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内燃机工程

柴油机分配泵电控系统的标定

第34卷第3期2004年7月吉林大学学报(工学版)JournalofJilinUnjversity(EngineeringandTechnologyEdition)v01.34JulyNo.32004文章编号:1671—5497(2004)03一0342一06柴油机分配泵电控系统的标定于秀敏,李学民,张建锐,高跃(吉林大学汽车工程学院,吉林长春130022)摘要:针对柴油机不同的运行工况提出了不同的标定目标:起动工况起动顺畅、污染小;怠速工况运行平稳、排放低;排放法规考察工况严格限制排放;其他工况有好的经济性等。试验在装有vP37电控分配泵的柴油机上进行。经过大量台架试验优化,较详细地分析了管理系统内部控制参数对柴油机性能的影响,并根据不同的优化目标确定了VP37的基本控制MAP。标定优化后的柴油机各项性能得到了整体提高,并且通过了严格的欧ⅢESC稳态循环测试。关键词:内燃机工程;电控柴油机;分配泵;管理系统;标定中图分类号:TK421.5文献标识码:ACalibratiOnOnelectroniccOntrOlsystemofdieseldistributionpumpYUXiumin,LIXuemin,ZHANGJianrui,GA0Yue(C0z£孵盯A"lomofi硼En西ne矾扎g,J磁7l哳it】ers匆,吼口靠gc^t17l130022,吼i竹口)Abstract:Specifiedcalibrationtargetswereputforwardagainstdifferentoperatingconditionsofthedieselengine:enginestartingshouldbereliableandsm∞thwithoutoverfuelsupply,engineidlingshouldbestablewithlowrpm;undertheoperatingconditionscorrespondingregulatedemissiontestcycle,theemissionlevelsshouldbelimitedstrictly;andthedieselengineshouldhavegoodfueleconomyinthewholeopeatingfield.ThetestswereperfomedonadieselengineequippedwithaVP37electroniccontrolleddistributionpump.TheeffectsofpumpcontrolparameterSonthedieSdperfo姗anceandemiSSionswereinvestigatedexperimentallyduringaSeriesofoptimizedtests,andthebasiscontr01mapsforthepump,includingthefuelinjectionquantitymapandtheinjectiontimingmap,wereachievedintermsofthedifferentoptimizedtargets.TheperformancesofthetestedenginewereobviouslyimprovedaftercontroloptimizationandtheeXhaustemiSSionsarewithintheEuroⅢESClimits.Keywords:intemal—combustionengineengineering;electroniccontrolleddiesel;distributorinjectionpump;managementsystem;calibration传统柴油机的发展在日趋严格排放法规的限制下已经举步艰难。引入电子控制后可以更方便和灵收稿日期:2004,01—16.基金项目:“十五”国家科技攻关计划资助项目(2003BA408804);高等学校重点实验室访问学者基金资助项目(2000208).作者简介:于秀敏(1960一),男,教授,博士生导师.E.man:yuXiumin@sohu.com万 方数据于秀敏,等:柴油机分配泵电控系统的标定’343‘第3期活地改变柴油机的工作规律,从而满足对各种性能特别是排放性能的要求。因此近年来电控柴油机得到了前所未有的发展。柴油机电控系统已经从最初的简单控制发展成为包含工况识别、工况管理、信息融合、故障诊断的更安全更可靠的综合管理系统。管理系统中控制策略和控制数据的标定直接关系到电控柴油机性能的优劣[1】,所以开展管理系统中控制数据标定工作,研究具体的标定方法和标定方案具有重要意义。vP37电控分配泵(以下简称VP37)是德国BoSCH公司批量生产的位置式电控分配泵,其优异的工作性能和良好的可靠性得到了全世界的认可,并在AudiA6和AudiA3等轿车上获得了成功的应用[2I。其电控系统已发展成为一个功能完善、相对智能化的管理系统。为了将VP37应用于国内柴油机,以使国内柴油机发展符合未来几年排放法规的要求,作者以VP37与柴油机的标定为主要研究内容.提出了切实有效的标定办法。1试验设备与方法标定试验台架的设备连接如图1所示。试验用柴油机为增压中冷机型。4缸,缸径为98mm,行程为105mm,总排量为3.168L,cl,形敞口燃烧室,6×0.20喷油嘴,功率为66kw/3400r?min_。,最大扭矩为210N?m/2000r?min-。。vP37属于位置式电控分配泵,主要用其对供油量和喷油正时进行控制。它保留了很多机械VE泵的结构特点,例如脉动供油、滑套位置控制油量等。但去掉了复杂的机械调速机构,用旋转电磁铁式滑套控制机构来控制供油量,通过第1缸喷油嘴上的针阀升程传感器信号计算喷油提前角,用高压油腔的高速电磁阀动态闭环控制喷油提前角。VP37的电控管理系统具有发动机控制和管理的全部内容,不仅有起动工况、怠速工况、全负荷工况、部分负荷工况、加减速工况等常规控制内容,而且有较完善的信号故障识别、故障代码存贮、硬件保喷油正时控制护、应急处理等内容。其控制数据部分由上百条MAP、曲线和近千个参数组成。标定系统采用VP37的配套标定系统VSl00。vSl00功能完善、操作灵活,除了能完成标定功能外,还能完成转速、循环供油量等实时测取和分析。图1中的ETK和MAC2为VSl00的硬件组成部分。ETK为ECu的仿真单元,MAC2为ECU和PC的接口单元。试验中采用透光式和滤纸式两种烟度计分别测量起动等瞬态工况和图l台架设备连接示意图稳定工况。气体排放用AVL废气分Fig.1schematicoftestrig析仪测取。微粒用AVL全流量稀释测量系统量取。评价柴油机性能的参数有很多,如经济性、排放性、可靠性、稳定性、动力性、噪声等,这些性能指标有的互相矛盾,常常不可兼得。柴油机电控管理系统的标定就是要解决满足一定约束条件下对各种性能指标的优化问题∞J。但实际中很难使这些性能指标同时达到最优,为此本试验采取不同工况、用不同的目标和要求进行标定。例如,起动工况要求起动迅速、尽量减轻冒烟的程度;而外特性工况则要求在保证动力性的前提下,重点降低排放法规考察点的排放水平。对VP37管理系统的标定,保持其控制代码部分即控制策略和管理框架不变,主要标定其内部控制万 方数据吉林大学学报(工学版)第34卷数据部分。内容涉及到管理系统如何对起动、怠速、最大负荷及部分负荷等工况进行管理,以及在这些工况中对供油量和喷油定时等控制MAP的标定。由于试验中的柴油机同时采用了VNT和EGR技术,因此其性能会同时受VNT和EGR控制参数的影响。作者没有涉及VNT和EGR的标定内容,只是论述在其控制参数不变情况下的VP37的标定部分,并结合欧Ⅲ法规要求的ESC稳态测试循环进行标定匹配。2台架试验标定及分析2.1起动标定起动性能是柴油机的重要性能之一。低温冷起动困难和低温起动时有害排放物水平高[4】使电控柴油机的起动标定更有特殊意义。对起动性能评价的方法有很多[5],其中起动时间和排放性能是2个重要的指标。VP37对起动过程的管理涉及到的控制参数有起动油量MAP、判断起动结束的转速标志n,、起动过程喷油定时控制、起动油量增加调整的开始时刻£,、超速断油的转速标志扎:等。VP37的起动油量MAP随转速和冷却水水温的变化而变化。为简化研究,起动油量MAP暂取水温的单一函数。图2和图3为冷却水温度和大气温度均为25℃时起动油量对起动性能的影响曲线。lIl々呈l呈X-g鼍图2起动油量对排放的影响图3不同起动油量的转速曲线Fig.2EffectofstartingfudquantityonemiSsionFig.3SpeedbIlild—upsunderdiffeDeIltstaningquantities从两图中可以看到,起动油量大,起动时间明显缩短。但起动油量过大会造成排烟和HC同时大幅度上升,而且不利于缩短起动时间。起动油量减小,排烟状况会有所改善。减小到一定程度后,烟度虽然仍下降,但随着起动时间的.延长,不着火循环次数增多,导致未燃Hc增加。因此确定起动油量必须考虑既保证起动时间又兼顾起动排放。本试验最后将水温为25℃时的起动油量确定为50mg/Stroke,此时起动迅速。由转速曲线可知,喷油即起动,而且HC和排烟都处于较低水平。用同样办法可以标定出其他水温下的起动油量。图4给出了冷却水温为25℃时不同n,的起动转速和起动油量曲线。n,越大,起动过程结束得越晚,起动油量作用的时间越长,高浓度的有害气体排放的时间也就越久。试验表明,较大的刀,还会使烟度恶化。但花,图4n。取不同值时的起动过程曲线太小也会使由起动到怠速的过渡性变差,使Fig.4Startingprocessesunderdifferent,l油量在相当长时间内处于波动调节状态。1万 方数据第3期于秀敏,等:柴油机分配泵电控系统的标定。345?咒,=600r/min时,起动的平稳性和排烟情况均较好。喷油定时对起动的影响较大【6]。限于电控分配泵的结构特征,在起动阶段转速较低,高压油腔的压力难以形成,动态提前角变化较小,所以对起动的影响也较小,这就对安装喷油泵时静态提前角的确定提出了更高的要求。取柴油机最高转速和怠速的平均转速即可确定,z2,可以根据需要人为设定£1。从上面的分析可以看到,在VP37中应该重点标定对起动性能影响较大的起动油量MAP和以.。2.2怠速标定怠速的管理涉及目标怠速的确定、闭环控制稳定怠速的PID参数选取、强制怠速暖机的水温界限以及怠速时的喷油定时等等。目标怠速一般由发动机的具体形式和要求而定。在本试验中,目标怠速分别为770、820、850、900、950r/min时,转速波动幅值相应为14、14、9、9、8r/min。转速越低,波动越大,并且此时转速低,燃油喷射压力低,油气混合效果不佳,造成排放物较多。目标怠速升高,燃烧趋于稳定,转速波动减小。由图5中的排放对比可见,目标怠速升高,油耗升图5不同怠速时的油耗排放对比高。虽然有害排放物浓度降低,但是由于排气总量Fig.5(bmparisonofemiSsionandfueIconsumptionat增加,所以有害气体排放浓度降低的效果不明显。d迁{erenti出e印eeds综合考虑,怠速目标值定为850r/min。图6和图7为怠速时实际喷油提前角对排放及油耗的影响,可见此时的动态提前角已经发生作用。因为怠速属于欧Ⅲ排放测试点,而且权重较大,所以应该结合EGR、VNT的调整,从整个13工况的全局来考虑,按照需要调整优化怠速时的喷油定时。喷油提前角,(.cA)图6怠速时喷油正时对No,排放和油耗的影响图7怠速时喷油正时对HC和Co排放的影响Fig.6EffectofinjectiontimingonN0,锄jSsionsFig.7Effectofinjectiontim吨onHCandCOeIIl-isSio璐idle∞nditionandfuel∞nS哪ptionatidleoDnditionat在暖机过程中,取水温15℃为暖机标志温度,低于此温度时发动机进入自动暖机状态,高于此温度时进入正常的怠速控制。暖机过程按照水温越低怠速设定值越高的原则确定。2.3外特性标定VP37对外特性的管理主要是确定油量和喷油定时,在保证达到发动机动力性要求的前提下,避免在各转速下发生严重冒烟等现象。根据发动机的设计要求,各转速下都有相应的最大输出扭矩。因此应严格参照这一要求确定油量。对于给定的VNT和EGR控制参数,在相同的水温、空气温度、喷嘴参数等外界条件下,发动机在某转速下的最大输出扭矩T。。=厂(M,口)。其中M是供油量,日是喷油提前角。因为要使柴油机外特性型线达到设计要求,则T。。一定,所以M=厂(口),也就是某一喷油定时可以万 方数据?346?吉林大学学报(工学版)第34卷确定此时唯一的供油量。优化喷油提前角后,也就相应确定出外特性型线所需的供油量。外特性的喷油定时是整个喷油定时MAP中的一部分。优化外特性点的喷油提前角时,不同的工况点采用了不同的标定目标:符合欧Ⅲ排放法规的工况点优先考虑降低微粒和NO。的排放,另外直接将欧Ⅲ的3个转速定为转速控制节点。这样一方面标定调节时方便,另一方面对其他控制节点的影响小,从而使MAP中更多的节点得到细致优化。VP37电控分配泵的一个最大特点是能够灵活闭环调整实际喷油提前角,能够自如调整各工况点的NO。等的排放,所以为了降低整体排放,应联合其他工况点对这些特性点的喷油定时进行优化;对其他非法规考察工况点,在达到动力性要求的前提下,着重考虑经济性和烟度指标标定,因为外特性点的烟度都比较大,需要进行限制。2.4部分负荷工况标定(1)供油量MAP的建立在外特性油量确定之后,部分负荷的油量分配只与调速特性有关。调速特性影响整个工况的供油量MAP形状。在电控燃油系统中可以任意设定调速特性,既可以两极调速,又可以全程调速,不受喷油泵本身硬件结构的限制。在VP37电控系统中,考虑车用柴油机两极调速比全程调速的加减速感觉好,驾驶舒适,所以作者取两极调速特性。本供油MAP在低速低于800r/min和高速高于3400r/min时进入调速特性曲线区,使发动机低速时不熄火,高速时不飞车。该界限可以根据发动机的实际需要任意设定。在中间转速范围内,主要根据油门的百分比相应分配最大油量。部分负荷工况最终的供油量MAP见图8。,U2苗抽E¥:鲁要¥翥O供油餐“mg?stroke。‘)图8优化后的供油量脚图9优化后的喷油定时MAPFig.8optimizedmapofinjectIonquantityFig.9optimizedmapofinjectiontiming(2)喷油定时MAP的优化部分负荷的喷油定时MAP与外特性定时MAP组成了整个最终的喷油定时脚,这个区间包含欧Ⅲ排放法规的9个工况点和其他工况点,标定的原则同外特性的喷油定时标定原则相同。对符合排放法规要求的工况点,根据优先降低排放原则,在试验台上采取定扭矩定转速的控制来标定。这要求同时标定MAP中两个控制节点,以保证一个工况点得到优化。欧Ⅲ排放值是13个工况点排放的加权和,各个工况的控制参数相互独立。各点污染物排放量的分配可以靠大量的试验累积,也可以采取更科学、合理、可信的数学优化方法。因为可以通过浓度直接计算NO,的排放结果,所以本试验采取试验优化组合的方法对几组烟度指标较好的控制参数进行气体和微粒的排放测试,择优确定出最终的控制MAP。其他工况点的标定采用定油门(也就是定油量)、定转速的标定方法,也就是一个控制节点标定一个工况点。标定主要参照经济性原则,兼顾排烟、噪声等指标。优化后的喷油定时MAP如图9所示。2.5标定结果表1为在台架试验台上进行的欧Ⅲ稳态测试结果及法规限值。可以看出,经过上述优化的喷油泵控制MAP使柴油机通过了欧Ⅲ法规要求的ESC稳态测试。万 方数据?347第3期于秀敏,等:柴油机分配泵电控系统的标定?表1欧ⅢEsC循环测试结果TablelResultofEURoⅢESCtest3结束语电控燃油系统能否发挥其正确有效的管理职能,通常与发动机的联合标定匹配息息相关。作者针对柴油机的不同工况提出了不同的标定目标和标定方法。标定后的柴油机起动顺畅,各个工况运转平稳,并达到理想的外特性曲线要求,在排放上通过了严格的欧Ⅲ排放法规稳态测试。参考文献:[1]王延岭,卢青春,欧阳明高.汽车柴油机电控管理系统的初步研究[J].内燃机工程,2000(2):45—50.WANGYanliIlg,LUQiIlgchun,0UYANGMinggao.PrelillliIlaryStudyondieseleIlg证enm协gementsyStemforvellicIe[J].IntermlCc吼bustionEngineEngineerillg,2002(2):45—50.[2]李绍安.论中国柴油电喷的发展战略[C]∥中国汽车工程学会发动机分会论文集,2002:91—102.LIshaoan.AboutdeveIopmentStrategyofthedectmllic∞ntroldieSelinjecdonproductsinc11im[c]∥PapercouectionofEIlgineBranchofSAE—China,2002:91一102.[3]霍宏煜,刘巽俊,李骏.电控柴油机的标定和性能优化[J].内燃机学报,1998,16(1):18—24.HUOHangyu,LIUXunjun,LIJun.CahbrationofaneLectmiccontrolkddieselen西neanditsperformanceoptirnizatiafl[J】.Tra腧ctiollSofCSICE,1998,16(1):18—24.[4]李德桃.柴油机冷起动的基础研究和改善措施[M].北京:科学出版社,1997.LlDetao.FundamentalStudyandImproviIlgMethodof酗dstaningofDieselEngine【M】.Be巧iIlg:ScieIlcePress,1997.[5]姜水生,陈立伟,高伟.内燃机冷起动性能测试与评价[J].内燃机,2003(5):18—22.JIANGShuisheng,CHENLiwei,GAoWei.TeStandevaluationfor∞Idstartperf0肿anceofinten协IcombIlStioneIlgineS[J].IntemalCombustionEngines,2003(5):18—22.【6]z址IDEHAkra玎1R,耻NEINNaeim.DieseleIlgineooIdstaniIlg:whitesmoke[C]∥SAEPaper920032.【7]BIELACZYCPiotr,MERKIszJerzy,PIELECHAJacek.InveStigationofexhaust锄jsSio璐fromDIdieSelengineduringcoldandwamstan[C]∥sAEPaper2001—0l一1260.(责任编辑陈永杰)万 方数据

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