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用电控喷射的燃油系统并对机油消耗进行有 效控制．可以满足欧Ⅱ排放限值；对于欧Ⅲ ，采用高 压燃油喷射系统结合排气后处理技术(如EGR)|】]． 并对测试工况点进行细致地标定才有可能达标，这 里采用的测试循环也是完全不同于欧Ⅱ的稳态和瞬 态测试循环；另外，燃油品质也是重要影响因素 。 本文旨在研究面向新法规的发动机调整方法和思 想。 1 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 】80 MPa_3]。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。 图1 单体泉燃油系统n勺组成 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2 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 人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加 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查取的油量和正时 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。 测速特性 油泵特十牛 L- ⋯ ⋯ 一．J c一油门位置；(=)一循环供油 ； o一供油角度； o 一延迟角； 一冷却水温： ，Jl一怠速H杯转速； 0 一起动油量； 一发动机转速； 0。一供油角腹 图2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3 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ECE R一49 测试循环，而采用新的稳态测试循环ESC(Europe— an Stationary Cycle)和瞬态测试循环ETC(Europe— an I'ransient Cycle)，烟度的测试采用EI R(Euro— pean Load Response)。ESC测试共有16个工况点 (见第28页图4)，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朋工作区．也就是对 整车排放最具影响的区域。测试合恪的标准是、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。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 N( 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。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。4 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108 mm，行程130 mm， 标定功率为130 kW／2 300 r·nlin ，最大扭矩为 630 Nm／1 400 r·min～ ，压缩比为18．1，排量为 4．761 I ，供油系统为电控单体泵(MVS)，采用空一 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1 400 r／min。320 Nm，初始供 油提前角为6．9。CA．随供油提前角的增大．N()。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(1 300 r／min～1 500 r／min)，明显地推迟了供油 提前角，以减少N(】 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1二 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1 400 r／ 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(1 300 r／min～1 500 r／min)，明显地推迟了供油 提前角，以减少N(】 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1二 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1 400 r／ 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：对于试验结果中NO 超过标准0．71 g／(kW · h)，主要原因是研究中无怠速控制，将最低开环稳 定转速1 000 r／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。5 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。据报道，日本提出了一种用于小型直喷式柴油机的新型燃烧室方案。该方案能减少粘附在燃烧室壁面上的燃油．改善混 合气的形成，使凹坑内外混合气分布最佳，从而降低排放。这种新燃烧室方案是通过改变凹坑缩口处的唇部设计和喷柬在唇 部的撞壁位置来避免燃油向凹坑外渗流。还尝试在凹坑侧壁设置一个小台阶来改善混合气形成。 通过排放试验发现．喷束在唇部下方撞壁有助于减少因强逆向挤流而引起的燃油向坑外的渗流。但会产生较大的横向 喷束，使空气和燃油的分布恶化。凹坑侧壁上的小台阶有助于减少粘附在凹坑壁上的燃油，并能利用更多的空气，改善混合 气的形成。结果表明．与传统的圆柱形凹坑燃烧室相比，HC排放降低3O ．排气烟度降低4O 。据报道，日本提出了一种用于小型直喷式柴油机的新型燃烧室方案。该方案能减少粘附在燃烧室壁面上的燃油．改善混 合气的形成，使凹坑内外混合气分布最佳，从而降低排放。这种新燃烧室方案是通过改变凹坑缩口处的唇部设计和喷柬在唇 部的撞壁位置来避免燃油向凹坑外渗流。还尝试在凹坑侧壁设置一个小台阶来改善混合气形成。 通过排放试验发现．喷束在唇部下方撞壁有助于减少因强逆向挤流而引起的燃油向坑外的渗流。但会产生较大的横向 喷束，使空气和燃油的分布恶化。凹坑侧壁上的小台阶有助于减少粘附在凹坑壁上的燃油，并能利用更多的空气，改善混合 气的形成。结果表明．与传统的圆柱形凹坑燃烧室相比，HC排放降低3O ．排气烟度降低4O 。大众汽车公司开发了一种全新的紧凑型2．5 I TDI直列5缸泵 喷嘴直喷式柴油机，排量为2．46 I，．缸径为81 mm，行程 为95．5 mm，每缸2气门，缸心距为88 mm，标定功率为128 kw 3 500 r·rain ‘．单位排量功率为52．1 kw／I，，最大扭矩为 ,100 Nm／2 000 r·min ‘，单位排量扭矩为160 Nm／I ．最高转速为5 000 r／rain，压缩比l8．0。2．5 I，TI)I发动机在同等级的柴 油机中第一次采用圆柱斜齿轮传动凸轮轴和辅助设备；将减震器集成在发动机内部；具有等离子喷镀气缸工作表面的铝机体 集成了多种结构件功能。能提供【j6 kw 和1 28 kW 两种功率．用于新型的多功能箱式货车和旅行车。在动力舱内既能纵置也 可横置。该机的结构特点是按照预先规定的发动机结构长度尺寸，凸轮轴、机油泵、水泵和所有辅助设备均采用节省空间的 斜齿轮传动。