任立童，王洪榮，王永富

（中國汽車工程研究院柴油機部，重慶 400039）

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展和社會對柴油機各種性能的要求越來越高，柴油機電子控制已經(jīng)成為柴油機技術(shù)發(fā)展的必然方向[1]。在多種柴油機電控系統(tǒng)中，高壓共軌供油系統(tǒng)采用壓力-時間式燃油計量原理，不僅可以實現(xiàn)噴油量、噴油定時的精確控制，還可以實現(xiàn)噴油壓力和噴油率的精確、靈活控制，與其他電控噴油系統(tǒng)相比，具有明顯的優(yōu)越性，代表著當今柴油機電控技術(shù)的發(fā)展趨勢[2]。

目前，國內(nèi)柴油機采用高壓共軌系統(tǒng)已經(jīng)相當普遍，電控高壓共軌系統(tǒng)的研究和開發(fā)也十分火熱，因此對高性能的共軌系統(tǒng)測試平臺需求劇增。雖然計算機仿真技術(shù)、儀器技術(shù)和通訊技術(shù)的迅速發(fā)展，促進發(fā)動機的測試技術(shù)也在不斷進步，然而專門的共軌系統(tǒng)智能化測試平臺的產(chǎn)品卻很少。國外在專業(yè)的高壓共軌系統(tǒng)測試平臺制造上來說具有絕對優(yōu)勢[3]，特別是德國、英國、意大利和日本等國家，但出于商業(yè)和政治目的，這些國家把與共軌系統(tǒng)有關(guān)的設(shè)備和技術(shù)列為商業(yè)機密，嚴格控制傳入我國。國內(nèi)在這一領(lǐng)域的開發(fā)起步較晚，至今國內(nèi)的科研院所和企業(yè)還在模仿和摸索。自主研發(fā)高性能的共軌測試系統(tǒng)，對科研機構(gòu)提高科研能力，企業(yè)完善售后服務(wù)體系具有重大意義。本論文在傳統(tǒng)的高壓共軌測試系統(tǒng)平臺的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)進行了智能化開發(fā)，以滿足新型高壓共軌供油系統(tǒng)測試的需要。

1 智能化共軌系統(tǒng)測試平臺構(gòu)成與原理

圖1 智能化共軌測試平臺系統(tǒng)框圖

智能化共軌測試平臺，承接了原油泵試驗臺所有功能，并新增加了燃油溫控系統(tǒng)、智能油量測量系統(tǒng)、模擬標定裝置、智能采集顯示及控制等模塊。

傳統(tǒng)的油泵試驗臺，由動力驅(qū)動部分、模擬轉(zhuǎn)速和相位系統(tǒng)、燃油供給系統(tǒng)等部分組成[4]。動力驅(qū)動部分給高壓油泵、模擬轉(zhuǎn)速和相位系統(tǒng)提供持續(xù)、穩(wěn)定的動力，采用變頻電機驅(qū)動，功率為18.5 kW，可選擇正、反轉(zhuǎn)控制，轉(zhuǎn)速波動為±1 r/min，油泵的驅(qū)動扭矩可由變頻器讀出。動力驅(qū)動及模擬相位系統(tǒng)的連接方式如圖2所示。模擬轉(zhuǎn)速和相位系統(tǒng)由信號盤、轉(zhuǎn)速及相位傳感器組成，信號盤由變頻電機驅(qū)動，其端面有116個齒（每隔58個齒缺兩個齒，120個齒之間均勻分布），側(cè)面有4+1個孔（其中有4個孔均勻分布），通過傳感器測量的信號可模擬真實發(fā)動機運行時的曲軸轉(zhuǎn)速和凸輪軸與曲軸的相對位置信息。

圖2 動力驅(qū)動及模擬相位系統(tǒng)

燃油溫度控制系統(tǒng)，通過制冷機和加熱器結(jié)合使用，可將燃油溫度控制在設(shè)定值±2℃以內(nèi)，從而避免因燃油溫度變化引起的噴油量測量誤差。溫控系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

高精度燃油測量系統(tǒng)中，每個噴油器均安裝在一個電子計量裝置內(nèi)，采用累計噴射稱重法進行燃油噴射量的精確測量，可根據(jù)需求設(shè)定噴射次數(shù)，顯示精度為0.1mL，同時可測量1～6缸的噴油量。測試平臺燃油油路系統(tǒng)示意圖如圖4所示。

圖3 燃油油溫控制系統(tǒng)

圖4 燃油測量油路系統(tǒng)示意圖

智能采集顯示及控制等模塊，由工控機+PLC組成，對各執(zhí)行機構(gòu)進行優(yōu)化控制，可以記錄和顯示試驗臺的運行狀態(tài)，其控制框圖如圖5所示。

圖5 智能采集顯示及控制模塊框圖

當變頻電機運轉(zhuǎn)時，電機軸驅(qū)動高壓油泵產(chǎn)生可高達160 MPa的壓力，經(jīng)高壓油管將燃油送入油軌中，油軌中的燃油經(jīng)過高壓油管分配到各個噴油器。電控單元（ECU）根據(jù)目標壓力和軌壓傳感器測量值，閉環(huán)調(diào)節(jié)壓力控制閥的開度，使油軌壓力穩(wěn)定目標值上。同時ECU結(jié)合模擬轉(zhuǎn)速、相位系統(tǒng)進行判缸計算，并根據(jù)標定需求控制噴油器電磁閥開閉時刻，實現(xiàn)燃油的噴射過程。

智能采集控制系統(tǒng)的控制界面如圖6所示，通過該系統(tǒng)可設(shè)定目標壓力、壓力PID調(diào)整參數(shù)、噴射次數(shù)等參數(shù)，并可實時顯示當前油量測量系統(tǒng)的累計噴射油量，在完成設(shè)定的累計噴射次數(shù)后，可顯示經(jīng)過環(huán)境參數(shù)修正的總油量和單次噴射的油量等參數(shù)。

圖6 智能采集控制系統(tǒng)控制界面

2 模擬標定裝置設(shè)計

汽車節(jié)能環(huán)保要求日益嚴格，汽車發(fā)動機的控制參數(shù)不斷增多，控制精度要求不斷提高，從而對發(fā)動機ECU的標定工作量和難度增大。標定工作還是一個重復且投入很大的過程。傳統(tǒng)柴油機電控系統(tǒng)標定在發(fā)動機臺架上進行[5]，需要對標定參數(shù)進行反復修改，需要花費大量的財力、人力和時間?；诖耍覀冮_發(fā)了發(fā)動機標定模擬器，配合油泵試驗臺，可以實現(xiàn)對柴油機共軌ECU的快速標定，提高效率，降低成本。

模擬標定裝置的原理構(gòu)架如圖7所示，可模擬產(chǎn)生凸輪、曲軸共軌壓力、水溫、油門踏板位置、EGR閥位置、進氣壓力和溫度、進氣流量、燃油溫度、機油溫度、機油壓力、中冷器后進氣溫度及壓力、渦輪前后排氣壓力和溫度等傳感器的信號，同時還可以模擬點火開關(guān)、空調(diào)開關(guān)、剎車信號、巡航信號等開關(guān)量。模擬信號可分成兩路，一路通向ECU使其正常工作，一路經(jīng)過電路處理輸入到采集控制系統(tǒng)進行監(jiān)控顯示。

圖7 模擬標定裝置構(gòu)架圖

該模擬標定裝置主要可實現(xiàn)以下功能：

（1）電控系統(tǒng)傳感器信號發(fā)生器[6]。發(fā)動機電控系統(tǒng)實際的傳感器信號，主要包括電壓信號、電阻信號、開關(guān)信號以及脈沖信號等。開關(guān)信號可用電路開關(guān)來實現(xiàn)，脈沖信號由8位單片機模擬生成，或可通過傳感器采集信號盤來獲取。大多的溫度和壓力為電阻和電壓信號，可以通過圖8和圖9的電路來實現(xiàn)。

圖8 電阻信號電路原理圖

圖9 電壓信號電路原理圖

（2）穩(wěn)態(tài)控制功能。在穩(wěn)態(tài)控制模式下，該模擬器可模擬發(fā)動機各個穩(wěn)態(tài)運行工況所需要的轉(zhuǎn)速、負荷、共軌壓力、進氣流量、冷卻液溫度等傳感器信息。利用該功能，可以在油泵試驗臺上進行發(fā)動機穩(wěn)態(tài)工況的基礎(chǔ)MAP標定、環(huán)境參數(shù)修正等工作。

（3）故障設(shè)置功能。ECU標定模擬器，可以對發(fā)動機傳感器出現(xiàn)的各種故障信號進行模擬設(shè)置，從而可方便進行OBD診斷策略開發(fā)和測試。

（4）對多種機型進行標定功能。該模擬器在開發(fā)的過程中考慮到了ECU的匹配問題，由于發(fā)動機類型的不同，用一種負荷、油量、轉(zhuǎn)速的MAP圖對其進行標定，會影響標定的結(jié)果，特開發(fā)了一個MAP函數(shù)庫。

（5）模擬出發(fā)動機的不同工況及極端工況。該模擬裝置還可以模擬各種在實驗室一般條件達不到的極端工況，如高原、高寒、高溫等工況，可進行極端工況的基礎(chǔ)參數(shù)的快速標定設(shè)置。

3 試驗研究

共軌測試平臺實物如圖10所示，利用本測試平臺，通過設(shè)定模擬標定裝置的信號值，調(diào)整高壓共軌柴油機燃油噴射系統(tǒng)輸入?yún)?shù)，可進行固定轉(zhuǎn)速和固定軌壓下的實際共軌壓力和噴油率隨時間變化的影響、噴射脈寬和噴油量的對應(yīng)關(guān)系、噴油量對軌壓得的影響等噴油特性研究，還可模擬發(fā)動機的穩(wěn)態(tài)和極端工況（如稀薄空氣和高發(fā)動機溫度等狀況），進行虛擬標定研究，獲取電控系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，還可以進行電控系統(tǒng)可靠性試驗研究。圖11為某共軌系統(tǒng)的噴油器油量特性曲線，如圖12、圖13為通過該測試平臺獲得的基礎(chǔ)軌壓和基礎(chǔ)噴射油量MAP數(shù)據(jù)。

圖10 共軌測試平臺實物照片

圖11 噴油量特性曲線

圖12 基礎(chǔ)軌壓MAP

圖13 基礎(chǔ)油量MAP

4 結(jié)束語

本文開發(fā)了智能共軌測試平臺，通過模擬標定裝置、高精度油量測量系統(tǒng)和高壓油泵試驗臺有機的集成，使得不需要在發(fā)動機臺架上，即可完成高壓共軌系統(tǒng)的前期開發(fā)和基礎(chǔ)MAP標定工作，并可完成在模擬發(fā)動機各種極端工況下的MAP基礎(chǔ)標定工作，為電控系統(tǒng)的基礎(chǔ)標定和數(shù)據(jù)修正提供了可靠的開發(fā)、測試平臺，具有提高開發(fā)效率、降低開發(fā)成本、縮短開發(fā)周期以及測試方便、應(yīng)用廣泛等優(yōu)點。

[1]陳 亮，高獻坤，王導南.柴油機電子燃油噴射系統(tǒng)的發(fā)展及研究現(xiàn)狀 [J]，內(nèi)燃機，2008，(2)：1-4，46.

[2]王洪榮，張幽彤，王 軍，等.共軌柴油機軌壓控制研究[J]，北京理工大學學報，2008.9

[3]傅作鵬，王軍，黃軍，等.柴油機電控噴油系統(tǒng)試驗通用裝置設(shè)計[J].裝甲兵工程學院學報，2009，(12)：40-44.

[4]高宗英，朱劍明.柴油機燃料供給與調(diào)節(jié)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[5]李鐵軍.柴油機電控技術(shù)實用教程[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[6]董 輝，等.汽車用傳感器（第二版）[M].北京：北京理工大學出版社，2009.