電控單體泵噴油量不一致性修正的試驗(yàn)研究*

王 沛，張長嶺，張 崢，劉福水，孫柏剛

(1.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081； 2.北京比特英泰動(dòng)力技術(shù)有限公司，北京 100081)

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2015214

電控單體泵噴油量不一致性修正的試驗(yàn)研究*

王 沛1，張長嶺2，張 崢1，劉福水1，孫柏剛1

(1.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081； 2.北京比特英泰動(dòng)力技術(shù)有限公司，北京 100081)

采用先進(jìn)的EFS瞬時(shí)噴油量測(cè)量儀，分別對(duì)電控單體泵高、中、低轉(zhuǎn)速工況進(jìn)行循環(huán)噴油量的精確測(cè)量。通過對(duì)循環(huán)噴油量及噴油壓力的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，揭示了電控單體泵噴油量隨轉(zhuǎn)速改變的不一致性變化規(guī)律和主要影響因素。同時(shí)根據(jù)電控單體泵不同工況下的噴油特性，提出相應(yīng)的噴油脈寬修正系數(shù)。驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)噴油脈寬進(jìn)行修正后，各工況噴油量不一致性均得到明顯改善，某些工況改善程度在50%以上，從而在一定程度上改善了柴油機(jī)工作穩(wěn)定性。

柴油機(jī)；循環(huán)噴油量；電控單體泵；噴油脈寬

前言

柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)是柴油機(jī)上最重要的、制造與調(diào)節(jié)精度要求最高的部件之一[1-3]。隨著環(huán)境的不斷惡化和各國排放法規(guī)日益嚴(yán)格，對(duì)柴油機(jī)的排放性能也提出了更加苛刻的要求。

柴油機(jī)排放性能的提升離不開燃料供給與調(diào)節(jié)系統(tǒng)的良好匹配和不斷革新，電子控制和高壓噴射已成為柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)的必然趨勢(shì)[4-5]。目前，主流的柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)包括高壓共軌系統(tǒng)、泵噴嘴系統(tǒng)和電控單體泵系統(tǒng)。而電控單體泵具有可靠性高、噴射控制靈活和對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)改造成本低的特點(diǎn)，同時(shí)，在當(dāng)前國內(nèi)油品質(zhì)量較難滿足要求的條件下，電控單體泵技術(shù)具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)[6-7]。

電控單體泵高壓噴射燃油系統(tǒng)，作為第三代脈動(dòng)式電控噴油系統(tǒng)，循環(huán)噴油量為其重要性能指標(biāo)，也是進(jìn)行產(chǎn)品研發(fā)及性能測(cè)試階段的主要考察因素，直接影響柴油機(jī)的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性。由于加工制造精度所限，各單體泵在循環(huán)噴油量上存在一致性差異，這種差異將對(duì)柴油機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行帶來不利影響。

本文中對(duì)大量單體泵在不同工況下的循環(huán)噴油量進(jìn)行了精確測(cè)量，分析了隨工況轉(zhuǎn)變的循環(huán)噴油量不一致性變化規(guī)律和影響一致性的主要因素，同時(shí)針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)不同運(yùn)行工況，研究并提出了相應(yīng)的控制脈寬修正系數(shù)，從而有助于改善柴油機(jī)工作穩(wěn)定性。

1 試驗(yàn)設(shè)備和測(cè)試工況

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)在單體泵驅(qū)動(dòng)控制平臺(tái)上進(jìn)行。圖1為驅(qū)動(dòng)控制平臺(tái)設(shè)備組成。

循環(huán)噴油量采用法國EFS公司生產(chǎn)的EFS-8246瞬時(shí)噴油量測(cè)量儀精確測(cè)量完成。該儀器可在0.6mm3測(cè)量精度和0-600mm3測(cè)量范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)30-3000周期/min的噴油量測(cè)量。圖2為EFS-8246測(cè)量模塊實(shí)物圖，其測(cè)量方法為位移法，測(cè)量原理如圖3所示[8]。

在開始噴油前，泄油電磁閥處于開啟狀態(tài)，此時(shí)測(cè)量缸內(nèi)余留油層厚度為d1；在噴射過程中，泄油電磁閥關(guān)閉，測(cè)量油液噴入密閉的測(cè)量缸，推動(dòng)測(cè)量活塞下行；當(dāng)噴射結(jié)束后，測(cè)量缸內(nèi)油層厚度為d2，此時(shí)測(cè)量儀測(cè)得活塞的位移值(d=d2-d1)。該位移值為計(jì)算所噴射燃油體積量的直接參數(shù)，其值可通過活塞下方的位移傳感器精確測(cè)得。測(cè)量完成后，活塞靠彈簧復(fù)位，排油油路的電磁閥打開，將活塞測(cè)量缸中的燃油排出。

1.2 試驗(yàn)測(cè)試工況

由于單體泵數(shù)量繁多，因此試驗(yàn)針對(duì)某一發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況選擇低(800r/min)、中(1 800r/min)和高(2 500r/min)3個(gè)轉(zhuǎn)速下外特性工況進(jìn)行測(cè)量。表1為試驗(yàn)測(cè)試工況表。

表1 試驗(yàn)測(cè)試工況

電控單體泵驅(qū)動(dòng)控制參數(shù)包括噴油正時(shí)和噴油脈寬，其中，各工況噴油正時(shí)(噴油提前角)均為0°CA。

2 電磁閥電氣響應(yīng)特性及液力延遲影響分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)對(duì)4組共36支電控單體泵在不同工況下的循環(huán)噴油量進(jìn)行了測(cè)量。其中，試驗(yàn)測(cè)量的電控單體泵編號(hào)分別為1～36號(hào)，圖4為各泵在不同工況下循環(huán)噴油量數(shù)據(jù)。

3種工況下1-36號(hào)單體泵循環(huán)噴油量平均值分別為245.3，410.6和270.2mm3(100次循環(huán)平均)。3種工況下單體泵噴油量相對(duì)散差值分別為18.28%，9.16%和17.84%。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出循環(huán)噴油量一致性在高(2 500r/min)、低(800r/min)轉(zhuǎn)速時(shí)較差，而在中等轉(zhuǎn)速(1 800r/min)較好。

2.2 電磁閥電氣響應(yīng)特性和液力延遲影響分析

在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中，影響單體泵噴油量一致性的因素主要包括機(jī)械加工精度、電磁閥電氣響應(yīng)特性和液力系統(tǒng)延遲[9-10]等。其中機(jī)械加工精度差異在單體泵成品后很難改變，因此須研究后兩種因素對(duì)單體泵噴油量一致性的影響程度。

當(dāng)電磁閥接受控制信號(hào)時(shí)，燃油系統(tǒng)不同組件的運(yùn)動(dòng)細(xì)節(jié)在燃油壓力波形上均有一定顯示[11]。圖5為電磁閥響應(yīng)時(shí)間T1、電磁閥全關(guān)至電磁閥全開T2和液力延遲時(shí)間T3在噴油壓力曲線上的表現(xiàn)(試驗(yàn)工況為最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn))。其中，T1定義為驅(qū)動(dòng)電流起始至電磁閥全關(guān)，T3定義為驅(qū)動(dòng)電流起始至壓力波反射第1個(gè)峰值。

圖6為18號(hào)和32號(hào)單體泵分別在怠速、轉(zhuǎn)矩點(diǎn)和功率點(diǎn)工況時(shí)的驅(qū)動(dòng)電流和噴油壓力曲線。

在兩泵驅(qū)動(dòng)電流一致的情況下，18號(hào)和32號(hào)泵各工況時(shí)間特性差異如表2所示。由表可見，在相同的驅(qū)動(dòng)電流條件下，兩泵在怠速點(diǎn)和功率點(diǎn)的電磁閥時(shí)間特性差異遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)矩點(diǎn)，由此導(dǎo)致單體泵在高、低轉(zhuǎn)速下噴油量一致性較差，而在中等轉(zhuǎn)速一致性較好。

單體泵噴油量一致性在高、低轉(zhuǎn)速時(shí)較差，而中等轉(zhuǎn)速較好，對(duì)18號(hào)和32號(hào)單體泵時(shí)間特性差異數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)電磁閥電氣響應(yīng)特性差異明顯，而液力延遲特性差異不大，因此須具體分析其對(duì)噴油量一致性貢獻(xiàn)度。圖7為1-36號(hào)單體泵3種工況電磁閥電氣響應(yīng)特性和液力延遲的相對(duì)散差百分比。

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出，各單體泵在高、中和低轉(zhuǎn)速下外特性電磁閥響應(yīng)特性和液力延遲偏差與噴油量一致性分布規(guī)律相同，相應(yīng)的貢獻(xiàn)度如圖8所示。

表2 18號(hào)和32號(hào)單體泵時(shí)間特性差異 ms

由圖8可見，在T1，T2和T3中，T1貢獻(xiàn)度最高，3種工況下分別為55.6%，57.2%和44.9%，而若將電磁閥電氣響應(yīng)和液力延遲進(jìn)行比較，則前者(T1+T2)對(duì)噴油量不一致性貢獻(xiàn)度較高，3種工況下分別達(dá)到73.0%，73.9%和67.8%。

3 噴油量控制脈寬修正系數(shù)分析

由于各單體泵在噴油量一致性上存在差異，這種差異將會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)各缸功率不均，從而造成發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)穩(wěn)定性變差，振動(dòng)增大，可靠性降低[12-14]。

經(jīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得出，在外特性下電控單體泵噴油量一致性偏差規(guī)律為隨轉(zhuǎn)速的增加先減小后增大。通過對(duì)各泵不同轉(zhuǎn)速下電磁閥電氣響應(yīng)特性和液力延遲特性對(duì)噴油量不一致性的貢獻(xiàn)度分析發(fā)現(xiàn)，除機(jī)械加工因素外，電磁閥電氣響應(yīng)特性是影響一致性變化的最主要因素。

在T1和T2兩者中，T1的改動(dòng)會(huì)影響噴油正時(shí)而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒特性發(fā)生變化；而T2的改動(dòng)對(duì)應(yīng)于噴油脈寬的變化，只影響噴油量。因此，本文中通過ECU分缸獨(dú)立控制策略，加入修正系數(shù)，實(shí)現(xiàn)噴油脈寬補(bǔ)償，使噴油量不一致得到改善。

3.1 修正系數(shù)計(jì)算

與傳統(tǒng)的脈寬修正方法相比，本文中所提出的脈寬修正方法，因考慮了噴油量不一致性隨轉(zhuǎn)速而變化的規(guī)律，可能會(huì)有較好的修正效果。

雖然在整個(gè)工況范圍內(nèi)單體泵噴油量一致性散差呈先減小后增大的規(guī)律分布，但在局部工況會(huì)出現(xiàn)單調(diào)下降或單調(diào)上升的趨勢(shì)，因此修正系數(shù)的計(jì)算考慮引入加權(quán)系數(shù)的方式，即在由臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的噴油量一致性散差分布規(guī)律曲線上，隨轉(zhuǎn)速變化劃分為若干修正段。下面以某一最大功率轉(zhuǎn)速為2 500r/min的8缸柴油機(jī)為例，且為方便起見，用凸輪軸的轉(zhuǎn)速來說明。對(duì)應(yīng)于8個(gè)缸的8個(gè)單體泵以序號(hào)i表示。選取400，600，800，1 000和1 250r/min等5個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)，它們將轉(zhuǎn)速分為4個(gè)修正段，段號(hào)以j表示。各修正段又取1個(gè)中點(diǎn)轉(zhuǎn)速，則前3個(gè)修正段得中點(diǎn)轉(zhuǎn)速500，700和900r/min，第4修正段的中點(diǎn)轉(zhuǎn)速取為1 100r/min(見圖9)，總共得到9個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)，記為n1，…，n9。首先，通過臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)試柴油機(jī)外特性工況下，最先選定5個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)(即n1，n3，n5，n7和n9)上各缸單體泵的噴油量，以Qi,2j-1(i=1，…，8；j=1,…，5)表示。接著，以二次多項(xiàng)式對(duì)Qi,2j-1進(jìn)行曲線擬合，并求得對(duì)應(yīng)每修正段中點(diǎn)轉(zhuǎn)速的噴油量Qi,2j(i=1,…，8；j=1,…，4)。這樣，每缸的單體泵有9個(gè)噴油量(對(duì)應(yīng)于9個(gè)轉(zhuǎn)速)，8個(gè)單體泵共有72個(gè)噴油量數(shù)據(jù)。下面基于這些數(shù)據(jù)計(jì)算噴油脈寬的修正系數(shù)，具體步驟如下。

(1) 求每個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)n1～n9上的噴油量相對(duì)散差x1～x9

(j=1,…,5)

(1)

(j=1,…,4)

(2)

結(jié)果如圖9所示。圖中的相對(duì)散差以百分比表示。

(2) 求各轉(zhuǎn)速點(diǎn)的加權(quán)系數(shù)

(3)

(3) 求每缸單體泵各轉(zhuǎn)速點(diǎn)的噴油量與平均噴油量的比值

(i=1,…,8;j=1,…,5)

(4)

(i=1,…,8;j=1,…,4)

(5)

(4) 計(jì)算每缸單體泵在各修正段下的噴油脈寬修正系數(shù)

(i=1,…,8;j=1,…,4)

(6)

由上述計(jì)算步驟，得到各缸單體泵外特性4個(gè)轉(zhuǎn)速修正段的修正系數(shù)。當(dāng)將其導(dǎo)入ECU以控制噴油脈寬時(shí)，粗略的修正法是外特性上任一轉(zhuǎn)速點(diǎn)皆以其所處修正段的修正系數(shù)進(jìn)行修正。采用這種方法時(shí)，修正系數(shù)在n3，n5和n7，即600，800和1 000r/min鄰近會(huì)有跳躍。若欲提高控制精度，可采用精細(xì)修正法，即以各修正段的修正系數(shù)作為該修正段中點(diǎn)轉(zhuǎn)速的修正系數(shù)，擬合出一條隨轉(zhuǎn)速而變化的修正系數(shù)曲線；再根據(jù)要求的控制精度，確定進(jìn)行修正的轉(zhuǎn)速點(diǎn)數(shù)和各轉(zhuǎn)速點(diǎn)的修正系數(shù)，導(dǎo)入ECU去控制噴油脈寬。至于部分負(fù)荷，因單體泵在同一轉(zhuǎn)速下噴油脈寬改變時(shí)噴油量基本上呈線性變化規(guī)律，可認(rèn)為不同噴油量時(shí)的相對(duì)散差隨轉(zhuǎn)速變化趨勢(shì)相同，故部分負(fù)荷工況的修正系數(shù)可根據(jù)線性插值求得，由此可實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)全工況的噴油量一致性修正。

3.2 修正效果

為驗(yàn)證加入修正系數(shù)后的改善效果，從試驗(yàn)泵中隨機(jī)選出8支單體泵，分別編號(hào)為Z1～Z8，圖10為8支泵在修正前后噴油量不均勻度效果對(duì)比。

由圖可見，在加入修正系數(shù)后，單體泵在怠速、轉(zhuǎn)矩點(diǎn)和功率點(diǎn)的相對(duì)散差分別從13.8%，8.0%和14.1%下降為4.4%，2.8%和3.4%。

4 結(jié)論

(1) 由于機(jī)械加工精度、電磁閥電氣響應(yīng)特性和液力系統(tǒng)延遲等原因，單體泵噴油量一致性存在差異，通過ECU分缸獨(dú)立控制策略，加入控制脈寬修正系數(shù)，可以使不一致程度得到明顯改善。

(2) 單體泵在高、低轉(zhuǎn)速工況運(yùn)行時(shí)，噴油量一致性較差，而中等轉(zhuǎn)速一致性較好。試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)除機(jī)械加工因素外，電磁閥電氣響應(yīng)特性是影響噴油量不一致性的最主要因素。

(3) 根據(jù)轉(zhuǎn)速劃分修正段并依據(jù)噴油量一致性分布規(guī)律引入加權(quán)系數(shù)可以實(shí)現(xiàn)全工況范圍內(nèi)噴油量修正。經(jīng)驗(yàn)證在加入修正系數(shù)后，單體泵在怠速、轉(zhuǎn)矩點(diǎn)和功率點(diǎn)的相對(duì)散差分別從13.8%，8.0%和14.1%下降為4.4%，2.8%和3.4%，其噴油量不一致性得到明顯改善。

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An Experimental Study on the Inconsistency Correction of CycleFuel Injection Quantity for Electronic Unit Pump

Wang Pei1, Zhang Changling2, Zhang Zheng1, Liu Fushui1& Sun Bogang1

1.SchoolofMechanicalEngineering,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081; 2.BeijingBITECCo.,Ltd.,Beijing100081

The cycle fuel injection quantity of electronic unit pump (EUP) is accurately measured by using EFS Instantaneous Mono-Injector Qualifier in the operation conditions of high, middle and low speeds. The test data of fuel injection quantity and injection pressure are analyzed to reveal the variation law of fuel injection quantity inconsistency and its main influencing factors. In addition, according to the fuel injection characteristics of EUP, corresponding injection pulse width correction coefficients are proposed. The results of verification test show that after the injection pulse widths are corrected, the inconsistency of fuel injection quantity greatly improves, with an over 50% improvement in some conditions, thus enhancing the operation stability of diesel engine to certain extent.

diesel engine; cycle fuel injection quantity; electronic unit pump; injection pulse width

*國家國際科技合作專項(xiàng)(2013DFR70170)資助。

原稿收到日期為2014年3月6日，修改稿收到日期為2014年5月7日。