电控单体泵柴油机面向欧III排放的调整方法

一、单体泵燃油系统的结构及其控制系统

单体泵燃油系统是一种喷油量和喷油正时均可控制的高压燃油喷射系统,其喷射压力已经达到 180MPa。由于系统采用紧凑的结构设计,极短的高压油管,使这种燃油系统具有良好的稳定性和响应性。单体泵燃油系统通常由单体柱塞泵、高速强力电磁阀、输油泵、驱动凸轮、喷油器及油管组成，系统工作原理如图 1所示。输油泵将燃油泵人柱塞泵,柱塞在油泵凸轮的驱动下在泵腔内建立很高的油压,在某一时刻当电磁阀开始工作时,燃油通过电磁阀进入高压油管,当油路内的压力大于喷嘴的开启压力时,开始喷油;电磁阀断电时,油管内的压力下降,针阀落座,喷油过程结束。高速强力电磁阀是系统中的关键部件,直接控制系统喷油量和喷油正时;这种阀既要有很快的开关速度和控制精度,还要求其可以产生巨大的电磁力以保证油路通断的可靠性。油泵的驱动凸轮是燃油产生高压的动力源,凸轮型线直接影响燃油系统的供油规律。

对于压力如此之高的燃油喷射系统、其控制精度和响应性要求很高。本研究以摩托罗拉公司的 32 位微控制器为核心,自主开发了具有良好性能和控制精度的 ECU。微控制器由功能独立的模块组成,这些模块有:中央处理器单元(CPU32)、定时处理器(TPU)、队列式 A/D 转换模块(QADC)、队列串行模块(QSM)、系统集成模块(SⅠM)以及片内存储器(SRAM)。这些模块通过内部总线(IMB)相连,外扩的存储器通过外部总线接口(EBI)与 SIM 模块相连。在前向通道中,通过接口电路模拟信号进入 QADC 模块,数字信号进入 TPU。在后向通道中,TPU 输出各种执行机构的控制信号.通过驱动电路作用于执行元件上;监控模块通过QSM对整个ECU进行在线监控。在控制系统中,可以运行各种功能专一的程序,本研究加载了具有更高性能的实时多任务内核 RTK。

二、喷油量和喷油正时的控制策略研究

柴油机是“质调节”工作方式,进气没有节流,过量空气系数总大于 1,输出功率的大小由每循环供入气缸内的燃油量来控制,因而燃油量的控制是 ECU 最为核心的任务。在发动机运行过程中,根据不同的工况,依据一定的控制逻辑向系统供油(见图 2)。ECU 根据转速和油门位置在预设的调速特性中获取需要的油量,若为冷车则直接在查表前添加油门偏移量再去查表;若为怠速工 L 况则根据实际转速与目标转速的差在调速特性获得的油量基础上力一个修正量,此油量与根据转速、进气压力和进气温度算得的冒烟极限油量相比较取小值,这一数值经过油泵特性换算得到喷油持续角。这里用到的油泵特性的形式是,通过发动机的转速和循环供油量来查取供油角度,并加上依据转速查取的供油延迟角,得到最终的控制输出量。当发动机起动时,由于系统的不确定性很强,则 ECU 短路以上过程.通过选通开关直接获取依据冷却液温度奁取的油量和正时供给系统。清晰的控制逻辑设计是 ECU 软件设计的框架，也是发动机运转过程平顺、各工况衔接顺畅的保证。

喷油正时的控制逻辑相对简单,当 ECU 算出系统的供油量后,根据这一数值和发动机的转速在供油正时的 MAP 中查取基本的供油提前角,再根据冷却液温度和进气压力进行修正,获得最终的供油提前角。同样在起动工况,则 ECU 直接根据冷却液的温度向系统提供起动时的供油正时。由于本研究采用等速凸轮，供油提前角与油量没有直接的关系,因而油量控制的逻辑与正时控制的逻辑的影响关系是单向的,即通过油量查取正时,但反之没有对应关系(见图 3)。

三、欧 Ⅲ 排放标准的测试规程和单体泵柴油机的调整方法

从欧Ⅲ开始,不再采用传统的稳态ECER一49测试循环,而采用新的稳态测试循 环 ESC( European Stationary Cycle) 和 瞬 态 测 试 循 环 ETC( EuropeanTransient Cycle),烟度的测试采用 ELR(European Load Response)。ESC 测试共有16个工况点,其中13个工况点及其加权系数是确定的,另有3个点则在测试现场随机选取测试的工况区间被认为是发动机常用工作区,也就是对整车排放最具影响的区域。测试合格的标准是、13 个确定工况点的加权值在排放限值内,同时随机选取的工况点的排放值不能超过其相邻点的平均值。测试转速 A,B,C 由下式确定:

根据以上情况.要满足欧Ⅲ排放标准,在考虑整机性能的基础上,需要对指定的工况进行细致的标定工作,包括对 A~C 内的测试点的供油量和供油正时的调整,怠速油量和稳定性的控制。实际调整的方法是,逐次将发动机调至测试的工况点,并选取合理的初始喷油提前角,然后以这一角度为基准,向两个方向调整提前角,试验中需权衡排放物中的 NO 与油耗水平,在排放尽量低的前提下,使发动机的经济性不致过于恶化。根据发动机的实际性能,对测试工况区进行细致的网格划分,并对网格节点进行细化的标定工作,这样就可以保证在整个测试区内不出现异常的尖点。另外,常温下怠速点的油量调整也十分关键,应该在保证发动机怠速稳定性的前提下,尽量减少怠速油量,以此来减小权值为 15%的怠速点对整机排放性能的影响。

四、试验研究

试验研究是在一台 4 缸水冷废气涡轮增压单体泵柴油机上进行的,其缸径108mm,行程130mm，标定功率为 130kW/2300r.min,最大扭矩为 630Nm/1400r·min,压缩比为 18.1,排量为 4.761L,供油系统为电控单体泵(MVS),采用空空中冷。为保证开环调试过程发动机转速的稳定性,故意将发动机前端风扇的硅油离合器失效,使风扇处于常开状态,这将会对发动机的性能产生一定影响。首先进行一个工况点的供油提前角调整试验,这里所说的供油提前角是指喷油驱动信号给出时距离上止点的曲轴转角,实际发动机的喷油提前角要小于这一数值。图 5 为供油提前角的调整结果,选取的工况点为 1400r/min,320Nm，初始供油提前角为 6.9℃A,随供油提前角的增大 NO 的排放量明显上升,这时排气温度和燃油消耗率变化不大;若供油提前角过大,则在压缩过程中喷入缸内的燃料过多,一方面增加了压缩负功,使输出功率下降,同时燃油消耗率增大;另一方面由于其着火延迟期增长,会使发动机的最高燃烧压力和压力升高率升高,造成柴油机工作粗暴;相反,减小供油提前角会使 NO 的排放量下降,当在供油提前角过小的时候,则喷入缸内的燃料不能在上止点附近迅速燃烧,造成后燃,使燃油消耗率升高同时排气温度也在升高,对涡轮的工作产生不利的影响,因而,对于柴油机的每一个工况点都存在一个最佳的供油提前角电控单体泵燃油喷射系统可以根据发动机的不同运行工况,通过在线标定系统对供油提前角进行灵活的调整。近年来,随着对发动机排放问题的日渐关注,载重车在常用工况区内运行时,有意推迟喷油,以降低 NO 的排放。综上所述供油提前角的调整原则是在保证发动机工作平稳的前提下,保证使其具有良好的排放特性。

经过试验获得的单体泵柴油机供油的MAP图如第29页图6所示,随转速的提高供油提前角有加大的趋势,这是因为转速升高后混合气形成和燃烧所占的角度变长,因而要适当地提前;负荷对于供油提前角的影响相对较小。在 ESC 测试的工况区域内(1300r/min~1500r/min),明显地推迟了供油提前角以减少 NO 的排放量,在达到或将要达到最大扭矩工况点时,为保证发动机良好的动力性,提前角恢复到正常水平。在试验涉及的发动机常用工作范围内,最大供油提前角出现在标定点工况,为27.3°CA,最小提前角出现在最大扭矩转速1400r/min的50%负荷点为6.6°CA。在完成发动机整个工作区域内的提前角制取,并对测试区域内的工况点完成细化的标定工作后进行了发动机气体排放物的测试,测试结果为:NO 排放物为5.71g(kW·h),HC 排放物为 0.12g/(kW·h),CO 排放物为 0.87g/(kW·h)。

对于试验结果中NO 超过标准 0.71g/(kW·h),主要原因是研究中无怠速控制,将最低开环稳定转速 1000r/min 看作怠速转速,风扇常开以及没有喷油量和喷油正时的闭环控制等,进一步的研究工作正在进行中。

五、结论

（1）研究了面向欧Ⅲ排放法规的电控单体泵柴油机的调整方法,进行了喷油提前角的调整试验,在发动机的测试工况区推迟喷油;

（2）气体排放物测试结果表明,发动机的排放状况已接近欧Ⅲ水平;

（3）进一步的研究工作,包括怠速转速降低以及低速时的气缸平衡控制,有助于改善燃烧,有望使发动机达到欧Ⅲ排放标准。

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