（动力机械及工程专业论文）微粒预测模型及其在电控柴油机ecu设计中的应用.pdf

l j j 尔人学颁。f 琦e 位论文 微粒预测模型及其在电控柴油机e c u 设计中的应用 摘要 柴油机采用电控喷油系统具有动力性、经济性好，污染物排放低的优点， 正得到越来越广泛的应用。柴油机的固有特点决定了有效降低排放中的微粒 值成为柴油机电控系统发展的巨大推动力。本文在广泛阅读国内外大量文献 的基础上，深入细致的研究了微粒生成机理以及如何降低柴油机排放中的微 粒数量的相关内容，主要包括以下几点： ( 1 )主要排放物生成机理及其联系 在详细分析柴油机排放物生成机理的基础上，着重考察了其间的联系。 建立缸内燃烧化学反应式，从能量及质量守恒定律的角度分析建立微粒预测 模型的理论基础。 ( 2 )综合现行国内外微粒排放法规及测试方法，自行设计了微粒排放 物的非定义测量方法，可以测量任意工况下非稀释冷却排气的微粒流量。出 于非定义测量方法测量成本低并可以应用于不同工况，为建立微粒排放数据 库提供了有利的手段，进而为建立微粒预测模型创造了条件。 ( 3 )在多种工况下柴油机排放质量流量测量的基础上，首次提出了柴 油机微粒排放质量流量的现象学预测模型。为了扩大模型的适用性，通过两 个试验研究模型修正因素：不同工况下的微粒成份变化情况以及进口参数对 微粒排放的影响。通过实际中较容易得到的气体排放值来计算微粒排放值， 经过若干机型的验证，计算结果与试验结果能够较好的吻合，表明本模型具 有较好的科学性和实用性。通过模型就可以计算出任意工况下的微粒排放值， 对电控单元控制软件的编制具有很大的帮助作用。 ( 4 )将理论模型应用于实际发动机 山尔人学硕十学位论文 在电控柴油机燃油控制系统中，供油提前角、供油量随发动机上况变化 的：工作曲脚，已转化为高速电磁阀的通电时刻和通电持续时间随工况变化的 三维曲面。本文制定的发动机气念排放物( h c 、c o 、n o 。) 随转速和转矩变化 的三维曲面，并根据预测模型计算出微粒的相应脉谱，可以作为上述三维曲 面的刈照和调整依据。控制程序的编制应用了模块化程序设计的思想，具有 编程灵活、移植性好、扩展性好的特点。 关键词：柴油机，微粒测量方法，桥式现象学预测模型，电控单元( e c u ) v 山东大学硕士学位论文 p r e d i c t i o n m o d e lo fp sma n dl 。i a p p l i c a t i o n t od e s i g nf o r e l e c t r o n i c c o n t r o l l e d d i e s e l e n g i n ee c u a b s t r a c t e 1 e c t r o n i cc o n t r o l l e di n j e c t i o ns y s t e mo ft h e d i e s e l e n g i n e i s b e i n ga p p l i e d m o r ea n dm o r ew i d e l y b e c a u s eo fi t se x c e l l e n t o e r f o r m a n c e o f p o w e ro u t p u t a n d e c o n o m y t h e i n h e r e n t c h a r a c t e r i s t i c so ft h ed i e s e ld e c i d e si t sh i g h e rp m e m i s s i o na n dt h a t h o wt or e d u c et h ep m e m i s s i o ne f f e c t i v e l yi sb e c o m i n gt h eg r e a t i m p e t u s t of u e li n j e c t i o ns y s t e m sp r o g r e s s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，b a s e d o nar i c hl i t e r a t u r c ，al o to f w o r kh a sb e e nd o n eo i lt h ep mf o r m i n g m e c h a n i s ma n dt h e m e a s u r e st a k e nt o r e d u c ei t se m i s s i o n t h e f o l l o w i n ga r et h ec o n t e n t so fm a j o r r e s e a r c hw o r ki nt h i sd i s s e r t a t i o n ： ( 1 1t h ef o r m i n gm e c h a n i s ma n dr e l a t i o n sa m o n gp o l l u t a n t e m i s s i o n s t h i sd i s s e r t a t i o nl a i de m p h a s i so nt h er e l a t i o n sa m o n gp o l l u t a n t e m i s s i o n sb a s e do np a r t i c u l a rr e s e a r c ho f t h e i rf o r m i n gm e c h a n i s m s t h ec o m b u s t i o nc h e m i c a le q u a t i o n i n c y l i n d e r i se s t a b l i s h e d ，t h e t h e o r e t i c a lf o u n d a t i o no ft h ep mp r e d i c t i o nm o d e li s a l s oa n a l y z e d b a s e do nc o n s e r v a t i o no fe n e r g y a n dm a s s ( 2 ) a f t e rs y n t h e s i z i n g a n a l y s i s o fb o t hh o m ea n d 、a b r o a d d a r t i c u l a t ee m i s s i o nl e g i s l a t i o n a n dt e s tm e t h o d s ，an o n d e f i n i t i o n m e t h o dt om e a s u r et h ep a r t i c u l a t ee m i t t e df r o mad i e s e le n g i n ei sp u t f o n ，a r d ，w h i c hc a nb eu s e dt om e a s u r e t h ep a r t i c u l a t em a s sf l u xf r o m t h ee x h a u s tg a s w i t h o u td i l u t i o n o r c o o l i n g a t a r b i t r a r ye n g i n e - _ _ _ 一 v 山东大学硕士学位论文 c o n d i t i o n s b e c a u s e o fi t sl o wc o s ta n dw i d e a p p l i c a t i o n ，t h e n o n d e f i n i t i o nm e t h o di sa na d v a n c e di n s t r u m e n tf o rt h ee s t a b l i s h m e n t f p md a t a b a s e1c o u l ds e r v et h ep r e d ：t i o nm o d e l ( 3 ) a f t e rm e a s u r i n go fe m i s s i o n1 1 五a tm a n ye n g i n em o d e s ， b r i d g ep h e n o m e n o l o g i c a lm o d e l f o rt h ec a l c u l a t i o no fp mf l u xf r o ma d i e s e le n g i n ei sp r e s e n t e d 。t w ot e s t s ，o n ei sp m c o m p o n e n t a td i f f e r e n t e n g i r - o d e s ，t h eo t h e r st h e i n f l u e n c eo fi n t a k ea i ro np o l l u t a n t e m i s s i o n s a r ed o n et o 、t h e a p p l i c a t i o ns c o p eo f t h em o d e l t h e p mf l u xc a l lb ec a l c u l a t e db yg a s e o u se m i s s i o n s ，w h i c hi sm a d ee a s i e r t h r o u g ht h i sm o d e l t h e t e s ta n d p r e d i c t i o nr e s u l t sa r ec o n s i s t e n tw e l l w i t he a c ho t h e r , i ti n d i c a t e st h a tt h em o d e l ，w h i c hc a nb eu s e dt o c a l c u l a t et h ep m a ta n ye n g i n em o d e s ，i s u n d o u b t e d l yh e l p f u lf o rt h e r e s e a r c ho fc o n t r o l s t r a t e g i e s a n dt h e d e s i g n o fe l e c t r o n i cc o n t r o l u n i t ( e c u ) 一 ( 4 ) p r e d i c t i o nm o d e la p p l i c a t i o ni np r a c t i c e i ne l e c t r o n i cc o n t r o l l e dd i e s e l i n j e c t i o ns y s t e m ，t h e t h r e e d i m e n s i o ns u r f a c eo fi 巧e c t i o nt i m i n ga n dd u r a t i o nc h a n g i n gw i t h e n g i n em o d e sh a sb e e nt r a n s l a t e d i n t ot h es u r f a c eo ft h ee n e r g i z i n g t i m i n g a n dd u r a t i o no f h i g hs p e e d s o l e n o i dv a l v ec h a n g i n gw i t he n g i n e m o d e s t h et h r e ed i m e n s i o n s u r f a c eo fp me m i s s i o n ，b a s e do nt h e c o r r e l a t i v em e s h o f g a s e o u se m i s s i o n s ( h c , n o x ，c o ) e s t a b l i s h e di nt h i s d i s s e r t a t i o n ，c a n b eu s e df o rr e f e r e n c ea n dt o a d j u s t t h es u r f a c e m e n t i o n e dp r e v i o u s l y m o d u l a r i z a t i o np r o g r a m m e rt h e o r yh a s b e e n a p p l i e di nt h ec o n t r o lp r o g r a m ，w h i c hh a st h ea d v a n t a g e so fa g i l i t y , t r a n s p l a n t a n d e x p a n s i b i l i t y k e yw o r d s ：d i e s e le n g i n e ，p m ，b r i d g ep h e n o m e n o l o g i c a l m o d e l 。e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t s ( e c u ) v l - 山东人学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 内燃机排放危害人类健康 近几十年来，随着工业的发展和能源消耗的日益增加。燃烧过程产生的 有害物质对大气产生了严重的污染，而内燃机燃烧过程中产生的有害排放物 是造成大气污染的一个主要来源。6 0 年代以来，世界各国汽车保有量急剧 攀升，汽车排放对大气的污染日益严重。汽车排出的废气是一种流动污染源， 又往往在人口集中地区散发污染物，常常造成局部地区污染物浓度过高。并 且汽车排放污染物的分布恰好在地面附近，正处于人的呼吸高度，所以汽车 排放造成的大气污染对人体的健康影响很大。 抛统计，1 9 9 9 年全球大约有汽车7 1 5 3 3 亿辆。这些车辆大部分在城市行 驶，每年排出约6 5 亿吨一氧化碳、1 3 亿吨碳氢化合物、0 6 5 亿吨一氧化氮 等有害气体，而且随着汽车数量的逐年增加，汽车排放到大气中的有害物质 还在随着增高。 随着我国国民经济的迅速增长，我国汽车工业也得到了迅猛发展。1 9 7 8 年我国汽车产量仅1 4 9 万辆，到1 9 9 7 年时已达到1 5 7 7 万辆，年增长率为1 3 。 与此同时摩托车数量也在大幅度增加，但市场还远远没有饱和【2 1 ，交通运输和 汽车保育量必将继续高速增长。同时对能源供应和环境污染造成极大的压力。 内燃机排气中包含许多成分，其基本成分是二氧化碳( c 0 2 ) 、水蒸气 ( h 2 0 ) 、过剩的氧气( 0 2 ) 以及存留下的氮气( n z ) 等，从毒扬学的观点看 排气中的这些成分是无害的，真正有害的排放物是指不完全燃烧的产物和燃 烧反 ：中间产物，包括一氧化碳( c 0 ) 、碳氢化合物( h c ) 、氮氧化物( n o 。) 、 二 七硫( s 0 2 ) 、微粒( p m ) 掣3 1 。虽然这些成分的质量总和在内燃机排气 中所占的比例不大( 例如汽油机中约占5 ，柴油机中还不到1 ) | 4 】r 但它 们或者有强烈刺激性的臭味，或者有较强的致癌作用，因此被列为有害排放 物。 一氧化碳( c o ) 进入人体后，非常容易和血液中的血红蛋白结合，它的 亲和力专氧的3 0 0 倍。因此在肺里血红蛋白不与氧结合而与c o 结合，从而削 山东人学硕十学协论文 减了氧向各组织的输送，使人缺氧，造成感觉、反应、理解、记忆等机能障 碍，以及头痛、头晕等中毒症状。当大气中含宵c o 体积浓度达到1 0 xj 0 “时， 就能引起慢性中毒，出现贫血、心慌、呼吸道病变恶化等症状。当c o 浓度达 到3 0 x1 0 “时，人在4 6 小时内中毒；达到1 2 0 x1 0 “时，人在l 小时内就会 中毒；而达到1 00 0 0 1 0 1 时，就会使人死亡“”。 内燃机排气中的氮氧化物( n o ，) 通常指n 0 和n o ：。这两种成分对人都是 有害的，特别是对呼吸系统。高浓度的n o 能引起中枢神经障碍；n 吼是一种 褐色气体，有特殊的刺激性臭味，可以使人发生肺气肿以及闭塞性支气管炎。 健康人在n o 、体积浓度为1 0 x 1 0 “的环境中暴露l o m in ，| j 可造成呼吸系统失 调等症状。n o ；还能与h c 一起生成光化学过氧化物，即光化学烟雾。这种过 氧化物不仅能损坏人的肌体，造成气喘、刺激眼睛等症状，对植物及某些人 造材料也能造成损害。 碳氢化合物( h c ) 根据其分子结构不同对人体造成的危害有很大差异。 饱和碳氢对人体基本上无害，但低分子量碳氢对人体有一定的麻醉作用，随 吸入量增加其麻醉作用及刺激性会增大1 。长链烷烃类碳氢和几个脂肪酸相 结合会促进人体巾癌的形成。不饱和碳氢随不饱和链数的增加，对人体的麻 醉作用和刺激性增大。在内燃机排气中乙烯的含量校多，它具有很高的光化 学反应性，在大气中它也成了光化学烟雾的主要成因物质。研究表明，可溶 碳氢化合物是威胁人体健康的主要因素。 由于柴油机油耗低、经济性好，在汽车中所占份额不断增加，柴油机排 气中c o 和h c 比汽油机少得多，n o , 排放量与汽油机相接近，但由于柴油机的 固有特性，其微粒排放要比汽油机高出数十倍甚至上百倍。柴油机微粒组分 可以分为两类“：一类是与有机溶剂不相溶的不可溶组分( i n s o l u b l e o r g a n i c f r a c t i o n 筒称i o f ) ，主要是燃料在高温缺氧条件下燃烧时裂解生 成的固态的碳基微粒，称为碳烟( s o o t ) ，上面还吸附了少量的无机物，如硫 酸盐、各种微量金属等；另一类是与有机溶剂相溶的可溶组分( s o l u h 】e o t 舭n c f r a c t i o n 简称s o f ) ，主要出未燃烧的燃料和润滑油组成，也有一 l | j 尔人学颂f 一学何论文 部分燃烧的c 啡，j 产物。其形态多为液态的碳氢微粒，大部分吸附存固态的碳 基微粒f ，部分独立存在。微粒作为一种载体可以携带排气中多科一有害成 分，k 湖：毖浮裨：卒气中影响人体健康。因此对于柴油机来说，其微粒排放是 需要熏点挎制和研究的。 山1 二内燃机排放物质的毒害作用，各国纷纷采取了越来越严厉的法规柬 限制汽车排放污染物。 1 2 现行排放法规的排放测量方法分析 一些先进工业国家从6 0 年代超先后制定了汽车的排放标准和试验规范， 以限制汽车的污染物排放。目前已形成美、日、欧三大汽车排放法规体系。 我国自8 3 年起也陆续颁布了汽车排放标准，并在全国实施，已取得了显著的 效果。排放法规的测量方法应根据轻型汽车与重型汽车不同而有所区别，全 面了解困内外汽车排放标准及其测试规范，以便更有效的制定和实施降低汽 车排放污染的对策和措施，将是我幽内燃机工作者面临的长期任务。 炎幽加利稿尼亚州的洛杉矶市是世界上最早实行汽车排放标准的城市， 其标准“比美国联邦政府更为严格。对于轻型汽车，1 9 7 2 1 9 7 4 年奖幽联 邦测试程序阿p 一7 2 采用加州的l a 一4 c 工况”试验程序进行。试验是在底盥 测功机上进行的，试验工况是模拟美国城市道路的实际行驶状况，包括汽车 的各利加速、减速和等速的运转工况。l a 一4 c 试验规范规定，试验车需在2 0 3 0 。c 的环境中停放1 2 h 后起动，按照l a 一4 c 模型工况规定的试验程序进行运 转，用定容取样系统一次性采集从起动、运转、直至最后减速停止5 秒内的 排气进行测量，整个试验持续1 3 7 2 秒。 1 9 7 5 年以后，美国联邦测试程序f t p 一7 2 采用l a 一4 c h 的试验规范对轻 型汽车进行测量。l a - - 4 c h 模型首先要求试验车按照l a 一4 c 模型运转1 3 7 2 秒后，在事温中停车6 0 0 秒，接着热起动并按l a 4 c 模型规定的工况重复运 行到5 0 5 秒时减速停车。试验前汽车需在2 0 3 0 的环境中停放6 h 以上，试 验采用3 个定容取样袋，其取样顺序为：从起动到5 0 5 秒处所收集的样气装 - 主 山尔人学硕十学位论文 入第一个取样袋( 冷瞬时取样袋) ；从5 0 5 秒到1 3 7 2 秒的样气装入第二个取 袋i 稳定取样袋) ；从热起动到试验结束内所收集的样e 装入第一i 个取样袋 ( 热瞬时取样袋) ，然后分别进行测量。 美国1 9 8 3 年前对重型汽油车采用9 工况试验规范，1 9 8 8 年荚国环保局规 定；fr 唑柴油车的发z j t j l n 试改用瞬念测试法。，根据纽约市区路况、洛杉矶 市区路况及洛杉矶州际路况针对火车制定的。试验共进行两个循环，第一循 环为冷测试循环，循环后停车2 0 分钭r ，然后进行热测试循环。每一循环历时 1 2 0 0 秒，用直接采样法分析，试验结果以g h p h 表示。 瞬念循环测试法比稳态工况试验方法可以更真实反映汽车行驶中的排放 状况，但这种工况模式比较复杂，试验需要在自动化程度较高的试验台上进 行。 同本于1 9 7 5 年在轻型车上实行1 0 工况排放试验规范，有效地模拟了起 步、停车工况较多的日本中心城市汽车行驶条件。试验规定“”1 发动机先以4 0 2 k r n h 等速连续运转1 5 分钟后，再连续运转6 个循坏。第一个循环不采样， 后5 个循环用c v s 取样分析。l o 工况法试验的每一个循环所规定的时问为1 3 5 秒，平均车速1 7 7 k m h ，最高车速4 0k m h ，每试验循环相当于行驶距离0 6 6 4 k m 。r 本自1 9 9 1 年1 1 月后改用新的l o 1 5 工况法热起动测试程序取代原1 0 工况法对轻型车进行排放测试。整个循环包括3 个1 0 工况循环和1 个1 5 工 况循环。试验时要进行预处理( 汽车在底盘测功机上以6 0k m h 的速度行驶 1 5 分钟，使发动机达到f 常温度。接着进行怠速工况排放测试，然后再以6 0 k m h 运行1 5 分钟，并按1 5 工况模态运转一次) ，预处理之后紧接着进行1 0 1 5 工况试验，试验中采用c v s 取样。日本还采用l l 工况试验规范来进行试验， 其测定方法是发动机在室温下连续停机6 小时以上，在发动机冷起动的同时 即用定容取样装置丌始收集排气。发动机冷起动后先怠速运转2 5 秒，然后连 续运行四个循环，共5 0 5 秒的排放物作为一次试验的总排放量。 1 9 9 6 年4 月lr 起，日本对重型柴油车排放测量改用柴油车1 3 工况法， “接取样法分析。 山水人学硕十学能论文 表1l ：c e r 4 9 的1 3r 况试验规范 发动甘【转速 鲍倘l 1 分数运转 寸问 j 1 1 c 竹时川 r m l j 加权系数 m 1 1 n l in 1怠逑 0 1 0盟j 厅1 i l ；0 2 3 中等转速 1 0强聒i f l i n00 8 3中等转速2 5 1 0嫩正1 叭【1 00 8 4中等转速5 0 1 0最后11 1 1 l n00 8 中等转速 7 51 0最后1n ! l l q0 0 8 6中等转速1 0 0 1 0 最后1m l n 0 0 8 7 怠速 01 0最岳1m l i 】0 2 3 8标定转速1 0 0 1 0 域后1m l n 0 0 8 9 标定转速 7 51 0逗正1m l l t0 0 8 l o 标定转速 5 01 0最后1m 1 1 00 8 ， 1 1标定转速z 5 1 0 照后11 1 1 1 1 300 8 i 1 2 标定转速 z1 0鼹后lm i n0 0 8 i1 3息速o 1 0 蛙后1n l l i 0 2 3 表2美、f i i l 、欧及我国轻型车试验规范一一览表 田刖荧困 1 奉欧洲 中圈 1 01 5 丁e c e l 5e c e e e cg b t l1 6 4 2 试验胧范f t p 一? 2 f t p7 51 0t 拢1 1t 批 况1 况法 新试验泫1 5 t 凸6 沾 冷热 起动条件冷起动热起动热起动冷起动冷起动冷起动冷起动 起动 取样方，c v s 一1c 7 53c v sc v sc v sc v 5c v sc v s 每循环时间 1 3 7 21 3 7 2 - 5 0 51 3 56 6 01 2 0t 9 51 2 2 01 9 5 棚心 j ：健趴 1 20 6 6 44 i 6 l0 2 l1 0 1 3l l ，0 0 71 0j 3 离k m 、l i 均下速 ( k m h ) 3 l _ 6 71 7 72 2 73 061 874 4 01 8 7 最高车速 9 1 24 07 06 05 01 2 05 2 ( h h 。) 2 5 + 4 采样时问s1 3 7 21 3 7 2 + 5 0 55 1 3 56 6 04 1 9 51 1 8 04 1 9 5 1 2 0 测定成分发c o _ n d i rh c f i dc o - n d i rh c - f i dc o n d i rh c f i d c o - n d i r h c f i d 使用的仪器n 魄一c l dn o i c l dn o x c l d n o r c l d 6 0 0 0 8 5 0 0l b l b * 以 以下的乘员1 0 人以下轿车及重2 t 以 2 5 0 0 k g 以下的汽、柴油 3 5 0 0k g 以 适用车型下的 汽、柴油下的情形汽油车 聋 下的汽、终 汽、柴油f 油车 试验驶需底盘测功机 l1 b = 04 5 3 5 9 2k g 、 自1 9 9 2 年7 月lh 起，欧洲经济委员会e c e 和欧洲经济共同体e e c 实行 山东大学硕士学位论文 新的汽车排放法规，对于轻型汽车由4 个市区e c e l 5 工况模型和1 个郊区行 驶丁况模型e u d c 组成“。对于重型车用柴油机采用e c e r 4 9 的1 3 工况进行测 量。其t 况试验程序见表l 所示。试验在发动机测功机上进行，标准所指中 间转速为发动机最大转矩转速，其值等于标定转速的6 0 7 5 ，试验结果以 g k w h 表示。 我国的轻型汽车排放测试规范是按照g b t 11 6 4 2 轻型车排气污染物测试 方法进行的。试验行使工况采用e c e l 5 工况模式，包括怠速、等速、加速、 减速等1 5 工况。试验前要求汽车在室温条件中静置6 小时，发动机冷起动后， 先怠速运转4 0 秒，接着在底盘测功机上连续运行4 个循环，用c v s 采样系统 收集4 个循环的排气进行分析。试验对于所用的设备的标定、误差范围以及 试验燃料都有明确的规定。只有严格按照规定进行，试验结果爿有效。表2 所示为美、r 、欧及我国轻型车试验规范一览表。 通过上述对国内外现行主流法排放法规的研究，我们发现不同法规在制 定时主要考虑的是各幽实际的交通状况，法规试验程序的设置尽量包含了汽 车在当地道路上运行时从起动到停车所经历的各种：【况，并且每一工况都按 照相应的比例分配了试验时间。由此，不同工况对 i 污染物排放值的贡献得 到了体现，按照舰范进行排放试验可以较为真实地反映汽车在当地道路运行 时的排放水平。 我们通常进行的发动机排放试验主要是预测应用于某种用途的发动机实 际中可能达到的排放水平，而各国不同的测试法规都其有很强的针对性，这 就要求我们在试验时定要慎重选用，以免采用的测试规范所得结论不能较 好的体现真实运行工况下的排放值。 1 _ 3 现行微粒测定方法及其适应性分析 柴油机的微粒排放通常是以它的测量方法来定义的。图1 所示为美国环 境保护局e p a 对微粒所作的定义“3 3 ，从中可以看出微粒的测量要经过采样、 稀释混合、过滤采集、称量等一系列过程。微粒的测试系统可以根据排气经 山东人学硕士学位论文 过稀释风道的比例分为以下两类：全流定容采样系统和分流稀释系统。 1 3 1 全流定容采样系统 从全面研究微粒的物化和生化特性的角度 出发，1 9 8 2 年 丌始，美国坏境保护局e p a 法规 规定采用c v s ( 全流定容取样系统) 对微粒进 行测量和研究l j 。 所谓的全流定容取样系统是指汽车排出 的废气经洁净的新鲜空气稀释，并为了保证测 量精度，保持稀释后混合气的流动状态的恒 定，以固定不变的容积流量输出， 柴油机排气 0 川2 0 3 0 的空气在紊流状态 f 稀释不能发生水冷凝现象 上 用涂有聚四氟乙烯的玻璃纤维 滤纸在温度5 2 时采样 臣匦圃 图1e p a 对微粒的定义 同时还能防止排气中的的水蒸气的凝结。用洁净的空气稀释排气，不仅可以起 到冷却的效果，还可以形成- 个接近常温的环境来采集微粒，使得车辆在行使 中把排气排入大气并进行扩散的过程大致得到了模拟。工作原理如图2 i ”1 所 示。 在浚系统中，通过抽气泵使气体流经稀释风洞，发动机的排气管与稀释风 洞的进口相连。使得发动机所有废气都流入风洞中。经过滤的环境空气由第二 个入口流入稀释风洞用于稀释废气。最后从稀释后的废气中分离出恒定质量流 量的废气流经滤纸以收集微粒。 c v s 在测定发动机环境污染时有以下三大优点： 1 在某种程度上模拟了车辆在实际道路行驶状况下大气对废气的稀释； 2 稀释后微粒的浓度总是与发动机向大气排出的的总微粒质量成正比： 3 只需测量稀释风洞中的微粒浓度就可知道发动机总的微粒质量。 c v s 系统豹应用： 1 作为标准标定系统：由于柴油机微粒是以c v s 系统的测量方法来定义 的，因此我们不得不以c v s 结果作为所有其它微粒测试设备测量结果的标准 值。 7 2 j h 于瞬态测试：l 况以及转鼓试验台上的整车排放测试：划l ：瞬态测试工 况发动机的排气流量无法用流量计准确测量，而c v s 中采样泵每转 圈所吸 入或排出的气体量固定，可精确测量排气量，所以c v s 适用于瞬态测试一 况。 在转鼓试验台上进行整车排放测试时，一般都采用瞬态试验循环，因此都配备 有c v s 稀释系统。 ：鹱稀释风悯恒定毒| 兵城 惴2 争流定容采样系统c v s 蟓矬| 芏| 混合扎定窑爰棒 精鞣翰釜蜀拶9 酒习蟊。姆。 酷 b 蹦3 分流稀释系统原理幽 c v s 系统也存在一些缺点，例如： 1 出于c v s 的容积流量必须大于发动机的最大瞬时流量，因此对于大型发 动机而言需要大容量的定容装置，造成体积庞大，容易受场地限制； 2 由于稀释使浓度降低而需要高灵敏度高性能的分析仪器，因而造成价格 相当昂贵，很难被每一个发动机制造商所接受。 菠3 为国外己研制成功的儿种的几种j x l 洞的比较。从表中可以看出，从全 流风洞到微型风洞，出于所采用的取样方式不同，风洞的管径出原来的4 5 7 m m 降至5 0 m m 。而且从价格方面来看，全流稀释风洞的价格高达两百多力美元，而 分流稀释系统则只需要十到二十几万美元。因此无论从体积还是价格等方面， - 8 - 糸人学硕_ i p 亨何 仑文 分流系统都较令流系统j 有很多的优越性。 1 3 2 分流稀释系统 分流稀释系统按照1 i 同的方式分类大致可分为以f 几种。其中，根据滤 纸采集稀释后废气的方式可将分流系统分为两类： 1 部分取样方式系统：即总废气中有相当大的一部分( 1 ) 用流量为l l om3 m i n 的洁净空气进行稀释，而稀释后的废气仅有讣部分流经滤纸用柬 收集微粒。气流流经直径为7 0 m m 滤纸的流量基本为l o o l m i n 。 2 全取样方式系统：总废气中仅有极少部分( 4 5 7d 3 5 7 5 0 08 5 9 51 0 03 15 0 稀释取样部分流部分流部分流 部分流令流伞流 等速取样问 稀释比拎制坡气分析仪时用c 0 ，废 c o ，分析仪质量流量汁 气分析仪 戏微机 发微捌l 稀释风 m 流量， 3 0 g o2 4 01 31 30 13 9 s 研制时问1 9 8 0 年前 1 9 8 0 钲1 9 8 7 壬| 三1 9 8 7 1 9 9 2 91 9 9 0 济南汽下中心从a v l0 i天津大学从英国c u s s o n s0 ll 海柴油机股份响限公一 价格 址价值$ 2 7 0 万进价值$ 2 5 万从a v l0 进价值$ 1 1 万 表4几种分流稀释系统比较 微车立废。t 采样方式优点 缺点 采取总捧气中相当火一部分( 1 ) 进入稀释风稠，传递管中 j i 度降低系统j t 寸人，滞留时问比牟 部分取样悱 温度ic v s 系统相似，容易救掰1 jc v s流系统c v s 蔓小褂多 的证好相关性 稀释比控制可靠( 1 0 ) 甚拿谯窟速必须保b f 废气的脉力被功很 控制 动能墩样 t 况下也如此小 方j _ i =对怠速工m 而苦很难拄制预 双喷嘴或般义l t 利管可确定町始的稀释比，精度高于5 设的稀释比，费用增加 采样比小( 1 ) 传递管中 的温降很人，通常需盅训节 令部取样疗式系统j t 寸小 温度，口j 歌得l = 牟：流系统c v s 的相关忡，世必须仃绷调控 为r 保自f 采样比的精度必须 挖制 顼譬流量系统结构简单控制循环简甲对质量跑量精确控制( n 文 i 0 ) c 0 2 n ( 1口j 确定h j 靠的稀释比，精度高十5 对患速t a mj ；很雉拎制顶 设的稀释比费用增自l i 山东人学硕十学何论文 ：! ：= ! = ! - = = = ：= = ! = = = = = = = = ! ! ! = ! ! = = = ! ! = = = = = = = 近年米逐渐采用分流稀释的几方面原因： 1 价格比全流稀释系统便宜； 2 体秘较小，不受场地限制： 3 新的认证试验都是在稳念工况或至少在准稳念工况下运行的： 4 全流系统与经过适当调整和控制的分流系统之间的相关性几乎和小同 全流系统之间的的相关性一样完美。 对于分流稀释系统，表4l t t l 总结了这几种方式的优缺点，可以看出，部分 取样型稀释风洞和全部取样型稀释风洞各有优缺点。 1 3 3 现行微粒测定方法的适用性 综上所述：c v s 系统是微粒排放测试的基准设备，但其具有体积庞大易受 场地限制、价格昂贵的特点；分流系统的体积小、价格相对较低、操纵方便 而量测试结果与全流系统有较好的相关性，采用分流稀释风洞对颗粒进行测 量已成为今后发展的趋势，尤其是对于重载柴油机的台架稳态测试试验。闲 此，幽内排放法规中推荐采用分流系统。应该看出这也只是针对发动机认证 而苦的，如果发动机厂家在f = i 常的生产中需要经常性的做此类排放试验， i | j 使是采j = ； j 分流稀释采样系统，试验费用对厂家而言也是一笔不小的经费。例 如采用a v l s p c 4 7 2 ( s m a r ts a m p l e rp c ) 微粒排放测试仪做一次十三工况排放 试验，所需成本大约在7 0 0 0 元左右，如果采用全流稀释采样系统，其成本更 高，在力元以上。即使采用便携式的排放测量仪，一般而苦也只能测到气态 排放物，而柴油机的固有特点是排放中微粒数量较多又必须要经过检测，所 以为了更好的研究柴油机微粒排放的规律，并以此为基础采用相应的控制手 段来降低排放水平，就有必要找到一种实际中可行的手段来测量柴油机排放 中的微粒成份，如果其精度在可以接受的范围之内就可以应用于实际生产中， 既节省了生产经费又可以较为方便的测量发动机的排放水平，为科研单位和 生产一商提供了有益的帮助。 l l l 女、人学硕+ 学位论文 1 4 柴油机电控燃油喷射系统综述 uf 控制技术已是当前柴油机技术发展的重要方向之 。柴油机采用电 控系统t i j 。以实现柴油机的综合控制和最优控制、响应速度快，控制精度高， 从而呵以改善柴油机的动力性能、经济性能和降低排放，而且具有很高的控 制灵活性和适应性“。 在内燃机电子控制中，发展较早的是汽油机。自1 9 6 7 年德国b o s h c h 公 司推出了d j e t r o n i c 汽油机机械式和电控式喷射系统以后，国外汽油机电控 技术经过飞速发展，已经有大批较成熟的产品相继投放市场，比如b o s h c h 公 司推出l | | - - j e t r o n i c 电控多点喷射、福特公司推出e e c 一 1 i e ue e c 一系统 等。h 自u 的汽油机电控系统正在向功能多样化、系统微机化及人工智能的方 向1 i 断发展“。i 。与汽油机电控系统，柴油机电控技术的出现较为落后，但由 于其r i ：多独特的优点可以使柴油机的性能得以有效的提高，所以各国的相关 研究卜作一直在积极进行。结合我国实际，内燃机电控技术势在必行特别 是柴油机，范围广、难度大，起步晚，远远落后于国外现阶段水平，应是发 展的藏点。丌展柴油机电控技术的研究和发展，进行国际问合作和交流，已 迫切嵩婴提剑重要的议事日程。 幽外研制的柴油机电控燃油喷射系统的形式多种多样，但总起来从发展 的顺序上讲可以归为两大类：一类是位置控制，一类是时问控制”。位置控 制系统出现较早，其特点是保留了传统喷射系统的基本结构，通过增设位移 传感器、执行器和微处理器所组成的控制系统对齿条或滑套的运动位置予以 电子控制。位置控制系统包括电控直列泵系统和电控分配泵系统；时间控制 系统j j ! | j 改变了传统喷油系统的结构、通过使用高速电磁阀对喷射过程进行直 接的高频调节来控制喷油量、喷油正时、喷油速率及喷射压力等，使控制的 自由度史大一些。时阳j 控制系统包括共轨式电控燃油喷射系统、电控泵喷嘴 系统、电控泵一管一嘴系统和v e 泵时间控制系统。高压喷射是当今柴油喷射 系统的发展趋势之一，位置控制电控燃油喷射系统由于保留了传统喷油系统 山尔人学硕十学位论史： 的犬部分结构，高压油管很长，不可能实现电控高瓜喷射，币是这一原因促 进j t l , ji i l j 控制i 乜控燃油喷射系统的出现和发展。 从技术角度对一些较典型的电控高压喷油系统进行比较，如表5 e 2 1 所述。 表5典型电控方案比较 喷油m 喷油鹾力 喷油喷油速率 小喷 快速 改善燃 减小 憾 喷油力口j 小 u j 小受负 定时驶预喷射 油量油绎济 油采总体 k 1受转速 甜制约 柔性的柔性柠 控出4 断油 性 驱动评价 制约拧制 制扣矩 l u 拄 泉一管 l001l2l 1 l8 一嘴 电控 泵一唼3 002221l 11 2 嘴 j u 拄 单体 300222ll l1 2 泉 l 乜拄 - 矗j 卡3333333332 7 共轨 s s s133032l332 ( ) i 8 s s2330323i332 1 h e u i i 3：；0323 1332 l 注：表中数字的含义为：0 一差( 或不可能) ，1 一般，2 一中等，3 一 较好。 从表5 中可以看出：电控高压共轨式喷油系统的技术指标最佳，s si 一2 系 统与h e u 系统技术指标次之，而s si l 系统屠第四位尽管目前电控泵一喷嘴 式高压喷油系统和电控单体泵式高压喷油系统就其应用数量和应用场合而茧 可能要占一定的优势，但从长远发展来看，这两种系统可能只是过渡类型，其开 发和应用的活力远不及电控共轨式喷油系统共轨系统主要优点为”“：由于喷 射管路中压力高且恒定，燃油在喷射初期和术期也能很好地雾化，故可减少h c 和c 0 的排放，并能明显降低颗粒的形成。从这方面考虑，电控共轨式高压喷油 系统应浚是必选的喷油系统开发方案。 电控柴油机的核心部件是电控单元，由硬件和软件两大部分组成。在计算 机的一般应用领域中，软件工程与硬件工程的分工是比较明确和严格的而在 山糸人学硕十学位论文 = ：! = = - = - = ：- ：= ! ! ：一= ：- ：= = = ! = = = = = = = = = ! = = = = = ! = = = = = = 柴油机1 1 子控制微机的领域内，硬件和软件则是一个不可分割的整体。硬件的 钉设运行需要依靠软件来支持，而软件的控制功能又要依靠硬件来实现，随者 十h 辅相成，瓦相关联。 硬件的选用主要是指单片机的选型，要考虑下几个方面“：1 控制对象和 f | 标i 2n 上怍条件：3 控蒂9 精度：4 环境温度：5 价格：6 兼容性和可靠性。柴油机 工作条件和工作坏境比较复杂，它要求单片机具有较高的可靠性、较强的抗干 扰能力和较高的控制精度。目前柴油机电控单元中经常采用的为i n t e l 公司 m c s 一5 1 系列单片机的8 0 c 5 1 产品。其主要特点如下”：1 8 0 c 5 1 容量丰富，具有 较商的操作速度和数掘吞吐能力。2 采用高速c m o s 工艺，功耗低、运算器功能 强大。3 集成了丰富的外设装置，通过外设事务服务器专门处理外部中断事务 大大减少了c p u 的软件运算时间。4 8 0 c 5 1 有多种中断源。可以设置中断的优 先级别，有较强的实时处理功能。5 高性能可编程定时器系统，时钟电路设汁 采用外部时钟时钟频率为1 2 m h z 。 i 油门开度信吁 = 整形l j e p r o m 吲荦 = = 临挣血扳 l 气缸位置信峙 b 电路r _ 1 唑 = o 高速l u 碰阀 l i 进气温度、慷力情号 o l 缓冲器b2 = 纠故障指_ ： ii = i 功率驱动模块 i 挺前角信。j = 令 模 l 停油；u 磁阔 【，u 磁涸位置 = 拟 = 输 l 柴油温度f o 入 介 = = i扩展接u电 i # 它信i j = 辛 路 l