电控单体泵喷油量不一致性修正的试验研究*

王 沛，张长岭，张 峥，刘福水，孙柏刚

(1.北京理工大学机械与车辆学院，北京 100081； 2.北京比特英泰动力技术有限公司，北京 100081)



2015214

电控单体泵喷油量不一致性修正的试验研究*

王 沛1，张长岭2，张 峥1，刘福水1，孙柏刚1

(1.北京理工大学机械与车辆学院，北京 100081； 2.北京比特英泰动力技术有限公司，北京 100081)

采用先进的EFS瞬时喷油量测量仪，分别对电控单体泵高、中、低转速工况进行循环喷油量的精确测量。通过对循环喷油量及喷油压力的试验数据分析，揭示了电控单体泵喷油量随转速改变的不一致性变化规律和主要影响因素。同时根据电控单体泵不同工况下的喷油特性，提出相应的喷油脉宽修正系数。验证试验结果表明，对喷油脉宽进行修正后，各工况喷油量不一致性均得到明显改善，某些工况改善程度在50%以上，从而在一定程度上改善了柴油机工作稳定性。

柴油机；循环喷油量；电控单体泵；喷油脉宽

前言

柴油机燃油喷射系统是柴油机上最重要的、制造与调节精度要求最高的部件之一[1-3]。随着环境的不断恶化和各国排放法规日益严格，对柴油机的排放性能也提出了更加苛刻的要求。

柴油机排放性能的提升离不开燃料供给与调节系统的良好匹配和不断革新，电子控制和高压喷射已成为柴油机燃油喷射系统的必然趋势[4-5]。目前，主流的柴油机燃油喷射系统包括高压共轨系统、泵喷嘴系统和电控单体泵系统。而电控单体泵具有可靠性高、喷射控制灵活和对发动机改造成本低的特点，同时，在当前国内油品质量较难满足要求的条件下，电控单体泵技术具有不可比拟的优势[6-7]。

电控单体泵高压喷射燃油系统，作为第三代脉动式电控喷油系统，循环喷油量为其重要性能指标，也是进行产品研发及性能测试阶段的主要考察因素，直接影响柴油机的动力性和燃油经济性。由于加工制造精度所限，各单体泵在循环喷油量上存在一致性差异，这种差异将对柴油机平稳运行带来不利影响。

本文中对大量单体泵在不同工况下的循环喷油量进行了精确测量，分析了随工况转变的循环喷油量不一致性变化规律和影响一致性的主要因素，同时针对发动机不同运行工况，研究并提出了相应的控制脉宽修正系数，从而有助于改善柴油机工作稳定性。

1 试验设备和测试工况

1.1 试验设备

试验在单体泵驱动控制平台上进行。图1为驱动控制平台设备组成。

循环喷油量采用法国EFS公司生产的EFS-8246瞬时喷油量测量仪精确测量完成。该仪器可在0.6mm3测量精度和0-600mm3测量范围内，实现30-3000周期/min的喷油量测量。图2为EFS-8246测量模块实物图，其测量方法为位移法，测量原理如图3所示[8]。

在开始喷油前，泄油电磁阀处于开启状态，此时测量缸内余留油层厚度为d1；在喷射过程中，泄油电磁阀关闭，测量油液喷入密闭的测量缸，推动测量活塞下行；当喷射结束后，测量缸内油层厚度为d2，此时测量仪测得活塞的位移值(d=d2-d1)。该位移值为计算所喷射燃油体积量的直接参数，其值可通过活塞下方的位移传感器精确测得。测量完成后，活塞靠弹簧复位，排油油路的电磁阀打开，将活塞测量缸中的燃油排出。

1.2 试验测试工况

由于单体泵数量繁多，因此试验针对某一发动机运行工况选择低(800r/min)、中(1 800r/min)和高(2 500r/min)3个转速下外特性工况进行测量。表1为试验测试工况表。

表1 试验测试工况

电控单体泵驱动控制参数包括喷油正时和喷油脉宽，其中，各工况喷油正时(喷油提前角)均为0°CA。

2 电磁阀电气响应特性及液力延迟影响分析

2.1 试验结果

试验对4组共36支电控单体泵在不同工况下的循环喷油量进行了测量。其中，试验测量的电控单体泵编号分别为1～36号，图4为各泵在不同工况下循环喷油量数据。

3种工况下1-36号单体泵循环喷油量平均值分别为245.3，410.6和270.2mm3(100次循环平均)。3种工况下单体泵喷油量相对散差值分别为18.28%，9.16%和17.84%。由试验数据可以得出循环喷油量一致性在高(2 500r/min)、低(800r/min)转速时较差，而在中等转速(1 800r/min)较好。

2.2 电磁阀电气响应特性和液力延迟影响分析

在整个发动机系统中，影响单体泵喷油量一致性的因素主要包括机械加工精度、电磁阀电气响应特性和液力系统延迟[9-10]等。其中机械加工精度差异在单体泵成品后很难改变，因此须研究后两种因素对单体泵喷油量一致性的影响程度。

当电磁阀接受控制信号时，燃油系统不同组件的运动细节在燃油压力波形上均有一定显示[11]。图5为电磁阀响应时间T1、电磁阀全关至电磁阀全开T2和液力延迟时间T3在喷油压力曲线上的表现(试验工况为最大转矩点)。其中，T1定义为驱动电流起始至电磁阀全关，T3定义为驱动电流起始至压力波反射第1个峰值。

图6为18号和32号单体泵分别在怠速、转矩点和功率点工况时的驱动电流和喷油压力曲线。

在两泵驱动电流一致的情况下，18号和32号泵各工况时间特性差异如表2所示。由表可见，在相同的驱动电流条件下，两泵在怠速点和功率点的电磁阀时间特性差异远大于转矩点，由此导致单体泵在高、低转速下喷油量一致性较差，而在中等转速一致性较好。

单体泵喷油量一致性在高、低转速时较差，而中等转速较好，对18号和32号单体泵时间特性差异数据统计发现电磁阀电气响应特性差异明显，而液力延迟特性差异不大，因此须具体分析其对喷油量一致性贡献度。图7为1-36号单体泵3种工况电磁阀电气响应特性和液力延迟的相对散差百分比。

由试验数据可以得出，各单体泵在高、中和低转速下外特性电磁阀响应特性和液力延迟偏差与喷油量一致性分布规律相同，相应的贡献度如图8所示。

表2 18号和32号单体泵时间特性差异 ms

由图8可见，在T1，T2和T3中，T1贡献度最高，3种工况下分别为55.6%，57.2%和44.9%，而若将电磁阀电气响应和液力延迟进行比较，则前者(T1+T2)对喷油量不一致性贡献度较高，3种工况下分别达到73.0%，73.9%和67.8%。

3 喷油量控制脉宽修正系数分析

由于各单体泵在喷油量一致性上存在差异，这种差异将会导致发动机运行时各缸功率不均，从而造成发动机运转时稳定性变差，振动增大，可靠性降低[12-14]。

经试验数据分析得出，在外特性下电控单体泵喷油量一致性偏差规律为随转速的增加先减小后增大。通过对各泵不同转速下电磁阀电气响应特性和液力延迟特性对喷油量不一致性的贡献度分析发现，除机械加工因素外，电磁阀电气响应特性是影响一致性变化的最主要因素。

在T1和T2两者中，T1的改动会影响喷油正时而导致发动机的燃烧特性发生变化；而T2的改动对应于喷油脉宽的变化，只影响喷油量。因此，本文中通过ECU分缸独立控制策略，加入修正系数，实现喷油脉宽补偿，使喷油量不一致得到改善。

3.1 修正系数计算

与传统的脉宽修正方法相比，本文中所提出的脉宽修正方法，因考虑了喷油量不一致性随转速而变化的规律，可能会有较好的修正效果。

虽然在整个工况范围内单体泵喷油量一致性散差呈先减小后增大的规律分布，但在局部工况会出现单调下降或单调上升的趋势，因此修正系数的计算考虑引入加权系数的方式，即在由台架试验数据得到的喷油量一致性散差分布规律曲线上，随转速变化划分为若干修正段。下面以某一最大功率转速为2 500r/min的8缸柴油机为例，且为方便起见，用凸轮轴的转速来说明。对应于8个缸的8个单体泵以序号i表示。选取400，600，800，1 000和1 250r/min等5个转速点，它们将转速分为4个修正段，段号以j表示。各修正段又取1个中点转速，则前3个修正段得中点转速500，700和900r/min，第4修正段的中点转速取为1 100r/min(见图9)，总共得到9个转速点，记为n1，…，n9。首先，通过台架试验测试柴油机外特性工况下，最先选定5个转速点(即n1，n3，n5，n7和n9)上各缸单体泵的喷油量，以Qi,2j-1(i=1，…，8；j=1,…，5)表示。接着，以二次多项式对Qi,2j-1进行曲线拟合，并求得对应每修正段中点转速的喷油量Qi,2j(i=1,…，8；j=1,…，4)。这样，每缸的单体泵有9个喷油量(对应于9个转速)，8个单体泵共有72个喷油量数据。下面基于这些数据计算喷油脉宽的修正系数，具体步骤如下。

(1) 求每个转速点n1～n9上的喷油量相对散差x1～x9

(j=1,…,5)

(1)

(j=1,…,4)

(2)

结果如图9所示。图中的相对散差以百分比表示。

(2) 求各转速点的加权系数

(3)

(3) 求每缸单体泵各转速点的喷油量与平均喷油量的比值

(i=1,…,8;j=1,…,5)

(4)

(i=1,…,8;j=1,…,4)

(5)

(4) 计算每缸单体泵在各修正段下的喷油脉宽修正系数

(i=1,…,8;j=1,…,4)

(6)

由上述计算步骤，得到各缸单体泵外特性4个转速修正段的修正系数。当将其导入ECU以控制喷油脉宽时，粗略的修正法是外特性上任一转速点皆以其所处修正段的修正系数进行修正。采用这种方法时，修正系数在n3，n5和n7，即600，800和1 000r/min邻近会有跳跃。若欲提高控制精度，可采用精细修正法，即以各修正段的修正系数作为该修正段中点转速的修正系数，拟合出一条随转速而变化的修正系数曲线；再根据要求的控制精度，确定进行修正的转速点数和各转速点的修正系数，导入ECU去控制喷油脉宽。至于部分负荷，因单体泵在同一转速下喷油脉宽改变时喷油量基本上呈线性变化规律，可认为不同喷油量时的相对散差随转速变化趋势相同，故部分负荷工况的修正系数可根据线性插值求得，由此可实现对发动机全工况的喷油量一致性修正。

3.2 修正效果

为验证加入修正系数后的改善效果，从试验泵中随机选出8支单体泵，分别编号为Z1～Z8，图10为8支泵在修正前后喷油量不均匀度效果对比。

由图可见，在加入修正系数后，单体泵在怠速、转矩点和功率点的相对散差分别从13.8%，8.0%和14.1%下降为4.4%，2.8%和3.4%。

4 结论

(1) 由于机械加工精度、电磁阀电气响应特性和液力系统延迟等原因，单体泵喷油量一致性存在差异，通过ECU分缸独立控制策略，加入控制脉宽修正系数，可以使不一致程度得到明显改善。

(2) 单体泵在高、低转速工况运行时，喷油量一致性较差，而中等转速一致性较好。试验数据分析发现除机械加工因素外，电磁阀电气响应特性是影响喷油量不一致性的最主要因素。

(3) 根据转速划分修正段并依据喷油量一致性分布规律引入加权系数可以实现全工况范围内喷油量修正。经验证在加入修正系数后，单体泵在怠速、转矩点和功率点的相对散差分别从13.8%，8.0%和14.1%下降为4.4%，2.8%和3.4%，其喷油量不一致性得到明显改善。

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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

*国家国际科技合作专项(2013DFR70170)资助。

原稿收到日期为2014年3月6日，修改稿收到日期为2014年5月7日。