（动力机械及工程专业论文）电控单体泵系统在重型柴油机上的应用.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 机动车的排放污染问题已经成为世界性的难题，其中重型柴油车由于其颗 粒物的排放而成为排放控制的重中之重。随着等效于欧的国3 排放法规在北 京的提前实施，以及该法规在原定的2 0 0 8 年之前在全国范围内实施的可能性， 排放升级已然成为国内大部分重型车用柴油机亟待解决的难题。针对这一问题， 本文试图通过将原机型的机械燃油系统替换成电控单体泵系统，以实现在发动 机本体改动不大的前提下达到欧排放，最终为国内的机型升级提供一种成本 低、见效快的技术方案。 电控单体泵系统电控部分包括传感器、执行器( 电磁阀) 和控制器( e c u ) 。 电控单体泵系统的众多功能涵盖了发动机和整车管理方面，主要为控制功能， 此外还包括通讯、测试和诊断等功能。 电控单体泵系统首先在油泵台架标定完成最基本的系统标定，然后在发动 机台架上进行发动机外特性标定，也就是根据排放的优化值来选择外特性曲线 上的最佳喷油提前角。 为了初步选定单体泵供油凸轮的凸轮型线和油嘴流量，论文使用电控单体 泵系统专用的仿真软件进行模拟计算。油嘴喷孔孔数和孔径分别通过工程经验 和公式计算得出。对多种燃油系统参数组合进行发动机试验，根据试验结果确 定油嘴的喷射角和凸出高度( 通过调整喷油器垫片厚度) 。 本论文的重点内容是整机的1 3 工况稳态排放试验。试验结果显示n o x 和 颗粒排放分别超出欧标准限值0 6 和1 4 h c 排放虽然没有超标，但该值 比一般欧i 发动机排放值高出了3 倍左右，对于颗粒物排放超标有负面影响， 其原因尚待查证。排放试验结果表明该机型在匹配了电控单体泵系统后排放水 平有了明显提高，同时结果也为整机升级改造的下一步工作提供了参考。 关键词：排放升级、电控单体泵、标定、匹配、排放试验 山东大学硕士学位论文 a b s t r c t m o b i l i t ye x h a u s tp o l l u t i o n h a sb e e nas e r i o u sc o n c e r na r o u n dt h ew o r l d ，w h i l e t h a to fh e a v yd u t yd i e s e le n g i n e sh a sb e c o m et h ef o c u sd u et oi t sp a r t i c u l a t e e m i s s i o n a sb e i j i n gh a v ei m p l e m e n t e de u r o3r e g u l a t i o na h e a do fs c h e d u l e ，a n di t i sl i k e l yt h a tt h er e g u l a t i o nw i l lb e c o m ee f f e c t i v en a t i o n w i d eb e f o r e2 0 0 8 ，m a j o r h dd i e s e lm a n u f a c t u r e r si nc h i n aa r ec o n f r o n t e d 、i t l lt h et e c h n i c a lu p g r a d eo ft h e i r p r o d u c t s t h i s t h e s i sc o m e su pw i t hac o s t - e f f e c t i v es o l u t i o nb yr e p l a c i n g m e c h a n i c a lf u e li n j e c t i o ne q u i p m e n t ( f i e ) o ne u r o2e n g i n e s 谢me l e c t r o n i cu n i t p u m p ( e u p ) ，w h i c h w i l lm i n i m i z et h er e q u i r e m e n tf o re n g i n eb o d yc h a n g e s e u p s y s t e mc o n s i s t so fs e n s o r , a c t u a t o r ( s o l e n o i dv a l v e ) a n dc o n t r o l l e r ( e c u ) i t sm u l t i z f u n c t i o n sc o v e rb o t he n g i n ea n dv e h i c l em a n a g e m e n t , i n c l u d i n gc o n t r o l ， c o m m u n i c a t i o n ，t e s ta n dd i a g n o s e s t h eb a s i cm a p p i n go fe u ps y s t e mc a nb ed o n eo i lf i et e s tr i 昏w h i l ee n g i n e 缸1 1l o a dc u r v es h o u l db ec a l i b r a t e do ne n g i n et e s tb e n c h ，w h i c ha c t u a l l yi s , t o o p t i m i z ei n j e c t i o nt i m i n ga c c o r d i n g t oe m i s s i o np e r f o r m a n c e t od e c i d eo nt h ep u m p i n gc a mp r o f i l ea n dn o z z l ef l o wr a t e ，s i m u l a t i o ni sd o n e w i t hat o o ld e v e l o p e df o re u p t h en u m b e ra n dd i a m e t e ro fn o z z l eh a l e sa r e d e c i d e dr e s p e c t i v e l yb ye n g i n e e r i n ge x p e r i e n c ea n dc a l c u l a t i o n ，w h i l et h en o z z l e i n j e c t i o na n g l ea n dp r o t r u s i o n ( t h r o u g ht h ea d j u s t m e n to fi n j e c t o rw a s h e rt h i c k n e s s ) a r ec h o s e nt h r o u g he n g i n ep e r f o r m a n c et e s t t h em a i np a r to ft h i sm e s i st i e si nt h et 3 一m o d ee s ce m i s s i o t tt e s t n o xa n d p me m i s s i o n se x c e e de u r o3l i m i t sr e s p e c t i v e l yb yo 6 a n d1 4 e v e nt h o u g hh c e m i s s i o ni sw i t h i nt h el i m i t , b u ti ti sa b o u t3t i m e sh i g h e rt h a nt h a to fat y p i c a le u r o 3e n g i n e ，w h i c hw i l lc o n t r i b u t et ot h ea b o v e - n o r mp me m i s s i o n t h ec a u s eo ft h e a b n o r m a lh ce m i s s i o nr e m a i n st ob ee h e e k e d e m i s s i o nt e s ts h o w st h a te u ps y s t e m h a sg r e a t l yi m p r o v e dt h ee n g i n ep e r f o r m a n c e ，a n ds u g g e s t e dt h ep o s s i b l es o l u t i o n s f o rm o r em o d i f i c a t i o nf o rt h ee n g i n et om e e te u r o3 k e yw o r d s ：e m i s s i o nu p g r a d e ；e u p ；c a l i b r a t i o n ；m a t c h i n g ；e m i s s i o nt e s t b 山东大学硕士学位论文 主要符号表 n c 浓度下标 p p m 】e o 一一发动机迸气空气 d 喷孔直径 m m l 的饱和蒸气压 k p a l 口f 稀释系数【- 】岛大气总压力【k p a 】 易控制点的内插n o x 排放值【g k w h p o ) 一一未校正的净功 f 喷孔截面积【m m 2 】 率【k w ，进气质量流量( 湿基) 【k g h p 。一一喷孔内侧喷油压 瓯。进气质量流量( 干基) k g h 力 b a r 】 g k ，稀释空气质量流量( 湿基) k g h p z 喷孔外背压【b 刎 g 玉w 当量稀释排气质量流量( 湿基) k g h a p 一一喷孔内外压差 g _ ，排气质量流量( 湿基) k g h 【b a r g 矗m 燃料质l 流i k g h q 一一油嘴流量 g 岛，稀释排气质量流量( 湿基) j i g h i 【m l m i n 矾进气的绝对湿度 g k 】r o 一一进气相对湿度、 j 0d 柴油机n o x 湿度校正系数【- 】 【】 m 甜s 表示排气污染物质量流量的下标【g h l一一进气的热力学温 肘，采集到的颗粒物质量【m 羽度【k 】 肘。通过颗粒物取样过滤器的稀释排气质阡，f 加权系数【】 量 g 】z 喷孔数【- l 甩发动机转速【r p m 】户燃油密度【k g m 3 】 发动机高转速【r p m 】喷孔流量系数【】 发动机低转速【r p m 】 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文 的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：筵厶 日 期： 2 q q 互：1 5 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电予版，允许论文被查阅和借阅； 本人授权山东大学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、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：邈导师签名榴日期：2 q q 鱼：三：；： 山东大学硕士学位论文 第一章前言 1 1 柴油机目前所面临的问题 1 9 世纪8 0 年代，世界上第一辆汽车的诞生，给人们提供了便利的交通工 具。但随着汽车工业的发展和汽车保有量的增加，也给人类带来了一系列的能 源与环境问题。据有关资料统计表明：汽车是最主要的大气污染源之_ “。而 汽车的有害排放是由发动机造成的，目前的发动机主要分为汽油机和柴油机。 发动机的污染物排放成分主要包括c o 、各种h c 化合物、c 0 2 、s 0 2 、n o x 和 微粒。c 0 2 虽对人体无害，但它是造成温室效应的主要气体；c o 和s 0 2 会使 人中毒、窒息；n o x 和h c 化合物经光照而生成化学烟雾，使动物受害，植物 枯死并使橡胶破裂；微粒悬浮在空气中，易被人体吸收而构成身体伤害。空气 污染的危害广泛而深远，已严重威胁着人类的生存与发展【2 】口l 4 1 删。环保已成 为当今全球汽车行业无法回避的主题。 近年来，柴油机凭借其较高的燃烧效率和较低的燃油消耗而在各种车辆上 得到了广泛的应用。为了应对臼益凸现的能源危机，大力推广柴油机的使用势 在必行。但是随着公众环保意识的日益提高和燃油价格的持续上涨，日趋严格 的柴油机排放法规及燃油经济性法规的颁布迫使柴油机向低排放和经济性优化 的方向发展，并且车辆用户对噪声、驾驶舒适性的要求也越来越高，因此柴油 机的发展方向正朝着降低排放、噪声和油耗的方向发展。 1 1 1 排放污染问题及排放法规的实施 机动车排放的微粒和n o x 是许多大城市的重要污染源。我国机动车污染严 重的大城市，如北京、深圳、广州和上海等城市，其空气质量超标的主要污染 物为可吸入颗粒物( p m ) 和n o x ，并且光化学烟雾的威胁也越来越严重地影 响着这些城市。机动车所排放的颗粒物都是非常细微的粒子，又悬浮在人的呼 吸带高度，对人体健康的影响最为严重。研究表明，机动车。尤其是重型汽车 是城市中n o x 的主要来源( 见表1 1 ) f 6 】。 随着机动车保有量的快速增长，继续减少单车污染物排放量势在必然。因 此各国根据本国的车辆行驶状况制定出了各种典型的标准试验工况，形成各种 试验规范。汽车制造厂根据限值的目标要求，研制出各种治理排放的技术措施。 如西方发达工业国家经过近3 0 年有计划的科学治理，汽车排放已得到了严格的 山东大学硕士学位论文 控制，汽车排放污染物的浓度已降到很低的限度，目前正在向超低污染、零污 染发展。 袁1 - 1 ：一些城市机动车捧放n o x 的分担率嘲 机动车排放重型柴油车 城市 n o x 贡献率n o x 排放比例 天津 5 5 7 0 8 1 深圳 8 4 5 7 0 0 1 西安 6 9 4 2 9 0 9 乌鲁木齐 4 8 5 2 4 1 3 成都5 7 o 1 6 9 8 1 9 8 3 年，我国首次颁布柴油车自由加速烟度捧放标准和测量方法，并于 1 9 9 3 年对该标准进行了一次修订，加强了对标准限值的要求。该标准对柴油车 ( 机) 生产企业提高产品质量起到了促进作用，但对柴油机的技术水平的提高 没有起到很大的作用1 7 j i l l 。 2 0 0 0 ，我国颁布了柴油机的工况法排放标准，该标准参照了1 9 9 1 年1 0 月 1 日生效的欧盟9 1 5 4 2 e e c 指令( 欧i 标准) ，对柴油机排放的一氧化碳 ( c o ) 、碳氢化合物( h c ) 、氮氧化物( n o x ) 和颗粒物( p m ) 同时进行控制， 要求p m 排放减少约4 0 - 5 0 ，n o x 排放减少约i o 。该法规于同年9 月1 日 起实施。2 0 0 3 年9 月1 日起，我国开始执行相当于欧标准的第二阶段排放标 准，促使发动机生产企业采用如增压中冷等先进技术 7 1 1 r 1 2 0 0 5 年，我国颁布了车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污 染物排放限值及测量方法( 中国m 、v 阶段) ( g b1 7 6 9 1 2 0 0 5 ) ，分三 个阶段( h i 、1 v 、v ) 加严了污染物排放限值，同时改变了测量方法。试验工 况由e s c ( 稳态循环) 、e l r ( 负荷烟度试验) 和e t c ( 瞬态循环) 三种工况 构成；针对不同的车种或不同的控制阶段，应用不同的试验工况t 9 1 。 表1 2 清楚地说明了排放法规限值的演变过程。 我国将于2 0 0 7 年1 月1 日开始实施相当于欧标准的第三阶段排放标准， 其中北京已于2 0 0 5 年底开始实施，预计上海、广州和深圳等大城市将于2 0 0 6 年提前实施该标准。和第1 i 阶段相比，第阶段的单车颗粒物和n o x 排放分别 减少了3 0 左右。 2 山东大学硕士学位论文 表l - 2 ：排放法规限值比较 中国实施欧州实n o xp m 欧盟指令 控制阶段 年份施年份 【g k w h 】 【g k w h 】 1 9 9 0 8 8 ，7 7 e e c欧01 5 8 2 0 0 0 1 9 9 2国i9 o0 4 0 9 1 5 4 2 ，e e c 2 0 0 31 9 9 5 国i i 7 o 0 1 5 2 0 0 72 0 0 0 国5 0 5 0 2o 1 0 ，0 1 6 1 9 9 9 9 6 e c 2 0 1 02 0 0 5 国3 5 3 50 0 2 ，0 0 3 ( 2 0 0 1 2 7 e c ) 2 0 1 22 0 0 8 国v2 o ，2 o0 0 2 0 0 3 注：1 欧0 未控制颗粒物；2 e s c 限值e t c 限值 1 1 2 国内车用重型柴油机的升级改造问题及其应对措施 自2 0 0 2 年以来，国内车用重型柴油机产品升级换代步伐加快，重点企业 纷纷推出满足欧排放标准的柴油机。其主要特征如下【1 0 1 【1 1 】： ( 1 ) 仍采用传统的供油系统，但大幅度提高了喷油压力和喷油速率。最 具代表性的是采用p 7 1 0 0 喷油泵，最高喷油压力可达1 2 0 0 b a r 。 ( 2 ) 采用更多喷孔的p 型喷油器，以改善缸内的雾化和燃烧。降低碳烟 和p m 排放。 ( 3 ) 增压中冷成为了其基本配置，压气机大多采用前倾后弯叶轮，提高 了压气机的效率和高效区的范围；高速柴油机多采用带放气阀的废气涡轮增压 器。 从以上分析来看，国内达到第2 阶段排放的柴油机仍是在传统柴油机上进 行改造，没有采用新型电控系统，难以满足欧排放法规。 当前，国内车用柴油机企业面l 临着许多挑战和问题。自主开发能力弱，缺 乏开发核心技术的能力；从欧向欧迈进，发动机的结构需要作较大的改动， 但尚没有掌握柴油机电控喷射等关键技术；企业的资本实力较弱，难以投入巨 资从事新产品开发和生产线的更新【1 2 】。 我国重型车用柴油机的生产企业主要有潍柴动力、玉柴股份、上柴股份、 锡柴、大柴、东风康明斯、重庆康明斯、杭发动力等十多家。其产品主要应用 于重型汽车、工程机械、发电机组、大型客车、船舶等方面。目前的产品技术 来源主要是引进和合作开发，少数是自主开发。图1 1 给出了目前以及未来我 山东大学硕士学位论文 国重型柴油机市场上的产品，其中的高档产品全部是引进或合资产品而国内 的产品主要为中低档产品，且大都只能满足欧排放。国内柴油机行业技术水 平的落后也可以从表l - 3 与欧洲同行的技术水平比较中清楚地看出来。 7 发动机排薹( l ) 图1 - 1 ：目前及未来国内重型柴油机的开发或合资产品 表l _ 3 ：国内和欧洲重型柴油机的技术水平比较 性能指标欧洲国内 主要功率段 2 7 9 3 5 3 k w 2 5 0 2 7 2 k w 平均有效压力 1 7 5 ，咿a1 0 9 1 5 7m p 4 比油耗 1 8 9 2 0 0 9 k w h 2 1 5g k w h 捧放 目前执行欧，少数达到欧v目前执行欧，少数达到欧 l 米噪声低于9 6 d b ( a )9 6 9 8 d b ( a ) 比质量 2 3 4 o k g k w2 7 4 6 k g k w 升质量 6 6 7 8 3 6k g l 7 4 8 9 3 6k g ，l 升功率 2 5 5 3 5 0k w l 2 0 6 31 5k w 几 寿命1 0 0 1 6 0 万k m4 0 8 0 万k m 面对即将实施的欧n i 排放标准，我国车用柴油机行业主要采取以下战略措 施n 2 1 ： 4 山东大学硕七学位论文 通过与国外企业联合开发的方式，建立独立开发的技术平台。一汽锡柴、 潍柴等企业与a v l 联合开发及玉柴与f e v 联合开发的方式值的思考，其特点 是坚持民族品牌。 东风和日产、雷诺进行全面合资是一种全新的合作。从产品开发到销售都 在进行。由于国内企业的资产规模较小，东风模式很难复制。 成立合资公司生产几个机型的合作方式仍是合资的主流。合资企业的主导 产品是国外的品牌柴油机，将来将会完全或部分取代国内柴油机企业的现有产 品。上柴和日野的合资成为第一家重型车用柴油机的合资企业，预计这种方式 将是未来几年国外柴油机进入我国市场的主要方式。 在供油系统方面，上柴与日本电装的合资、威孚与博世的合资对国内车用 柴油机的开发及喷油系统生产企业必将产生巨大的影响。 引进柴油机设计技术、工艺技术、质量控制技术仍是快速提升产品档次的 一种手段，并在此基础上逐渐掌握产品开发的核心技术对国内柴油机企业来说 是一种必由之路。 1 2 重型柴油机应对挑战的技术解决方案 在柴油机现有的燃油经济性水平不变甚至还有提高的前提下，降低柴油机 的排放的途径主要是围绕降低机内污染物的生成和对尾气采用后处理来进行 的，其中涉及到整个燃烧过程及其前后等诸多因素( 见图l 一2 ) 。柴油机造成污 染物排放的根本原因在于油气混合不好【2 1 。柴油机运转时，平均过量空气系数 一般都在1 3 以上，但油气混合不好导致局部缺氧，使碳烟大量生成。所以， 降低机内污染物的生成要围绕改善油气混合这一中心任务，保证良好的燃烧过 程，这就要求合理地组织柴油机的进气过程、喷油过程和混合气的形成及燃烧 过程，主要涉及到进排气系统、燃烧室形状和燃油系统。与此同时，要设法降 低柴油机的h c 排放，因为除了气态h c 本身的危害性外，重质h c 构成柴油 机颗粒排放物的一部分p j 。 山东大学硕士学位论文 一 擎拶 电控籼系统 燃晓过程之后 燃耀乏 d e n 晖1 罄 t 器 图1 2 ；降低柴油机捧放和油耗的技术方案 1 2 1 进气系统优化 重型柴油机缸径较大，在采用较高喷油压力的情况下，可以降低进气涡流， 减少进气损失，增加迸气量，改善燃油耗，降低n o x 和微粒排放。另外，与传 统的两气门柴油机相比，四气门柴油机具有以下优点【4 1 1 1 】0 2 1 ； ( 1 ) 扩大了进气面积，提高了柴油机功率。 ( 2 ) 柴油机喷油器中置，有利于柴油喷雾在燃烧室的均匀分布。 ( 3 ) 可以关闭部分气道，形成和柴油机转速与负荷相适应的进气涡流强 度，即在高速高负荷下的低涡流进气系统和低速低负荷下的高涡流进气系统。 废气涡轮增压和进气中冷措旄，使迸气充量密度增大，促进了空气和油束 的混合及压缩压力的上升。因此增压压力越高，着火滞后期越短，预混合燃烧 期缩短，促进了扩散燃烧。其结果是：在保持n o x 排放不变的情况下，降低了 微粒排放。在整个发动机运行范围内优化涡轮增压器匹配可显著改善燃油经济 性，提高涡轮增压器的瞬态响应能力，在n o x 增加不明显的情况下降低微粒排 放。 1 2 2 燃烧系统优化 柴油机燃烧过程改进和燃烧室优化设计应掌握以下基本原则5 】【 l 【1 4 】f 1 5 】： ( 1 ) 油一气一燃烧室的最佳匹配。在一定的限制条件下，只要油、气和 6 黛孽心 嘲茹一昏匐逮官 ! ! | | l 。旺撕旦黼 一旦一 山东大学硕士学位论文 燃烧室三者能够恰当配合，才能达到最优的综合性能。 ( 2 ) 控制滞燃期内的混合气生成量。可采用的方法除了优化初期喷油率 之外，也可用气体运动和燃烧室形状来控制。 ( 3 ) 合理组织燃烧室内的涡流和湍流运动。通过增强涡流和湍流运动， 可以加速混合气生成速率，避免局部混合气过浓。特别应重视压缩上止点附近 及燃烧过程中的气流运动。但另一方面，进气涡流强度的提高会造成充气系数 的下降和泵气损失的增加，燃烧室内气流运动强度的增加会造成流动损失及散 热损失的升高，因此气流运动强度必须适当。 ( 4 ) 紧凑的燃烧室形状。燃烧室应尽可能做到形状紧凑面容比小，这样 可以使散热损失减小、不易进行燃烧的死角减少、以及空气利用率的提高。 ( 5 ) 加强燃烧期间和燃烧后期的扰流。为了降低n o x 和燃烧噪声而又保 证燃油经济性不致恶化，在采用较缓的初期燃烧放热率的同时，加强扩散燃烧 期的气体扰动是一个极为有效的方法。此外，加强燃烧后期的混合气运动，还 可加速碳烟的氧化和再燃烧，以降低排气烟度。 1 2 3 电控燃油系统 由于柴油机实行负荷质调节，柴油以高压喷雾方式直接喷入气缸，并与缸 内进气气流相结合而形成可燃混合气，因此，油、喷雾过程组织的好坏直接影 响燃烧过程的组织和效果。所以可以说燃油系统是柴油机的心脏，对柴油机的 动力性、燃油经济性、排放、噪声、运转稳定性及可靠性和耐久性都有极其重 要的影响。 传统机械式燃油系统的缺陷主要有以下三个方面 5 1 1 1 6 1 ： ( 1 ) 不能够根据发动机运行工况、排放要求和应用特点来精确调节喷油 正时。 ( 2 ) 在发动机运行工况变化而引起如冷却水温度改变时，无法对喷油量 作出补偿。 ( 3 ) 在发动机出现故障时无法作出诊断和正确的反应。 相比传统机械式燃油系统，电控燃油系统具有明显的优势优势1 1 6 1 1 7 】。从本 质上说，电控技术并未改变柴油机的工作过程及燃烧、排放的机理与规律，但 是它却从下述三个方面极大地影响了柴油机的性能、应用和发展。 ( 1 ) 电控技术能使各种参数的调节和对各种过程的控制更为精确和“柔 7 山东大学硕士学位论文 性一，比之原有的机、液或气，液控制更易实现性能优化和合理折衷。仅此一点 在很多场合就能使柴油机油耗和排放大幅度下降。 ( 2 ) 由于机、液控制在结构、工艺上的复杂性和局限性，很多已被证明 是有效的改善性能的措旌无法实现，如喷油正时精确控制、喷油率和喷油压力 控制等。在引入电控技术后，这些构想都可以实现，从而使柴油机整机性能达 到了一个新的高度 ( 3 ) 电控技术引入后，控制对象和目标大为扩展，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、故障自诊断、操作过程自动化及自适 应控制等，最终发展成为整机的电脑管理系统，充分显示了机电一体化所带来 的巨大优势。 1 3 重型柴油机电控燃油系统的发展及其在国内的应用 1 3 1 重型柴油机电控燃油系统的发展 与汽油机相比，柴油机具有热效率高、燃油经济性好、动力性能优良等特 点，但是柴油机也存在质量大、成本高、噪声大和有害排放高等缺点，特别是 对于重型柴油机来说，由于其喷油压力高、喷油正时精度要求高、喷油率控制 难度大、运行工况复杂多变等特点，导致柴油机燃油系统结构复杂，控制技术 难度大，实现电子控制技术的难度和复杂程度远超过汽油机电控【1 7 】 柴油机电控喷油技术主要是研究如何提高喷射压力、灵活准确地实现喷油 规律的控制( 包括喷油量、喷油正时和喷油率的控制) 。 电控柴油喷射技术被看作是柴油机问世以来继机械喷射技术和增压技术 之后的第三个里程碑。 从控制特点来看，柴油机电控燃油系统在短短的一二十年问从位置控制式 系统发展到了时间控制式系统。其中时间控制式系统从喷射原理来看，又可分 为柱塞脉动供油系统和共轨喷油系统两种。 位置控翩式电控燃浊系统 这种系统的特点是不改变传统喷油系统的工作原理和结构，只是用电控装 置取代调速器和提前器，对直列泵的油量调节齿杆和分配泵的溢流环套及油泵 驱动轴和凸轮轴的相互位置进行低频连续调节，以控制油量和正时，所以叫做 位置控制式系统。 山东大学硕士学位论文 位置控制式电控燃油系统显然只是对传统机械式燃油系统的初步电控化 改造。由于未变更原有的喷油装置，喷油特性也未改变，因此一般不可能对喷 油率和喷油压力进行调控。此外，由于位置控制不是直接改变油量和正时，中 日j 环节多，控制响应慢，也做不到各缸的单独调控。 时间控翻式电控燃油系统 此类系统的特点是利用高速强力溢流电磁阀来直接控制喷油始点和喷油 量；通过变更电磁阀升程或改变电磁阀控制的油压来实现喷油率或喷油压力的 控制；再加上一缸一阀、相应快等优点，已成功取代位置控制式燃油系统成为 新开发柴油机的匹配燃油系统。 如前所述，时间控制式电控燃油系统可分为两种类型： ( 1 ) 时间控制式柱塞脉动供油系统 此类系统仍保持传统的柱塞往复运动脉动供油方式，但柱塞只起加压、供 油作用，取消了齿杆、齿圈、柱塞斜槽乃至出油阀等调节油量的装置和结构， 直接由电磁阀控制油量与正时。由于供油泵结构简化、泵体及柱塞副刚度加强， 承压能力有很大的提高。目前市场上广泛使用的这一类系统有两种： 电控泵喷嘴系统：电控泵喷嘴系统由传统重型车用柴油机的机械泵喷嘴系 统发展而来。此种系统集泵和嘴于一体，取消了高压油管，每缸一组，由设置 在缸盖上的供油凸轮轴驱动。 电控泵喷嘴没有高压油管，在所有类型油泵中，具有最高的机械和液力刚 度，能承受2 5 0 0 b a r 以上的喷射压力。 电控单体泵系统：电控单体泵系统由电控泵喷嘴系统发展而来，其特点是 发动机缸体上设有各缸共用的供油凸轮轴，而各缸的喷油泵分别安装在靠近喷 嘴的部位，因而油管很短，其承压能力仅次于泵喷嘴，目前能够达到2 2 5 0 b a r 的喷射压力。 ( 2 ) 时间控制式共轨系统 这种系统不再应用传统的柱塞脉动供油原理，而是先将燃油或者其他传递 动力的工质( 如机油) 以高压( 所需的喷油压) 或中压( 1 0 0 b a r 左右) 状态储 集在被称为共轨的容器中，然后利用电磁三通阀将共轨腔中的压力油引到喷油 器中实现喷射。共轨中若为与喷油压力相同的高压燃油，就直接进入针阀腔， 实现喷射。如果共轨中只是中压油，则在喷油器中还要通过增压活塞，将压力 9 山东大学硕士学位论文 提高到喷油压力后才喷射。中压共轨系统也有多种，其中一种被称为“液压泵 喷嘴”，另一种则是将增压后的高压油又储于喷油器中的小蓄压腔中，再由此腔 引出高压油进行喷射。 时间控制式共轨系统具有显著的特点： 喷油压力与油泵转速无关，只取决于共轨腔中按要求调整的压力， 因而彻底解决了传统喷油泵高低速压差过大，性能难于兼顾的固有 矛盾； 在根本上解决了传统喷油泵脉动供油时，输出的峰值转矩过大，凸 轮轴瞬时转速变化太快，致使不能稳定控制小喷油量的矛盾，这对 预喷射的实现至关重要。 由于共轨腔的压力可任意调节，不象传统喷油泵受凸轮速率的限制 而压力难于调节：再加上电磁阀升程的灵活可控，可以完全实现喷 油压力和喷油率的柔性控制。 不过这种系统尚存在高压密封要求高、燃油易于泄漏等缺点，最高喷油压 力仍低于泵喷嘴和单体泵系统，同时燃油消耗率较高，此外喷射结束时的滴漏 会导致h c 排放升高【1 5 】 1 3 2 重型柴油机电控燃油系统在国内的应用 在不久前结束的“第七届中国国际内燃机及零部件展览会”上，国内众多 柴油机厂家纷纷展出了了各自的欧m 甚至欧产品，绝大多数采用的是国外品 牌的电控燃油系统。 在应对欧的挑战中，内燃机行业传统的重机企业玉柴机器、潍柴动力、 上柴动力、一汽锡柴和东风康明斯公司，以其原本深远的历史渊源和较强的技 术实力，率先顺利地进入了欧产品序列。 2 0 0 3 年7 月，玉柴机器股份有限公司在国内率先推出了采用德尔福电控单 体泵系统达到欧m 标准的发动机。目前已经在深圳、北京、广州、澳门等城市 大批量使用市场的认可证明，玉柴机器最先把握住了适应中国国情的欧机 会玉柴开发部副总设计师邓斌表示，“在技术路线的选择上，经过长期的论证， 玉柴选择了电控单体泵系统的技术路线，因为单体泵是相对成熟的系统，国内 的零部件厂家已经能做得很好。这符合玉柴机器先进并适用的要求，最贴近市 场的需求。” l o 山东人学硕士学位论文 在2 0 0 5 年3 月“蓝擎w p l 0 1 2 ”欧发动机的新闻发布中，潍柴动力宣布 其为中国第一台拥有完全自主知识产权的l o 升、1 2 升大功率欧发动机。据 介绍潍柴“蓝擎w p l 0 1 2 ”欧发动机，配装了德国博世公司的共轨系统，整机 经济指标、排放、噪声、寿命都与国际同步，甚至有些指标略有领先。其排放 标准不仅已经达到欧水平，更具备了开发欧的潜力。上柴动力采用的是电 装公司的电控共轨系统。一汽锡柴同时采用了电装和博世的电控共轨系统。东 风康明斯引进了康明斯i s b e 和i s l e 欧m 全电控柴油机，能够满足欧洲3 号和 4 号排放标准，在技术上实现了与欧美市场同步。 1 4 本文的选题背景及主要工作 随着等同于欧i 排放标准的国3 法规的颁布及其在北京的提前实施，同时 考虑到该法规很可能会在原定的2 0 0 8 年之前在全国范围内实旌，国内的柴油机 生产厂家都纷纷加快了欧发动机的开发。作为欧发动机的核心部件，电控 燃油系统成为发动机开发的重中之重。为了降低开发成本并加快进度，本文提 出了在原欧i i 发动机的基础上进行欧升级改造，通过采用电控单体泵系统来 发掘原机型的排放潜力，从而为其他方面的改动提供参考。本文的主要工作如 下： ( 1 ) 对燃油系统的零部件参数进行选型匹配； ( 2 ) 对电控单体泵系统及整机进行台架标定； ( 3 ) 进行整机1 3 工况排放试验。 山东大学硕士学位论文 第二章重型柴油机电控单体泵系统 燃油系统的主要作用是根据柴油机不同工况的要求，将适量的燃油，在适 当的时刻和时间间隔内，以适当的喷油速率和几何形状喷入燃烧室，形成适于 燃烧的可燃混合气，以满足柴油机综合性能的要求。 本章首先介绍电控单体泵系统的组成、工作原理和功能，最后对电控单体 泵和其他电控燃油系统的优缺点进行比较。 2 1 燃油系统的组成 如图2 1 所示，和机械式燃油系统一样，电控单体泵燃油系统可以分为低 压油路和高压油路两部分。低压油路一般称为燃油系统的辅助装置，主要包括 输油泵、燃油滤清器和泵箱。它们不直接承担燃油系统的主要功能，但对于保 证系统的正常工作十分重要，特别是保证柴油的滤清、排除油路中的空气和正 常足量的低压供油。高压油路主要包括单体泵、高压油管和喷油器，俗称“泵 一管一嘴”系统，即一般所谓的燃油喷射装置。 输油夏油箱 图2 - i 电控单体泵燃油系统的组成示意图 山东大学硕士学位论文 油路的走向如下：输油泵将油箱中的燃油( 经过燃油滤清器) 输到泵箱油 道里，单体泵将柱塞腔中的燃油加压；当电磁阀打开时高压燃油通过高压油管 进入喷油器，油压高于油嘴开启压力时喷油开始；喷油结束后极少量剩余的燃 油通过回油管返回到油箱。 2 2 电控系统的组成 完整的电控燃油系统包括传感器、执行器和控制器等部件1 7 1 1 1 8 ，电控单体 泵系统也不例外。如图2 2 所示，传感器主要有曲轴传感器、凸轮轴传感器、 迸气压力传感器、进气温度传感器、冷却水温度传感器和油门踏板传感器；执 行器为单体泵内置的电磁阀；控制器为电子控制单元( e c u ) 【1 9 1 。 图2 - 2电控单体泵系统的电气组成 2 2 1 传感器 传感器是感知和检测柴油机和车辆运行状况各种信息的元件或装置，能够 把柴油机运行时的各种机械参数和热力学参数转换为与之有确定对应关系的便 于输送、整形、电路保护( 模拟信号需经模数转换) 后进入控制单元e c u 。传 感器输入信号按信号特征可分为数字信号、模拟信号和脉冲信号，单体泵电控 系统主要采用模拟信号。表2 - 1 中的模拟型传感器构成了电控单体泵燃油系统 传感器部件的基本部分： 山东大学硕士学位论文 表i - i 电控单体泵系统的传感器部件 传感器名称 工作原理 作用 进气压力传感器压敏电阻 提供中冷后的进气压力信号 进气温度传感器n t c 热敏电阻提供中冷后的进气温度信号 冷却水温度传感器n t c 热敏电阻提供发动机冷却水温度信号 燃油温度传感器n t c 熟敏电阻提供电体泵油道的燃油温度信号 曲轴传感器磁阻效应 提供曲轴转速及位置信号 凸轮轴传感器磁阻效应提供同步信号 油门踏板传感器电位计提供驾驶员油量需求信号 ( 1 ) 进气压力传感器 进气压力传感器安装在进气管上，位置在增压器和中冷器之后。传感器输 出范围在0 - 5 伏的电压信号，电压值和压力成正比。在e c u 里面储存有进气压 力对应发动机转速和喷油量的脉谱( 进气压力会随着转速或喷油量的增大而上 升) 通过进气压力和温度可以得出进气质量流量，从而决定最大喷油量，避 免喷油过多。系统根据脉谱的设置可以限制进气压力较低时的最大喷油量，从 而防止由于油量过多而进气不足时产生的碳烟。 ( 2 ) 进气温度传感器 进气温度传感器都安装在迸气管上，位置靠近进气压力传感器。传感器输 出范围在0 - 5 伏的电压信号采用n t c 热敏电阻，其阻值和温度成反比( n t c ) ， 即产生的电压信号和进气温度成反比。通过进气压力和温度可以得出迸气质量 流量，从而决定最大喷油量，避免喷油过多。 ( 3 ) 冷却水温度传感器 冷却水温度传感器安装在发动机冷却水出水管上，位置靠近节温器附近。 传感器输出范围在0 - 5 伏的e g w , 信号采用n t c 热敏电阻，其阻值和温度成 反比( n t c ) ，即产生的电压信号和进气温度成反比。系统根据发动机温度( 即 冷却水温度) 来优化发动机从起动到正常运行的控制策略。当冷却水温度过高 时，系统将降低喷油量或停机。 ( 4 ) 燃油温度传感器 安装位置在输油管或向e u p 供油的油轨上，测量的是进入e u p 的燃油温 度传感器输出范围在伏的电压信号。采用n t c 热敏电阻，其阻值和温 山东大学硕士学位论文 度成反比( n t c ) ，即产生的电压信号和进气温度成反比。燃油温度变化会引起 密度变化，而系统会根据温度的不同来调节喷油脉宽，从而保证喷油量不会因 燃油温度变化而改变。 ( 5 ) 曲轴和凸轮轴传感器 曲轴和凸轮轴传感器利用磁阻效应来产生频率信号，为控制器提供转速、 位置和同步信号。其中曲轴和凸轮轴上的信号盘及其对应的可变磁阻传感器可 以提供发动机转速和位置信号，而发动机同步信号( 1 缸发火冲程) 由凸轮轴 传感器提供。信号的频率与转速成正比。 凸轮轴信号盘有n + 1 个齿，其中n 等于气缸数，而+ l 表示第1 缸的信 号。相应地飞轮盘上有n 对齿被削去，表示对应的凸轮轴信号盘的位置。传感 器的轴心与信号盘轴心垂直，顶面与齿顶的间隙为o 5 1 0m i l l 。当1 个齿经 过可变磁阻传感器时，传感器产生一个正弦交流波形信号。信号的强度与间隙 及齿的运动速度有关，而齿的运动速度是由发动机转速和信号盘的直径决定的。 如果传感器信号太弱，则需要缩小传感器顶面和齿顶的间隙。但间隙过小会导 致发动机高转速时信号出现变形。 对于六缸发动机来说，凸轮轴信号盘的外圆上有6 个均匀分布的齿，分别 对应发动机按发火顺序排列的6 个缸( 一般为l 、5 、3 、6 、2 、4 ) 。此外还有 第7 个齿位于第1 缸齿前方1 5 度凸轮转角。而凸轮轴传感器的安装位置则对应 第l 缸齿后的3 4 5 度凸轮转角。 曲轴俸感嚣凸轮轴1 专感器 图2 - 3 曲轴传感器和凸轮轴传感器和信号盘的相对位置 。 曲轴上的信号盘均匀分布有6 0 个齿( 即相邻两个齿之间相隔6 度曲轴转 角) ，其中：相隔1 2 0 度曲轴转角的3 对齿被削除，从参考齿按旋转方向算起的 山东大学硕士学位论文 第1 1 个齿对应曲轴传感器的安装位置。两个信号盘和可变磁阻传感器能够提供 所有的曲轴位置、转速和同步信号。图2 3 给出了传感器安装位置相对于信号 盘的位置( 此时第l 缸活塞处于上止点位置) 。 ( 6 ) 油门踏板传感器 油门踏板传感器为带5 伏电源的电位计，提供0 - 5 伏的电压信号，在做发 动机试验时也可以采用o 5 伏的模拟输入信号。 2 2 2 执行器 电执行器为接受e c u 传来的指令，并完成所需调控任务的元器件。电控单 体泵系统的核心执行器为对应各缸单体泵内置的电磁阀，可以根据e c u 发出的 脉冲指令即喷油提前角和脉宽来直接控制系统喷油正时和喷油量。电磁阀一方 面需要具有很快的开关速度和控制精度，另一方面还必须产生巨大的电磁力以 保证油路通断的可靠性。 根据各缸相应的发火顺序，e c u 输出峰值电流为l o 安培的脉冲驱动信号， 以控制喷油正时和喷油脉宽。图2 4 为驱动电流波形图。 。： ：一一 曙 z t i m ei n _ 图2 - 4 单体泵电磁阀驱动电流波形图 2 2 3 控制器 控制器即e c u ，是电子控制单元的简称。由微处理器及其接口硬件和一整 套软件组成。软件的核心内容是发动机的各种性能调节曲线、脉谱和控制算法。 e c u 按照预先设计的程序计算各种传感器送来的信息，经过处理以后，把 s芑113毫a 山东大学硕士学位论文 各个参数限制在允许的电压电平上，然后发送给各相关的执行机构，从而实现 各种预定的控制功能。 e c u 中储存有大量的脉谱数据，以发动机的转速、负荷为基础，e c u 经 过计算和处理后向单体泵电磁阀发送动作指令，使得每缸有最合适的喷油量、 喷油率和喷油正时，保证每缸的最佳燃烧过程。 如果整车的各种装置( 如传动系、制动系等) 均分别有各自的e c u 的话， 电控燃油系统的e c u 还要具有相互数据传输、交换以及根据其他系统信息修正 本系统执行指令等功能。进一步还可发展为整机或整车的所有控制任务由一个 中央e c u 来实现，这就是整机或整车的统一管理系统。 2 3 电控单体泵系统的工作过程及功能 2 3 1 电控单体泵系统的工作过程 单体泵驱动信号的发生可以分为四个步骤【1 9 】： ( 1 ) 传感器信号输入e c u 。一般包括模拟信号分析、模数转换和信号过 滤。 ( 2 ) e c u 内部的逻辑运算。e c u 通过一系列的算法和规则对输入信号进 行分析，算出当前发动机运行工况所需的提前角和喷油量。 ( 3 ) 输出信号计算。提前