速率和噴射壓力，能夠有效地實現(xiàn)柴油機全工況范圍的性能最優(yōu)化，因此成為世界范圍內(nèi)柴油機領(lǐng)域的研究熱點。在柴油機領(lǐng)域中，為了降低各種排放，以滿足逐年嚴(yán)格的有關(guān)環(huán)境保護的排放法規(guī)要求及包括油耗在內(nèi)的各種用戶要求，因此對噴油系統(tǒng)提出了更高的期望。隨著各大柴油機制造商和噴油系統(tǒng)制造商的不斷努力，進入90年代中期，帶有電控噴射的柴油機已有成品上市。雖然到目前為止在柴油機市場上裝有電控噴射系統(tǒng)的柴油機還不是主流產(chǎn)品，但在車用小型柴油機方面，尤其是在轎車領(lǐng)域，新型柴油機無一例外地都使用了電控噴油技術(shù)。
現(xiàn)代柴油機燃油噴射系統(tǒng)的發(fā)展方向是提高噴射速率、縮短噴油持續(xù)期和提高噴射壓力［2］，如果應(yīng)用電控技術(shù)組成電控噴油系統(tǒng)，就可以有效地消除二次噴射等噴射不穩(wěn)定的情況。但是由于噴油系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)多，耦合性強，優(yōu)化匹配難度大，中間狀態(tài)參數(shù)很難通過實驗采集，而且電控噴油系統(tǒng)的控制和執(zhí)行部件精度要求高，如果對柴油機電控噴油系統(tǒng)的研究主要依靠實驗進行，就需要大量的實驗反復(fù)修正，因此實驗難度大，成本高，研究設(shè)計周期長；另外，電控噴油系統(tǒng)實驗研究的設(shè)計階段容易與產(chǎn)品化脫節(jié)，這些因素都使柴油機電控噴油技術(shù)的進一步發(fā)展受到很大的限制，因此，將虛擬制造技術(shù)應(yīng)用于柴油機電控噴油系統(tǒng)的設(shè)計、開發(fā)與制造很有必要。
2虛擬制造
虛擬制造是以計算機仿真、建模技術(shù)和并行工程技術(shù)為支持，利用計算機設(shè)計虛擬產(chǎn)品模型，在產(chǎn)品的實際加工之前對產(chǎn)品的性能、可制造性進行評價，同時對生產(chǎn)的全過程進行仿真，以達到產(chǎn)品生產(chǎn)的最優(yōu)目標(biāo)。虛擬制造不消耗資源和能量，只是模擬產(chǎn)品的設(shè)計、開發(fā)與生產(chǎn)過程，其目的是盡量降低產(chǎn)品的成本，縮短產(chǎn)品的研制周期，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和壽命［3］。
虛擬制造技術(shù)的應(yīng)用研究雖然剛剛起步，卻已經(jīng)有了一些成功的應(yīng)用，展現(xiàn)了巨大的經(jīng)濟效益和美好的前景。在美國，采用虛擬制造技術(shù)成功地設(shè)計了波音777飛機，飛機的整體及其300萬個零件，從設(shè)計到加工完全實現(xiàn)了無圖紙化，利用建立逼真的虛擬三維實體模型對飛機的各種性能進行分析、模擬，因而縮短了數(shù)千小時的工作量并節(jié)省了大量經(jīng)費［4］。福特、通用等汽車公司都成功地運用了部分虛擬制造技術(shù)，設(shè)計發(fā)動機、車體、電氣線路等，建立了三維實體模型并進行了碰撞分析和運動特性分析等，還進行了模擬數(shù)控加工和質(zhì)量檢查等，大大縮短了設(shè)計周期，降低了設(shè)計成本［5］。在國內(nèi)，北京科學(xué)研究院把虛擬制造技術(shù)應(yīng)用于立體車庫設(shè)計，初步實現(xiàn)直觀地布局、參數(shù)化設(shè)計分析和運動模擬［6］。
3柴油機電控噴油系統(tǒng)
柴油機電控噴油系統(tǒng)主要有兩種形式［7］：共軌式和泵噴嘴式。共軌式噴油系統(tǒng)具有高度的靈活性，能夠在各種工況下自由選定噴射壓力，并且可以在很大程度上自由確定預(yù)噴射、主噴射和后噴射參數(shù)，是小型車用發(fā)動機的理想選擇。其代表是德國的卡特匹勒(Caterpillar)公司、日本的電裝(Nippondenso)公司、德國的羅伯特.波許(Robert Bosch)公司等開發(fā)的小型車用柴油機電控噴油系統(tǒng)。高壓泵噴嘴式噴油系統(tǒng)可以自由調(diào)節(jié)噴射定時，噴射壓力高，但是對于轉(zhuǎn)速有較大的依賴，適合與較大型的柴油機匹配。其代表是英國的盧卡斯(Lucas)公司載重車用柴油機噴油系統(tǒng)，美國GE公司開發(fā)的機車柴油機電控噴油系統(tǒng)等。各公司的電控噴油系統(tǒng)的形式雖然不同，但其基本構(gòu)成大致相同?？ㄌ仄ダ展镜?/SPAN>HEUI系統(tǒng)原理圖如圖1所示。柴油機電控噴油系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要包括：油泵(含燃油泵和機油泵)、噴油器(含增壓裝置)、油管及附屬裝置(含濾清器、油軌等必備部件)、高速開關(guān)閥和電控組件等。
圖1卡特匹勒公司的HEUI系統(tǒng)原理圖
4電控噴油系統(tǒng)虛擬制造的研究
虛擬制造是多種學(xué)科的交叉和多種高新技術(shù)的融合，其理論基礎(chǔ)和體系還沒有完全成熟［8］。根據(jù)電控噴油系統(tǒng)的特點，在集成的環(huán)境下，應(yīng)用國內(nèi)外虛擬制造的研究成果，以工程數(shù)據(jù)庫技術(shù)、人工智能技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)等為手段，建立了柴油機電控噴油系統(tǒng)的虛擬制造框架結(jié)構(gòu)，提出并研究了其中的關(guān)鍵技術(shù)。
4.1電控噴油系統(tǒng)虛擬制造框架的研究
虛擬制造是實際制造在虛擬環(huán)境下的映射。按照權(quán)限實際制造大致可以分為三層，即目標(biāo)決策層、產(chǎn)品決策層和生產(chǎn)決策層。相應(yīng)地，虛擬制造也分為同樣的三層。
目標(biāo)決策層 根據(jù)用戶需求、市場信息、排放法規(guī)、本企業(yè)的資源及技術(shù)條件等情況，作出生產(chǎn)電控噴油系統(tǒng)的種類、性能等決策。
產(chǎn)品決策層 根據(jù)上層所制定的電控噴油系統(tǒng)的種類、性能作出總體方案決策，并對其性能作出初步評價和成本初步預(yù)估。
生產(chǎn)決策層 根據(jù)上層決策和技術(shù)資源等實際情況，在計算機上作出產(chǎn)品設(shè)計、工藝規(guī)劃、加工裝配計劃，并在計算機上實現(xiàn)制造過程，生產(chǎn)出數(shù)字產(chǎn)品，即虛擬電控噴油系統(tǒng)。通過對數(shù)字產(chǎn)品的形成過程進行分析，作出成本測算，讓用戶進行綜合評價。各個步驟是在統(tǒng)一的環(huán)境下協(xié)同工作，以求整體最優(yōu)。
電控噴油系統(tǒng)虛擬制造框架結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中系統(tǒng)集成技術(shù)實現(xiàn)了虛擬制造的統(tǒng)一環(huán)境，系統(tǒng)仿真技術(shù)實現(xiàn)了各個過程和系統(tǒng)性能的模擬，虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)了虛擬制造的可視化。
圖2電控噴油系統(tǒng)虛擬制造框架結(jié)構(gòu)
4.2柴油機電控噴油系統(tǒng)虛擬制造的關(guān)鍵技術(shù)
4.2.1虛擬環(huán)境下的主模型技術(shù)
主模型是一個核心，能夠以此為中心通向設(shè)計、制造和生產(chǎn)管理等各個環(huán)節(jié)并為其提供服務(wù)，它具有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和分布式數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，能夠并行地處理結(jié)構(gòu)設(shè)計、性能分析、加工制造等諸多問題。
(1)參數(shù)化智能設(shè)計與分析
電控噴油系統(tǒng)復(fù)雜，結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)容較多，主要包括噴油器結(jié)構(gòu)、高速開關(guān)閥結(jié)構(gòu)、電控組件、油路及附屬裝置結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)總體集成結(jié)構(gòu)等。參數(shù)化智能設(shè)計是以特征建模為基礎(chǔ)，即存入特征庫的每一種特征都由唯一決定該特征的參數(shù)集描述，這樣便于設(shè)計、修改，大大提高了設(shè)計效率和精度。由于電控噴油系統(tǒng)中的許多部件都在高壓、高速的狀態(tài)下運動，并有高頻撞擊，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計必須結(jié)合動態(tài)特性和強度分析；同時，結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能分析過程能夠相互關(guān)聯(lián)，便于信息交換。
(2)制定數(shù)字化工藝
由于柴油機氣缸數(shù)目多，而且燃燒要求精確，因此對于每個氣缸的噴油正時、噴油量、噴油速率和噴油壓力都要嚴(yán)格控制。電控噴油系統(tǒng)精密部件(如高速開關(guān)閥、噴油器執(zhí)行部件以及關(guān)鍵的連接部件等)的加工精度對噴油的準(zhǔn)確性影響很大。制定數(shù)字化工藝過程不僅能夠根據(jù)零件數(shù)字模型生成加工工藝，而且能夠?qū)庸すに囘M行評價，對零件數(shù)字模型提出修改建議。
(3)電控組件軟硬件的虛擬實現(xiàn)和控制策略制定
柴油機電控噴油技術(shù)是面向日益嚴(yán)格的排放法規(guī)、燃燒經(jīng)濟性、負荷響應(yīng)特性等?？刂凭鹊目刂撇呗灾苯佑绊戨娍貒娪拖到y(tǒng)的性能，確定不同的控制策略可以滿足用戶的不同要求。
(4)系統(tǒng)分段集成和系統(tǒng)總體集成特性模擬
采用計算流體力學(xué)、運動學(xué)、動力學(xué)分析模型對系統(tǒng)各種性能進行模擬、分析，包括所有部件的動態(tài)特性、油路中燃油的流量和油壓與控制策略的關(guān)系、供油規(guī)律等，以使系統(tǒng)能夠充分地面向最優(yōu)的設(shè)計目標(biāo)。
4.2.2綜合可視化技術(shù)
(1)設(shè)計分析的可視化
實現(xiàn)設(shè)計分析的可視化，對于所設(shè)計的部件和系統(tǒng)能夠在計算機上實現(xiàn)三維實體模型。在強度特性分析時，能夠?qū)崿F(xiàn)諸如可視的有限元網(wǎng)絡(luò)模型和等效應(yīng)力分布圖。在動態(tài)特性分析時，能夠在計算機上實現(xiàn)部件的實時運動。
(2)加工過程的可視化
實現(xiàn)加工過程的可視化，能夠有效地檢驗加工工藝，其中主要包括：①刀具路徑仿真，即建立工件、刀具、夾具的三維實體模型，使刀具沿著由工藝確定的軌跡切削，以檢驗是否存在干涉等不可加工的情況；②實時計算切削力及其引起的加工系統(tǒng)變形、震顫等，動態(tài)生成數(shù)據(jù)圖形，評估工藝參數(shù)的合理性。
(3)裝配過程的可視化
實現(xiàn)各部件裝配過程的可視化，能夠直觀地檢測裝置過程中的干涉現(xiàn)象，以此檢驗系統(tǒng)和部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計。
(4)電控信號的可視化
根據(jù)不同的控制策略，制定相應(yīng)的輸入信號，輸入電控系統(tǒng)，得到輸出信號。利用控制過程的信號數(shù)據(jù)圖形，能夠直觀地了解電控系統(tǒng)的工作過程，評估控制策略。
(5)電控噴油系統(tǒng)工作過程可視化
實現(xiàn)電控噴油系統(tǒng)的工作過程的可視化，就是動態(tài)實時模擬電控噴油系統(tǒng)工作的全過程，包括各執(zhí)行部件的運動，燃油在油路中的流動及在噴油嘴處的噴射，電控信號的輸入、輸出等，這樣可以給設(shè)計者和用戶最直觀的感受，便于對系統(tǒng)進行研究和評價。
4結(jié)論
柴油機電控噴油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，執(zhí)行部件加工精度要求高，控制難度大，因此在開發(fā)制造的過程中應(yīng)用虛擬制造技術(shù)，運用軟件對設(shè)計和制造的全過程進行仿真模擬，使系統(tǒng)在設(shè)計階段就面向最優(yōu)化的目標(biāo)，面向加工、裝配，面向用戶。能夠使設(shè)計、開發(fā)研制和生產(chǎn)的周期大大縮短，使成本盡可能降低。目前，電控噴油系統(tǒng)虛擬制造的原型系統(tǒng)已經(jīng)部分實現(xiàn)。
（轉(zhuǎn)載）
