電控單體泵噴油量不一致性修正的試驗研究*

王 沛，張長嶺，張 崢，劉福水，孫柏剛

(1.北京理工大學機械與車輛學院，北京 100081； 2.北京比特英泰動力技術有限公司，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.北京理工大學機械與車輛學院，北京 100081； 2.北京比特英泰動力技術有限公司，北京 100081)

采用先進的EFS瞬時噴油量測量儀，分別對電控單體泵高、中、低轉速工況進行循環噴油量的精確測量。通過對循環噴油量及噴油壓力的試驗數據分析，揭示了電控單體泵噴油量隨轉速改變的不一致性變化規律和主要影響因素。同時根據電控單體泵不同工況下的噴油特性，提出相應的噴油脈寬修正系數。驗證試驗結果表明，對噴油脈寬進行修正后，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工作穩定性。

柴油機；循環噴油量；電控單體泵；噴油脈寬

前言

柴油機燃油噴射系統是柴油機上最重要的、制造與調節精度要求最高的部件之一[1-3]。隨著環境的不斷惡化和各國排放法規日益嚴格，對柴油機的排放性能也提出了更加苛刻的要求。

柴油機排放性能的提升離不開燃料供給與調節系統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燃油噴射系統的必然趨勢[4-5]。目前，主流的柴油機燃油噴射系統包括高壓共軌系統、泵噴嘴系統和電控單體泵系統。而電控單體泵具有可靠性高、噴射控制靈活和對發動機改造成本低的特點，同時，在當前國內油品質量較難滿足要求的條件下，電控單體泵技術具有不可比擬的優勢[6-7]。

電控單體泵高壓噴射燃油系統，作為第三代脈動式電控噴油系統，循環噴油量為其重要性能指標，也是進行產品研發及性能測試階段的主要考察因素，直接影響柴油機的動力性和燃油經濟性。由于加工制造精度所限，各單體泵在循環噴油量上存在一致性差異，這種差異將對柴油機平穩運行帶來不利影響。

本文中對大量單體泵在不同工況下的循環噴油量進行了精確測量，分析了隨工況轉變的循環噴油量不一致性變化規律和影響一致性的主要因素，同時針對發動機不同運行工況，研究并提出了相應的控制脈寬修正系數，從而有助于改善柴油機工作穩定性。

1 試驗設備和測試工況

1.1 試驗設備

試驗在單體泵驅動控制平臺上進行。圖1為驅動控制平臺設備組成。

循環噴油量采用法國EFS公司生產的EFS-8246瞬時噴油量測量儀精確測量完成。該儀器可在0.6mm3測量精度和0-600mm3測量范圍內，實現30-3000周期/min的噴油量測量。圖2為EFS-8246測量模塊實物圖，其測量方法為位移法，測量原理如圖3所示[8]。

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

1.2 試驗測試工況

由于單體泵數量繁多，因此試驗針對某一發動機運行工況選擇低(800r/min)、中(1 800r/min)和高(2 500r/min)3個轉速下外特性工況進行測量。表1為試驗測試工況表。

表1 試驗測試工況

電控單體泵驅動控制參數包括噴油正時和噴油脈寬，其中，各工況噴油正時(噴油提前角)均為0°CA。

2 電磁閥電氣響應特性及液力延遲影響分析

2.1 試驗結果

試驗對4組共36支電控單體泵在不同工況下的循環噴油量進行了測量。其中，試驗測量的電控單體泵編號分別為1～36號，圖4為各泵在不同工況下循環噴油量數據。

3種工況下1-36號單體泵循環噴油量平均值分別為245.3，410.6和270.2mm3(100次循環平均)。3種工況下單體泵噴油量相對散差值分別為18.28%，9.16%和17.84%。由試驗數據可以得出循環噴油量一致性在高(2 500r/min)、低(800r/min)轉速時較差，而在中等轉速(1 800r/min)較好。

2.2 電磁閥電氣響應特性和液力延遲影響分析

在整個發動機系統中，影響單體泵噴油量一致性的因素主要包括機械加工精度、電磁閥電氣響應特性和液力系統延遲[9-10]等。其中機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單體泵噴油量一致性的影響程度。

當電磁閥接受控制信號時，燃油系統不同組件的運動細節在燃油壓力波形上均有一定顯示[11]。圖5為電磁閥響應時間T1、電磁閥全關至電磁閥全開T2和液力延遲時間T3在噴油壓力曲線上的表現(試驗工況為最大轉矩點)。其中，T1定義為驅動電流起始至電磁閥全關，T3定義為驅動電流起始至壓力波反射第1個峰值。

圖6為18號和32號單體泵分別在怠速、轉矩點和功率點工況時的驅動電流和噴油壓力曲線。

在兩泵驅動電流一致的情況下，18號和32號泵各工況時間特性差異如表2所示。由表可見，在相同的驅動電流條件下，兩泵在怠速點和功率點的電磁閥時間特性差異遠大于轉矩點，由此導致單體泵在高、低轉速下噴油量一致性較差，而在中等轉速一致性較好。

單體泵噴油量一致性在高、低轉速時較差，而中等轉速較好，對18號和32號單體泵時間特性差異數據統計發現電磁閥電氣響應特性差異明顯，而液力延遲特性差異不大，因此須具體分析其對噴油量一致性貢獻度。圖7為1-36號單體泵3種工況電磁閥電氣響應特性和液力延遲的相對散差百分比。

由試驗數據可以得出，各單體泵在高、中和低轉速下外特性電磁閥響應特性和液力延遲偏差與噴油量一致性分布規律相同，相應的貢獻度如圖8所示。

表2 18號和32號單體泵時間特性差異 ms

由圖8可見，在T1，T2和T3中，T1貢獻度最高，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和液力延遲進行比較，則前者(T1+T2)對噴油量不一致性貢獻度較高，3種工況下分別達到73.0%，73.9%和67.8%。

3 噴油量控制脈寬修正系數分析

由于各單體泵在噴油量一致性上存在差異，這種差異將會導致發動機運行時各缸功率不均，從而造成發動機運轉時穩定性變差，振動增大，可靠性降低[12-14]。

經試驗數據分析得出，在外特性下電控單體泵噴油量一致性偏差規律為隨轉速的增加先減小后增大。通過對各泵不同轉速下電磁閥電氣響應特性和液力延遲特性對噴油量不一致性的貢獻度分析發現，除機械加工因素外，電磁閥電氣響應特性是影響一致性變化的最主要因素。

在T1和T2兩者中，T1的改動會影響噴油正時而導致發動機的燃燒特性發生變化；而T2的改動對應于噴油脈寬的變化，只影響噴油量。因此，本文中通過ECU分缸獨立控制策略，加入修正系數，實現噴油脈寬補償，使噴油量不一致得到改善。

3.1 修正系數計算

與傳統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速而變化的規律，可能會有較好的修正效果。

雖然在整個工況范圍內單體泵噴油量一致性散差呈先減小后增大的規律分布，但在局部工況會出現單調下降或單調上升的趨勢，因此修正系數的計算考慮引入加權系數的方式，即在由臺架試驗數據得到的噴油量一致性散差分布規律曲線上，隨轉速變化劃分為若干修正段。下面以某一最大功率轉速為2 500r/min的8缸柴油機為例，且為方便起見，用凸輪軸的轉速來說明。對應于8個缸的8個單體泵以序號i表示。選取400，600，800，1 000和1 250r/min等5個轉速點，它們將轉速分為4個修正段，段號以j表示。各修正段又取1個中點轉速，則前3個修正段得中點轉速500，700和900r/min，第4修正段的中點轉速取為1 100r/min(見圖9)，總共得到9個轉速點，記為n1，…，n9。首先，通過臺架試驗測試柴油機外特性工況下，最先選定5個轉速點(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，以二次多項式對Qi,2j-1進行曲線擬合，并求得對應每修正段中點轉速的噴油量Qi,2j(i=1,…，8；j=1,…，4)。這樣，每缸的單體泵有9個噴油量(對應于9個轉速)，8個單體泵共有72個噴油量數據。下面基于這些數據計算噴油脈寬的修正系數，具體步驟如下。

(1) 求每個轉速點n1～n9上的噴油量相對散差x1～x9

(j=1,…,5)

(1)

(j=1,…,4)

(2)

結果如圖9所示。圖中的相對散差以百分比表示。

(2) 求各轉速點的加權系數

(3)

(3) 求每缸單體泵各轉速點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) 計算每缸單體泵在各修正段下的噴油脈寬修正系數

(i=1,…,8;j=1,…,4)

(6)

由上述計算步驟，得到各缸單體泵外特性4個轉速修正段的修正系數。當將其導入ECU以控制噴油脈寬時，粗略的修正法是外特性上任一轉速點皆以其所處修正段的修正系數進行修正。采用這種方法時，修正系數在n3，n5和n7，即600，800和1 000r/min鄰近會有跳躍。若欲提高控制精度，可采用精細修正法，即以各修正段的修正系數作為該修正段中點轉速的修正系數，擬合出一條隨轉速而變化的修正系數曲線；再根據要求的控制精度，確定進行修正的轉速點數和各轉速點的修正系數，導入ECU去控制噴油脈寬。至于部分負荷，因單體泵在同一轉速下噴油脈寬改變時噴油量基本上呈線性變化規律，可認為不同噴油量時的相對散差隨轉速變化趨勢相同，故部分負荷工況的修正系數可根據線性插值求得，由此可實現對發動機全工況的噴油量一致性修正。

3.2 修正效果

為驗證加入修正系數后的改善效果，從試驗泵中隨機選出8支單體泵，分別編號為Z1～Z8，圖10為8支泵在修正前后噴油量不均勻度效果對比。

由圖可見，在加入修正系數后，單體泵在怠速、轉矩點和功率點的相對散差分別從13.8%，8.0%和14.1%下降為4.4%，2.8%和3.4%。

4 結論

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

(2) 單體泵在高、低轉速工況運行時，噴油量一致性較差，而中等轉速一致性較好。試驗數據分析發現除機械加工因素外，電磁閥電氣響應特性是影響噴油量不一致性的最主要因素。

(3) 根據轉速劃分修正段并依據噴油量一致性分布規律引入加權系數可以實現全工況范圍內噴油量修正。經驗證在加入修正系數后，單體泵在怠速、轉矩點和功率點的相對散差分別從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。

[1] 高宗英,朱劍明.柴油機燃料供給與調節[M].北京:機械工業出版社,2011:3.

[2] Mori Kazutoshi. Worldwide Trends in Heavy-Duty Diesel Engine Exhaust Emission Legislation and Compliance Technologies[C]. SAE Paper 970753.

[3] Cantore G, Mattarelli E, Boretti A. Experimental and Theoretical Analysis of a Diesel Fuel Injection System[C]. SAE Paper 1999-01-0199.

[4] Mulemane Aditya, Han Joong-Sub, Lu Pai-Hsiu, et al. Modeling Dynamic Behavior of Diesel Fuel Injection Systems[C]. SAE Paper 2004-01-0536.

[5] Yang Minggao, et al. Survey of the Electronic Injection and Control of Diesel Engines[C]. SAE Paper 940378.

[6] 王尚勇,楊青.柴油機電子控制技術[M].北京:機械工業出版社,2005:3-6,33-35.

[7] Yang Minggao, Sorenson S C. Modeling of the Dynamic Processes in an Electronic Diesel Fuel Injection System[C]. SAE Paper 9202400.

[8] 朱慶秋.單次噴射測量儀的研究[D].上海:上海交通大學,2010.

[9] 韋雄,冒曉建,肖文雍,等.國產電控單體泵供油量精確測量與一致性規律分析[J].內燃機工程,2011,32(6):54-57.

[10] 仇滔,尹文輝,劉興華,等.低壓油路對電控單體泵循環變動的影響試驗[J].農業機械學報,2010,41(2):21-24.

[11] 范立云,宋恩哲,李文輝,等.電控組合泵低壓系統壓力動態特性研究[J].內燃機學報,2010,28(2):147-154.

[12] 范立云,文李明,姚崇,等.柴油機電控單體泵燃油系統的穩定性研究[J].內燃機工程,2012,33(6):58-65.

[13] 王裕鵬,劉興華,劉福水,等.高壓雙電磁閥控制燃油噴射系統特性的試驗研究[J].汽車工程,2012,34(1):13-17.

[14] Kolade Babajide, Boghosian Michael, Reddy P S, et al. Development of a General Purpose Thermal-Hydraulic Software and its Application to Fuel Injection Systems[R]. Warrendale, USA: SAE Publications Group,2003:1-24.

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(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。