为了满足日益严格的排放要求和提高车辆的机动性和灵活性以及经济性,柴油机喷油系统正向着高喷射压力、自由灵活调整喷油量和喷油正时、喷油速率最佳控制的方向发展,电子控制的柴油喷射系统是实现柴油喷射过程柔性控制的有效手段。电控柴油机的研制从整体来看可分成三个阶段:上世纪 70 年代为电控柴油机的开发阶段;80 年代为电控柴油机的实用阶段；90 年代后至今为电控喷油系统更快、更完善发展的阶段,并且各种电控形式层出不穷。在第三个阶段中较为成熟的有:电控直列泵系统、电控分配泵系统、电控泵喷嘴系统、电控共轨系统、电控单体泵系统等类型。本文介绍的是适合我国自主开发的电控单体泵系统。

目前,在美国和欧洲,电控单体泵喷油系统的开发主要集中在几家大的发动机零部件制造商,美国德尔福(DELPHI)公司于 2001 年推出电控单体泵 200（EUP200）喷油系统,由 ECU 根据发动机各传感器信号对喷油系统进行精确控制,EUP200 的最高喷油压力已达 200MPa。德国博世(BOSCH)公司开发了一系列的电控单体泵喷油系统,在泵的出油口安装了高速电磁阀,控制喷油量和喷油正时,最高喷油压力可达 200MPa。

本文介绍了电控单体泵供油系统的结构、工作原理、控制系统以及供油特性等。

电控单体泵(EUP)燃油喷射系统是一种时间控制式电控喷油系统,其总体结构如图 1 所示。它包括电子控制系统和机械液力系统两大部分,这两部分之间以电磁控制旁通阀为接口,取代了传统喷油泵中复杂的控制执行机构,实现了对喷油过程的直接数字控制。

由 ECU 控制的电磁旁通阀装在喷油泵出油口处,它将高压油路分成两段,并以其启闭决定单体泵泵出的油是旁通到低压油路还是流向喷油器,电磁阀的安装位置不仅有利于实现对喷射过程的有效控制,还减少了泵油的功率损失,喷油泵在此系统中只承担供油加压功能。

由于齿条、齿杆以及喷油提前器和调速器等均被取消,简化了结构,加强了强度,提高了喷油泵的供油能力。

机械液力系统由凸轮轴、柱塞、柱塞弹簧、高压油管、喷油器以及低压油路所组成。压力的建立由凸轮控制的柱塞来实现,供油始点和供油终点则由电磁阀来控制,电磁阀接通时刻即为喷射始点,电磁阀接通持续时间决定了喷油量,从而可对每缸的喷油量和供油始点进行自由调节,利用软件实现各缸喷油的电子校准,改善了各缸工作的均匀性。

电控单体泵喷射系统的工作过程可分为以下几个阶段:高速电磁溢流阀设在单体泵的出油端溢流阀断电时,回油道打开,单体泵内的柱塞即使已开始泵油,也不能建立高压,只有当溢流阌通电,回油油道关闭,油压才迅速升高;高压燃油经过一段很短的髙压油管进人喷油器使其喷油。溢流阀断电时,回油油道打开,迅速溢流卸压,喷油停止。电磁溢流阀通电的持续时间决定了循环供油量。图 2 所示为电控单体泵结构图。

（1）充油过程:当柱塞下移时,喷射系统内部压力将低于低压油路的泵油压力,此时低压系统燃油将通过柱塞套上的进油口进入高压喷射系统。

（2）旁通过程:当柱塞上升时,柱塞腔压力上升,只要电磁阀处于断电状态,此时柱塞腔中压力与进油压力大体相同,燃油通过回油通路回到燃油箱受压燃油经控制阀旁通口高速泄流,回到低压系统。

（3）喷射过程:在柱塞供油行程中,当电控系统根据所采集到的各传感器信号,在某一个特定的时刻发出喷油控制脉冲,通过驱动电路使电磁铁上电,回油通道被关闭,柱塞腔形成一封闭容积,随着柱塞上升,封闭容积中的燃油被压缩,压力迅速上升,嘴端压力急剧上升,当此压力高于喷嘴开启压力时,针阀开启,燃油喷人气缸内。

（4）卸荷过程:当控制脉冲终止时,电磁铁断电,回油通路接通,燃油经回油通路溢出,高压燃油经阀口向低压系统泄流高压油路压力下降,当降至针阀开启压力时,喷油结束。

电磁阀在整个过程中实际上担负着一个开关的作用,它一般处于常闭状态。其工作原理是:通过其通电时刻,来控制喷油正时,通过通电持续时间长短,来计算喷油量,实现对喷油量的控制。

影响电控单体泵燃油喷射特性的因素很多,其中喷油系统的结构参数起主导作用。

1. 面积比

面积比指柱塞面积和油嘴喷孔面积之比,它影响着喷油压力和喷射速度,喷油率近似于柱塞面积乘以凸轮上升速度。一个典型的电控单体泵喷射系统的柱塞直径为 9.5mm,柱塞面积为 70.9m ㎡,喷孔总面积为 0.30m ㎡。面积比为 233。图3 给出了在设定一个基准面积比为 233 的条件下,不同柱塞直径和喷孔尺寸对喷射压力和喷油率的相应关系,所需要的喷射压力和喷油率可通过选择合适的面积比来获得。

2. 容积比

容积比指整个系统的液力容积和供油容积之比,它表明了系统的“硬性”。单体泵喷射系统由于有一段短油管居中间,所以它的硬性介于泵喷嘴与泵-管-嘴喷射系统之间。图 4 所示为喷射压力与容积比的关系。

3. 长度比

第三个影响喷油特性的要素是长度比,油管长度决定了由油管中压力波产生的喷油延迟大小,这里所用的长度单位为每毫秒内压力波传播的长度假定声速为1400m/s(在 30MPa,80℃下),则无因次单位长度为 1400mm。对于单体泵短油管系统为 0.14,一般的泵管嘴系统则超过 0.5。图 5 所示为喷射压力和喷油延迟与长度比的关系,当长度比增大时,喷射压力减小,喷油延迟增大。图 5 中的参数计算可用下述公式表示：

对于绝大多数单体泵喷射系统来说,可在长度比为 0.2～0.3 或甚至更小的情况下有效地工作,当发动机转速为1800r/min 时,喷油延迟约为 2°CA～3°CA,这是可以接受的。

控制系统的组成:

控制系统包括传感器、控制单元(ECU)、以及执行机构等。柴油机电控单元(ECU)是柴油机的控制中心,集成了四个基本功能部分,即微处理器、存贮器、接口电路、驱动电路,图 6 所示为电控系统示意图,其基本的功能是根据各种传感器传来的信号,利用微机软硬件分析发动机的运行状况,从而发出控制信号给电磁阀驱动电路,控制电磁阀的开启。

传感器主要包括:油门位置、进气温度、进气压力、冷却水温、燃油温度、同步信号、曲轴位置等传感器,其中进气压力和进气温度传感器主要测量进气量,用于控制柴油机的冒烟极限;同步和曲轴位置传感器主要用于转速、喷油提前角的计算,与发动机同步;冷却液温度传感器主要用于起动和暖机时的控制。

驱动电路的设计

驱动电路的任务是根据燃油喷射的要求给电磁阀注人能量,将微控制器或逻辑芯片输出的 TTL 电平信号,进行放大,使输出信号能够驱动需要大电流、高电压的负载,实现电磁阀的启闭,因此要求电磁阀具有较高的频率响应,能迅速地开启和关闭以及高压密封。除此之外因电磁阀工作环境复杂、恶劣,其工作性能还应稳定可靠,为减少其对外部干扰敏感程度,必须使其具有足够的电磁作用力储备。图 7 为电磁阀驱动电路示意图。驱动电路采用高端驱动,驱动芯片采用高速开关MOS 管,采用电流驱动方式。开启电流约为 12A 左右,保持电流约为 5A,这样既保证了电磁阀的快速开启,又保证了电磁阀线圈不至因为电流过高而发热。

循环供油量的研究

试验研究在一台4缸电控单体泵柴油机上进行,柴油机技术参数如表1所示。发动机采用高置的传统结构电控单体泵,其较短的高压油管、刚性好的凸轮轴使得喷油压力能够达到 160～180MPa。

图 8 为柴油机在 1300r/min、1600r/min、1800r/min、2200r/min 时的供油时间与循环供油量相关性示意图。从图中不难看出同一转速下发动机单体泵供油系统的循环供油量与供油时间呈良好的线性相关性,而且转速越高供油量越多,表现出与直列泵相同的供油特性。这种供油特性可以简化电控系统控制算法,而且使 ECU 在发动机上的标定工作大大简化,缩短了开发周期,提高了开发效率。

起动控制与调整试验

在进行控制系统起动试验时,试验的瞬态过程和优化结果分别如图 9 和表 2所示。当起动电机拖转发动机的时候,控制系统控制的供油提前角较小,这样可以使混合气在上止点附近被压燃,当发动机起动成功后,在转速上升的过程中控制单元马上减小供油量,同时加大供油提前角,使燃烧过程正常。在这里对于单体泵这种高压燃油喷射系统,存在个供油角度与供油正时的优化组合问题。试验中采用四种如表 2 所示的起动控制条件,表中 Q 代表供油角度,T 代表供油提前角,均以曲轴转角计。通过判断试验过程中起动时间的长短和起动时烟度的大小来确定在试验条件下的最佳起动喷油角度和提前角。试验表明,在通常室温条件下,试验中选取了 14°CA 的供油角和 4°CA 的供油提前角。在冬季,寒冷的条件下这个角度需要进行进一步的标定。

负荷特性试验

以 2200r/min 转速下的特性曲线为代表,对发动机的负荷特性进行分析。图10 为发动机在 2200r/min 时的负荷特性曲线,油耗率在 250～550N·m 的广大范围内趋势平缓,油量在 220～240g/kW·h)的范围内呈现出良好的经济性(注:试验中使硅油离合器失效,冷却风扇处于常开状态,所以测得油耗率比实际高约 10%),这是增压柴油机的显著特征,即随着负荷的增大,进气压力和进气密度都在提高,因而过量空气系数和指示热效率变化均不大。供油提前角在 22°CA 左右变化,幅度不大；喷油脉宽和供油角具有良好的线性度,喷油脉宽在 1.25~2.80ms 范围内变化,供油角的变化范围是 5.56°CA～24.41°CA。近些年,随着发动机排放问题被日渐关注,载重车在常用工况区内运行时,有意推迟喷油,以减小最高燃烧压力和降低 NOx 排放。为了降低 NOx 的排放,ECU 的控制策略采用在中负荷时减小喷油提前角,在起动工况和大负荷时加大喷油提前角,这样与发动机的快速供油速率相结合就会有效地降低 NOx 的排放。

排放特性试验

根 据 测 试 结 果 计 算 的 发 动 机 13 工 况 气 体 排 放 值 为NOx+HC:(5.71+0.12)g/(kW·h)=5.83g/（kW·h）,CO:0.87g/(kW·h)。气体排放物的水平已经达到 EUROⅡ标准 7g/(kW·h),接近 EUROⅢ标准 5g/(kW·h),全负荷的烟度值在 2BSU 以内,取得了相当好的排放结果口。

本文论述的电控单体泵喷油系统是一种能够自由灵活调整喷油量和喷油正时,具有高喷射压力的新型喷射系统,虽然从长远发展高压喷射来看,电控共轨系统是研究和开发的方向,但考虑到我国现有的技术水平解决电控共轨系统的结构耐久性以及密封性具有相当难度,而且随着排放法规要求的日益提高,供油压力将会进一步提高,供油系统的结构耐久性和密封性将受到新的挑战。而电控单体泵供油系统在提高供油压力方面具有很大的潜力,特别是重载卡车动力中拥有广阔的市场前景。

通过本文的研究表明单体泵供油系统的循环供油量与喷油时间存在着很强的线性相关性,随着转速升高循环供油量加大,这种供油规律极大地简化了 ECU的控制算法,有效地提高了 ECU 的标定效率。电控单体泵柴油机也为我国现阶段发展高压喷射提供了一个重要的可供选择的方案。

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