柴油機(jī)低溫預(yù)混合燃燒穩(wěn)定性控制方法

方 成，楊福源，陳 林，李 進(jìn)

（1.清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；2.上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，上海 201206；3.常州易控汽車電子有限公司，江蘇 常 州 213164）

隨著環(huán)境污染和能源危機(jī)的加劇，節(jié)能減排成為發(fā)動機(jī)行業(yè)的迫切任務(wù)。柴油機(jī)低溫燃燒既能保持柴油機(jī)效率高的優(yōu)點(diǎn)，又能產(chǎn)生較低的排放，它可以通過燃料早噴、小錐角噴油器噴油和上止點(diǎn)附近燃料晚噴等方式來實(shí)現(xiàn)。上止點(diǎn)附近晚噴的技術(shù)特點(diǎn)是在上止點(diǎn)附近高壓噴射燃油，配合使用較大的EGR率。燃油晚噴和EGR的應(yīng)用使得燃燒滯燃期延長，燃油和空氣的混合時間更長，使用較高的燃油噴射壓力也會促進(jìn)油氣均勻混合［1－5］。上止點(diǎn)附近晚噴的燃燒模式也稱為低溫預(yù)混合燃燒（PCCI）。PCCI燃燒需要有1次預(yù)噴射穩(wěn)定燃燒，燃燒放熱主要在壓縮上止點(diǎn)后進(jìn)行。PCCI由于空燃比小（EGR率較大），放熱偏后，燃燒不穩(wěn)定［6］，需要對燃燒穩(wěn)定性進(jìn)行控制。

常用的燃燒反饋信息包括曲軸轉(zhuǎn)速信號、爆震信號、離子電流信號和缸壓信號。缸壓信號是目前最直接、包含燃燒信息最豐富的反饋信號，廣泛用于燃燒控制研究中［7－10］。

本研究在基于缸壓信息的燃燒閉環(huán)控制基礎(chǔ)上，提出了燃燒狀態(tài)穩(wěn)定性指標(biāo)、燃燒狀態(tài)不穩(wěn)定判據(jù)和分階段的燃燒狀態(tài)穩(wěn)定性控制方法，并在1臺2.5L高壓共軌柴油機(jī)的臺架試驗(yàn)中對控制效果進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 系統(tǒng)說明

1.1 發(fā)動機(jī)及臺架

本研究所用發(fā)動機(jī)為直列四沖程、直噴、水冷、增壓、中冷、2.5L高壓共軌柴油機(jī)，對原機(jī)進(jìn)行改造，加裝了VNT系統(tǒng)和EGR系統(tǒng)。發(fā)動機(jī)部分參數(shù)見表1。

表1 發(fā)動機(jī)參數(shù)

研究所用設(shè)備有HT350交流電力測功機(jī)、MEXA－7100DEGR排放分析儀、AVL439不透光煙度計和AVL472顆粒分析儀等（見圖1）。

1.2 發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)

原發(fā)動機(jī)使用的電控單元（ECU）是Bosch EDC16，本研究基于自主ECU進(jìn)行。該ECU使用Freescale MPC5634M32位高性能單片機(jī)，單片機(jī)CPU頻率達(dá)到80MHz［11］。該ECU支持6～32V寬電壓輸入，可以處理32路模擬信號、20路開關(guān)信號、4路PWM信號和2路轉(zhuǎn)速信號，能夠驅(qū)動20路開關(guān)型負(fù)載、8路PMW負(fù)載、1路直流電機(jī)負(fù)載和8個噴油器。

1.3 缸壓信號分析單元

發(fā)動機(jī)每缸都配置1個壓阻式缸壓傳感器，用于實(shí)時反饋各缸缸內(nèi)壓力。自主設(shè)計的缸壓信號分析單元（iCAT）用于缸壓信號采集與分析。iCAT基于曲軸轉(zhuǎn)速信號在壓縮沖程和做功沖程每0.2°曲軸轉(zhuǎn)角采集1次缸壓信號，在排氣沖程和進(jìn)氣沖程每1°采集1次缸壓信號；然后根據(jù)采集到的缸壓信息，計算各缸的pi（平均指示壓力），θCA50（累計放熱50%的曲軸轉(zhuǎn)角）等燃燒狀態(tài)指標(biāo)，并通過CAN總線發(fā)送給ECU。

pi按照式（1）進(jìn)行計算：

式中：Vs為單缸排量；pk為當(dāng)前角度采集的缸壓；pk－1為上一角度采集的缸壓；Vk為當(dāng)前角度氣體容積；Vk－1為上一角度氣體容積。k從進(jìn)氣沖程開始計數(shù)，整個循環(huán)取值范圍為1～2 520。

各個曲軸轉(zhuǎn)角對應(yīng)的氣體容積按照式（2）計算：

式中：θk為當(dāng)前采樣對應(yīng)的角度；Vc為氣缸剩余體積；D為活塞直徑；r為曲柄半徑；l為連桿長度。

按照熱力學(xué)第一定律，并忽略缸壁傳熱，可得到離散化的瞬時放熱率計算方法：

式中：γ為絕熱指數(shù)，取1.4進(jìn)行計算（忽略氣體組分變化和溫度的影響）。

累計放熱率QA表征在某個曲軸轉(zhuǎn)角位置已累計放出的總熱量，可以通過瞬時放熱率累加得到：

式中：QA為當(dāng)前角度累計放熱率，Qk－1為上一角度累計放熱率；θk為當(dāng)前角度；θk－1為上一角度。

得到累計放熱率后可以得到放熱總量，通過掃描比較即可得到累計放熱50%的曲軸位置即θCA50的值。

1.4 燃燒閉環(huán)控制系統(tǒng)

在ECU控制策略中，通過pi和θCA50的雙閉環(huán)PID控制器對晚噴定時和晚噴油量分別進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)燃燒閉環(huán)控制（見圖2）。

利用iCAT解析出上一循環(huán)的pi和θCA50，對各缸當(dāng)前循環(huán)的噴油定時和噴油脈寬進(jìn)行獨(dú)立控制。燃燒閉環(huán)控制能夠提高燃燒的均衡性和穩(wěn)定性［12］，但是，由于燃燒是空氣系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)和潤滑系統(tǒng)等的綜合作用，特別是在PCCI燃燒下，燃燒對環(huán)境的變化特別敏感，所以即使采用燃燒閉環(huán)控制，仍然會出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。

2 燃燒狀態(tài)穩(wěn)定性評價指標(biāo)

從燃燒狀態(tài)指標(biāo)中快速、有效地獲得燃燒狀態(tài)穩(wěn)定性評價指標(biāo)是進(jìn)行燃燒狀態(tài)穩(wěn)定性控制的基礎(chǔ)。常用的燃燒狀態(tài)穩(wěn)定性評價指標(biāo)是最大燃燒壓力在一定時間窗口期內(nèi)的方差，該指標(biāo)計算量小，且較為直觀地反映了燃燒動力輸出的循環(huán)波動。但該指標(biāo)對PCCI燃燒不一定適用，因?yàn)樵谌加屯韲姺绞较拢畲蟾讐翰灰欢ㄓ扇紵龑?dǎo)致，而可能由活塞壓縮產(chǎn)生。

在本研究中，為了能更好地反映PCCI－CI組合燃燒下燃燒狀態(tài)穩(wěn)定性，使用θCA50在一定時間窗口的方差σ2CA50作為燃燒循環(huán)波動的評價指標(biāo)：

對標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行歸一化，定義θCA50波動率ηCA50為燃燒狀態(tài)穩(wěn)定性評價指標(biāo)：

當(dāng)ηCA50＞1時，燃燒狀態(tài)穩(wěn)定性波動超出限值。但式（5）中標(biāo)準(zhǔn)差的計算方法耗費(fèi)大量儲存空間和計算負(fù)荷，特別在處理多缸數(shù)據(jù)時。本研究使用改進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)差計算方法［13］：

對波動率計算進(jìn)行仿真，假設(shè)狀態(tài)量由小幅值正弦波（模擬高頻的正常循環(huán)波動）、大幅值正弦波（模擬高頻的不正常循環(huán)波動）和1個通過一階PT1濾波的階躍信號（模擬中低頻變化，例如發(fā)動機(jī)的瞬態(tài)工況）疊加而成。使用改進(jìn)的方差計算方法得到波動率1，使用標(biāo)準(zhǔn)的方差計算方法得到波動率2。

在第100次采樣處，狀態(tài)量出現(xiàn)大幅值高頻波動，改進(jìn)算法和標(biāo)準(zhǔn)算法都指示了該波動；在第200次采樣處，狀態(tài)量出現(xiàn)低頻波動，改進(jìn)算法和標(biāo)準(zhǔn)算法也都指示出了該波動（見圖3）。可見，使用改進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)差計算方法，能夠指示出狀態(tài)量的高頻波動和低頻波動。

但是，發(fā)動機(jī)低頻波動是由于發(fā)動機(jī)瞬態(tài)工況變化引起的，并不是燃燒不穩(wěn)定引起的，所以需要通過分析燃燒穩(wěn)定性影響因素，把該低頻波動過濾掉。

3 燃燒狀態(tài)穩(wěn)定性影響因素分析

在柴油機(jī)控制中，主要通過燃油系統(tǒng)和空氣系統(tǒng)的協(xié)調(diào)來控制燃燒。

3.1 燃油系統(tǒng)的影響

燃油系統(tǒng)對PCCI燃燒狀態(tài)穩(wěn)定性的影響主要包括3個方面：

1）軌壓 軌壓越高，循環(huán)噴油量的波動越大，噴油量的不穩(wěn)定導(dǎo)致燃燒狀態(tài)的不穩(wěn)定。由圖4a可見，軌壓引起的燃燒穩(wěn)定性波動在限值之內(nèi)。

2）預(yù)噴與晚噴間隔 PCCI燃燒中，需要將少量燃油通過預(yù)噴射噴入氣缸內(nèi)，引起的軌壓波動和壓力波會導(dǎo)致主噴油量的變化，從而影響燃燒穩(wěn)定性，該影響隨著預(yù)噴與晚噴間隔的減小而增大。

3）晚噴定時 PCCI燃燒中，晚噴定時與θCA50的平均值直接相關(guān)，晚噴使得燃燒在活塞下行過程中進(jìn)行，燃燒的循環(huán)波動隨著θCA50的推后而增大。圖4b示出1 800r／min，120N·m的穩(wěn)定工況下，燃燒狀態(tài)穩(wěn)定性指標(biāo)隨θCA50的變化。當(dāng)θCA50超過上止點(diǎn)后24°曲軸轉(zhuǎn)角后，ηCA50大于限值1，燃燒變得不穩(wěn)定。

對于燃油系統(tǒng)，由晚噴定時決定的θCA50對于燃燒穩(wěn)定性影響較大；軌壓和預(yù)噴定時對燃燒狀態(tài)穩(wěn)定性的影響較小。

3.2 空氣系統(tǒng)的影響

空氣系統(tǒng)對燃燒穩(wěn)定性的影響因素主要有：

1）新鮮空氣流量 新鮮空氣流量可以通過EGR率調(diào)節(jié)，當(dāng)EGR率較大時，燃燒處于缺氧狀態(tài)，則可能導(dǎo)致燃燒狀態(tài)不穩(wěn)定；

2）進(jìn)氣波動 進(jìn)氣波動包括進(jìn)氣壓力波動和各缸進(jìn)氣量波動，這種波動來源于渦輪增壓系統(tǒng)和EGR系統(tǒng)的循環(huán)脈沖工作特性以及進(jìn)氣管內(nèi)壓力波的傳播特性。

因此，當(dāng)燃油系統(tǒng)和空氣系統(tǒng)對燃燒穩(wěn)定性的主要影響因素都在穩(wěn)定狀態(tài)，而ηCA50＞1，才可判定燃燒狀態(tài)不穩(wěn)定。

4 燃燒狀態(tài)穩(wěn)定性控制方法

根據(jù)燃油系統(tǒng)和空氣系統(tǒng)對燃燒狀態(tài)穩(wěn)定性的影響能力和響應(yīng)時間，提出自適應(yīng)的燃燒狀態(tài)穩(wěn)定性控制方法（見圖5）。

1）當(dāng)?shù)趇缸燃燒不穩(wěn)定判據(jù)滿足時（觸發(fā)條件1），首先將第i缸的θCA50目標(biāo)值提前，使之偏向壓縮上止點(diǎn)，同時增加對應(yīng)缸的預(yù)噴和晚噴的噴射定時間隔，此時第i缸的炭煙排放值可能受到θCA50提前的影響而增大；

2）經(jīng)過n1個燃燒循環(huán)后，如果第i缸燃燒仍然不穩(wěn)定（觸發(fā)條件2），則增加新鮮空氣流量（降低EGR率），其他3缸的燃燒也會受到新鮮空氣量增加的影響，可能導(dǎo)致整機(jī)NOx排放的增加；

3）當(dāng)再經(jīng)過n2個燃燒循環(huán)后，如果第i缸燃燒仍然不穩(wěn)定（觸發(fā)條件3），則發(fā)動機(jī)燃燒模式強(qiáng)制切換為CI燃燒，則整機(jī)NOx和炭煙排放就無法受益于PCCI燃燒的控制效果。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

在發(fā)動機(jī)臺架上對燃燒狀態(tài)穩(wěn)定性控制方法進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果見圖6。

在1 800r／min，120N·m的穩(wěn)定工況下，手動調(diào)節(jié)θCA50目標(biāo)值接近上止點(diǎn)后20°曲軸轉(zhuǎn)角時，第2缸實(shí)際θCA50值的循環(huán)波動較大，在約165s時波動率超過限值，激活燃燒狀態(tài)穩(wěn)定性控制，將第2缸θCA50目標(biāo)值提前2°曲軸轉(zhuǎn)角，第2缸的晚噴提前角從上止點(diǎn)后2°提前到上止點(diǎn)1°曲軸轉(zhuǎn)角附近。在θCA50實(shí)際值穩(wěn)定在新目標(biāo)值之前，由于控制器超調(diào)，總炭煙排放短時迅速升高，之后隨著θCA50的穩(wěn)定，炭煙排放下降，回歸穩(wěn)定，但總排放幅值仍較未控制前略有提升，θCA50的波動率在受控后下降到限值以內(nèi)。

6 結(jié)束語

利用自主開發(fā)的缸壓信號分析單元，采集缸壓信號，計算pi和θCA50等燃燒狀態(tài)指標(biāo)，建立了燃燒閉環(huán)控制系統(tǒng)。提出了θCA50波動率表征的燃燒狀態(tài)穩(wěn)定性評價指標(biāo)，并使用改進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)差計算方法對指標(biāo)進(jìn)行計算。在分析燃油系統(tǒng)控制參數(shù)和空氣系統(tǒng)控制參數(shù)對燃燒狀態(tài)穩(wěn)定性影響的基礎(chǔ)上，提出了燃燒狀態(tài)不穩(wěn)定判據(jù)。設(shè)計了自適應(yīng)的燃燒穩(wěn)定性控制方法，分階段通過θCA50目標(biāo)值、新鮮空氣流量和燃燒模式的調(diào)整來降低燃燒的不穩(wěn)定性。通過發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)，驗(yàn)證了燃燒狀態(tài)穩(wěn)定性控制算法的可行性。本研究為后續(xù)多燃料自適應(yīng)的研究提供了基礎(chǔ)。

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