汽车发动机电控柴油喷射系统的设计与运用

1、汽车发动机电控柴油喷射系统的设计与运用1、相关定义1.1、柴油电控喷射功能定义及设计要求 2.1 柴油电控喷射功能2.1 柴油电控喷射功能 喷射控制的主要功能是采集柴油机的凸轮轴信号和曲轴信号,将得到的数据 处理后,作为燃油喷射的喷油时刻和喷油时间的转换基准。同时按照柴油机所需 的油量,计算得到喷油定时、喷油脉宽准确值,以控制喷油实际喷油量。 燃油喷射模块需同时完成对柴油机的凸轮轴信号和曲轴信号的诊断和处理。 电控喷射模块式柴油机电控单元重要模块,控制电控单体泵执行器的运行。 1.2、数字图像的概念 4.1.1 灰度图像的表示方法4.1.1 灰度图像的表示方法 数字图像是连续图像经过取样、量化

2、后存储在计算机上的图像,是对连续图像的近似 表示。如果一幅黑白连续图像(即灰度图像)f (x,y)被取样,产生由 M 行 N 列采样点组成 的数字图像,这时,坐标(x,y)为离散量,一般表示为离散整数。其坐标约定如图 4-2 所示 。 x y o 01 2 3 4 5 6 7 8 N-1 1 2 3 4 5 0 M-1 f( x,y ) 图 4-2 数字图像的坐标约定 将这幅图像用矩阵的形式表示出来,则 f(x,y)=?f(fff(M(120,?000)1),)0)f(fffM(021,?111)1),1)f(fffM(021,?2221),)2)f(fffM(102, ? N1NN, ?N?

3、 1 11)?) 1)? 4.1) 矩阵中每一个元素称为像素,行列标表示其坐标,f 为亮度值即灰度值是赋予每个特 定坐标对(x,y)的函数。此时的数字图像变成一个二维函数 f (x,y),其坐标及灰度值都是整数, 一般应用中灰度级一共有 28=256 级,从数值上分别为 0255。在某些领域里甚至使用高 达 4096(12 bits)个灰度级。很明显,灰度级越高,图像质量越好,但所需的内存也越大。 本文中所使用的灰度图像都是 8 位灰度的。 1.3、新燃烧概念与多次喷射 碳烟与 NOx分开净化的后处理技术路线有着成本高但效果并不理想的缺点,因此人 们希望一种更优的替代途径。而从满足未来苛刻的排

4、放法规来看,仅仅通过后处理技术 是不够的,再高效的后处理系统的未经处理的(engine-out)最大排放限值也是有限的,只 有通过机内净化使未经处理的废气排放值在限制范围内,才能获得低排放的结果。所以 燃烧优化仍是保证未来柴油机动力性、经济性及排放性的根本措施。于是国内外的研究 人员重新回归到对燃烧过程本身的审视之上,试图找到一种低排放的燃烧模式。 10 1.4、发动机标定技术的概念 电控发动机动力性、燃油经济性和排放性能等,受到大量控制参数和脉谱的控制。 众所都知,在电控柴油机系统中,对发动机性能影响的电控参数有很多,这些参数以 单个数值、一维数组、二维数组或标志位的形式存在11。为了使发动

5、机的综合性能达 到最佳状态,必须反复的优化和调整控制参数和脉谱。调整和优化发动机控制参数是 十分繁琐的工作,一方面,对这些脉谱和控制参数的优化和调整必须综合考虑各种性 能指标,如经济性、排放性、动力性和油耗等;另一方面,由于各种性指标之间的相 互影响,这些脉谱和控制参数之间也存在相互约束,对每个脉谱和控制参数进行单独 优化和调整是不够全面的,必须要进行综合考虑,寻求一种合理的全局最优方案,最 终确定 ECU 内部的各种优化参数。因此,要反复的进行发动机台架试验、道路试验 和整车试验等,通过多次的优化和调整 ECU 中的控制参数,使发动机的各种性能达 到预期目标要求,这一反复优化和调整发动机控制

6、参数和脉谱的过程称为发动机标 第 13页 上海工程技术大学硕士学位论文 第四章 智能标定系统总体设计 定。 一般来说通过修改 ECU 底层程序代码就可以实现标定参数的修改。但是控制器 存储的程序代码非常庞大,仅控制怠速工况的程序代码就可达到上千条语句,想要在 如此庞大的程序代码中实现修改和调节参数,可想而知其工作量是非常巨大的,而且 出错的机率也会大大增加。对于不精懂编程技术的普通标定工程人员来说,想通过更 改控制程序的代码来实现修改和调节参数几乎是不可能的。 为了能够让普通标定工程人员也可以实现参数的修改和调节,ECU 开发人员将 主要控制可调节参数整理、提炼后分离出来,以表格形式作为单独的

7、数据模块存储在 ECU 中,只需要通过对这些数据的存储区进行地址查询或数学插值即可获得需要修 改的参数。这些可供修改和调节的参数变量就是标定变量。发动机的控制策略决定标 定变量,ECU 中的标定变量值是由标定工作人员根据不同的控制目标和应用对象, 通过各种不同的标定试验写入控制器存储区的。据理论上分析,虽然控制器内部的控 制策略是不变的,但是其内部的电控参数是可以改变的。只要改动发动机电控系统 ECU 中软件部分的这些标定变量,通过进行匹配标定就可用于相近的发动机,比如 缸数相同而缸径不同、转速不同、压缩比不同、空燃比不同等。进行发动机匹配标定 工作的核心就是为了获取最佳标定变量值,从而能够满

8、足国家排放标准。如果在同一 个电控系统软件和硬件基本确定的情况下,那么软件部分标定变量是否能够获得最佳 值将会决定被匹配标定的发动机能否发挥出最佳的性能。基于此,电控燃油喷射系统 标定工具的开发试验是整个电控系统开发过程中不可或缺的环节,将会对发动机开发 周期的长短及发动机性能的优劣产生直接的影响。 如图4-1所示反映了标定工作人员在没有标定工具时,对下位机ECU中的标定变 量进行修改优化的过程。当标定工作人员在实验室进行台架试验或道路试验过程中, 如果发现ECU的某个标定变量不能满足实时工况的控制需求,要对其进行适当修改 时,必须通过修改ECU底层代码来实现。每次遇到要修改的标定变量,就要不

9、断重复 以上动作,这样的工作量很大,标定效率低,开发周期慢长。 第 14页 上海工程技术大学硕士学位论文 第四章 智能标定系统总体设计 开发工具(仿真器) 修改编译生成机器 源代码程序码 停机电擦写工具 擦写、固化 开机Flash ECU 发动机 图 4-1 无标定工具标定示意图 Fig.4-1 Procedure of calibration without calibration tool 随着对电控发动机标定技术研究的深入,国外的研究专家提出了在线标定的概 念,提高了电控发动机的标定效率,同时也减少了工作量以及开发时间。如图 4-2 所 示是电控发动机在线标定的概念示意图。电控发动机正常

10、运行时,发动机工况的转速、 扭矩、油门开度等信息,将会在标定平台的监测界面显示,同时 ECU 中各标定变量 将会在标定平台的标定界面显示。标定实验开始时,标定人员通过标定工具于标定界 面上对标定数据进行必要的修改。如此反复,直至满足发动机的性能要求。整个过程 中,发动机无需停止运转,标定结果实时应用于控制对象,这种标定方式称为在线标 定12。 第 15页 上海工程技术大学硕士学位论文 第四章 智能标定系统总体设计 标定平台 PC 监测标定 读读 写 USBCAN 通信接口 下位机 ECU 传感器信号 执行器信号 电控发动机 图 4-2 电控发动机在线标定的概念示意图 Fig. 4-2 On-l

11、ine Calibration concept for electronically controlled diesel engine 1.5、CCP消息体定义 如上所述,C CP定义了两种消息,即命令接收消息和数据发送消息。CAN2.OB 每帧数据有8个字节,CCP定义了每个字节在三种消息中代表的意义。 命令接收消息CR(是主端工具向ECU发出的命令,消息帧的第一个字节用 于命令字CRM,第二个字节为当前命令计数CTR,其他字节用于发送命令的参 数。 2 3 4 5 67 命令接收 消息格式 CRM!CTR Pa了a团tera回DataF贻匕 命令返回 消息格式 PID!ERR 1 CTR

12、Paralr比相ra记DataF七U 数据上传 消息格式 PID P别旧自祀妞ra川DataF七U ECU发送消息DTO的第一个字节PID用于标识DTO包含的消息内容,PID 的定义如下: PPPID DDD子0消息内容 容 oooxFF FFCommand Retom Messa只e ee oooxFE EEEvent Mess眼e ee 000 1.6、基于局部平均概念的速度结构函数 速度结构函数 ( , ) ( ) ( ) 2 2 u b a = u b +a ? u b ? a 表示沿流向空间距离为 的空间 两 点 a 2 b +a 和 2 b ?a 的 流 向 速 度 分 量 ( )

13、 2 u b +a 和 ( 2 u b?a ) 的 相 对 速 度 。 ( , ) ( ) ( ) 0 2 2 u b a = u b +a ? u b ? a 表示下游流体质点的速度大于上游流体质点的速 度,两个流体质点正在进行拉伸; ( , ) ( ) ( ) 0 2 2 u b a = u b +a ? u b ? a 0 表 示中心为 2 b +a 尺度为a 的结构的平均迁移速度大于中心为 2 b ?a 尺度为 的结构 的迁移速度,这两个相邻湍流结构正在进行拉伸作用; a u ( b, a ) 1.7、参数定义 2.2.4.1 丁醇柴油喷射比例的定义 丁醇柴油复合喷油燃烧的试验研究中,

14、丁醇柴油喷射比例对丁醇柴油复合喷 油燃烧性能的影响是重要研究内容之一。试验时,由两台瞬态油耗仪分别测得柴 油及丁醇的消耗量,并以质量作为燃油消耗的计量单位。本实验研究所涉及的 0# 柴油及正丁醇有不同物化性质,为了便于研究和分析,本文根据 0#柴油和正丁醇 的物化性质,如表 2.3 所示,将瞬态油耗仪测得的燃油消耗质量转换为燃油体积的 比值,转换公式为: 丁醇体积比例 mB/ B m2.2) B/ B mD/ 100%(D 式中:m B为丁醇质量,单位为 Kg; B为丁醇密度,单位为 Kg/m3;m D为柴油质 量,单位为 Kg; D为柴油密度,单位为 Kg/m3。 公式(2.2)将丁醇和柴油

15、的喷油比例转换成丁醇喷射体积占燃油消耗总体积 的百分比例。例如,当只喷射纯柴油时,丁醇的喷油体积比例为 0%,可记为 B00; 当丁醇体积比例为 20%时,说明丁醇喷射体积占燃油喷射总体积的 20%,柴油喷 射体积占燃油喷射总体积的 80%,本文将其标记为 B20。当丁醇体积比例为 40% - 17 - 标记为 B40,可依此类推出 B45、B55 等。试验中,通过对柴油喷油系统和进气道 处丁醇喷油系统的单独控制,经过多次调整将换算出丁醇体积比例误差控制在 5% 的范围。 表 2.3 柴油和丁醇的主要物性参数对比57,64,65 属性 0#柴油 正丁醇 化学式 C10-C15 C4H10O 平

16、均相对分子质量 180-200 74 碳元素质量分数()% 87 65 氢元素质量分数()% 12.6 13.5 氧元素质量分数()% 0 21.5 20C 密度(g/cm3) 0.84 0.81 低热值(MJ/Kg) 43.04 33.1 能量密度(MJ/L) 36.6 26.8 25C 汽化潜热(KJ/Kg) 250 716 蒸汽压力/psi 14.4 0.33 十六烷值 50 25 自燃温度(C) 200-220 385 闪点(C) 75 35-35.5 熔点(C) -32 -89 20C 液态粘度(Pa s) 3-8 3.64 化学计量空燃比 14.3 11.2 燃料在空气中燃烧时,空

17、气中的氧气正好使一定质量的燃料完全燃烧,燃料 中的碳和氢全部被氧化成二氧化碳和水,此时空气和燃料的质量比称为化学计量 空燃比,或理论空燃比。空气中氧气体积分数为 20.95%,方便计算,视空气中只 有氧气和氮气,则空气中氮气和氧气的体积比为(1-0.2095)/0.2095=3.773。燃料 完全燃烧时的化学反应方程式为66: CHO c h o cho (O2 3.773N2) cCO2 h 2H2O 3.773 cho 42 4 2 N2(2.3) 由式(2.3)可算得燃料完全燃烧时的理论空燃比为: L 1 gcghgo 00.21 12 4 32 (2.4) 式(2.4)中g c,g h

18、,g o分别为燃料中 C,H,O 三种元素的质量分数。 2.2.4.2 折合燃油消耗率的定义 - 18 - 柴油和丁醇的低热值不同,两种燃料等质量燃烧时放出的热量也不同。本研 究中涉及不同的丁醇柴油喷油比例,为了便于研究分析,根据丁醇和柴油的低热 值将发动机运行时的丁醇消耗率转换为等值能量的柴油消耗率,丁醇消耗率换算 得到的等值能量柴油消耗率和试验中柴油消耗率之和即为折合油耗率,换算公式 为: b bB hB Eh bD(2.5) D 式中:b E为折合油耗率,单位 Kg/kWh;b B为丁醇消耗率,单位 Kg/kWh;b D为柴 油消耗率,单位 Kg/kWh;h B为丁醇低热值,单位 KJ/

19、Kg;h D为柴油低热值,单 位 KJ/Kg。 2.2.4.3 指示热效率的定义 平均指示压力(IMEP)为发动机工作循环的单位气缸容积的指示功,是从实 际循环角度评价发动机气缸工作容积利用率高低的一个参数,也是发动机实际循 环动力性的重要衡量指标。通过对采集的示功图进行积分,可以得到平均指示压 力。根据缸压计算平均指示压力时,有总指示功和净指示功两种计算方式,本文 采用了总指示功,即压缩和膨胀冲程的指示功。试验过程中可实时分析采集的缸 压,因而可对 IMEP 实时控制。 指示功率为发动机单位时间内所做的指示功,计算公式为: P piVhin i30 103(2.6) 式(2.6)中,p i为

20、发动机平均指示压力,V h为气缸工作容积,i 为气缸数, n 为转 速, 为冲程数。结合式(2.5)中折合燃油消耗率和式(2.6)中的指示功率可以 计算得到指示热效率。 指示热效率为: 3 6.610b (2.7) E hD 1.8、数字图像处理的概念及其发展 数字图像处理(Digital Image Processing)又称为计算机图像处理,它是指将图像信 号转换成数字信号并利用计算机对其进行处理的过程。数字图像处理最早出现于 20 世 纪 50 年代,当时的电子计算机已经发展到一定水平,人们开始利用计算机来处理图形 和图像信息。数字图像处理作为一门学科大约形成于 20 世纪 60 年代初

21、期。图像处理中, 输入的是质量低的图像,输出的是改善质量后的图像,常用的图像处理方法有图像增强、 复原、编码、压缩等。图像处理技术在许多应用领域受到广泛重视并取得了重大的开拓 性成就,属于这些领域的有航空航天、生物医学工程、工业检测、机器人视觉、公安司 法、军事制导、文化艺术等,使图像处理成为一门引人注目、前景远大的新型学科。随 着图像处理技术的深入发展,从 70 年代中期开始,随着计算机技术和人工智能、思维 科学研究的迅速发展,数字图像处理向更高、更深层次发展。人们已开始研究如何用计 算机系统解释图像,实现类似人类视觉系统理解外部世界,这被称为图像理解或计算机 视觉。很多国家,特别是发达国家

22、投入更多的人力、物力到这项研究,取得了不少重要 的研究成果。图像理解虽然在理论方法研究上已取得不小的进展,但它本身是一个比较 难的研究领域,存在不少困难,因人类本身对自己的视觉过程还了解甚少,因此计算机 视觉是一个有待人们进一步探索的新领域7,8,9。 1.9、微乳液的定义 微乳液53是一种液体分散在另一种液体中,形成球状液滴形式,液滴直径小 于 1/4 白光波长(0.25),或者接近 0.14m。虽然这样大小粒径意味着光能够 通过它,但是体系不一定是透明的,许多微乳液表现出光的散射性。 狭义的说,微乳液被认为是油、水、亲水亲油物质组成的一个均相系统,具 有热力学稳定性和光学各相同性的”大膨胀

23、胶束”。广义的说,它是具有相当稳 定性的分散液,也就是说是透明或者半透明的。 微乳液是在互不相溶的油和水中加入离子型表面活性剂和辅助表面活性剂 (醇)后形成的均一溶液。这种体系含有很小分散的 O/W 或 W/O 液滴 (10100nm),图 2-1 代表了两个基本微乳液结构。 图 2-1 O/W 和 W/O 微乳液结构图 Fig. 2-1 Framework of O/W and W/O micro-emulsion 一般微乳液的组成包括五个成分:油、水、表面活性剂、辅助表面活性剂和 盐。表面活性剂、辅助表面活性剂和油的化学结构能够显著的影响微乳液相图, 其中较小的分子代表辅助表面活性剂。 1

24、.10、ISIGHT 优化问题定义 图 5-3 为节气门开度 80%转速 4500r min-1时,ISIGHT 优化任务管理图,输入参 数 engine speed、AF ratio 等,与 BOOST CASE 中参数设置保持一致。在 ISIGHT 中, 本文优化变量为发动机点火提前角 ignition time,经厂家提供的电喷系统相关数据知, 该电喷系统点火提前角输出范围为-45CA 到 45CA 曲轴转角,且该系统具有最小点 火 MAP 图,根据以上两点,确定不同转速、不同节气门开度下优化变量(点火提前 角)范围。优化约束条件为发动机缸内最高爆发压力 Pmax、最高爆发压力所对应的曲

25、 轴转角 Angle、缸内平均有效压力 IMEP。缸内平均有效压力是发动机单位气缸工作 容积输出的有效功,该值反应了发动机功率的大小,间接体现了发动机的动力性。 缸内最高爆发压力及所对应的曲轴转角反应了燃烧过程的好坏,一定程度上可体现 其经济性。根据经验公式得到各个约束的约束范围分别为 3MPaPmax6.5MPa、 10CAAngle15CA、0.7MPaIMEP1.3MPa。本文优化目标为发动机功率最大。 图 5-3 ISIGHT 问题定义优化任务管理界 - 53- 1.11、光子晶体的基本概念 光子晶体的概念是由 Bell 通讯研究中心的 E.Yablonovitch17和普林斯顿大学的

26、 S.John18 分别在 1987 年独立提出的。前者主要研究如何控制自发辐射;而后者主要研 究光子的局域特性。自此以后,光子晶体得到了人们的广泛研究。光子晶体是一种介电 常数随空间周期性变化的新型光学材料,其变化周期和工作波长处在同一数量级。根据 电介质在空间周期性的不同,光子晶体可以分为一维、二维以及三维光子晶体。一维光 子晶体是只在一个方向存在周期性介电结构,而在另外的第二、第三方向均匀;二维光 子晶体是在两个方向上存在周期性介电结构,而在另外的第三方向均匀;三维光子晶体 是三个方向都存在周期性介电结构的晶体结构。其结构如图 1.3 所示。 图 1.3 一维、二维、三维光子晶体的结构

27、光子晶体的主要特征如下: (1)光子禁带(PBG):是光子晶体最重要的特征。若光子的频率落在禁带内,则 其在光子晶体的某些方向是无法进行传播的。光子晶体的占空比、材料介电常数比以及 光子晶体的结构都会对光子禁带造成影响,光子晶体材料的介电常数差越大或者结构越 不对称,越可能出现光子禁带。光子禁带有完全和不完全禁带两类之分,完全禁带是指 在光子晶体的三个方向上都有禁带,且三个方向上禁带有可能会彼此重叠;而不完全禁 带是指只在某一特定的方向上有禁带。 (2)光子局域(photonic localization):是光子晶体的又一个主要特征。1958 年,安 德森提出了电子局域化;随后在 1987

28、年,John 在光子晶体内也发现了”Anderson 局域”。 即当光子晶体无缺陷时,不会出现光的衰耗模式;但一旦在光子晶体内导入缺陷或破坏 其对称性,禁带中就会出现缺陷态,符合缺陷态频率的光子将被留在缺陷内,若离开缺 陷,光子将会快速衰耗。点缺陷相当于微腔,光被全反射墙圈住实现光子俘获;线缺陷 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 5? 相当于波导,光信号只能在线缺陷内传输。 (3)Purcell 效应:1905 年,爱因斯坦提出了自发辐射现象,并称自发辐射是无法 控制的。而在 1946 年,普塞尔提出了相反言论:自发辐射是可以改变的,但当时并没有 得到人们的认可,直至光子晶体的出现

29、才证实了普塞尔的言论:光子晶体的禁带可以改 变自发辐射。因为光子的态密度与自发辐射的机率成正比,当原子自发辐射的频率落在 光子晶体禁带内时,则其相应的态密度变为零,因此自发辐射被完全抑制;相反,若在 光子晶体中掺杂杂质,则能发现光子禁带中出现了品质因子和态密度高的杂质态,从而 改变了自发辐射,这就是 Purcell 效应。 (4)偏振特性:以二维光子晶体为例,在其中传播的电磁波有 TE、TM 两种偏振 模式,而这两种不同的偏振模式是独立传播的,光子晶体对其有着不同的禁带特性,从 而分别对不同偏振光起到不同的控制作用。 1.12、EGR 电控系统基本需求定义 EGR 系统中,各传感器作为电控单元

30、的感官。EGR 电控系统要求 ECU 应能 根据各传感器的信号正确判断发动机当前所处的实时工况,并且通过查询 MAP 图得出 EGR 阀基本开度信息,并根据修正参数如冷却水温信号、进气温度信号、 进气压力、大气压力等对基本开度进行修正,得到最终 EGR 阀开度并输出 PWM 信号,通过执行器机构控制 EGR 阀实际开度。并能够对主要传感器,EGR 阀进 行故障诊断及故障处理,在紧急和特殊情况下关闭 EGR 阀,停止 EGR。EGR 电 控系统功能定义3536如图 4.1 所示。 图4.1 EGR电控系统执行流程图 - 34 - 硕士学位论文 2、相关背景2.1、课题研究背景与意义 国外对柴油机

31、电控系统研究很早,先后经历了三个阶段即位置控制式、时间控制式和 时间压力控制式。其中电控高压喷射泵系统属于位置控制式,单体泵系统属于时间控制式, 共轨系统属于时间压力控制式13。早在 1975 年以前德国博世(BOSCH)公司已经开发出 并量产用于柴油机高压喷射泵的电子调速系统,随后单体泵控制系统及共轨系统迅速诞 生。目前先进的共轨及单体泵控制系统关键技术掌握在国外几家知名企业手中,如博世、 德尔福、日本电装等。我国汽车工业起步晚,柴油机电子控制系统核心部件主要依靠进口, 难以实现国产化,其价格更是居高不下。 近几年,国内出现了一些专业从事柴油机电子控制研发生产的企业,如成都威特电喷 有限责任

32、公司、亚新科南岳(衡阳)有限公司,并研制出了国产柴油机电子控制系统,取 武汉科技大学 硕士学位论文 第 3 页 得了一定的成效,但国内整体力量较为薄弱。对于较为低端电控高压喷射泵系统,其实现 难度最低,可解决目前我国广泛使用的机械式调速器所存在的精度差、反应迟滞等缺点, 结构简单容易推广,已经用于国内许多柴油发现机组,是目前国产化程度最高的方案。但 是,绝大多数电控燃油喷射泵系统采用的是模拟电路控制方式,无 EGR 与喷油提前角控 制14-17。采用单片机技术的数字化电控燃油喷射泵系统可使喷射泵控制精度进一步提高, 可集成 EGR 与喷油提前角控制,结合 SCR 后处理技术,降低柴油机排放,达

33、到国排放 要求。随着我国加入 WTO,经济全球化步伐的进一步加快,国外一些企业同样瞄准了这 一柴油机电子控制的低端市场,例如美国伍德沃德(WOODWARD)公司18,由于国外相 关技术较为成熟,这将对我国从事此领域研发的企业形成很大的冲击。因此,为振兴民族 经济,研制出性能优越且成本低廉的高压喷射泵柴油机电控系统显得十分必要。 2.2、课题的背景和意义 1.4.1 课题研究背景 开发低污染、低油耗、高比功率的电控柴油机,是解决 21 世纪能源与环保问题 的一个最有效的途径。柴油机采用电子控制以后可使发动机运行工况总处于最佳状 态,从而可使发动机燃油经济性和排放等各项性能得到全面改进。这是常规的

34、机械 控制式喷油系统难以做到的。 以电控高压共轨燃油喷射系统为代表的电控燃油喷射技术,是集控制理论、微 电子技术、传感器技术、新材料、新工艺、机械超精加工技术和人工智能等于一体 的高新技术,在国外已成功应用于汽车、舰船及电站等柴油机上,国内尚处于研发 或小批装车试用阶段。 本课题是一汽无锡油泵油嘴研究所根据中国第一汽车集团公司产品开发要求, 围绕 CA6DF 系列柴油机匹配高压共轨喷射系统的研发工作开展的一项基础性研究 工作,旨在通过本课题的研究,了解高压共轨系统参数对系统喷射特性的影响规律, 为 CA6DF 系列柴油机用共轨系统的设计、匹配和改进提供理论指导。 1.4.2 课题研究的意义 目

35、前,在欧美日等西方发达国家生产的车用柴油机已经普遍采用电子控制技术 对燃油喷射过程、增压器(或进气过程) 、废气再循环系统等进行全面控制,使现 代车用柴油机发生了根本性的变革,综合性能和排放得到全面改善,普遍达到欧、 欧排放水平,并已经达到或具备达到欧及其以上排放标准的能力。而国内只有 少数柴油机具备达到欧排放的条件,有许多柴油机还不能真正达到欧、甚至欧 排放法规要求。 中国的汽车工业面临着非常严峻的考验,最大的考验是我们自己的民族汽车工 业如何得以发展,能否拥有自主知识产权、核心技术和自主品牌,能不能形成自己 的核心竞争力,这是直接关系到民族汽车工业能否生存立足,自强壮大,蓬勃兴旺 10 的

36、大事32。 通过本项研究,将为研制符合我国国情,并享有自主知识产权的柴油机高压共 轨燃油系统提供理论依据和相关的应用技术,以达到全面提高其性能指标,实现柴 油机高效、洁净燃烧的目的;对改变我国内燃机行业在这一领域内的落后状态,缩 短在这一研究领域与国外发达国家的差距也具有重要意义。 2.3、课题背景和研究的目的及意义废气排放污染,满足节能和排放法规 的要求,现代柴油机釆用电控喷油技术已经成为其应用和发展中必不可少的一个 环节,是当今柴油机发展的重要方向之一。早在20世纪70年代,许多发达国家 就竞相开放柴油机电控喷油技术。到目前为止,已经研制并生产出了许多功能各 异的柴油机电控喷油系统。而且,

37、大部分已产品化并大量投放市场,取得了显著 的经济效益和社会效益。 然而,柴油机的电喷控制技术主要掌握在国外几个公司的手中,他们都有完 整的柴油机电喷控制系统的幵发平台,而且他们釆用幵发模式的都是最新的,这 使得他们的开发速度最快、资源利用率最优,符合现在市场对产品需求的趋势。 虽然我国在电喷控制技术方面也有一定的研究成果,但是都是局限于小功率机车、 船舶等方面,在大功率内燃机车方面,我们缺少自主幵发的完善的电喷控制系统 的开发平台,这在很大的程度上限制了我国柴油机的电喷控制技术的发展。一些 大型国内企业引进了一些国外电喷控制系统的开发平台。但是由于引进的开发平 台的价格比较昂贵,对于国内大多数

38、的企业来说都是一个很大的负担,大多数企业 都是负担不起的。所以,建立我国自主开发的柴油机电喷控制系统的幵发平台对 于我国柴油机的电喷控制技术发展有很重要的实用价值和理论意义。由于开发电 控系统需要大量的经费,同时开发过程中进行的实验也需要耗费大量的财力与人 力,所以对其电控系统进行模拟仿真就具有重要的意义,它可以为电控系统的开 发提供理论依据,也可以节约经费。 本课题受到与北车集团合作承担的铁道部科技司项目”机车柴油机燃油电控 喷射控制系统建模与仿真研究”的支持。在此基础上对电控喷射系统进行深入研究 和分析。 2.4、课题背景和意义车工业的发展促进了人类的文明进步,同时也带来全球的环境保护和

39、能源消耗问题。本世纪,中国汽车工业达到高速发展,2004 年我国汽车产 销量达到 440 万辆,2002 年汽车保有量为 2000 万辆,由此带来的对石油 需求的激增和对环保的负面影响日益严重。汽车工业要保持可持续发展的关 键是解决安全,环保和节能三个问题。我国各大城市的环境污染也相当严峻, 环境保护越来越引起人们的关注。根据我国环保部门提供的数据,在北京、 上海、广州等大城市,机动车对 CO、HC、NOx 的贡献率已经超过 50%,有的 已达到 90%以上。这意味着机动车已经成为我国大城市大气污染的主要污染 源。天津、重庆等许多大中型城市具有类似的情况。所以环境保护和车辆的 排放控制显得更加

40、必要和迫切。各国政府颁发更严的排放法规。1999 年我国 颁布了三项排放强制性标准,其中包括对汽车污染物、压燃式发动机和装压 燃式车辆排气污染物和可见污染物的限制。各汽车厂家正在努力解决车辆的 排放控制问题。采用各种先进的电子控制技术和排放控制技术。 我国汽车工业石油能源的依赖性已经成为限制国民经济发展,能源安全 的重要因素。自 1993 年起成为石油的净进口国,到 2003 年中国进口原油 和成品油总量超过 1 亿吨,50%以上的石油消耗在交通领域,尤其是汽车的 能源消耗。预计到 2020 年中国的石油总需求将会达到 5 亿吨,进口将会增 加到 3.2 到 3.6 亿吨,对外依存度要达到 7

41、0%左右,要解决这样的能源危机, 只有改变当前的能源消费结构,利用代用燃料,我国的石油资源不足,需求 矛盾日显突出,越来越多地依赖进口。这种状态直接影响到我国的能源安全。 2 石化燃料的减少和日益增加的世界能源消耗将增加代用能源的要求。这使得 节约和代用燃料已经成为各国能源战略的两条并行道路,缺一不可。代用燃 料的发展显得尤为重要。因此开发和推广应用其他非石油基的车用燃料,例 如以煤为原料、以天然气为原料和以生物为原料的车用燃料将成为今后十分 重要的任务。而这些种类的燃料多数有利于降低汽车的排放污染。燃气汽车 以其良好的性能和排放控制特性引起人们的关注,从而在世界上广泛被采 用。 国家科技部在

42、”八五”到”十一五”期间不断加大投入的力度,在全国 范围内组织汽车企业、院校、科研机构,形成官产学研合作,在”三纵三横” 的科研模式的推动下,卓有成效地开展工作。一批批以燃气和生物燃料为代 表的代用燃料汽车、以电动汽车为代表的纯电动汽车、混合动力汽车和燃料 电池汽车等新能源汽车产品连续开发完成。一些项目已完成原理和功能性样 机阶段,开始进入生产工艺和量产等产业化阶段。 1.1.2 天然气燃料 天然气是一种适合奥托循环发动机的燃料,其主要成分是甲烷,具有高 度氢含量。具有车用良好的性能,各种气体代用燃料理化性能比较见表 1.1。 其研究法的辛烷值约为 130,其很高的抗爆震性可提高发动机的动力性

43、。奥托 循环的天然气发动机可使用 13:1 的压缩比,一般采用 10.5 的压缩比。由于 高的抗爆性,采用带有水冷涡轮增压器的天然气发动机,可提高发动机的动 力性。其性质稳定、燃烧比较完全。天然气汽车的 CO2 排放较同等级的燃油 汽车约减少 15%。将能多方面降低非甲烷有机气体 NMOG 的排放,同时可降低 相应形成的臭氧 90%。HC 和颗粒排放也达到很低的水平。天然气发动机的排 放能够满足越来越严格的排放标准要求。 3 表 1-1 代用气体燃料理化学性能比较 天然气储量比较丰富,世界天然气储量为 323.5 万亿立方米,可开采 65 年。我国天然气总储量约为 38 万亿立方米(2002

44、年数据),折合油气当量 380 亿吨。将为大量推广使用天然气汽车提供资源条件。已探明的地质储量为 1.52 万亿立方米。大量处在未开发的西部地区。因此,发展天然气汽车对合理利 用能源,改善汽车尾气对城市造成的污染,对提高社会经济效益,特别对于 西部开发战略都具有十分重要的意义。我国西气东输工程到 2005 年已覆盖 120 个城市,2010 年将覆盖 260 个城市,可为大量推广使用天然气汽车提供 资源条件。20 世纪 90 年代开始,CNG 汽车的生产呈现规模化和专业化的趋势。 目前世界天然气汽车保有量约 110 万辆。许多国家生产大功率电控车用 CNG 发动机,装备于公交车和重型载重车。欧

45、洲有 11 家汽车厂生产 22 种不同型 号的 CNG 汽车,有 6 家发动机厂生产 CNG 发动机 1 。欧洲委员会计划在 2020 年代用燃料车辆达到 20%,其中 50%采用天然气燃料,其他采用生物燃料和氢。 目前世界大多数发达国家天然气的消耗占一次能源 2030%,而我国仅占 2 %左右。1999 年开始的”清洁汽车行动”快速推进燃气汽车及清洁汽、柴油 4 汽车的应用,同时为其他代用能源的发展提供了经验。 国家在”九五”、”十五”期间积极发展清洁燃料汽车,其中液化石油 气、压缩天然气和液化天然气已经在资源优势的 22 个城市进行了规范示范应 用,”十一五”期间有望进一步扩大示范区域。国

46、内天然气汽车已经有了长 足的进展,成为汽车工业发展的趋势。技术从机械式到电子控制的发展,东风 汽车公司、东风南充、玉柴等公司的天然气发动机和汽车均有良好的发展。 2003 年 10 月,我国 16 个重点推广应用燃气汽车的城市中车用天然气 发动机的保有量已达 19 万台,建成加气站 560 多座 2 。2006 年燃气汽车 消耗液化石油气大约 60.7 万吨、CNG 达到 19.2 亿立方米,分别替代燃油约 66 万吨和 159 万吨,共计替代燃油约 225 万吨。全世界有加气站约 4000 座。 发展天然气汽车对合理利用能源,改善汽车尾气对城市造成的污染,对提高 社会经济效益都具有十分重要的

47、意义。 1.1.3 课题背景 随着环保意识的日益增强,开发作为城市公交车用单一燃料 CNG 电喷发 动机越来越紧迫,我国政府把减少排放,治理污染。作为汽车工业可持续发 展的一项基本国策。从 1994 年 4 年正式启动实施”清洁汽车行动”,这对于 控制汽车排放污染、改善城市空气质量和改善我国能源消费结构具有重要意 义。推广燃气汽车是”十五”开展”清洁汽车行动”的重点任务。”九五”和 “十五”均将电控喷射单一燃料 CNG 公交车的开发列为关键技术攻关、产业 化及示范工程专项课题。 东风汽车公司是中国汽车工业主要企业之一。一直强调开发低排放的 车辆。除了燃油车辆开发,特别关注燃气汽车的开发。东风汽

48、车公司从 90 年代初就开始从事 LPG、CNG 汽车的研制和开发工作,对单一气体燃料发动 机进行了压缩比的匹配工作;采用机械系统供气;对两用气体燃料发动机在 点火方面采用自主开发的电脑点火系统,用两套 MAP 数据充分发挥 CNG 良好的抗爆性能优势,使发动机始终处于最佳点火状态;对 CNG 供气系统 5 进行了许多台架匹配标定和完善工作,增强了对空燃比的控制;开发出中、 轻型载货车和轿车及大型公交车系列的 LPG 和 CNG 车辆,具有良好的动 力性、经济性和排放控制性能。定型并投放有关示范城市的发动机和车辆 见表 1-2 和表 1-33。 表 1-2 东风汽车公司开发的 CNG 和 LP

49、G 发动机 . 表 1-3 东风汽车公司开发的 CNG 和 LPG 的公交车、轻型车和轿车 在开发第一代和第二代系列燃气汽车产品的基础上,积累了一定的燃气 发动机和汽车的开发研究经验,在 CNG 与柴油掺烧、CNG 单一燃料发动机 开发等项目中做了大量的理论研究和试验工作,取得了很多宝贵经验和可喜 6 成果。1999 年下半年东风汽车公司在国家”九五”科技攻关计划”清洁 汽车行动关键技术及产业化”项目中的”大型公交车用柴油机改为单一燃料 CNG 电喷发动机研究与开发”的项目中,与天津大学合作的”EQ6102NI 单 一燃料 CNG 电喷发动机研究与开发”课题,排放指标达国 标准,完成台 架和整

50、车性能、可靠性试验。于 2001 年 6 月 30 日圆满完成国家课题。2003 年东风汽车公司和清华大学共同申报国家”十五”清洁汽车关键技术专题项目 “电控喷射单燃料 CNG 公交车的研究开发”专题(编号 2003BA408B05A),课 题要求排放指标达国标准。项目得到批准。 专题以 EQD180-20 柴油机为基础,结合成功开发 EQ6102Ni 发动机的经 验,将其改进设计为点燃式单一燃料 EQD180N-30CNG 发动机。并将该发动机 装备于公交客车、商用车和环卫车,使整车性能和可靠性达到产品定型要求, 能够实现批量生产,为示范工程提供产品。 本文作者是该项国家”十五”清洁汽车关键

51、技术专题项目”电控喷射单燃 料 CNG 公交车的研究开发”课题的负责人,本文是作者在该项目中承担和进 行的满足国排放的电控喷射单燃料 CNG 发动机研究开发工作。 2.5、去背景 为了突出喷雾区域并减小背景区域对后面处理流程的影响,需对喷雾图像作去背景处 理。通常图像去背景处理是使用含有运动物体的图像与无运动物体的背景图像作相减运 算。如果两幅图像中的相应背景区域的灰度变化不太大的话,这种图像差分运算基本上可 以获得仅含有运动物体的图像。但是对于 LPG 喷雾的纹影图像来讲,各图中的背景区域和 背景图像中的对应部分相比,则灰度变化较大。这主要是由以下两个因素造成的: 1) 光源的影响 39 第

52、三章中已经提及,纹影法对密度梯度非常敏感。在透明介质中,只要存在 密度梯度,在刀口的空间滤波作用下,就会有明暗不同的纹影产生,表现在灰度 图像上则就会有灰度的变化。一方面,试验中所使用的氙灯在使用过程中会产生 大量的热,由于传热过程的影响,在灯管周围的空气就形成了密度梯度;另一方 面,出于灯管散热的需要,在灯管的底部装有一风扇,而风扇吹出的气流使灯管 周围的流场成为了非稳态流场,空气的密度梯度无论在空间还是时间上都变得不 均匀。表现在纹影图像上就使喷雾图像和背景图像上的相应背景区域的灰度不完 全一致。 2) 喷雾卷吸周围气流的影响 在 LPG 的喷雾过程中,喷雾流场内不仅存在液态 LPG-气态

53、 LPG、气态 LPG- 空气的密度梯度,而且由于闪急沸腾现象加强了喷雾体周围的气流卷吸运动,还 出现了空气-空气的密度梯度。因此,喷雾体周围的卷吸气流也使喷雾纹影图像中 的背景区域灰度和背景图像中的对应区域灰度不完全一致。 虽然上述两种因素所导致的空气-空气密度梯度不如液态 LPG-气态 LPG、气态 LPG- 空气密度梯度大,可以通过调整 ak减小这两个因素对喷雾纹影图像的影响,但是这样也将 使整个系统的灵敏度降低;而如果直接使用喷雾图像和背景图像差分,真正的喷雾轮廓将 会被弱化,那么这将对后面的图像分割过程产生较大的影响。为了强化喷雾体与背景区域 之间的灰度梯度,以利于更准确地检测出喷雾

54、轮廓,本文采取了图 4-4 的方法作去背景运 算。 图 4-4 喷雾图像去背景方法 图 4-5 分别给出了两种去背景方法的计算结果。从图 4-5(g)和图 4-5(h)(为了方便观察 , 4-5(g)和图 4-5(h)均做了反相处理,即对图像中每个像素的灰度求补)可以看出:一方面, 使用本文提出的方法明显地比传统方法突出了喷雾区域,而且喷雾区域的轮廓也更加清 读入背景图像 Ibg 读入喷雾图像 Ispray 计算 Imax=maxIbg, Ispray 计算 Imin=minIbg, Ispray 计算 I=Imax-Imin 40 晰,这说明本方法在增强喷雾区域与背景区域之间的灰度梯度方面是

55、有效的,对后面的分 割和形态学处理过程增加喷雾区域分割的准确度也是有利的;另一方面,在图 4-5(h)的右 下角和左下角区域的灰度比图 4-5(g)的相应区域的灰度级要稍低,这说明本方法在图像的 局部区域也增强了噪声,不过这种较大面积的噪声是可以在形态学处理过程中被去除的。 另外还有一点不能排除的是,本处理过程还有可能引入了一些面积相对较小的颗粒噪声, 为进一步削弱噪声对喷雾区域识别的影响,下一步将对去背景的喷雾图像进行滤波处理。 (a) Ibg (b) Ispray (c) Ibg-Ispray (d) Imax (e) Imin (f) Imax-Imin (g) (c)的局部放大(反相)

56、 (h) (f)的局部放大(反相) 图 4-5 两种去背景方法的比较 41 2.6、课题研究背景 柴油机是用柴油作燃料的压缩发火的往复式内燃机。传统柴油机对燃油的喷射和进排 气阀启闭过程的控制采用的是凸轮轴控制的方法,由于机械传动结构复杂、传动过程不能 灵活控制,因此,要满足柴油机运行灵活性的要求是很困难的。船用共轨柴油机的产生与 发展实现了更高的柴油机可靠性和操作的灵活性, 提高了柴油机燃油经济性,降低了排放 要求,实现了适时调节。船用共轨柴油机的燃油喷射原理可简要描述如下:共轨式电控燃油 喷射系统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

57、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,从而保证共轨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。 课题的研究基于中波轮船股份公司与集美大学联合开展的校企合作项目 “SULZER RT-FLEX 智能柴油机及其控制系统虚拟实训系统的研制”。该合作项目主要为 该公司现有8艘安装了W?rtsil?公司生产的先进的Sulzer RT-flex 系列船用共轨柴油机船舶 轮机管理人员上船前进行船用共轨柴油机日常操作管理与维护保养岗前培训提供训练平 台。根据合作双方达成的技术内容,该合作课题设计了基于互联网或局域网三维场景下 Su

58、lzer RT-flex 系列船用共轨柴油机的仿真操作。整个系统包括如下几方面的内容:1)能 够展示 Sulzer RT-flex 系列船用共轨柴油机的整体结构和燃油喷射系统的重要部件结构,并 3 在操作过程中对重要部件的功能进行简要说明;2)实现 Sulzer RT-flex 系列船用共轨柴油 机工作过程和工作原理的三维视景动态演示;3)实现三维仿真模型及动态演示过程的网 络发布。 本课题除了实现此项目方案的基本要求之外,还进行更深一步的研究:除了实现项目 中所提出的各要求外,而且进一步研究了船用共轨柴油机三维视景模型与燃油共轨系统数 学模型之间的逻辑控制关系、数据交互关系,实现了燃油共轨系

59、统数学模型对燃油喷射三 维视景仿真模型的实时控制。 2.7、课题背景和来源 本研究是某型武器系统的电源配电系统柴油机共轨燃油喷射系统研究项目内 容的一部分。 该项目为提高某武器系统的电源配电系统柴油机性能,对柴油机共轨燃油喷 射系统进行了研究。首次设计了一种新型的柴油机共轨燃油喷射系统的方案,确 定了系统零部件的功能参数;研发了一种适用于该型号柴油机共轨燃油喷射系统 的三通电磁阀。本研究主要工作是:完成后续电控单元软硬件的开发,提出对轨 道压力进行模糊自适应PID控制,并开展试验研究。 2.8、高压共轨式柴油机故障诊断的背景及意义防治年报,我国自 2009 年起,汽车产销 量两组数据超过一千万辆,首次成为世界第一,到 2013 年,我国已经连续 4 年蝉联世界汽 车产销量第一的宝座。汽车产业的迅速发展,为我国国民经济注入了强劲动力,但是也是 一把双