柴油机动态供油提前角的测量和应用

东风汽车工程研究院   张希  杨晓娜

 北京福田环保动力发动机厂  熊泉根

【摘要】本文介绍了几种柴油机动态供油提前角的测量方法、并对每种测量方法进行比较。包括设备选型、上止点传感器安装、测量方法对比。采用准确合适方法可以实现柴油机动态供油提前角的测量，为确定柴油机最佳喷油时刻提供了重要数据。

关键词: 柴油机   动态供油提前角   开发试验   出厂检验   上止点

 

一．前言

对于喷油正时的控制，由于供油提前角推迟（减小）时，滞燃期缩短， CO排放浓度上升；NOX排放浓度下降；烟度排放上升。供油提前角提前（增大）时，燃油雾化质量变差使HC排放浓度上升；发动机的热效率增加，发动机的比油耗有所改善，发动机的动力性在一定程度上提高。另外最佳供油提前角参数（不同转速及工况下的）在喷油泵、提前器匹配中也具有一定的重要性。 喷油泵匹配时，需根据特性曲线上的各工况点，正确找出最佳供油提前角，以确立油量并最终得出喷油泵最佳供油速率、提前器，最佳提前角度的参数。如何更好的检验在这些开发试验中的成果，供油提前角的准确测量是非常重要的，它为确定柴油机最佳喷油时刻提供了重要数据。

 

二. 动态供油提前角测量的原理。

供油提前角的大小，将决定喷油泵的喷油开始时刻，影响参于预混合燃烧的燃油量。“供油提前角”是指在活塞到达上止点前喷油泵开始喷油的时刻相对于上止点的曲轴转角。动态供油提前角测量通常包括仪器检测验证、人工检测验证两种方法。

（一）供油提前角仪器检测的方法。

测量喷油始点

柴油的喷射过程是在瞬间发生的，并且喷射压力很高，对柴油喷射瞬间信号的采集只能采取非接触式，将高压油管的每一次油脉冲通过感应传感器采集输出并送入显示单元。由于发动机单缸喷油一次为一个工作循环，此时发动机曲轴转两转，因此，通过单缸喷油脉冲的信号可得出转速：2倍喷油脉冲数。同时，作为喷油时刻信号送入信号处理单元。

上止点及提前角测量

对于使用频闪枪作为正时测量方式的，喷油脉冲得出转速的同时，作为触发信号送入频闪枪，频闪枪发射频率与喷油脉冲频率同步，与曲轴转速同步，此时频闪枪照射在曲轴的位置与上止点的位置的转角差即为喷油提前角。但是由于频闪枪发射频率与喷油脉冲频率，与曲轴转速并不能完全实现同步，造成一定的误差，但是频闪枪与二次仪表结合，提高计算的精确性能够适时的改善测量的精确，详见第四部分。而且将频闪枪用于台架试验，当转速和工况情况复杂时存在安全隐患。

对于不使用频闪枪，而使用曲轴位置传感器的正时测量方式，喷油脉冲作为一缸的开始喷油的时刻，送入信号处理单元。同时，利用位置传感器测得发动机1缸活塞到达上止点时所对应的曲轴的位置，这个位置在正时齿轮上刻有正时刻度。传感器安装在发动机机体上，对准飞轮上的上止点位置处，发动机转动后传感器产生一个类似于正弦波的电压信号输入到信号处理单元，放大整形成方波，并根据方波的频率计算出发动机的转速，同时根据信号判断出一缸上止点的位置，信号处理单元通过喷油脉冲信号和上止点位置信号上升沿到的时间差,得出在某一转速下两信号的曲轴转角差，即供油提前角。这种测量方式根据上止点传感器不同的安装方式容易影响测量的精度，并且目前上止点位置传感器的安装有一定的难度，并没有被广大的厂家广泛采用。

（二）整机供油提前角人工检测的标准方法。

上止点标记复查及调整方法：

在气门摇臂与气门（一缸进气门或排气门）顶端之间，插入厚度为8mm的圆形量块顺时针盘车，盘至活塞顶着气门时，在皮带轮上做一标记1；再逆时针盘车，  盘至活塞顶着气门时，在皮带轮上做一 标记2； 用标准刻度纸取标记1与标记2的园弧中点，在皮带轮与齿轮室盖上画一对齐的刻度线，检查此刻线与曲轴皮带轮原来刻度是否对齐，若不对则重新作上止点标记。

检测与调整方法：

1）.手动盘车至第一缸压缩上止点前20°左右。

2）.去掉第一缸喷油泵出油阀弹簧，在喷油泵出油阀紧座上加装专用毛细针管。

3）.逆时针盘车至0°左右位置（针管有细的油线喷出）后再顺时针盘车至针管油线刚断时停住，此时的角度为供油始点角度。

4）.若以上检测的提前角不对时，调整喷油泵向内、或向外位置。

5）.重新按上述1）、2）、3）检测，若不对按4）调整，直至满足要求为止。

三.检测设备的选型

在应用阶段我们采用频闪枪、频闪枪+仪表部分、以及上止点位置传感器三种方式进行应用；仪器选用美国FERRET 765+频闪枪、奥地利AVL Ditime 873、以及美国ATI IGTM2000三种仪表；三种仪器均为国外该产品类先进设备，其中美国FERRET 765+频闪枪采用FERRET 765与汽油机点火正时枪配合使用，完成柴油机供油角的测量；奥地利AVL Ditime 873是专为四冲程柴油机的供油提前角的测量而设计的，利用频闪枪与仪表配合使用完成测量；美国ATI IGTM2000是通过内部的编程，根据不同的需要及测量条件选择不同的测量组合的一款仪器。

（1）FERRET 765柴油喷射探测器+频闪枪与AVL873喷油角检测仪的应用

          

                                         

             图一 FERRET 765                         图二  频闪正时枪

FERRET 765（如图一）作为信号转换器，接收油管传感器从柴油机高压油管中感应的高压脉冲，通过信号的处理转换为高压线圈的电脉冲信号，此信号送入频闪正时枪，得出发动机转速，同时频闪正时枪根据调节发射频率与上止点位置同步从而得出转角差，即供油提前角。该仪器由于通过765将柴油机高压油管中感应的高压脉冲转换成电脉冲信号再传导频闪枪中，计算后反映出数值，这样容易造成使用及计算误差；

（2）AVL873喷油角检测仪的应用

                      

           图三AVL873主机                         图四 油管感应传感器

该仪器是AVL公司专为四冲程柴油机的供油提前角的测量而设计的；他通过压电感应油管传感器KG（图四）测量高压油管喷油脉冲，将信号送入AVL873主机内（图三），同时，将主机与频闪正时枪连接，频闪枪以频闪形式发出,用来测量发动机上止点的正时刻度标记，频闪灯工作时用加减按钮调整频闪灯的发射频率，直到发动机上止点标记与刻度盘的刻度重合，此时AVL873主机显示转速与供油提前角。该仪器可以使用上止点传感器、并且具有RS232接口能够与PC连接，将信号输入电脑进行喷油曲线的测绘。

现将两种仪器（AVL DITIME873与F765检测仪+频闪枪）：进行采用同种测量方式（频闪枪模式进行试验对比）EQD发动机配6VE泵速度特性试验结果

 

 

 

喷油正时：1.4mm                            标准喷油器：BOSCH P/N 1 688 901 027

试验台：BOSCH  EPS-707         供油压力：0.2    bar        试验油温：40±2     ℃

标准高压油管：德国P/N 1 680 750 017（Ф6×Ф2―840）

试验油：校泵油（ 中国  GB 8029-87）

喷油泵编号：VE6/12F 1300RV15852    168 011

结论：通过实验表明在喷油泵转速为400r/min以上时，红线代表的F765配频闪枪检测数据出现背离，到接近570r./min时背离趋于稳定，继续提高转速后确定，背离量固定在提前角与蓝线代表的AVL873测量仪相差3°CA，位移量相差1mm。

（2）AVL873喷油角检测仪与IGTM-2000正时测量仪的应用

IGTM-2000是精密正时测量设备，能够连续不断地进行测量，并实时准确显示点火正时，而不需要试验人员使用频闪枪测量，根据不同的TDC信号采集最高能保证±0.05度的精度。

IGTM-2000通过内部的编程，根据不同的需要及测量条件选择不同的测量组合，目前限于测量条件，为正时测量仪提供2个必须的初级信号，点火(喷油)发生信号和曲轴转角位置信号，点火(喷油)发生用于正确显示点火(喷油)发生瞬间的信号，曲轴参考位置信号(可以是1个或2个信号)用于测量发动机转速并且得到上止点的位置。

点火(喷油)信号的测量，该仪器本身提供一个感应拾取夹，用于夹住汽油机点火线圈，从而感应点火脉冲。而完成柴油机喷油脉冲，需将信号转换，目前是用FERRET 765作为信号转换器。经过转换的信号通过感应拾取夹送入主单元的点火输入接口。

          

                                   图五 IGTM-2000 主机

曲轴参考位置的测量，是由转速传感器完成，传感器安装在发动机飞轮上，上止点位置作为传感器信号输入位置，传感器信号送入主单元的参考输入接口。

试验二: AVL873喷油检测仪与IGTM2000点火正时仪试验对比

 

 

EQD欧2发动机配直列喷油泵提前器特性

标准喷油器：BOSCH P/N 1 688 901 027     

试验台：BOSCH  EPS-707

标准高压油管：德国P/N 1 680 750 017（Ф6×Ф2―840）

供油压力：0.2    bar          试验油温：40±2     ℃

试验油：校泵油（ 中国  GB 8029-87）  

喷油泵型号：PW210-20    喷油泵编号：30716635

结论：将AVL DITIME873与ATI IGTM2000同时通过TDC传感器采集信号测得结果如图。可以看到两款仪器在试验中，数据基本一致。但是将发动机转速提高至3000r/min以上后，由于提供的属于初级信号，所以容易受到TDC传感器本身信号背离的影响，这时拥有电感应油管传感器KG的AVL DITIME873能够体现出一定的优势，显示的转速值基本稳定正确，但是数值出现无法实时变换的结果。对比两款仪器，均有与PC机进行信号输入的接口，可以实现通过PC机显示曲线。针对外型ATI IGTM2000更具有优势，本身的设计非常合理，是专门为台架检测设计一款仪器，并且可以汽柴两用。而AVL DITIME873是一款携带方便的仪器，包括便携提手等，设计阶段考虑到能同时应用于汽修市场而进行的各种设计；但是具有的可以与电脑连接和TDC传感器等特点使其又可兼顾出厂检验和普通设计部门的使用等。

通过试验结果，可以确认上述三种供油提前角的测量方式在理想工作环境中都是可行的。AVL873测量仪是专为柴油机供油提前角的测量设计的，并且能够满足各种市场的需求。而F765是在汽油机点火正时的基础上通过信号转换，实现柴油机供油提前角测量，能够满足普通的维修检验。对于IGTM2000测量仪，用户可根据不同需要进行多种组合，可满足柴油机及汽油机的测量，测量的精度主要取决于外部传感器的安装。同时由于该测量仪在测量过程中不需要试验人员的参与，减少人为误差以及提高安全性。可用于试验台架的实时监测。

五.应用实践

油管感应传感器

在上述的供油测量方式中，油管感应传感器是很关键的一个部件，它直接影响到喷油的脉冲频率及脉冲发生的时刻。传感器夹持在油管上的间隙有严格的要求，通常是±0.2mm以内，超过传感器的夹持尺寸测量无法进行。

目前发动机上的高压油管尺寸如下表，安装时选择一缸高压油管20mm长的垂直位置作为夹持部位，用溶剂清洁夹持部位，夹持部位必须完整无损和相当清洁。在油管垂直的洁净位置处，固定油管感应夹并锁紧。油管感应夹接地端应接在发动机壳体上。

对于供油提前角的测量主要在设计阶段与出厂检验两个阶段；两个阶段的检验应该是相互检查，共同保证发动机在生产及设计阶段的正确性。

（一）设计阶段的试验台架实时检测

台架阶段的实时检测由于受到高转速时人为的误差和安全性的考虑，采用参考位置信号的方式使得测量仪在测量过程中不需要试验人员的参与，减少人为误差以及提高安全性。但是一直以来由于TDC信号的采集、安装较为困难，很多检验设计部门不常采用，但是又感叹频闪枪精度的不可靠。

通过众多国内外专家的支持，我们总结出7种该类信号采集的办法，并陆续做了相应的实验。

（1）       通过在曲轴上安装一个曲轴旋转的脉冲传感器。安装和连接较为简单，可以适用所有类型的发动机，但是精度通常在±2度

（2）       在发动机的供油角测量传感器设置空安装磁性传感器。与上一种方法一样，不适合在发动机长时间运转情况下测量；

TDC传感器有两种结构形式，即磁电式和光学式两种。两种传感器的选用与安装对该种测量的精度造成不同的影响。

两种TDC传感器的安装方法。首先将随机提供的磁片或反光片(10mm宽)贴于飞轮或皮带轮上(视被测车结构而定)，有的车型其皮带轮与扭转减震器为一体，即必须贴于扭转减震器外壳上，注意磁片和反光片贴于上止点记号之后方(以旋转方向为前)，磁片或反光片前缘对准TDC记号（由于磁片或反光片是贴在相应的发动机位置上，如果发动机长时间运转容易造成他们的脱落），以试用该发动机的开空模具或夹具将传感器安置于发动机相应位置，并使其对准磁片或反光片，距离长短直接影响精度，通常根据选用传感器的质量为20—50mm。通常这是使用较多的一种方法，测量精度通常在±2度，

（3）       由于目前很多发动机采用ECU控制系统，在采集TDC信号时，有些发动机可以通过ECU感应相应的TDC信号。他们也同时被称为REF信号等。但是这种方法容易受到ECU质量的影响，不过精度还是可以保证，他的平均瞬时精度能够达到±1度。

（4）       通过数齿传感器安在很多新型的发动机上，这种检测方式依靠发动机本身的齿数决定精度，齿数越密精度越高，通常能够达到很好的瞬时精度，但是这种办法通常运用在国外的发动机厂家，并且由于发动机本身通过安装该种传感器进行测量，不需另外安装传感器。安装使用较为方便。

（5）       为了提高精度很多美国发动机生产厂家采用通过ECU控制系统外，另外附加一个齿轮齿传感器（starter ring gear tooth sensor）进行信号的采集，通常这样可以使精度达到±0.05度左右。

（6）       同样与第五种方法类似，在发动机上安装了磁性传感器或脉冲传感器后，同样附加一个齿轮齿传感器（starter ring gear tooth sensor）这样通过两个传感器的安装可以使精度达到±0.05度左右，这种方法可以应用于大多数发动机。但是这样对测试仪器有了较高的要求，需要测试仪器能够对这两个信号进行计算和分析。

（7）       将光学轴编码器连接到发动机曲轴上。通过光学轴编码器取得参考信号。该种试验条件只取决于有该种实验条件或是本身拥有光学轴编码器的厂家。通过这种方式能够达到最高精度±0.05度以下。

上述七种方式中第一、二种方式由于费用相对低廉，精度在测量误差在允许的范围内，所以在国内被认可，但是还是由于在安装中的种种困难没有被广泛的运用；我们在做此工作期间提出了设计快速夹具与模具的概念正在被相关单位应用。当然我们也期待随着技术水平的进步，使用更高精度的数齿传感器以及光学轴编码器的应用能够被更广泛的应用于发动机测试行业。

（二）发动机出厂检验阶段的供油提前角的检测。

发动机出厂检验阶段由于受到检验时间以及工序等的限制，无法实现通过安装传感器而解决高精度检测的目的。但是随着电喷系统在柴油机上得应用，出厂检验柴油机供油提前角便显得尤为重要；这包括供油提前角在装配过程中的工艺方法以及在装配线上，喷油泵装配的装配方法。

（1）装配过程中的工艺方法 ：每台喷油泵在油泵试验台上做检测与调整油量时，做以下工作：

1. 拆去喷油泵第一缸出油阀弹簧，加装工艺毛细针管。

2. 转动喷油泵法兰联结盘带动喷油泵凸轮运动，当工艺毛细针管喷出的细油线刚断时停住。

3. 在喷油泵齿轮（或凸轮轴上）与喷油泵法兰上画一对齐线，之后按对齐的画线做刻线，刻线宽度＜1 mm 。

（2）在装配线上，喷油泵装配按以下方法进行：

1.在缸体上端面第一缸位置安装标准定位量块。工艺时间＜2min。

2.盘车至不能盘动时（即：活塞顶着量块）装配喷油泵。

3.装配喷油泵时，使喷油泵的两条供油始点刻线（法兰与齿轮上刻线）对齐，再打紧喷油泵的固定螺栓或螺母。

4.  在曲轴皮带轮作画线1，然后逆时针盘车至不能盘动时（即：活塞顶着量块），在曲轴皮带轮作画线2，用工艺标准刻度纸取画线1与画线2的园弧中点并画线3，按画线3在皮带轮与齿轮室盖上做一对齐刻线（上止点标记）、在曲轴皮带轮画线1上做标记刻线（供油提前角标记），注意：上止点标记与供油提前角标记要有区分。

5.  拆去缸体上的定位量块。工艺时间＜2min。

                   

北京福田483柴油机发动机刻度盘安装位置及使用。如图 所示：

   1. 在前平板左上端，安装刻度盘。

   2. 刻度盘以喷油泵凸轮轴外园定位。

   3. 喷油泵供油始点标记，标记在凸轮轴园柱表面。

   4. 将刻度盘顶着喷油泵凸轮轴，使刻度盘长刻线与喷油泵凸轮轴供油始点标记刻线对齐，紧固刻度盘。

5. 根据刻度盘上端刻度，将喷油泵向内或向外转动，使喷油泵外法兰上的供油始点标记与刻度盘上刻度对齐。

通过上述发动机出厂检验中关于装配过程中的工艺方法，喷油泵装配的方法我们可以看到：如果不能保证发动机在生产过程中采用正确的方法，那么不仅提供给设计部门进行电喷系统、喷油泵匹配等等工作的发动机本身具有一定的问题，而且提供给消费者的柴油机将产生以下质量问题：供油提前角过大时，会造成发动机起动困难、噪音大（敲缸）、烟度超标、扭矩不足等质量问题。供油提前角过小时，会造成发动机后燃严重（排气温度高）、标定功率不足、燃油消耗大等质量问题。

五．结论

    该项测量的分析与运用不仅解决了相关系统在设计、检验阶段的验证问题，而且为各个阶段供油提前角的准确测量和相关设备的选型提供了重要依据、为确定柴油机最佳喷油时刻提供了重要数据，是进行内燃机燃烧分析不可或缺的一项内容。目前该种结果已分别应用于多系列柴油机试验、检验与维修中；测量结果的准确及可靠被试验设计人员所验证，其结果参与多项试验开发及性能评定分析。同时从内燃机测试技术的发展角度来看，该测量方法作为燃油供给系统分析的基础，为研发、生产电控燃油共轨系统奠定检测验证的基础。