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上海交通大学硕士论文 柴油机电控喷射系统标定平台开发 柴油机电控喷射系统标定平台开发 摘要 在现有的柴油机电控喷射技术中，高压共轨式电控喷油系统是最直 接、最有效的手段之一。本课题源于厂校合作重大攻关项目共轨式电 控柴油机喷射系统的研制。该项目的目标是根据国外先进柴油机高压共 轨燃料喷射系统资料，开发出我国自行研制的柴油机高压共轨燃料喷射 系统g d - i ( g r e e nd i e s e l - i ) ，并与y c 6 1 1 2 型柴油机匹配使用，这对我 国柴油机技术的发展具有重要的现实意义。 本文的主要内容是g d - i 系统的标定平台的设计与开发。所谓标定平 台是以p c 为管理中心建立的人机交互平台，是开发人员调试完善电控系 统控制策略以及标定员完成电控系统与发动机的匹配标定的重要工具。 功能完善且灵活方便的标定平台对于整个电控系统的开发起到事办功倍 的效果。并且，标定平台的自主知识产权是发动机电控系统自主知识产 权的重要组成部分。 本文分析了g d l 整体结构和工作过程，介绍了匹配标定的基本理论， 并且充分调研及剖析现有的几种标定系统。在此基础上，利用v is u a lc + + 完成g d 一1 标定平台的设计。本文标定平台具有以下显著特点： ( 1 ) 将标定系统和标定平台分割为相互关联的若干模块，提高了标 定系统的设计速度、实现标定平台的灵活性和通用性； 上海变通大学硕士论文柴油机电控喷射系统标定平台开发 ( 2 ) 延续了w i n d o w s 程序设计风格，通过下拉式分级菜单和对话框 的设计实现友善的用户界面； ( 3 ) 采用数表的方式在标定平台用户界面上组织标定数据； ( 4 ) 采用地址绑定的方法实现标定数据的准确传递； ( 5 ) 为了避免电控系统的设计、调试与匹配标定过程中不必要的混 乱，一定要对电控系统控制策略程序的开发人员和标定员对标定工具的 使用设置权限。本文通过设置标定工具对不同人员的不同开放度以及对 不同文件的可读写性，达到了权限设置的目的。 ( 6 ) 调试试验证明本文标定平台数据传递准确无误。 本文最后指出，柴油机电控喷射系统的研发状况在我国不容乐观， 要形成成熟的自主开发能力，还有很长的路要走。 关键词：柴油机，电控喷射系统，标定平台，高压共轨 上海交通大学硕士论文柴油机电控喷射系统标定平台开发 t h ed e v e l o p m e n to fc a l i b r a t i o np l a t f o r mf o r e l e c t r o n i c a l l yc o n t r o l l e di n j e c t i o ns y s t e mo fd i e s e l a b s t r a c t o fd i e s e l s e l e c t r o n i c a l l yc o n t r o l l e di n j e c t i o nt e c h n o l o g i e s ，t h em o s t p r o m i s i n go n ei st h eh i 曲p r e s s u r ec o m m o nr a i ls y s t e m ，t h ep a p e ri sp a r t so f t h ec o o p e r a t i o nb e t w e e nj i a o t o n gu n i v e r s i t ya n dy ul i nd i e s e lc o m p a n y t h e c o o p e r a t i o ni sd e v e l o p i n gs u c has y s t e m ，n a m e dg d l ( g r e e nd i e s e l - 1 ) ，a n d m a t c h i n gi tw i t hd i e s e ly c 6 11 2 t h ew h o l ep r o j e c ti si n s t r u c t i v et oc h i n a s d i e s e li n d u s t r y t h em a i ni d e ao ft h ep a p e ri st oi n t r o d u c et h ed e v e l o p m e n to fc a l i b r a t i o n p l a t f o r mf o rd i e s e l se l e c t r o n i c a l l yc o n t r o l l e di n j e c t i o ns y s t e m c a l i b r a t o n p l a t f o r m i sam a r l m a c h i n ei n t e r f a c e m a n a g e db yp c i t i sa l l h e l p f u l i n s t r u m e n tf o rc a l i b r a t i o na n do p t i m i z a t i o no ft h ei n j e c t i o n s y s t e m o w n i n g t h ep r o p e r t yr i g h to fc a l i b r a t i o np l a t f o r mi si n d i s p e n s a b l et oo w nt h ew h o l e i n j e c t i o ns y s t e m t h ec o n t e n to ft h e p a p e ri n c l u d e sg d 一1 ss t r u c t u r ea n dw o r k i n g 上海交通大学硕士论文柴油机电控喷射系统标定平台开发 p r o c e s s ，b a s i ct h e o r i e so fc a l i b r a t i o n ，a n d t h es c h e m e so fs o m ec a l i b r a t i o n s y s t e m b u tt h em o s ti m p o r t a n tp a r to ft h ep a p e ri st h ei l l u s t r a t i o no fg d 一1 s c a l i b r a t i o np l a t f o r m a c c o r d i n gt ot h ep a p e r ，t h e c a l i b r a t i o n p l a t f o r mh a st h ef o l l o w i n g f e a t u r e s ： ( 1 ) d i v i d i n gt h ec a l i b r a t i o ns y s t e mi n t os e v e r a lm o d u e l s ，s oa st os h o r t e nt h e d e v e l o p m e n t a lp e r i o da n d r e a l i z et h ef l e x i b i l i t y ； ( 2 ) u s i n gd r o p d o w nm e n ua n dd i a l o gb o xt os e tu paf r i e n d l ym a n m a c h i n e i n t e r f a c e ； ( 3 ) o r g a n i z i n gt h ec a l i b r a t i o nd a t ao nt h ei n t e r f a c ew i t ht a b l e f o r m a t i o n ； ( 4 ) r e a l i z i n gc o r r e c td a t at r a n s f e rb yt h ew a yo f a d d r e s s - b i n d i n g ； ( 5 ) e s t a b l i s h i n gt h el i m i t a t i o no fa u t h o r i t yo fc a l i b r a t i o nt o o l s ； ( 6 ) p r o v i n gt h ef e a s i b i l i t yo fd a t at r a n s f e rb ye x p e r i m e n t s t h e p a p e ra l s oi n d i c a t e st h a ta l t l l o u g hw eh a v em a d eg r e a tp r o g r e s si n r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h ed i e s e l se l e c t r o n i c a l l yc o n t r o l l e di n j e c t i o n s y s t e m ，w es t i l lh a v eal o n gw a y t oo w i n gt h em a t u r ed e v e l o p m e n t a la b i l i t y k e yw o r d s ：d i e s e l ，e l e c t r o n i c a l l yc o n t r o l l e d i n j e c t i o ns y s t e m ，c a l i b r a t i o n p l a t f o r m ，h i 曲p r e s s u r ec o m m o nr a i i 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 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、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密叼，在三年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：碧缅 日期：2 。0 2 年2 月z g 日 指导教师签名：舞i 氏 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。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作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者繇碧缅 日期：2 0 a z 年乙月彰日 上海交通大学硕士论文 柴油机电控喷射系统标定平台开发 第一章绪论 1 1 柴油机采用电控喷射系统的必要性 柴油机比汽油机有更好的经济性，其热效率可达4 5 5 ，是当今各种动力机械中 热效率最高的一种。船舶动力装置中，使用柴油机作为动力的占9 5 以上，在车用范 围内，装载车辆几乎都用柴油机作为动力，并且己逐步进入小客车的使用领域。我国 的车用内燃机也逐渐向着柴油机化这一趋势发展。 现在全世界每年生产上千万台柴油机，大约有一半装在公路交通车上，目前全球 车辆保有量己超过7 亿辆。随着柴油机应用领域的不断扩大，能源危机、排放和噪声 日益为人们所重视，尤其是控制排放的呼声越来越高。美国大气中8 2 的c o ，9 8 的 h o x 和5 8 的h c 来自汽车排出的废气。在日本，9 9 的c o ，9 8 的n o x 和3 6 的h c 来自 汽车排放。 工业发达国家相继指定了一系列严格的排放法规，美国、日本、欧盟的汽车排放 法规是当今世界三个主要体系。他们的柴油机排放限制越来越严厉。欧盟的载重汽车 排放标准如下表1 - 1 所示。美国车用重型柴油机的排放标准如下表卜2 所示。北京和 上海也相继制定了较严格的排放标准，我国的排放标准基本属于欧盟标准。中国车用 柴油机的排放标准如下表卜3 所示。 表1 - 1 欧共体载重汽车排放标准( 单位：g ，h h ) 等级执行时间 c 0h cn0 xp m烟度 欧i1 9 9 2 ， 8 5 k w 4 5 1 1 8 oo 3 6 欧i i1 9 9 6 1 04 01 17 oo 2 5 1 9 9 8 1 04 01 17 0 o 1 5 欧i 2 0 0 0 1 02 oo 6 5 o o 1 0 欧 2 0 0 5 1 01 5 0 4 6 3 5o 0 2o 5 欧v 2 0 0 8 】0 1 50 4 62 o 0 0 20 ，5 上海交通大学硕士论文 柴油机电控喷射系统标定平台开发 表卜2 美国车用重型柴油机排放标准( 单位：g b h p h ) 车型 年h cc o n o xp m 重型货车 1 9 9 01 3 1 5 56 00 6 0 用柴油机 1 9 9 l1 31 5 5 5 0o 2 5 1 9 9 41 3 1 5 55 oo 1 0 1 9 9 8 1 31 5 54 o o 1 0 表卜3 中国车用柴油机排放标准( 单位：g k h ) 执行时间 c0h cn0 x pm n e 8 5 k w 1 9 9 7 1 0 11 1 22 41 4 4 1 5 6o 9 2 2 0 0 0 i 14 51 18 oo 6 1 o 3 6 2 0 0 4 1 0 4 o1 17 o0 1 50 1 5 既要保证汽车具有良好的动力性，又要降低发动机的油耗，还要满足低排放的要 求，这对世界汽车行业来说是一个严峻的挑战。 值得庆幸的是，进入7 0 年代后期，电子工业有了长足的进步，特别是集成电路、 大规模集成电路和超大规模集成电路的发展，使电子元件过渡到功能块和微机出现 后，使用功能强、响应敏捷、可靠性高、价格便宜的电子产品已成为解决上述矛盾的 有效手段。因而迅速推动微机控制技术在汽车上的应用并快速发展。电子控制喷射技 术的发展以及控制精度的不断提高，发动机的控制功能日趋完善，使得电子控制技术 在发动机上的应用得到了迅速推广。现已基本解决了汽车经济性与排放之间的矛盾， 满足了汽车用户的要求。 柴油机喷油系统的电子控制，主要是喷射压力、喷油正时、喷油量和喷油速率的 控制。目前，主要实行高压喷射、精确的喷油定时和喷油量、可控制的喷油速率等措 施。 实行高压喷射，能增加燃油的经济性，同时可降低c o 、h c 、p m ( 包括s o o t ) 等的排放。但高喷油压力，会使得气缸最高燃烧压力和燃烧温度高，从而使得n o x 2 上海交通大学硕士论文 柴油机电控喷射系统标定平台开发 排放高，这就要相应减少喷油提前角，以降低n o x 排放；另外，喷油压力提高后，可 以缩短总喷油时间，这也可以降低n o x 排放。 对喷油量的控制不仅包括各种负荷下的精确喷油量，还包括燃油预喷射、主喷 射和后喷射( 如有必要) 的喷油量比例和时闯闫隔。 对喷油速率的控制可以降低n o x 、h c 、s o o t 等。如采用快速停油可以降低h c 的排放：降低初始喷油速率，即采用预喷射、三角型喷射或靴型喷射可以有效降低 n o x 排放和噪声；同时，采用预喷射、三角型喷射或靴型喷射，可以使得放热率比较 平稳，从而可以降低n o x 和s o o t 的排放。 对喷油提前角( 正时) 的控制，( 不同工况下的喷油量和喷油正时的控制) ，可 以提高燃油经济性，降低排放。有资料表明，柴油机喷油始点偏离期望值l c a ，n o x 排放增加5 ，提前2 c a ，会使气缸爆发压力升高l o b a r ，延后2 c a ，会使排气温度升 高2 0 v 。又有资料表明“”，柴油机喷油始点变化1 c a ，油耗增加2 ，h c 排放增大 t 6 ，n o x 增加6 。这就要求须精确控制喷油定时。 本文参与研发的是柴油机高压共轨燃油喷射电予控制系统，简称为g d 1 高压共 轨系统( g r e e nd i e s e l 一1 ) 。 1 2 高压共轨系统的特点 高压共轨系统的油泵供油和喷油器喷油是相互独立控制的，它们有各自的电磁 阀，同时共轨管中的燃油是高压状态。高压油泵的结构与传统的喷油油泵是不一样的， 它的机械部件的功能是向共轨管内供油，供油量的大小由电磁阀来控制油量调节孔， 改变柱塞的压缩始点，从而改变供油量。一般地多采用柱塞式油泵。由电磁阀控制高 压共轨管( 相当于燃油蓄压器) 的油压，并始终有高压油，其上还装有调压阀( 又称 溢流阀) 。喷油器的结构也与传统喷油器有所不同，主要的区别是喷油器的上部有一 个控制腔，喷油嘴的喷油过程完全由电子控制器通过控制电磁阀的脉冲来控制。图 卜7 为i ) e n s o 公司的e c d u 2 系统。 上海变通大学硕士论文 柴油机电控喷射系统标定平台开发 图i - id e n s o 公司的高压共轨e c i ) - u 2 系统 f i g1 7h i g hp r e s s u r ec o m m o nr e i lf u e li n j e c t i o ns y s t e mo f e c l 3 - u 2 嘴 高压共轨系统能较好地同时满足燃油系统的要求。它是一个全新的电控喷油系 统，具有很大的发展前景。柴油机高压共轨喷油系统能够达到较低的燃油耗、达到目 前以及未来的欧洲排放标准、通过改善低速扭矩提高行驶功率、降低燃烧噪声、改善 冷起动性能等等性能要求。 对高压共轨系统，它的性能优点主要表现在以下几个方面： 能产生很高的喷射压力。使燃烧过程进一步优化，同时又没有中压共轨的增压 活塞组件的机械运动。 能自由选择喷油压力( 共轨内压力) 。因为高压油泵的工作与喷油嘴的工作是 独立进行的，因而，即使是在低转速和低负荷工况时，也能得到高喷射压力。从而减 少烟度，改善排放和经济性。 能自由选择喷油正时控制。即可以最大程度上选择预喷射和主喷射的始点和时 间，由于没有齿杆和滑套的机械部件，选择预喷比较自由、方便。 4 上海交通大学硕士论文 柴油机电控喷射系统标定平台开发 喷油量控制更自由灵活。通过控制器( e c u ) 的控制脉宽p w m 来控制喷油量的 大小。 能自由选择不同的喷油速率。如预喷射、三角喷射、靴型喷射等等，改进缸内 的燃烧，降低n o x 的排放和噪声。 能降低传动扭矩的最高值。油泵的驱动扭矩远低于直列泵，只有它的三分只一。 使汽油机和柴油机的加工工艺相同。( 相同的曲轴箱、发动机结构、曲轴传感 器和相位传感器) ，这样可以缩短加工时间，降低成本。 可以选用理想的d e n o x 催化器的延迟喷射系统。( 后喷) 。 对喷油器体的设计，通用性好。通常只须对原先的喷油器改动一小部分，就可 适用于各种型号的发动机。 高压共轨电控喷油系统对喷油正时、喷油压力和喷油量的控制要求非常精确，使 得控制系统比较复杂。这就有很高的技术要求和工艺要求。 1 3 标定平台的重要性 发动机电子控制技术的广泛应用给电子控制系统与发动机的匹配标定技术带来 了新课题i 发动机管理系统分为硬件和软件两大部分，硬件主要由电子控制单元 ( e g u ) 、传感器、执行器及线柬四部分组成，而软件由控制策略程序和标定参数( 数 据) 组成。从理论上讲，一个电控系统只要改变其软件部分的标定参数，就可用于相 近的发动机。若进一步对硬件和软件程序部分稍加改动，一个电控系统原则上就可配 用于各种不同的发动机。但不管怎样匹配，在一个电控系统的数学模型和硬件模式基 本确定的前提下，能不能使匹配的发动机发挥出最好的性能，就取决于软件部分的最 佳标定参数，这个取得最佳标定参数的过程，就是匹配标定工作的主要任务。电控系 统与发动机的匹配标定试验始终是电控系统研制开发的重要环节，直接影响系统开发 周期的长短及发动机性能的优劣。 标定平台是以p c 为管理中心建立的人机交互平台。标定平台的使用者是编写电 控系统控制策略的程序员和优化电控系统的标定员。程序员利用标定平台调试控制策 略程序，标定员利用标定平台优化电控系统。功能完善且灵活方便的标定平台对于整 个电控系统的开发起到事半功倍的效果。标定平台的自主知识产权是发动机电控系统 自主知识产权的重要组成部分。国外主要的电控系统开发厂商都有自己的标定平台， 上海交通大学硕士论文柴油机电控喷射系统标定平台开发 如b o s c h 公司的v s l 0 0 和通用汽车的c at o o l 等。 1 4 国内柴油机电控喷射系统的研究现状 国内对柴油机电控喷油系统由于起步较晚，基本处于实验研究阶段，还没有实际 的应用。国内些相关的大学和研究所正致力于电控喷油系统的开发。 一汽集团长春汽车研究所和吉林工业大学，在电控可变预行程直列泵系统方面开 展科研实验工作，用两个步进电机马达分别控制齿条和外套，在缸径1 1 0 m m ，行程 1 2 0 m m 的直喷燃烧室单缸试验机上进行试验。性能有明显改善。 北京理工大学内燃机实验室在直列泵上用电磁阀通过液压伺服机构驱动齿条，实 现喷油量电控，不带提前器，在1 2 v 1 5 0 柴油机上进行试验，取得了显著的成果。同 时北京理工大学、清华大学等均在对电控泵一管一嘴一阀系统进行研究，并取得了较好 的成果。 天津大学研究了e c h p f i e 中压共轨系统，山东大学也在研究开发中压共轨系统。 上海交通大学也在开发中压共轨系统。 对高压共轨喷油系统，由于国外也是近几年才有产品问世，因而国内的研究更晚 些。只有极少数单位在进行研究，上海交通大学正在对高压共轨系统进行研究，已取 得初步的成果。 但国内的电控喷油系统的开发研究，目前均是在实验研究阶段，距实际运用还有 一段距离。 1 5 本文的主要工作 本文作者于1 9 9 9 年9 月至2 0 0 1 年1 2 月在上海交通大学内燃机研究所攻读硕士 学位期间参与上海交通大学和广西玉柴机器股份有限公司的合作开发项目“柴油机高 压共轨燃油喷射系统的设计开发”。开发的电控系统称为g d 一1 高压共轨系统( g r e e n d i e s e l 1 ) 。本文作者主要承担该电控系统标定平台的开发。 本文的主要工作有： 上海交通大学硕士论文柴油机电控喷射系统标定平台开发 ( 1 ) 在广泛阅读国内外有关文献的基础上，对已有的柴油机电控燃油系统和正 在研究开发的g d 一1 高压共轨喷油系统的整体结构和工作过程进行了分析，为该系统 标定平台的开发提供基础。 ( 2 ) 熟悉匹配标定的基本概念和充分调研及剖析几种现有的标定系统，如 v s l 0 0 、c a lt o o l 。 ( 3 ) 学习、熟悉面向对象的程序设计语言、设计思想和v i s u a lc h 开发工具。 ( 4 ) 完成g d 一1 电控系统标定变量、控制策略中间变量、监测量的整理。 ( 5 ) 制定g d _ l 电控系统标定平台的设计任务书和设计方法，并完成设计和调试。 上海交通大学硕士论文柴油机电控喷射系统标定平台开发 第二章柴油机电控喷射系统的发展和g d 一1 介绍 2 1 引言 一般认为，柴油机喷油技术经历了传统的纯机械操纵式喷油和现代的电控操纵式 喷油这两个发展阶段。而现代电控喷油技术的崛起，则应归功于计算机技术和传感检 测技术的迅猛发展。目前电控喷油技术已从初期的位置控制型发展到时间控制型。共 轨式电控燃油喷射技术正是属于后者。该技术不再采用传统的柱塞泵脉动供油的原 理，而是通过共轨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 至柴油机燃烧室的油量，从而保证柴油机达到最佳的燃烧比和良好的雾化，以及最佳 的点火时间、足够的点火能量和最少的污染排放。 现在越来越多的柴油机都采用电控装置，表2 1 反映了电喷技术导入市场的演变 概况。据测，2 0 0 0 年大型柴油机中采用电控喷油装置的比例可达到8 0 。目前，最 有发展前途的是电控共轨柴油喷射系统。 表2 1柴油机电控喷油市场动向 年限1 9 9 4 焦 1 9 9 6 色1 9 9 8 拒 2 0 0 0 芷 大型柴欧洲 年产量万量 2 63 03 33 5 油机 电控比例 2 02 04 08 0 日本年产量万量 1 92 0 52 l2 2 电控比例 2 12 12 58 0 小型柴欧洲年产量万量 3 3 44 0 54 7 0 4 9 7 油机 电控比例 1 0 1 5 3 06 0 日本 年产量万量 1 9 92 1 92 3 52 4 9 电控比例 1 01 12 06 0 2 2 柴油机电控喷射系统的型式和分类 对电控燃油喷射系统而言，把喷油系统的型式可以分为两大类。一类是对传统喷 油系统各执行元件结构基本不变，而采用传感器、执行器和微处理器的电控系统。主 要是电控直列泵系统和电控分配泵系统。另一类是改变传统喷油系统的机械结构，通 过使用高速电磁阀对喷油( 速率) 过程进行直接的高频调节控制系统。主要是电控泵 一管一嘴系统、电控泵喷嘴系统和共轨式电控喷射系统。而共轨式电控系统又包括增压 上海交通大学硕士论文柴油机电控喷射系统标定平台开发 式( 中压) 共轨系统和高压共轨系统。 从另一个方面，又可把电控喷油系统分为位置控制系统和时间控制系统。位置控 制系统包括分配泵系统和直列泵系统；而时间控制系统则有分配泵上时间控制系统、 电控单缸泵系统和电控泵喷嘴系统、中压共轨式电控系统以及高压共轨喷油系统。表 2 - 2 、2 - 3 、2 - 4 、2 - 5 是各公司的几种典型的位置控制系统和时间控制系统。 表2 - 2 在直列式喷油泵上实施位置控制的系统 典型系统名称油量的控制方式正时的控制方式 日本z e x e l 公司c o p e c 系统控制喷油泵尺杆位移控制液压提前器 德国b o s c h 公司e d r 系统控制直列泵齿条的位移 控制提前器 美国c e l e r p i l l e r 公司p e e c 系统 控制直列泵齿条改变凸轮相位 日本z e x e l 公司的t i c s 系统控制齿条的位移控制套筒改变供油预行程 表2 - 3 在分配泵上实施位置控制系统 典型系统名称 油量的控制方式 正时的控制方式 b 本电装公司e c d v i 系统通过杠杆位置控制滑套位移控制v e 泵上原有的提前器 德国b o s c h 公司e d c 系统电磁铁直接控制滑套位置控制v e 泵上原有的提前器 英国公司e p i c 系统控制分配转子的轴向位移改变内凸轮环相位 美国公司的p c f 系统控制凸轮从动体轴向位移控制泵上原有的提前器 美国a m b a c 公司1 0 0 型泵通过杠杆控制滑套位移改变凸轮相位 表2 - 4 在分配泵上实施时间控制系统 典型系统名称油量的控制方式正时的控制方式 b 本z e x e l 公司的m o d e l 1 系统控制电磁阀关闭的持续时间控制电磁阀关闭时刻 美国公司的d s 系统 控制电磁阀关闭的持续时间 控制电磁阀关闭时刻 德国b o s c h 公司的v p 4 4 系统控制电磁阀关闭的持续时间控制电磁阀关闭时刻 表2 - 5 电控单缸泵系统和电控泵喷嘴系统 典型系统名称主要特点 美国底特律柴油机公司的d d e c 系统电控泵喷嘴，电磁阀控制喷油开始和结束 公司的e u i 系统电控泵喷嘴，电磁阀控制喷油开始和结束 道依兹公司f m l 0 1 2 ，1 0 1 3 柴油机采用系统单缸泵，高速电磁阀控制喷射正时和喷油量 上海交通大学硕士论文柴油机电控喷射系统标定平台开发 2 3 柴油机电控喷射系统比较 本节对柴油机发展历程中各种电控喷油系统进行比较分析，分析各自的异同点和 优缺点，然后寻找我们的努力方向。 2 3 1 电控直列式喷油泵系统 在直列泵上实施电控对多缸机来说，每个缸都需要一个执行器，而且由于各缸在 控制精确度上不可避免的差异，可能会造成各缸油量的不平衡。这里主要介绍德国 b o s c h 公司和日本电装公司的产品。 r b o s c h 公司于1 9 9 3 年推出带控制滑套式直列式油泵，其型号分别为r p 3 9 和 r p 4 3 两种。该系统主要控制喷油定时和喷油量两个功能。其中喷油始点是按喷油量 和发动机转速而定，该值由冷却水温度和高度( 按增压压力进行换算) 进行修正。喷 油量按控制拉杆位移、发动机转速、空气温度、空气压力和冷却水温度进行控制。该 系统能够达到以下指标：( 1 ) 对所有气缸喷油始点的控制精度小于1 0 c a ；( 2 ) 定 时变化范围为2 5 。c a ：( 3 ) 8 0 c a 的定时改变其响应时间为不小于1 6 0 0 c a s 。该系统 的基本参数如下表。 表2 - 61 t b o s c h 电控直列式喷油泵主要技术参数 = 弋 r p 4 3r p 3 9 h 1 h _ l o o o 柱塞直径，m i l l 1 21 21 0 - 1 21 0 一1 2 凸轮升程，r l l m 1 41 71 41 8 缸心距，m3 5 3 53 5 3 5 允许泵端压力，i i p a 1 1 51 1 5 1 2 5 1 4 0 #1 4 0 # 预行程范围，i n t o 5 55 。5 平均供油范围，r a m * * 3 。c a 4 6 74 6 7 适用发动机每缸最大功率，k w 6 07 0 2 3 2 电控分配式油泵 电控分配式油泵这里主要介绍德国、英国和美国的产品。 1 德国rb 博世公司于1 9 8 5 年首次将电控v e 型分配泵应用在柴油机上。由于该 泵采用端面凸轮，所以其泵端压力受到一定限制。但1 9 9 5 年又研制了一种新的高压 电磁阚控制的v p 3 7 e d c 分配式油泵。新的高压电磁阀具有更高的精度和柔性燃油计 量，此泵的泵端压力达8 0 1 p a ，嘴端压力为1 2 0m p a 。参数见下表： 表2 7 分配式油泵主要技术参数 每缸最大壤高喷油压凸轮升程柱塞直径 定时范围 油泵形式缸数 功率，枷 力( 嘴端) m p af t i r l l r r l 。c a 径向柱塞 3 03 - 61 5 03 56 5 7 51 5 ( 2 q ) 4 - 5 缸4 1 5 轴向柱塞 3 0 3 - 6 1 2 01 5 3 28 - 1 2 3 - 6 缸4 1 2 上海交通大学硕士论文柴油机电控喷射系统标定平台开发 2 英国l u c a sd i e s e ls y s t e m 英国l u c a sd i e s e ls y s t e m 也是世界上叫大得意油泵油嘴制造商之一。为了满足 e u r o 排放，该公司开发了全电子高压回油分配式油泵，产品有e s r i o 和e s r 2 0 两种。 其中e s r 2 0 用于中型卡车。 e s r i o 型电子回油分配式油泵的主要特点是： ( 1 ) 供油控制具有低的初始供油率，以便较好的控制n o x ；喷油终止由电子控 制触发阀引起；具有极快的回油速度，能有效的控制颗粒排放。 ( 2 ) 定时控制闭环控制凸轮的运动；能和发动机曲轴位置联系起来；采用e p i c 的技术。 3 美国s t a n a d y n e 公司电控分配式油泵 9 0 年代初，该公司开发了d s 型电控分配式油泵。为了满足美国u s 9 8 排放，又研 制了喷油压力更高的r s 型分配式油泵。新r s 型分配式油泵采用新的燃油分配原理， 它克服了现有泵的某些局限。新原理是利用一个泵油元件在一定时间内作为有油泵的 分配孔。因此，径向的泵油元件和集中的控制阀都能固定在泵头的适当位置。r s 型 分配式油泵工作原理和外形见图2 - i 。 图2 - ir s 型分配式油泵工作原理和外形图 r s 型分配式油泵的主要技术参数如下：供油量1 6 0 m m 3 行程；峰值喷油压力 1 4 0 m p a ；缸数为2 、3 、4 、5 、6 缸，适用发动机每缸排量为0 8 - i 3 升。 目前r s 型分配式油泵已用予美国g m 公司客货两用车和轻型厢式越野车( 配套柴 油机为6 5 l ，v 8 型) 4 电控分配式油泵的不足之处 然而，分配泵按系统特点只能在大喷油量和高转速的情况下达到高的压力。此时 利用了在长油管中的液体动力效应。柱塞运动的速度是三角形。 能够供油的凸轮角度范围，特别在4 缸视上受到很大的限制，几乎不能实现分段 上海交：瞳大学硕士论文 柴油机电控喷射系统标定平台开发 预喷射，这是由于长的油管的影响，液压系统是不稳定的。通过电磁阀控制来调整喷 油始点，由于三角形凸轮速度的原因会引起喷油量的变化。后喷油是不可能实现的。 为了能够产生高的压力，必须使用大直径的柱塞和具有高的供油速度的凸轮，这要求 极大的驱动负荷。 2 3 3 电控泵喷嘴 1 德国r b 博世公司 该公司研制的电控泵嘴系统的产品的主要技术参数见表2 - 8 。 表2 - 8r ib 博世公司产品主要技术参数 型号应用柴油机每缸最大功最大柱塞行柱塞直径最高喷油压 率k w 程，m力( 嘴端) m p a e u i 中型 2 51 28 一1 01 6 0 e u i 重型 3 51 59 一1 11 6 0 e u i 重型 6 51 8g l l1 8 0 e u i 车用 2 5 1 08 2 0 0 它基本上有三大部件组成：( 1 ) 柱塞式泵油元件；( 2 ) 高压电磁阀；( 3 ) 喷油嘴 2 l u c a s 公司于1 9 8 8 年批产于每缸排量2 l 的电控泵喷嘴，后来为了满足市场需 要又研制了能用于每缸排量0 5 - 1 l 的电控泵喷嘴。产品的主要技术参数见表29 。 表2 - 9l u c a s 公司产品主要技术参数 柱塞行程柱塞直径最大供油量发动机转每缸气缸最高喷油 型号 r , r n 3 行程 速r m i l 3 排量l 压力m p a e u l - 1 0 09 81 2 0 5 0 0 005 102 0 0 e u l - 1 5 01 1 - 1 091 6 05 0 0 010 i 52 0 0 e u 卜2 0 01 51 02 4 0, 5 0 0 01 5 202 0 0 e u l - 2 5 01 81 13 0 05 0 0 0 20 2 5 2 0 0 23 4 共轨系统 决定开发共轨式喷油系统的重要原因之一是它能满足用户对直喷式柴油机噪声舒 适性的要求。这是通过少量燃油的引燃喷射来实现的。在共轨系统中，喷油系统的两 个基本任务一一压力形成和油量计量，在时间、位置和功能方面是分开的。 归纳起来，共轨系统之所以是满足未来直喷式柴油机要求的最好系统，乃基于以 下选定理由： ( 1 ) 喷油压力可在2 0 一1 3 5 t d p a 范围内自由调节( 在部分负荷时也有好的油束雾化 准备) ： ( 2 ) 可自由控制预喷射和主喷射； ( 3 ) 对于去n o x 催化剂可自由选择后喷油； ( 3 ) 喷油规律和柴油机工作的不均衡性无关； 上海交通大学硕士论文 柴油机电控喷射系统标定平台开发 ( 4 ) 泵驱动系统中的最大扭矩低； ( 5 ) 几乎不对气门机构带来结构上的影响： ( 6 ) 有可能使汽油机与柴油机( 曲轴箱、器具、传感器) 零部件进一步统一 ( 7 ) 好的价格一用途关系。 2 4g d - 1 介绍 2 4 1g 旷1 的系统结构和工作过程 g d l 高压共轨系统主要由高压油泵、共轨管、限流器、喷油器、各种传感器、 控制器e c u 、执行器( 电磁阀) 等组成，整个系统的工作简图如图2 2 所示。g d 1 高压共轨系统的主要结构部件包括高压油泵总成、共轨管、限流器和喷油器总成。 g d 一1 高压共轨系统在结构上有以下一些特点： ( 1 ) 高压油泵与输油泵做成一整体( 同轴驱动) ，输油泵采用是内啮合式转子泵。 ( 2 ) 高压油泵的工作与喷油器的工作是独立控制的。 ( 3 ) 高压油泵为双柱塞泵，油泵轴上有两个三作用凸轮( 桃型) ，每转一转一个柱 塞有三次泵吸过程，并且两个柱塞的泵吸是交替进行的。高压油泵的供油量由电磁阀 的通断来调节，电磁阀控制油量调节孔，改变柱塞的压缩始点，从而改变供油量，控 制共轨压力。 ( 4 ) 高压共轨管用来储存高压燃油，相当于燃油的蓄压器，始终有高压油，其上 还装有调压阀( 溢流阀) 和共轨压力传感器。 ( 5 ) 在共轨管的燃油出口端，装有限流器。它可以有效减少压力波动，并且在燃 油大量流失( 泄漏) 时会关闭燃油流出口，防止燃油的浪费甚至污染。 ( 6 ) 高压共轨系统用喷油器是由电磁阀、改变结构的喷油器本体和常规结构喷油 嘴组合在一起的。喷油器的喷油过程完全由电子控制器控制电磁阀来进行的，电磁阀 的通断时间控制燃油的喷射量和喷射时刻。 参照图2 2 ，高压共轨系统的工作过程可描述为： 燃油经过输油泵泵油后，流经燃油滤器过滤，进入高压油泵柱塞腔。如果高压油 泵电磁阀通电( 由控制器e c u 控制) ，则电磁阀阀芯关闭柱塞腔回油孔，柱塞腔就成 为一个密闭的空间，燃油就被压缩，压力升高，通过出油阀和油管，进入共轨管。在 共轨管中，经限流器流出的燃油，进入喷油器，在喷油器内燃油分两路分别进入喷油 器针阀的上部控制腔和下部盛油腔，但由于阀针的上头部横截面积大于针阀下头部的 横截面积，使针阀不被上台。当喷油器的电磁阀通电时( 由电子控制器e c u 控制) ， 喷油器针阀上部的控制腔回油阀( 孔) 打开，上部控制腔回油卸压，针阀则被针阀下 部的高压油抬起，燃油则通过进行喷射。当喷油器电磁阀断电时，就会关闭上部控制 上海交通大学硕士论文柴油机电控喷射系统标定平台开发 腔的回油孔，但进油孔仍有燃油流进，上控制腔的压力又上升，把针阀向下压，关闭 喷孔，停止喷射。 高压油泵电磁阀和喷油器电磁阀的通电时刻和通电持续时间是由控制器( e c u ) 控制的。它主要是e c u 根据传感器的信号，判断柴油机的工作状态，确定需要的共轨 压力、油泵供油量、喷油量、是否预喷射、喷油正时等，然后向电磁阀发送指令，完 成对喷油过程精确的、灵活的控制。 图2 - 2g d - 1 高压共轨系统组成 f i 9 2 屯t h es c h e m eo fh i g hd r e s s u t ec o m m o dr a j l f u e li nj e c t i o ds y s t e m 2 4 2g d 一1 控制系统的组成 g d 一1 控制系统由三部分组成，即信号输入部分、控制装置和输出部分，如图2 3 所示。 1 、输入部分 输入部分包括各种传感器和选择输入开关。 传感器包括：( 1 ) 发动机运行工况传感器：曲轴位置传感器：气缸判别信号传感 器；油门踏板位移传感器等。( 2 ) 共轨压力传感器。实现闭环控制”“。( 3 ) 修正参数传 感器：冷却水温度、燃油温度、进气温度、进气压力( 增压压力) 、共轨压力传感器。 其信号作为供油量和供油提前角的修正参数。( 4 ) 其他传感器：车速传感器、涡轮转 速传感器、废气再循环传感器( e g r ) 等。 1 4 上海交通大学硕士论文柴油机电控喷射系统标定平台开发 选择输入开关主要包括：制动开关( 手动制动b r a k e 和排气制动e x b ) ；离合器 开关；巡驶控制开关；怠速手动自动开关；高低怠速开关；空档开关：诊断开关； 内存清除开关；空调开关等等。 信号输入 对待感器的评估 且i 卧i i 自位置传感器o 行驶性能 1 7 板 - 巡驶控制 r | # 开共 7 车速限制 r e 力 - 喷油量限制 e 力 - i 唐 -喷油器阔门传动装置 k 温度 共轨压力调节器 气缸平衡 制开关( 可选) 气缸同步协调 s 扣矩限制开关- 号开关 - 增压压力调节器 詈开关( 可j 先) _ 排气制动器 5 循环传感器 冷起动加热器控制 动请求开关 喷油器电磁阀驱动器 动开关( 可抗) - - b高压泵电磁阀驱动器 目压器转速( 可选户 其他动力输出 串行接口 电源( 2 4 v ) 故障诊断 图2 - 3g d 一1 系统组成图 f i 9 2 9t h es c h e m eo fg d 一1s y s t e m 阀 2 、控制装置部分( e c u ) 高压共轨系统的控制装置是电控喷油系统的核心部分。控制装置部分由控制硬件 和控制软件组成，控制软件称为控制策略。 e c u 按各种输入信号进行分析、计算，得出当前发动机运行工况状态，按照事先 编制的控制策略，主要对喷油器电磁阀、喷油泵电磁阀进行控制，以获得最佳运行状 态( 排放、性能最佳) 。 e c u 的控制主要包括：按信号输入对传感器进行评估；行驶性能控制；巡驶控制； 车速控制；喷油量限制；发动机制动器、冷起动和加热器控制和监控；故障诊断；燃 油压力调节等。 3 、输出部分 上海交通大学硕士论文 柴油机电控喷射系统标定平台开发 共轨系统的输出装置主要是高压油泵和喷油器电磁阀。主要是向电磁阀提供控制 脉宽p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l e ) 信号。对喷油器电磁阀而言，主要是对喷油量和喷 油正时的控制；对高压油泵电磁阀而言，主要是对共轨压力的控制。 另外，控制器还有一些辅助功能输出信号，如废气放气阀( 对增压器) 、e g r 、冷 起动系统、排气制动信号等等。 2 4 3 高压共孰系统控制内窖 高压共轨系统主要具有以下功能：喷油控制功能，包括喷油量控制、喷油正时控 制、共轨压力控制、喷油速率控制、各缸喷油量均匀性控制等等：发动机工作过程控 制功能，包括起动控制、暖机控制、怠速控制、限速控制等；车辆运行的控制功能， 包括行驶模式设定控制、自动巡驶控制等等。 1 、喷油控制功能 ( 1 ) 喷油量的控制 喷油量是由作用在喷油器电磁阀上的指令脉宽p w m 控制的。脉宽