电控单体泵柴油机面向欧ⅲ排放的调整方法

1、维普资讯 第 6 期（总第 154 期） 2004 年 12 月 车用发动机 VEHICLE ENGINE:lo. 6(Serial No. 154) Dec. 2004 排放控制技术 电控单体泵柴油机面向 欧 III 排 放 的 调 整 方法 刘波澜，黄 英，张付军李显长，谭健伟 （北京理工大学机械与车辆工程学院北京 10008)摘要： 电控单体泵 高压 燃 油喷射 系统具有使发动机达到欧 lil 排放标准的 潜力，研 究在 自行 开发 的单体泵柴油机的 ECU 上进行 了 面向 新法规测试规程的标定调整方法研 究。 指 出在满足 整机基本性能要 求的前

2、提 下对稳 态测试循环( ESC ) 测试方法所指定的工况区，进行 更细网格的喷油量和正时的匹配标定工作，并使 整个区域内 不 出现尖点。 试验结果表明，整 机 的 气体 排放物已达到或接近欧 lil 排放标准。 关键词：电控单体泵；排放标准；控制系统；调整方法；试验研究 中图分类号： U 464. 172文献标识码： A文章编号： 1 00 1- 2222( 2004 ) 06-0026 -04采用电控喷射的燃油系统并对机油消耗进行有 效控制可以满足欧 II 排放限值； 对千欧 lII 采用高压燃油喷射系统结合排气后处理技术（如EGR ) l iJ .并对测试工况点进行细致地标定才有可能达标

3、， 这里采用的测试循环也是完全不同千欧 II 的 稳态和瞬态测试循环； 另外 ，燃油品质也是重要影响因素( 2 。 本文旨在研究面向新法规的发动机调整方法和思 相 01单体泵燃油系统的结构及其控制系统 单体泵燃油系统是一种喷油撞和喷油正时均可控制的高压燃油喷射系统其喷射压力已经达到 80 MPa 3 。 由千系统采用紧凑 的结构设计极短的高压油管，使这种燃油系统具有良好的稳定性和 响应性。单体泵燃油系统通常由单体柱塞泵、高速 强力电磁阀、输油泵、驱动凸轮、喷油器及油管组成、系统工作原理如图 1 所示。输油泵将燃 油泵入柱塞图 单体朵炽池系统的组成 , 对千压力如此之高的燃油喷射系统其控制精 度

4、和响应性要求很高。本研究以摩托罗拉公司的 32 位微控 制器为核心 自主升 发了具有良 能和控 制精度的 ECU。微控制器由功能独立的模块组成， 这些模块有：中 央处理器单兀 CPU32 ) 、定时处理器( T P U入队 列式 A/0 转换模块 Q ADC 八队 列串行. 4. . 泵，柱塞在油泵凸轮的驱动下在泵腔内建立很高的 模块( QS M ) 系 统集成模块( SIM ) 以及片内 存储器油压 在某一时刻当电磁阀开始工作时， 燃油通过电 S R AM ) 。 这些模块通过内部总线( IMB ) 相连，4 磁阀进入高压油管当油路内的压力大千喷嘴的开 外扩的存储器通过外部总线接口 ( EB

5、I ) 与 SIM 模块启压力时 开始喷油； 电磁阀断电时 油管内的压力 下降， 针阀落座 喷油过程结束。高速强力电磁阀是 相连。在前向通道中，通过接口电路模拟信号 进入 匣Q ADC 模块， 数字信号进入 T PU 。在后向通道系统中的关键部件直接控制系统喷油量和喷油正 中T PU 输出各种执行机构的控制信号通过驱动时； 这种阀既要有很快的开关速度和控制精度 还要 电路作用于执行元件上； 监控模块通过 QSM 对整求其可以产生巨大的电磁力以保证油路通断的可靠 个 ECU 进行在线监控。在控制系统中 可以运行性。油泵的驱动凸轮是燃油产生高压的动力源，凸轮型线直接影响燃油系统的供油规律。 各种功

6、能专一的程序 本研究加载了具有更高性 能的实时多任务内核 RT K。 收稿日 期： 2004- 09- 1 0: 修回日期 ：2uo.; t 1-09作者简介 ： 刘波澜 (19 74 - ），男，山西省怀仁县人，讲师博士主要从事内怓机工作过程优化控制及仿真 2004 年 1 2 月刘波澜等：电 控 单 体 泵柴油机面向欧 III 排放的调整方法 27 2 喷油量和喷油正时的控制策略研究 柴油机是“质悯节”工作方式进气没有节 流，过量空气系数总大千 l ，输出功率的大小由 每循环供入气缸内的燃油星来控制， 因而燃油量的控制是ECU 最为核心 的任务。在发动机运行过程中，根据不同的工况，依据一定

7、的控制逻辑向系统供油（ 见图 2) 。EC U 根据转速和油门位置在预设的调速特性中获取需要的油扭， 若为冷车则直接在查表前添加油门偏移撮再去查表；若为怠速工况则根据实际 转速与目标转速的差在调速特性获得的油最基础上 加一个修正量，此湘量与根据转速、进气压力和进气温度算得的冒烟极限油量相比较取小值，这一数值 经过油泵特性换算得到喷油持续角。这里用到的油 泵特性的形式是，通过发动机的转速和循环供油量来查取供油角度，并加上依据转速查取的供油延迟角， 得到最终的控制输出量。当发动机起动时，由于系 供湘正时的 MAP 中查取基本的供油提前角再根据冷却液温度和进气压力进行修正获得最终的供油提前角凸 同样

8、在起动工况，则 EC U 直接根据冷却液的温度向系统提供起动时的供油正时。 由千本 研究采用等速凸轮 供油提前角与油量没有直接的关系，因而油量控制的逻辑与正时控制的逻辑的影响关系是单向的，即 通过油晕介取 正时，但反之 没有对应关 系（见图 3 ) 。 ？循环供油衬巾写巨性 I ) 1 亡三 I AIJT - - JI_ l统的不确定性很强，则 E CU 短路以上过程通过选通开关直接获取依据冷却液温度查取的油量和正时供给系统。清晰的控制逻辑设计是 EC U 软件设计 n - 发动机转速； fi r, 供油 儿时； p ,， 增 压应 力； (/_一起动沺租； 仇 基本1儿如 1时 ； Q- i

9、J 环 供；由堑 T. 冷却水温 ； E 0 供油伯度 的框架也是发动机运 转过程平JI如I 的保证。 各工况衔接顺畅 图 3 供油提前角的控制逻辑 们一延迟角； E - 冷却水品， ； n , 一怠逑H材、转速；o 一起 动油拭 n 发动机轧速；0 ,一 供油角度 图 2 喷油量的控制逻辑关系 欧川排放标准的测试规程和单体泵柴油 调速特性Am- i由1,l 伈省； 0 伲环仗油吊 0 供油角度； - 13 机的调整方法 从欧川 开始，不再 采用传统的稳态 E CE R-49 测试循环，而采用新的稳态测试循环 ESC l E uro p e an Stationary Cycle ) 和瞬态测

10、试循环 ET C( E uro pe an T ra ns ie nt Cycie ) ，烟度的测 试采用 ELR l E uro pean Load Res ponse) 。ESC 测试共有 16 个工况点 （见 第 28 页图 4 ) ，其 中 13 个工况点 及其加权系数是确定的另有3 个点则在测试现场随机选取测试 的工况区间被认为是发动机常用上作区也就是对 整车 排放最具影响的区域。测试合恪的标准是、13 个确定工况点的加权值在排放限值内，同时随机选 取的工况点的排放值不能超过其相邻点的平均值。 A = 1101 + 0. 25 ( 11;,. ?1K, ) B = ,.,o + 0,

11、 50 ( 11h , 1/，) ， 5 ZJ ，六 一， 八喷油正时的控制逻辑相对简单 当 E、( U 算出系统的供油猛后，根据这数值和发动机的转速在 飞，I测试转速 A ,CB,=C 由n l、下+式0.确7定5 ( n：,n 一 1/,i ) ，式中 ：11h, 标定点转速的 7 0 % :1101 一一 标定点转速的 50 % 。 根据以上情况要满足欧川排放标准在考虑整机性能的基础上，需 要对指定的工况进行细致的标 28 车 用发动 机2004 年第 6 期 定工作 ，包括对 A C 内的测试点的供油量和供油正时的调整， 怠速油星和稳定性的控制。实际调整的方法是， 逐次将发动机调至测试

12、的工况点， 并选取合理的初始喷油提前角，然后以这一角度为基准向两个方向调整提前角， 试验中需权衡排放物中的N (）工 与油耗水 平，在 排放尽量 低的 前提下，使发动机的经济性不致过于恶化。根据发动机的实际性 能，对测试工况区进行细致的网格划分并对网格节点进行细化的标定工作，这样就可以保证在整个测试区内不出现异常的尖点。另外，常温下怠速点的油量调整也十分关键，应该在保证发动机怠速稳定性的前提下，尽蜇减少怠速油量，以此来减小期增长， 会使发动机的最高燃烧压力和压力升高率升高， 造成柴油机工作； 相反， 减小供油提前角会使 NO.r 的排放揖下降 ，当在供油提前 角过小的时候 则喷人缸内的燃料不能

13、在上止点附近迅速燃烧， 造成后燃， 使燃油消耗率升高同时排气温度也在升高， 对涡轮的工作产生不利的影响， 因而 对千柴油机的每一个工况点都存在一个最佳的供油提 前角 电控单体泵燃油喷射系统可以根据发动机的不同运 行飞况，通过在线标定系统对供油提前角进行, i 灵活 的调整。近年来，随 着对发动机排放问 题的麝一，一H 渐关注，载重车在常用工况区内运行时有意推迟f, 喷油， 以降低 NO .r 的 排放。综上所述供油提前 权值为15 的怠速点对整机排放性能的影响。 角的调整原则是在保证发动机工作平稳的前提下，保证使”1007505 l 求 挥怼8%9% 8%其 沪 I O 亨 215 %具有良好

14、的排放特性。 600fc 500： C之 400300，- . ，600580 ， 拧、 怠速点 。115075转速 100动 560 巨 0420202 j 1 ) (q 芝540, i: I 3lq 图 44 试验研究 欧 川 采用的 ESC 测试循环11.20 , 、 / CA13.2, 1 .，一 3 ，？试验研究 是在一台 4 缸水冷废 气涡轮增压单体泵柴油机上进行的 其缸径 108 m m ，行程 130 mm, 标定功率为 130 kW /2 300 r mi n一1 ，最大扭矩为 630 Nm/1 400 r mi n一，压缩 比为 18. 1 排拭 为 4.

15、 761 L ，供油系统为电 控单体泵( M VS) ，采用 空一空中冷。为保证开环调试过程发动机转速的稳定 性， 故意将发动机前端风扇的硅油离合器失效使风扇处于常开状态，这将会对发动机的性能产生一定 影响。首先进行一个工况点的供油提前角调整试 验，这里所说的供油提前角是指喷油驱动信号给出 时距离上止点的曲轴转角实际发动机的喷油提前 角要小千这 一数值。图 5 为供油提前角的调整结果选取的工况点 为 1 400 r / mi n . 3.!0 Nm 初始 供油提前角为 6. 9 CA ，随 供油提前 角的增大N(）的排放械明显上升，这时排气温度和燃油消耗率变化 不大；若供油提前角过大，则在压缩

16、过程中喷入缸内的燃料过多，一方面增加了压缩负功，使输出功率下降，同时燃油消耗率增大；另一方面由千其着火延迟 图 5 供油提前角的讽护效果4K 喊经过试验获得的 单体泵柴油机供油的 M AP 图如第 29 页图 6 所示 ，随转速的提高供油提前 角有加大的趋势这是因为转速升高后混合气形成和燃烧 所占的角度变长因而要适当地提前；负荷对于供油 提前 , 角的影响 相对较小。在 ESC 测试的工况区域内(1、 300 r.1 mi n 1 50() r/ mi n ) 明显地推迟了供油提前角以减少 N(）， 的排放坻，在 达到或将要达到最大扭矩工况点时，为保证发动机良好的动力性提 前角恢复到正常水平。

17、在试验涉及的发动机常用工 作范围内，最大供油提前角出现在标定点工况为 27. 3C A ，最小提前角出现在最 大扭矩转速 1 400 r/ mi n 的 50 负荷点为 6. 6C J 。 在完成发动机整个工作区域内的提前角制取 并对测试区域内的工况点完成细化的标定工作后 进行了发动机气体排放物的测试测试结果为： N (）， 排放物 为 5 . 71 g I kW h). HC 排放 物 为 o. 12 g/ ( kW h ) 心（）排放物为 o. 87 g/ ( kW h )。 2004 年 12 月刘波澜，等：电控单体泵柴油机面向欧川排放的调整方法 29 041 1 8 / 06 V 图

18、6 基本 供油正时 MAP 图 结论 盓月务今吻拳穸个仑分在战、中、5 035202l ) 研究了面向 欧川 排放法规的电控单体泵柴油5 机的调整方法， 进行了喷油提前角的调整试验， 在 l 姜发动机的测试工况区推迟喷油； l rf f 淙2 ) 气体排放物测试结果表明 ，发动机的排放状 5 000 迪,2 0 r1 0 况已接近欧川水平；8 /. 6 20 1 3 ) 进一步的研究工作，包括怠速转速降低以及低速时的气缸平衡控制， 有助千改善燃烧， 有望使发动机达到欧皿排放标准。参考文献： 1 闵 佟满足未来排放标准的 柴油机技术 G. /笫二届国际先进车用柴油机技术研讨会论 ，北京：中国 对

19、千试验结果中 N O, 超过标准 0 . 71 g/(kW h) ，主要原因是研究中尤怠速控制，将最低开环稳定转速 1 000 r / m in 看作怠速转速，风扇常开以及没有汽车工程学会 立002 , 135-151. 2 居 钰生 杜国 平重型车 用 柴油机 对喷 油 系统 的要求和 未来发 展 J 现代车 用动力 立002( 3 ) , 5- 9.喷油量和喷油正时的闭环控制等， 进一步的研究 3 MVS 系统 使 用 手 册道依 茨公 司 M ， 科 隆 ：德 国 道 依茨工作正在进行中。公 司2000.Research of Calibration Method to Meet Eur

20、olll Emission Standard of Electronic Unit Pump Diesel EngineLIU Bo-Ian, HUANG Ying, ZHANG Fu-jun, LI Xian-chang, TAN Jian-wei (Mechanical &. V 如 ular Engineering. Beijing I 向 itu te of Technology. Beijing100081,China)Abstract: It i co n邓idere l t ha l l ic.，cl cngin c mount Electronic Unit Pump (EUI

21、J high prc:s:surc fuel injection y tcm ha:s thepotential to meet Eurolll emi 邓 io n 沁 tandard. This paper mainly d is cu 沁 e th ECU calibration method of a EUP engine that will be tc,;ted by the new cycle. The re 、（:ar ch found out that the match of injection quantity and timing within the ESC、 te 、

22、 t i ng area:.hould be finely do n、( and no sharp point is allowed. The experiment shows that the gas emission of the c 、 ng i ne has reached or closed to the Eurolll emi,s,sion standard.Key Words: EU.P; un 沁 io n ,;ta nla rd ; control,;ystem; calibration met hod; experiment re:scarch 信息 编样：李建新 新的低排放燃烧室 据报道，日本提出了一种用于小型直喷式柴油机的新型燃烧室方案。该方案能减少粘附在燃烧室壁面上的燃油，改善混