高壓共軌燃油系統(tǒng)后噴射控制研究

胡 勇，李文勇，鐘劍貞

（桂林電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣西 桂林 541004）

高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)將燃油分成多次相對(duì)獨(dú)立的噴射，逐次噴入到燃燒室內(nèi)進(jìn)行燃燒，通過(guò)對(duì)多次噴射的每次噴射油量、定時(shí)及噴射間隔的精確靈活的控制，來(lái)控制柴油機(jī)燃油噴射。多次噴射分為預(yù)噴、主噴、后噴，可有效降低排放和噪聲，優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，是當(dāng)前改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能的關(guān)鍵技術(shù)和研究的熱點(diǎn)［1］。本文主要對(duì)后噴射控制策略進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)ECU的實(shí)時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)在柴油機(jī)全工況范圍內(nèi)后噴射的最佳控制，達(dá)到改善柴油機(jī)性能的目的。

1 后噴射作用分析

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處在不同的工況時(shí)，使用不同的燃油噴射策略，使發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和排放均達(dá)到更加優(yōu)良的狀態(tài)。后噴射的噴射正時(shí)一般發(fā)生在10°～40°CA ATDC［2］，在主噴射結(jié)束后迅速向缸內(nèi)噴入少量燃油，可促進(jìn)前期產(chǎn)生的PM和未燃HC繼續(xù)燃燒氧化。后噴射能將主噴射燃燒產(chǎn)生的PM帶入到燃燒室擠流區(qū)，后噴完成之后，缸內(nèi)逆擠流速度增加，局部禍旋運(yùn)動(dòng)增加。氣流流速的增加有利于殘余燃油蒸氣以及后噴射燃油蒸氣與空氣的混合，加強(qiáng)了缸內(nèi)擾動(dòng)，提高燃燒后期缸內(nèi)的溫度，加強(qiáng)燃油與新鮮空氣的混合，從而促進(jìn)PM和HC的氧化，還可使柴油機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩增大。據(jù)研究，后噴射不能在柴油機(jī)任何工況下都起作用，只有在采用了排氣后處理系統(tǒng)后才對(duì)降低有害排放物有貢獻(xiàn)［2］，且后噴必須結(jié)合EGR系統(tǒng)一起使用，以此來(lái)保證NOx排放維持在可接受水平［3］，否則在某些工況中使用后噴反而使燃燒有所惡化，因此合適的后噴控制策略就顯得尤為必要。

由于實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)工況的要求以及噴油器等硬件條件的限制，目前一個(gè)循環(huán)最多可以實(shí)現(xiàn)5次噴射［4］，包括2次預(yù)噴、主噴射以及2次后噴，即近后噴、遠(yuǎn)后噴。

近后噴是將HC氧化，近后噴不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。隨后噴量和主、后間隔角的增加，主噴燃油減少、噴油重心后移，減少了燃燒前期參與燃燒反應(yīng)的燃料量，使NOx的生成量減少，但經(jīng)濟(jì)性有所惡化［5］。

遠(yuǎn)后噴用于燃燒燃燒室里的炭煙，同時(shí)對(duì)排氣后處理系統(tǒng)的再生也有一定作用，遠(yuǎn)后噴會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。由于采用EGR技術(shù)，其空燃比變小，使燃燒過(guò)程產(chǎn)生的煙度較大，通過(guò)遠(yuǎn)后噴射降低中高負(fù)荷工況的煙度，且隨著負(fù)荷率的增加，效果愈加明顯［4］。

2 后噴射控制策略設(shè)計(jì)

后噴射控制策略就是指ECU對(duì)后噴射控制參數(shù)的實(shí)時(shí)控制邏輯。正確合理的控制策略是系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠的保證。綜合考慮柴油機(jī)的各種運(yùn)行工況，采用基于油量的噴射控制策略。后噴射控制參數(shù)包括噴油壓力、射油量、噴射定時(shí)等參數(shù)。其中噴油壓力的目標(biāo)值與主噴射一致，噴射協(xié)調(diào)、后噴油量、后噴起始時(shí)刻、噴油器作用時(shí)間和后噴釋放的綜合控制可由軟件編程實(shí)現(xiàn)。

2.1 后噴射協(xié)調(diào)

所謂的噴射協(xié)調(diào)是用來(lái)確定每循環(huán)每缸噴射次數(shù)以及優(yōu)先級(jí)問(wèn)題。由硬件和軟件兩方面限制。硬件主要包括油泵泵油量，噴油器物理特性，升電電容負(fù)荷等。軟件方面主要用于解決不同工況時(shí)采用不同的噴油組合方式以及各噴射之間的協(xié)調(diào)控制。本文主要研究后噴控制，因此暫不考慮預(yù)噴相關(guān)內(nèi)容。

2.1.1 后噴射優(yōu)先級(jí)管理

考慮到高壓油泵的泵油能力、電控噴油器的起動(dòng)性能取決于電池的充放電性能以及包括電控噴油器在內(nèi)的軟硬件的性能等因素，燃油噴射系統(tǒng)存在最大噴射次數(shù)，若系統(tǒng)在某工況觸發(fā)的噴油次數(shù)大于最大噴射次數(shù)，則需要關(guān)閉一些觸發(fā)噴油次數(shù)，此時(shí)考慮噴油優(yōu)先級(jí)。

對(duì)于后噴系統(tǒng)，由于存在正常模式與再生模式，所以需對(duì)噴射狀態(tài)字進(jìn)行優(yōu)先級(jí)管理。正常模式下優(yōu)先級(jí)：主噴-遠(yuǎn)后噴-近后噴；當(dāng)采用EGR時(shí)，再生模式優(yōu)先級(jí)：主噴-近后噴-遠(yuǎn)后噴。如表1所示，1表示最高優(yōu)先級(jí)，2，3…優(yōu)先級(jí)依次遞減，預(yù)留位無(wú)優(yōu)先級(jí)。

表1 正常模式和再生模式下的優(yōu)先級(jí)安排

2.1.2 后噴協(xié)調(diào)

如表2所示，采用8位控制字實(shí)現(xiàn)主噴+近后噴+遠(yuǎn)后噴的觸發(fā)管理。為確保系統(tǒng)的擴(kuò)展性和移植性，8位控制字中 “0”、 “4”、 “7” 作為預(yù)留位使用，可保證在不增加非常多次噴射的情況下繼續(xù)使用本策略，從而保證了控制策略的擴(kuò)展性。當(dāng)某位為1時(shí)，表示該位對(duì)應(yīng)的噴射釋放，否則，表示噴射禁止。

表2 控制字分配

一般情況下，主噴在各工況都是必不可少的，噴射協(xié)調(diào)主要解決的問(wèn)題就是近后噴、遠(yuǎn)后噴的協(xié)調(diào)方式。表3為后噴射協(xié)調(diào)組和4種控制方式。

表3 后噴組和控制方式

發(fā)動(dòng)機(jī)的各種工況都對(duì)應(yīng)著一種最佳的后噴組和方式，其決定過(guò)程如下：①以發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、噴油量、冷卻水溫和進(jìn)氣溫度為輸入，經(jīng)處理后得到表3中對(duì)應(yīng)觸發(fā)序號(hào)；②以①中結(jié)果和發(fā)動(dòng)機(jī)工況為輸入?yún)?shù)，經(jīng)處理后得到后噴組合方式；③根據(jù)大氣壓、溫度等對(duì)后噴組和方式進(jìn)行判斷和修正，得到最終的后噴組和方式。

2.2 后噴射的觸發(fā)

后噴射的觸發(fā)與預(yù)噴射觸發(fā)不同，主要是依據(jù)尾氣處理系統(tǒng) （包括微粒捕捉器和催化氧化器）的啟用情況來(lái)決定的［6］。圖1為近后噴觸發(fā)示意圖。

當(dāng)噴射觸發(fā)后，將觸發(fā)狀態(tài)輸送到表2控制臺(tái)，組成多次噴射狀態(tài)控制字。然后將觸發(fā)的控制字按位進(jìn)行 “或”運(yùn)算，將所得到的總觸發(fā)噴射控制字進(jìn)行取位求 “和”運(yùn)算，計(jì)算觸發(fā)噴射N(xiāo)1。并由泵油能力、電池的充放電性，確定最大噴射次數(shù)N2。N1與N2較小的值作為噴射次數(shù)。

2.3 后噴射油量的控制

高壓共軌系統(tǒng)噴油量的大小，實(shí)際上是由某一軌壓下作用于噴油器電磁閥的噴射脈沖寬度所決定的。后噴油量在控制策略中用其占總油量的百分比表示。圖2所示為后噴油量控制示意圖，ECU根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與所需轉(zhuǎn)矩，從轉(zhuǎn)矩／油量換算MAP中運(yùn)用線性插值法確定轉(zhuǎn)矩／油量換算曲線。則每循環(huán)每缸目標(biāo)總噴油量由發(fā)動(dòng)機(jī)需求轉(zhuǎn)矩根據(jù)油量／轉(zhuǎn)矩?fù)Q算曲線通過(guò)內(nèi)插法確定。然后根據(jù)轉(zhuǎn)速和目標(biāo)噴射總油量通過(guò)查基本油量MAP確定噴油量基本值，結(jié)合修正因子對(duì)基本噴油量進(jìn)行修正，得到的結(jié)果與當(dāng)前工況下的最大噴油量作比較，較小的值作為中間噴油變量，同時(shí)考慮當(dāng)前軌壓確定的最小噴油量，取兩者的最大值作為最終后噴油量。

考慮到燃油溫度對(duì)燃油密度ρ的影響，在計(jì)算每循環(huán)燃油噴射量時(shí)，將質(zhì)量計(jì)的噴油量Qm轉(zhuǎn)化為體積量Qv， Qv=Qm÷ρ（t）。 通過(guò)燃油體積的合理調(diào)整，可有效避免噴油量的突變，保證發(fā)動(dòng)機(jī)平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.4 后噴射時(shí)間控制

后噴與主噴之間的間隔、后噴持續(xù)時(shí)間等，對(duì)柴油機(jī)的燃油消耗、HC、煙度、NOX等指標(biāo)有重要影響，因此設(shè)置合理的后噴噴射時(shí)間是至關(guān)重要的。

2.4.1 后噴噴射始點(diǎn)的確定

后噴射始點(diǎn)以主噴始點(diǎn)為參考點(diǎn)，稱(chēng)之為相對(duì)始點(diǎn)。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和目標(biāo)總噴油量，通過(guò)查找各次噴射的噴射始點(diǎn)MAP，可以確定噴射起始時(shí)刻的基本值，同時(shí)還要考慮環(huán)境因子對(duì)噴射始點(diǎn)的影響，對(duì)其進(jìn)行修正。圖3為噴射始點(diǎn)確定示意圖。

2.4.2 噴油器作用時(shí)間的確定

噴油器作用時(shí)間以圖4中得出的估算作用時(shí)間為基本量，考慮噴油器閉合和噴射停止時(shí)間差，對(duì)其進(jìn)行修正。噴油器作用時(shí)間由于其本身特性存在最小作用時(shí)間，由系統(tǒng)標(biāo)定時(shí)確定，當(dāng)噴油器作用時(shí)間小于最小作用時(shí)間時(shí)，選取最小作用時(shí)間為噴油時(shí)間。

2.5 噴射釋放

在確定了后噴次數(shù)、噴油時(shí)間等參數(shù)后，還將面臨噴射最終是否能釋放的問(wèn)題?，F(xiàn)以近后噴射為例，設(shè)計(jì)后噴釋放狀態(tài)字如表4所示。其中第7位優(yōu)先級(jí)最高，0位優(yōu)先級(jí)最低。

表4 近后噴釋放狀態(tài)字

3 相關(guān)噴射參數(shù)的修正

前文中的控制量基本上是通過(guò)節(jié)氣門(mén)位置信號(hào)和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)判斷發(fā)動(dòng)機(jī)所處工況，然后查詢(xún)基本MAP圖得出基礎(chǔ)控制量。除此之外，ECU還要考慮進(jìn)氣溫度、蓄電池電壓等信號(hào)的影響，并對(duì)MAP進(jìn)行修正，提高控制系統(tǒng)精度。本文以進(jìn)氣溫度、蓄電池電壓為例，介紹修正方法。

3.1 蓄電池電壓試驗(yàn)修正

蓄電池電壓的大小對(duì)汽車(chē)有重要的影響，例如電動(dòng)燃油泵對(duì)電壓的變化十分敏感，當(dāng)電壓較低時(shí)，燃油泵的轉(zhuǎn)速偏低，電壓較高時(shí)，燃油泵轉(zhuǎn)速變高，致使泵油能力出現(xiàn)波動(dòng)，從而燃油壓力出現(xiàn)波動(dòng)，最后導(dǎo)致噴油量出現(xiàn)變化。蓄電池電壓對(duì)噴油器中電磁線圈的吸引力也有重要的影響，蓄電池電壓的波動(dòng)，致使噴油器針閥的開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)間出現(xiàn)誤差，從而導(dǎo)致噴油量的變化。本文對(duì)噴油器在不同蓄電池電壓下的流量特性進(jìn)行試驗(yàn)，以12V為標(biāo)準(zhǔn)電壓值，得到如圖5所示的噴油脈寬修正圖。

3.2 進(jìn)氣溫度理論修正

由于進(jìn)氣溫度對(duì)氣體密度有很大的影響，從而影響空燃比，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒具有重要作用，所以需對(duì)因進(jìn)氣溫度影響的噴油量進(jìn)行修正。以下為從理論角度對(duì)進(jìn)氣溫度進(jìn)行修正。

由理想氣體狀態(tài)方程可得發(fā)動(dòng)機(jī)每循環(huán)的進(jìn)氣量

得出過(guò)量空氣系數(shù)

式中：qo——標(biāo)況下燃油量；gh0——標(biāo)況下單位質(zhì)量燃油完全燃燒所需空氣量；gh——實(shí)際情況下單位質(zhì)量燃油完全燃燒所需空氣量。

令進(jìn)氣溫度分別為T(mén)o、T時(shí)的過(guò)量空氣系數(shù)相等，此時(shí)

整理可得進(jìn)氣溫度修正系數(shù)為：以To時(shí)的進(jìn)氣溫度為標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)進(jìn)氣溫度高于To時(shí)，空氣變稀薄，為補(bǔ)償混合氣，需要減小噴油量；當(dāng)進(jìn)氣溫度低于To，為補(bǔ)償混合氣，需要增大噴油量。通過(guò)適合的試驗(yàn)值進(jìn)行擬合，可得出修正系數(shù)計(jì)算式。

4 后噴射的應(yīng)用

中國(guó)在高壓共軌系統(tǒng)上的研究較晚，而且受發(fā)動(dòng)機(jī)硬件設(shè)施的影響，后噴在中國(guó)大多處于研究階段，以引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)為主。在中國(guó)采用后噴的發(fā)動(dòng)機(jī)及其生產(chǎn)主要廠家如表5所示。后噴射控制主要通過(guò)形成控制策略?xún)?chǔ)存于汽車(chē)電控單元ECU中，然后根據(jù)汽車(chē)傳感器采集得到的汽車(chē)運(yùn)行狀況信息，控制電控高壓油泵泵油和電控噴油器的開(kāi)啟與關(guān)閉來(lái)完成后噴。

表5 中國(guó)采用后噴的發(fā)動(dòng)機(jī)及其主要生產(chǎn)廠家

5 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)柴油機(jī)后噴射作用機(jī)理，針對(duì)采用EGR技術(shù)路線的發(fā)動(dòng)機(jī)，以有效降低燃燒噪聲、減少排放為目的，分析設(shè)計(jì)高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)后噴射控制策略，后噴射是降低碳煙排放的有效手段。研究后噴射控制中有關(guān)噴射協(xié)調(diào)、后噴射量、噴射起始時(shí)刻、噴射器作用時(shí)間和噴射釋放以及相關(guān)參數(shù)修正等問(wèn)題，對(duì)發(fā)動(dòng)燃燒優(yōu)化、尾氣排放具有明顯的效果。

［1］ Imarisio R.Multiple injection.A cost effective solution for emission reduction of common rail Dl diesel engines［J］.Aachener Kolloquium Fahrzeug-und Motorentechnik，2000 （9）： 1 047-1 062.

［2］楊林，卓斌，肖文雍，等.高壓共軌電控柴油機(jī)燃油預(yù)噴射控制研究［J］.柴油機(jī)， 2004 （3）： 14.

［3］李人憲.柴油機(jī)實(shí)現(xiàn)高EGR率方法的計(jì)算分析［J］.內(nèi)燃機(jī)工程， 2004， 25 （3）： 27-32.

［4］李明星，王輝，周道林，等.后噴射改善輕型商用車(chē)柴油機(jī)排放的應(yīng)用［J］.車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)，2011（4）：74-77.

［5］解方喜，洪偉，李小平，等.近后噴射對(duì)共軌柴油機(jī)高負(fù)荷NOx和碳煙影響的數(shù)值分析［J］.燃燒科學(xué)與技術(shù)，2011 （1）： 56-61.

［6］袁文華.高壓共軌噴油系統(tǒng)多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化及智能控制研究［D］.湖南大學(xué)，2010：82.

［7］?？虑洌蹩∠?，楊林，等.GD-l柴油機(jī)多次噴射協(xié)調(diào)控制策略研究［J］.內(nèi)燃機(jī)工程， 2006， 27 （4）： 26-30.