（动力机械及工程专业论文）电控共轨喷射系统降低柴油机排放的试验研究.pdf

大连理_ t 大学硕士学位论文 摘要 人们生活水平的不断改善，对汽车综合性能的要求不断提高，伴随着越来越严格的 排放法规，对柴油机提出了较大的挑战。柴油机有较好的动力性和经济性，但也有较高 的n o x 和烟度排放。通过电控共轨喷油系统来降低柴油机的排放是必然趋势。 本文在深入研究柴油机电控技术原理和特点，国内外研究现状和发展趋势的基础 上，采用日本电装公司的e c d u 2 高压共轨喷油系统，针对高压共轨电控技术原理和特 点、对共轨柴油机电控系统中的控制策略作了相关的研究。针对常规p i d 的控制缺点， 研究了模糊p 1 d 控制方法，并以喷油压力为例，对常规p i d 和模糊p i d 进行了仿真研 究，仿真结果表明，模糊p i d 在阶跃响应性、鲁棒性和扰动抑制性方面均优于常规p i d 。 根据柴油机燃烧过程特点和排放控制要求，提出了适合高压共轨柴油机管理系统的 基本控制策略和实现方式。通过对柴油机的运行状态进行划分，对不同运行状态给出相 应控制算法，包括喷油量、喷油定时和共轨压力等参数的控制，实现了柴油机快速起动 和平稳运转的要求。 利用直喷柴油机c a 6 d e 成功改造安装了高压共轨系统，并构建一套完整的台架试 验系统。利用在线标定软件以及数据采集和燃烧分析系统，初步完成了共轨系统最小运 行m a p 的标定工作。通过起动与怠速控制、调速控制、外特性试验等，验证了软件设 计的可行性和可靠性，控制效果达到了预期要求。 利用正交实验法设计了试验方案，进行了大量台架试验，分析不同工况下燃油喷射 压力和预喷射对排放和燃油消耗率的影响。结果表明，较高的喷射压力和较小的喷油定 时可以降低排放；预喷射可以大幅降低n o x 的排放，配合预喷射参数的优化，可以较 好的实现排放和燃油消耗率的折衷优化。基于结果的分析，得出了不同工况下的优化点。 相关试验结果表明，电控共轨系统具有提升柴油机性能和降低排放的巨大潜力。 关键词：高压共轨柴油机；e c d - u 2 ；p i d ；控制策略；排放 电控共轨喷射系统降低柴油机排放的试验研究 e x p e r i m e n t a ls t u d yo ne m i s s i o nr e d u c t i o no f e l e c t r o n i cc o n t r o l c o m m o n r a i ld i e s e l a b s t r a c t w i t l lt h ei m p r o v e m e n to fl i v i n gl e v e l r e q u i r e m e n tf o rt h ep e r f o r m a n c eo fv e h i c l e si s g e t t i n gh i g h e ra n dh i g h e r ，a n dw i t hm o r ea n dm o r es t r i c te m i s s i o nr e g u l a t i o n s ，d i e s e le n g i n e s w i l lf a c eb i g g e rc h a l l e n g e d i e s e le n g i n e sh a v eb e t t e rp o w e rp e r f o r m a n c ea n de c o n o m y , b u t h i g h e rn o xa n ds o m k e i ti st h ei n e v i t a b l et r e n dt or e d u c ee m i s s i o nw i t he l e c t r i cc o n t r o l c o m m o n - r a i ld i e s e le n g i n e w i t had e n s oe c u u 2h i g hp r e s s u r ec rs y s t e ma sr e s e a r c ho b je c t ，t h er e l a t i v ei s s u e s ， s u c ha st h ep r i n c i p l ea n dc h a r a c t e r i s t i c so fe l e c t r o n i c a l l yc o n t r o lt e c h n i q u e ，t h ed e s i g na n d d e v e l o p m e n t so ff o re l e c t r o n i c a l l yc o n t r o ls y s t e m ，a sw e l la st h ec o n t r o ls t r a t e g y ，a r es t u d i e d a c c o r d i n gt ot h ed i e s e le n g i n ec o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h er e q u i r e m e n t so fe m i s s i o n r e g u l a t i o n s ，as u i t a b l ec o n t r o ls t r a t e g ya n d i t si m p l e m e n t a t i o nf o rh i 曲p r e s s u r ec rs y s t e ma r e p r o p o s e d b e c a u s eo ft h ed i s a d v a n t a g eo ft a d i t i o n a lp i dc o n t r o l ，f u z z yp i dc o n t r o lw a s s t u d i e d ，t a k ef u e li n j e c t i o np r e s s u r ef o ri n s t a n c e ，s i m u l a t i o no ft r a d i t i o n a lp i da n df u z z yp i d w a ss t u d i e d ，t h er e s u l t ss h o wt h a tf u z z yc o n t r o l l e rp r o g r e s s e sab e t t e rs p e c i a l i t yi ns t e p r e s p o n s ea n dr o b u s t n e s sa n dd i s t u r b a n c er e j e c t i o n t h er u n n i n gc o n d i t i o n so fd i e s e le n g i n e sa r ec l a s s i f i e d f o re a c hr u n n i n gc o n d i t i o n ，a c o r r e s p o n d i n gc o n t r o ls t r a t e g y , i n c l u d i n gi n j e c t i o nq u a n t i t y ，i n j e c t i o nt i m i n ga n dc o m m o n r a i l p r e s s u r e ，i so b t a i n e d ，w h i c hh e l p st om e e tt h ed e m a n do fq u i c ks t a r ta n ds t e a d yr u n n i n go f e n g i n e at e s t r i gi s s e tu pb a s e do nac a 6 d ed i r e c ti n j e c t i o nd i e s e le n g i n ee q u i p p e dw i t h e c d u 2 m a pc a l i b r a t i o ni sa c c o m p l i s h e du s i n gt h eo n l i n ec a l i b r a t i o ns o f t w a r e ，c o m b u s t i o n a n a l y s i ss o f t w a r ea n dd a t aa c q u i s i t i o ns o f t w a r e t h ep r e c i s i o n ，f e a s i b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo f s o f t w a r ed e s i g na r ev e r i f i e db yt h et e s t s t h ee x p e r i m e n t si n d i c a t et h a tc ri n j e c t i o ns y s t e m h a sag r e a tp o t e n t i a lt od e c r e a s et h ee m i s s i o na n di m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fd i r e c ti n j e c t i o n d i e s e le n g i n e s t h ep i l o ti n j e c t i o no r t h o g o n a le x p e r i m e n tp r o j e c tw a sd e s i g n e di nt h i sp a p e r ，a n dt h e e f f e c t so ff u e li n j e c t i o np r e s s u r ea n dt h ep i l o t 蜘e c t i o no ne m i s s i o na n df u e lc o n s u m p t i o n w e r es t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a th i g hi n j e c t i o np r e s s u r ea n dl i t t l ei n j e c t i o nt i m i n gc a n r e d u c ee m i s s i o n ；p i l o ti n j e c t i o nc a nr e d u c en o xv a s t l y , a n dt h ep i l o ti n j e c t i o nc a ng e tt h e o p t i m i z a t i o nb e t w e e ne m i s s i o na n df u e lc o n s u m p t i o n b a s e do nt h er e s u l t s ，t h eo p t i m i z a t i o n p o i n t su n d e rd i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n sw e r eg o t p e r f o r m a n c ee x p e r i m e n ts u g g e s t st h a tc r 大连理下大学硕士学位论文 i n j e c t i o ns y s t e mh a sab i gp o t e n t i a lt od e c r e a s et h ee m i s s i o na n di m p r o v et h ep e r f o r m a n c ea t t h es a m et i m ef o rd i e s e le n g i n e k e yw o r d s ：h i g hp r e s s u r ec o m m o n r a i ld i e s e l ：e c d - u 2 ：p i d ：c o n t r o ls t r a t e g y ；e m i s s i o n 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文题目：幽望垫堕筮盘逸f 钮垒粒丛烈j 隧丝毯酪硼 作者签名：- 二皇阵弩肆驺牡一日期：3 争4 一年上月 日 大连理工大学博士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题 作者签名： 导师签名： 大连理t 大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题的研究意义 基于能源危机、环境污染等世界焦点问题，伴随着人们对经济性、舒适性的更高要 求，控制排放和节约能源是内燃机生存发展所必须面对的两大课题。内燃机的电子控制 技术应运而生并蓬勃发展。 2 0 世纪8 0 年代以来，微电子技术的迅速发展及其在汽油机电控技术方面的成功应 用，推动和加速了柴油机电控技术的发展。 车用柴油机的工作特点是变速变负荷运行，每循环的最佳喷油量、喷油正时和喷油 压力等受众多因素的制约。以喷油正时为例，柴油机的动力性、经济性和排放性要求的 最佳值是不同的，因此柴油机不同工况的喷油量、喷油正时和喷油压力是不同的。普通 机械式供油系统系统很难实现这种复杂的调节与控制。因为机械式调速器和机械式离心 器提前器只能在某一工况或某一转速范围对柴油机进行调节和控制，偏离该工况后，只 能按转速的变化进行非最优调节，而且机械式提前器无法感知负荷的变化，不能依负荷 的变化调节喷油定时。而柴油机电子控制燃油喷射系统能够实现喷油过程的多参数实时 检测与调控，实现包括喷油量、喷油正时和喷油压力在内的喷油规律的最优化控制，提 升柴油机性能。因此柴油机电子控制燃油喷射系统取代机械式供油系统是柴油机发展的 必然趋势【1 捌。 虽然电控系统没有改变柴油机的工作过程及燃烧排放机理与规律，但是它可以： ( 1 ) 对柴油机各参数的调节和对各过程的控制更为灵活和精确，比传统的机械控 制更易实现性能优化和合理折衷，有效降低油耗和有效排放量。 ( 2 ) 实现简便而精确的多次喷射控制、喷油率和喷油压力控制，大幅提升发动机 的性能，同时克服机液控制在结构、工艺上的复杂性，避免增加附属机械装置带来的成 本上升、可靠性降低等缺陷。 ( 3 ) 使控制对象和范围大为扩展，除常规稳态性能调控外，更扩展到各种过渡过 程的优化控制、故障自动检测与处理、操作过程自动化以及自适应控制等领域，充分显 示了机电一体化带来的巨大优越性。 此外，凭借电控系统特有的“柔性”可以很容易的开发新功能和采用改进的控制方 式来完善发动机的各项功能，使发动机工作过程( 从喷油到完成排气过程) 和废气后处 理功能，在车辆和发动机的各种工况下都能实现最佳控制。电控喷射技术被认为是柴油 机问世以来继机械喷射技术、增压技术之后的第三个里程碑【】。 为了满足欧i i 以上排放法规，柴油机采用共轨技术是必备条件之一。目前相应的技 术发展趋势是采用更高的喷射压力( 2 0 0 m p a ) ，更小的喷孔直径( 0 1 1 - 0 1 3 m m ) 和 电控共轨喷射系统降低柴油机排放的试验研究 更短的响应时间0 1 m s 左右，通过喷油器的多次开启，不仅可以灵活和准确地控制喷油 参数( 喷油正时、喷油量、喷油压力、喷油率) ，还可精确地控制预喷、主喷、后喷油 量( 复杂的供油规律有很好的改善燃烧的潜力，而高压共轨可产生完美的供油规律) 。 勿庸置疑，电控共轨喷油系统是柴油机供油系统方面划时代的技术突破，在满足未来对 柴油机性能和排放方面有着巨大的潜力。 高压共轨系统是一种全新概念的喷油系统。它可以全方位的改进柴油机性能，使其 成为目前柴油机研究领域的一大热门方向。高压或超高压喷射，喷射压力、喷油定时和 喷油量灵活控制，喷油率控制以及预喷射、分段喷射、多次喷射和快速停油等措施是燃 油系统改善柴油机综合性能的主要技术途径。共轨式电控燃油系统被认为是综合实现上 述多种途径的一种最佳形式。 高压共轨系统改变了传统的喷油系统的组成结构，最大的特点就是将燃油压力的产 生和燃油喷射过程分离开来，通过对共轨管内的油压实现精确控制，使高压油管压力大 小与发动机的转速基本无关，即喷射过程不再受供油机构的局限，共轨中的燃油压力由 一个高压泵产生，压力大小与发动机的转速无关，可在一定范围内自由设定。共轨中的 燃油压力由一个电磁压力调节阀控制，根据发动机的工作需要进行连续压力调节。电控 单元作用于喷油器电磁阀上的脉冲信号控制燃油的喷射过程。喷油量的大小取决于共轨 中的油压和电磁阀开启时间的长短，及喷油嘴液体流动特性。 简而言之，共轨技术通过共轨元件直接或间接地形成恒定的高压燃油，分送到每个 喷油器、并借助于集成在每个喷油器上的高速电磁开关阀的开启与闭合，定时、定量地 控制喷油器喷射到燃烧室的油量，从而保证柴油机达到最佳的雾化燃烧和最少的污染排 放【7 1 。 1 2 柴油机电控技术的发展 第一代为位置控制式系统，即在不改变传统喷油系统结构的基础上，用电控组件来 代替原有的机械控制机构，提高控制精度和响应速度。其优点是无须对柴油机的结构进 行改动，生产继承性好，便于对现有机型进行技术改造；缺点是控制自由度小，精度差， 喷油率和喷油压力难于控制，而且不能改变传统喷油系统固有的喷射特性，因此很难较 大幅度地提高喷射压力。根据喷油泵的实现形式，可分为电控分配泵和直列泵系统。 第二代为时间控制式系统，利用柱塞泵可承载高压的特性，采用高速强力电磁溢流 阀来控制喷油量和喷油定时，电磁阀关闭时刻决定喷射定时，关闭持续时间决定喷油量。 其优点是采用电磁阀实现对喷射过程的直接数字控制，不但可以更加灵活而精确喷油量 和喷射定时控制功能，而且可以实现分缸独立控制。缺点是仍然依赖于传统的脉动高压 大连理丁大学硕士学位论文 系统，受到凸轮型线和转速的限制，无法实现大范围的喷射定时控制和灵活的喷油压力 调节，以及灵活的预喷射和多次喷射。根据高压产生装置的不同，可分为电控分配泵、 直列泵、泵喷嘴和单体泵系统。 第三代为时间压力控制式系统，利用高压共轨或共轨蓄压或液力增压的形式获得高 压，采用时间压力式燃油计量原理，即高压油泵并不直接控制喷油，只是向公共控制油 道( 共轨) 供油以维持所需的共轨压力，通过连续调节共轨压力来控制喷射压力，利用 电磁阀控制喷射过程。同时根据柴油机运行工况的不同，适时调节喷油量与喷油定时， 从而达到最佳的工作状态。由于共轨式喷油系统中共轨压力与喷射压力互不相关，因此 其喷射压力不受柴油机转速和喷油量的影响。共轨式喷油系统取消了齿杆、调速器、提 前器等传统的油量调节机构，利用高速电磁阀控制系统的喷油量、喷油定时、喷射压力 及喷油速率等，实现了喷油系统的全电子控制，将高压喷射与电子控制完美地结合起来， 目前已成为柴油机电控喷油系统研究领域的重要课题与发展趋势。根据高压产生的形 式，可分为高压共轨、共轨蓄压式和液力增压式系统。 由于共轨蓄压式系统和液力增压式系统每次喷射只是喷油器蓄压室中蓄积的高压 油，喷射压力会越来越低，喷射速率越来越小，喷油规律先急后缓，使得喷油率形状不 理想。而高压共轨系统能够在高压喷射的前提下根据工况需要实现喷油压力、喷油量、 喷油定时和喷油速率的动态优化，可以实现灵活的预喷射、后喷射和多段喷射，以及 型和靴型喷油规律，使柴油机的有害成分排放、噪声和冷起动性能得到很大改善。因此， 高压共轨系统将成为未来柴油机喷油系统的主要发展方向【弘1 0 】。 表1 1 对比了以上各种燃油喷射系统的性能和主要参数。经对比可以发现，柴油机 燃油喷射系统的发展呈现出以下趋势： ( 1 ) 喷射压力逐渐提高。通常要实现碳烟和n o x 排放同时降低是有困难的，合理 地提高喷油压力，已成为能使两者同时降低的技术之一。由于采用高压喷射，促使喷雾 液滴更加细化，可抑制碳烟排放的生成；同时缩短了喷油时间，进而可缩短滞燃期和燃 烧时间，抑制n o x 生成，从而达到同时降低碳烟和n o x 排放的效果。高压共轨系统中 喷油压力与发动机转速和负荷无关，且可以灵活调节，因此彻底解决了传统喷油泵高、 低速时喷油压力差别过大性能难以兼顾的固有矛盾。 ( 2 ) 喷射自由度逐渐扩大。随着电控喷射系统的发展，逐步实现了喷油量和喷油 定时的精确控制，喷油压力和喷油率的柔性控制，预喷射、后喷射和多段喷射控制，从 而可以自由调节各种喷油参数，实现发动机在不同工况下最佳的喷油，有效地降低柴油 机的噪声、振动，以及碳烟和n o x 排放。 电控共轨喷射系统降低柴油机排放的、武验研究 表1 - 1 主要燃油喷射系统性能对比 t a b l e1 1c o n t r a s to fm a i ni n j e c t i o ns y s t e m ( 3 ) 电子控制范围逐渐增大。扩大喷射自由度和提高喷射精度的要求，使得电子 控制与喷油系统的整合日益紧密，喷射控制也更加复杂。为实现这些控制要求，喷油系 统中电子控制范围也在不断扩大，从对原有机械系统的电子化改造，到采用高速电磁阀 直接控制的供油系统，最终发展为高压油泵和喷油器完全电子控制的共轨系统。 1 3 高压共轨技术的发展现状 由于高压共轨喷油系统的突出优点，世界各国的柴油机生产厂商从2 0 世纪木至今 在高压共轨系统的研究与开发方面投入了很大力量，业已开发出很多比较成熟的产品。 其中代表性的企业主要有日本电装公司，德国博世公司和西门子公司，美国德尔福公司 笙【l l 】 1 丁 o ( 1 ) 日本电装公司。从1 9 8 5 年开始研制e c d u 2 高压共轨喷油系统，1 9 9 9 年己 达到年产3 0 万台的水平，采用直列柱塞泵产生高压燃油，最高喷射压力为1 3 5 m p a ，能 够满足日本9 8 排放法规，主要用于卡车柴油机；2 0 0 3 年投产第二代共轨喷油系统 e c d u 2 p ，采用径向柱塞供油泵，最高喷射压力达1 8 0 m p a ，能够满足欧法规，面向 轿车柴油机。其用户有同野、三菱、日产和五十铃等公司【1 2 , 1 3 】。 它的高压油泵为两缸轴向柱塞泵，通过压力控制阀( p c v ) 调节高压油泵的泄油量来 控制共轨油道中的燃油压力，为单阀控制方式，高压油泄漏少，具有更高的油泵机械效 率。高压油泵的供油定时与燃油喷射同步，保证了共轨油压的稳定。燃油压力由共轨油 道上的传感器监测，通过燃油压力反馈控制使实际燃油压力按发动机转速和负荷要求的 压力值得到控制。系统喷射过程控制通过二位三通高速开关电磁阀( t w v ) 对喷油器液压 大连理工大学硕士学位论文 活塞上油腔压力的控制来实现。来自共轨油道的燃油输送到喷油器喷嘴和液压活塞上油 腔两处，t w v 通电开启时，上油腔中的高压油泄出，由于喷嘴侧高压油的作用，喷嘴 针阀抬起，开始喷油；t w v 闭合时，高压油再次作用在液压活塞上方，关闭喷嘴针阀。 喷油定时由三通阀的通电时刻决定，喷油量由喷油压力和三通阀的通电持续时间共同确 定。在t w v 和液压活塞腔之间装有单向节流孔，用于限制活塞腔油压释放时的燃油流 动，抑制针阀抬起速率，从而形成合理的喷油速率。在一个工作循环内，可多次控制 t w v 的开关，实现预喷射和分段喷射。后期出于泄漏量的考虑，喷油器采用了二通电 磁阀，与早期三通阀喷油器的主要区别在于电磁阀不再与高压进油油路相连i l 引。 ( 2 ) 德国博世公司。德国博世公司9 0 年代初从意大利菲亚特公司购买u n i j e t 系 统技术，于1 9 9 7 年开始批量生产轿车用高压共轨系统，采用二通高速电磁阀、径向柱 塞泵，满足欧i i i 和u s 9 8 排放法规。目前第三代共轨喷油系统采用新型压电晶体喷油器， 最高喷射压力达1 8 0 m p a ，满足欧法规。其用户有沃尔沃、宝马、大众、戴姆勒一克莱 斯勒和通用等公司【l7 1 。 它的高压油泵为偏心凸轮驱动的三缸径向柱塞泵，三个泵油柱塞沿凸轮轴圆周均 布，泵驱动装置受力保持均匀，凸轮轴的峰值驱动扭矩仅为供油量相当的分配泵1 9 ， 油泵机械效率可达9 0 。其中一个泵油柱塞的供油端装有电磁停油阀，发动机低速小负 荷时，停油阀闭合，切断柱塞供油端，泵油量减为之前的2 3 ，有助于减小燃油温度影 响和摩擦损失。油泵输出端的压力控制阀根据共轨管上压力传感器反馈的实际压力，通 过启、闭回油通路调节油泵向油轨的实际供油量，对共轨油压进行闭环控制。泵和发动 机传动轴间无相位要求，安装布置较方便。喷油器基本结构和工作原理与采用二通阀的 e c d u 2 系统相似【墙删】。 ( 3 ) 西门子公司。2 0 0 1 年9 月开始供应带压电晶体喷油器的共轨系统，响应时间 约0 1 m s ，最高喷射压力达1 6 0 m p a ，其用户有标致一雪铁龙和大众公司。系统基本组成 和工作原理与博世公司产品相近。 ( 4 ) 美国德尔福公司。收购卢卡斯柴油机公司后于2 0 0 0 年进入共轨燃油喷射系统 市场，年产量近2 5 0 万套。最新的m u l t e cd c r 共轨系统采用二通高速电磁阀、径向柱 塞泵，共轨有管状和球状两种形式，最高喷射压力达1 8 0 m p a ，能够满足欧排放法规。 其用户有福特、雷诺、标致雪铁龙和现代等公司。 它的高压泵采用内凸轮环及径向柱塞设计，由两对两两间隔为9 0 。的分立柱塞副供 油，每转产生8 次进油和压油，可产生较大的供油量，减小驱动轴的峰值扭矩和共轨内 的压力波动。内凸轮环的四个凸起设计得使供油持续期较长以降低噪声和振动。安装在 高压泵进油口的电磁进油计量阀用来调整高压油的流量，出油口的高压调节阀用来调节 电控共轨喷射系统降低柴油机排放的试验研究 油压。系统的喷油器采用电子液压控制，对喷油量控制精度很高。喷油器内部安装一个 压力平衡式控制阀( - - 通电磁阀) ，采用平衡结构的锥阀，需要很小的电磁力，电磁阀位 于喷油器内部针阀上部，结构十分紧凑，且反应极快，利于预喷射。d c r 系统最显著 的特点就是利用转速信号控制绝对扭矩，并用加速度传感器来监控燃烧敲缸现象；通过 进油计量阀控制共轨压力具有经济性好的优点，同时还可以降低油箱内燃油温度【2 。 高压共轨系统在大批量应用的同时，还在向更高的水平发展，例如进一步降低高压 泵的功耗、提高高压泵的升压能力，采用压电晶体式的喷油器电磁阀、取代传统的线圈 电磁阀作为执行器，降低e c u 的驱动功耗、实现一个缸连续多达五次喷射以降低排放 竺 寸。 我国在柴油机电控喷射领域的研究起步较晚，目前尚未开发出产品化的共轨燃油喷 射系统，但部分高校和研究所己在这方面作了很多工作【2 2 。2 5 】。天津大学、北京理工大学、 上海交通大学、华中科技大学、武汉理工大学和无锡油泵油嘴研究所等仿照美国b k m 公司的s e r v o j e t 系统，进行共轨蓄压式电控喷油系统开发。该系统喷油器中有液力增压 机构实现高压喷射，供油压力仅为1 0 2 0 m p a ，对电磁阀响应时问的要求也很低，因此 吸引了国内许多单位的研发队伍。高压共轨系统被内燃机行业公认为是2 1 世纪柴油机 喷油系统的主流，国内也有很多单位致力于高压共轨系统的开发和研究。无锡油泵油嘴 研究所引进日野公司j 0 8 c 柴油机，对其上的e c d u 2 系统喷油器和高压油泵进行了研 究，制定了较完备的控制策略并设计了电控单元软硬件；浙江大学和上海交通大学基于 e c d u 2 系统，采用自主开发的电控单元和监控平台，分别在锡柴c a 6 11 0 和玉柴 y c 6 11 2 发动机上进行了匹配试验；清华大学与日本五十铃公司合作，引进6 h k l 柴油 机，应用神经网络建模方法，对发动机稳态工况参数进行了标定和优化。 共轨电控技术是一项复杂的系统工程，而我国在该领域的研究目前尚落后于国外， 某些基础性的局部开发或方案设计可以直接引进国外的经验技术，但是作为电控技术核 心的电控系统软硬件设计必须走自主丌发的道路，否则就等于全盘放弃了该领域技术主 动权和核心竞争力；且电控系统开发所涉及的电子应用技术和软件设计技术，相对于某 些基础研究领域，我国与国外水平差距较小。因此，研究高压共轨系统的电控喷射系统 软硬件设计技术，具有非常迫切的现实意义，这对于整个国家民族工业和国民经济的发 展都具有非常重大的战略意义。 1 4 柴油机欧洲排放标准分析 世界各国的排放法规均包括对各种污染物的最高允许值的检测、认定和法规的强制 执行于一体。在当今世界的三大排放法规体系( 欧洲、美国和日本) ，它们的目的均在 大连理工大学硕士学位论文 于确保每种发动机都能按清洁的标准进行设计，并保证其清洁地运转。为了确保发动机 清洁地运转，有必要在以下三个阶段进行检测：( 1 ) 设计中的检测，确保发动机的设 计符合法规标准；( 2 ) 批量生产中的检测，确保制造和装配出合格的发动机产品；( 3 ) 使用过程中的检测，确保在路面上行驶的车辆符合法规要求。发动机台架标定过程，应 该按照相应的台架标定法规进行检测，以确保产品符合法规要求。 我国已于2 0 0 7 年7 月1 日执行相当于欧i i i 排放标准的排放标准，并且由于奥运会 的关系，北京已经开始实行国排放标准( 相当于欧排放标准) ，上海将于2 0 0 9 年底实行国排放标准，而欧洲现在则执行欧标准，由此可看出，我国的排放控制 限值和水平与欧洲还有一定的差距。我国政府的目标是在2 0 1 0 年将排放法规与国际接 轨，汽车排放控制任务还很艰巨。 幽1 1欧洲排放法规的发腱历栏 f i g 1 1d e v e l o p m e n to fe m i s s i o nr e g u l a t i o ni ne u r o p e 欧洲排放全称为道路移动机械排放( e m i s s i o n sf r o mn o n r o a dm o b i l em a c h i n e r y 简 称n r m m ) 。对于增压直喷柴油机而言，具体有关欧洲排放法规的发展历程如图1 1 所示 2 丌。1 9 9 3 年欧洲联盟开始实施相对严格的排放法规e c e r 8 3 0 1 ，即e u r ol 法规， 或称m v e g i 。该法规是对原e c er 8 3 0 0 法规的修订，它们的不同表现在测试方法的 改进、c o 和h c 排放标准的提高等方面。其对柴油车排放的要求只是在汽油车排放的 标准上加上对柴油车微粒( p m ) 排放量的限制。e c er 8 3 0 3 即e u r oi i 法规，对柴油车 电控共轨喷射系统降低柴油机排放的试验研究 h c + n o x 排放的限值降低为e u r oi 的7 1 9 1 ，p m 排放的限制更是比e u r oi 降低了 一半。2 0 0 0 年m v e g 一3 ( e u r o i i i ) 对c o ，h c + n o x 和p m 的限值都降低到了e u r oi i 的 9 6 以上，其中p m 的限制变化最大，接近6 0 。2 0 0 5 年，m v e g - 4 ( e u r 0 1 v ) 规定各 污染物要在e u r o i 限值的基础上再减少5 0 左右。 1 5 柴油机技术的发展历程 伴随着排放法规的同益严格，相应的柴油发动机控制技术和排放控制技术也日新月 异【2 8 2 9 1 ，如图1 2 所示。 欧i欧i ：【欧iii欧至v 发动机改进 氧化转化催化器 捧气再循环系统 分鬻泵燃油系统 增压中冷技术 带有冷却装置的 摔气再循环系统 优化的燃烧室 涡流形成 氟氧化物吸附性 催化转化器 四气门技术 鼬裹墨銎整 篙羹耋主荤嚣萋妻 燃油喷射技术v n 毒嚣葛茹菇蠹；皇_ ；避技术 高e g r 率及箕冷却技术 图1 2 柴油机技术的发展历程 f i g 1 2d e v e l o p m e n to fd i e s e lt e c h n o l o g y 燃油后喷射 发动机节流 提高燃油喷射压力 压电式喷油阎 e u r oi 排放标准要求相对比较低。由图1 2 所示，对于直喷柴油机，通过改进供油 系统，采用分配泵燃油系统，加上增压或增压中冷技术，即可达到e u r oi 排放标准。 为满足e u r oi i 排放标准，通常需要的做法是在满足e u r oi 排放标准的技术基础上 采用高压燃油喷射技术和e g r 技术。在提高燃油系统最高喷射压力的基础上，进一步 采用电控燃油技术控制喷油提前角和喷油量，从而优化燃油喷射与燃烧过程。在发动机 其它结构基本不变的前提下，可达到e u r oi i 排放标准。 满足e u r o i i i 标准的柴油机净化技术概括起来主要有：四气门技术、燃油高压喷射技 术、燃烧室与涡流优化技术、涡轮增压中冷技术、呵t 可变喷嘴涡轮增压技术、高e g r 率及其冷却技术和后处理技术。通过这些电子控制技术，才能使喷油定时、变涡流、增 压压力、e g r 、后处理等各项技术的控制得到协调，保证柴油机的燃油耗、排放、扭矩 特性、噪声等各项技术指标得到优化。 捧放控制技术 发动机控制技术 大连理工大学硕+ 学位论文 在e u r o l v 标准的限制下，低污染汽车方案包括从燃烧方式的革新到排放催化剂的探 索和研究，再加上先进的电控技术，使得未来的汽车排放趋向于零污染。柴油机燃烧方 式的革新主要集中在怎样改变柴油机扩散燃烧的“非均质 特性上。因此从2 0 世纪9 0 年代开始，国内外开展了柴油机预混合燃烧的研究，一般称为均质充量压燃燃烧( h c c i ， h o m o g e n e o u sc h a r g ec o m p r e s s i o ni g n i t i o n ) 。然而单靠燃烧改进机内净化技术难以满足越 来越严格的排放法规要求，排气后处理技术日显重要。其中氧化催化转化器、微粒捕集 器( d p f ) 和n o x 还原催化转化器都可实用化。 1 6 课题的研究内容和任务 本课题的研究任务是针对e c d u 2 高压共轨系统，基于e c u 控制策略，利用台架 试验研究喷油压力和预喷射对柴油机油耗率的排放的影响。本课题的研究目标是制定试 验所需的控制策略，并应用于试验，得出结论性的试验结果。研究内容如下： ( 1 ) 介绍了e c d u 2 高压共轨喷油系统的结构及主要部件特性，同时简单介绍e c u 的硬件设计。 ( 2 ) p i d 控制是柴油机控制中最常用的控制方式，如共轨压力，喷油量控制等， 但是柴油机是强时变、非线性系统，有时控制效果不能达到较好，针对这种情况，研究 了模糊p i d 控制，它具有参数自整定的优点，并基于m a t l a b s i m u l i n k 建立了仿真系统， 结果表明，模糊p i d 控制具有较好的控制效果。 ( 3 ) 研究了试验所需的控制策略，包括喷油压力、喷油量、喷油定时、预喷射以 及整机控制策略等。 ( 4 ) 进行了大量台架试验，考察了不同喷油量、喷油压力、喷油定时和预喷射对 柴油机油耗率和排放性能的影响，得出结论性成果，对以后柴油机低排放的研究有一定 的指导意义。 电控共轨喷射系统降低柴油机排放的试验研究 2 高压共轨电控喷油系统结构和工作过程分析 2 1 日本电装公司e g d - u 2 电控系统 整个实验系统共分为三大部分，发动机部分、e c u 控制部分和外围设备部分。发动 机部分，即系统中的硬件部分，主要指柴油机和共轨组件及相应的传感器等；e c u 为系 统的软件部分，即系统的控制方法和控制策略；外围设备包括测功仪、油耗仪、水温和 机油温度调节装置等。 系统的总体设计思想是，通过选择合适的控制单元e c u ，对数据采集信号进行处理， 制定合适的控制策略和控制算法，编制相应的软件程序，达到对柴油机共轨式喷油系统 各个参数的精确控制，从而实现电控单元e c u 与发动机的匹配。 本文采用的是同本电装公司的高压共轨燃油系统e c d - u 2 。该系统主要由供油泵、共 轨管、电控喷油器和各种传感器等组成，是近几年发展较快、技术可靠的一种共轨喷射 系统。系统基本组成示意如图2 1 所示。 图2 1e c d - u 2 控制原理图 f i g 2 1w o r kp r i n c i p l eo fe c d - u 2 低压燃油泵将燃油输入高压油泵，高压油泵将低压燃油加压成高压燃油，并将高压 燃油供入共轨之中。燃油压力是由通过调节供入共轨中的燃油量来控制的。油泵内设有 压力控制阀( p c v ) ，它根据e c u 的控制信号，在适当的时刻开启和关闭来控制供油量， 最终控制共轨内的压力。供油泵产生的高压燃油由共轨分配到各个气缸的喷油器中。燃 人进理、学硕十_ 伸论文 油压力由设置舟共轨内的压力忙感器测山，并由反馈控制系统 孛制，使机机发动机转速 和发动机负荷设定的压力值和宴h 、厄力值始终致。共轨山的高压燃油经高压汕管输送 到安装在气缸盖l 一的喷油嚣内，经喷油器内的喷油嘴将燃油喷入燃烧室。喷油0 * 控制 喷油定叫和喷油景，是通过肝启( 通电) 或关闭( 断电) 二通i j ( t w v ) 实现的，_ 二通】埘 的通 乜叫刻确定喷袖始点，二通8 毫! 的通电持续时n j 和共轨址力确定喷油量。喷油器几 泄 描出柬的燃油经回州【管流【叫燃汕油箱中。 2 2 高压油泵 e c d u 2 系统采用丁一个i 作用i n 】轮的j 埘翻直列泵柬产生高厄，和传统的甑列泵结 构圳似，通过，1 l 轮和柱摩机构使燃油增脏，两 i - 塞r 山配置1 l u 磁压力 卒制恻p c v 。高爪 油泵外观和削丽结构血冈2 2 所示。采用i 作刚型凸轮可使十l ：辈巾兀减少到1 ，3 ；油泵同 其轨管供油的频率和喷 | 频率致，可使，0 轨中的j i 、力趋于平稳。 1 2 1 9 j ，：鼎 。纛 ，蕊 i t ! 业；眵一_ _ 崎_ 。兰落j i 划22 】抑泉 f ig 22 h l g h p r e s s u r op u m po e c 3 比 油泵时汕最的控制采用丁变排量控制方法，其基本原理参见冈2 ： 。在 m 杂_ 1 1 錾的 啦油行程in - 托辈下行p c y 阀处于常丌状态，低压燃油绎p c v 阀流入柱，e 腔 往扎峦 帕压油仃程r 广_ ，t il ) ( _ 、_ 阀术通电仍处丁丌肩状态则术被1 、缩的低爪汕丛p ( 阀流回 低爪腔。这一段于亍程称为预行稃jr = p c ，阀通】b ，佳z 关训，刚流油路被切断，则 = j ! 摩腔内的燃油被爪缩i 忻埔儿，绎小汕阀而微压入共轨符r i i 二l 到j c v 阀的结构为外j 】， 祚压油仃利- | rp ( j x 闷存高j l 燃油的们用f 一卣保持关刚。控制阀天闭后的柱糍行程称供 油行程。p c 阀咒训后的柱摩有效行程次定了高压汕j ：进入热轨管的供油帚，从口以控 i u 挖j l 轨喷射系统降低柴油机钏放( j 宄 制共轨压力。浚设计使得高n 、燃汕的t i 给弓喷射儿乎是_ 亓j 步的，喷油晕t 7 供湖量, e l 较好 地达到半衡，从而共轨管内的燃汕压力以很- 铀的精度与较快的响应维持稳定。改变排i + ：。 控制技术还避免了高爪燃油泄漏，可以订省高脏油泵的驰功扭矩，提岛供油泵的机械效 率。 柱 | 荨】： h 脏供汕艇的作过p i = f ig23 o r kp r o c e s 【= o ll h e 叭g h i r c s s u r ub u m p 商压汕泉主要包括f 几个部分：p c v 阀、高压泵、进油阀和t t l 油阀。 lp c v 阀 比例节流l 埘是安装在高压泵进j l i | 口时而的，用来 i 、；削进入品爪泵柱塞腔中的燃油流 量，其外艘的，、小比f 列仃流阀线幽兀 电流渊节。结构简幽如臣2 4 所示。 目函 ， 与拳i 。5 7 _ 乒另” 图2 4p c v 删结构简幽 f i 9 24 $ 1 1 - t l c t l l r eo f p c vv a l v e 刈p c v 逃行简化处理，| _ ! i _ 应满足运动方程和电路方程 大连理工大学硕士学位论文 将比例节流阀中的电磁阀杆与控制阀体视为运动块，两部分的质量视为运动块质 量。当线圈中通有电流时，运动块受到电磁力的作用。由于比例节流阀中铁心断面的形 状是锥顶，动态吸力特性比较平坦，现将电磁力的动态吸力特性简化为水平吸力特性， 即它的电磁吸力与行程无关，只取决于线圈电流的大小。其方向向下，大小为： f = z d n b i ( 2 1 ) 其中：d 一线圈的平均直径，m 一线圈匝数 b 一气隙的磁感应强度，t f 一控制电流，a 则运动块的运动方程为： m 坐+ c 查+ 触：f( 2 2 ) d fd f 其中：m 一运动快质量，k g x 一运动快位移，m c 一阻尼系数，n s m k 弹簧刚度，n m 将电压e 加在线圈上后，在线圈中产生电流i ，并引起电压降z ( 0 + 吃) ，其中_ 为线 圈的内阻，屹为驱动电路的电阻，名远远大于名，所以本文中忽略白线圈中电流有变 化时，在控制线圈中会产生自感电动势。当运动块运动时，线圈中又会产生反电动势。 因此，线圈的电路方程为： 弘眈+ 厶罢+ 幻鲁 ( 2