時(shí)間控制式柴油機(jī)噴油量噴射系統(tǒng)的控制策略分析

朱雙華

（湖南汽車(chē)工程職業(yè)學(xué)院，湖南株洲，412001）

0 前言

本世紀(jì)初，由于全球?qū)?chē)用汽柴油機(jī)排放法規(guī)越來(lái)越苛刻，控制得逐步嚴(yán)厲，要求汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的排放值在直線(xiàn)下調(diào)，車(chē)用柴油機(jī)的最常見(jiàn)排放物，如氮氧化物和碳?xì)浠衔锛案黝?lèi)微粒均強(qiáng)制要求急劇減少，所以，對(duì)車(chē)用柴油車(chē)尤其是重載發(fā)動(dòng)機(jī)車(chē)裝備更新技術(shù)的燃油噴射系統(tǒng)，早已是順勢(shì)而為之事，再者，大膽研究與引入先進(jìn)的燃油系統(tǒng)，同時(shí)接納其它領(lǐng)域有借鑒意義的新技術(shù)新策略，又能整體促進(jìn)車(chē)用柴油機(jī)更上一層樓，提升到一個(gè)全新的階段?，F(xiàn)今一批批企業(yè)的產(chǎn)品已經(jīng)能符合歐Ⅳ、歐Ⅴ排放法規(guī)的標(biāo)準(zhǔn)。一批新的技術(shù)比如：排氣后處理技術(shù)、HCCI（均質(zhì)壓燃系統(tǒng)）等都促使車(chē)用柴油機(jī)技術(shù)達(dá)到了一個(gè)全新的水準(zhǔn)，技術(shù)發(fā)展已經(jīng)日新月異。一段時(shí)間以來(lái)，從控制方式上來(lái)分類(lèi)，車(chē)用柴油機(jī)電控噴射系統(tǒng)可以劃分成位置控制式與時(shí)間控制式兩種。位置控制式的噴油系統(tǒng)一般應(yīng)用在分配泵與直列泵上。此批產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)是沿用最早噴油系統(tǒng)的泵—管—嘴的簡(jiǎn)單而可靠的機(jī)構(gòu)，還有柱塞偶件、齒條等部件，此類(lèi)結(jié)構(gòu)的噴油量控制依據(jù)電控單元實(shí)時(shí)改變滑套或齒桿的位移來(lái)達(dá)成開(kāi)展目標(biāo)，噴油正時(shí)依托液壓控制噴油角提前器，或者采用可變預(yù)行程技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。而時(shí)間控制式電控噴油系統(tǒng)，則運(yùn)用可承載高壓的柱塞泵為電控噴油系統(tǒng)構(gòu)建所需噴射壓力，采用特制高速電磁閥的開(kāi)閉狀態(tài)使柴油機(jī)的噴油正時(shí)與油量控制成為可能，之中的電磁閥通電維持多少則反映了柴油量的多少，電磁閥起作用的時(shí)刻來(lái)控制柴油機(jī)的噴油正時(shí)，此方式使燃油量轉(zhuǎn)變?yōu)闀r(shí)間的函數(shù)，這和車(chē)用汽油機(jī)（EF I）電控噴射系統(tǒng)較為類(lèi)似。時(shí)間控制式的柴油機(jī)噴油系統(tǒng)一般由電控噴嘴泵（單體泵）、電控分配泵和各種共軌系統(tǒng)組成。

1 柴油機(jī)電控單元的結(jié)構(gòu)與邏輯框架

當(dāng)前面對(duì)噴油系統(tǒng)的超高壓力，元件的制造技術(shù)、機(jī)構(gòu)的可靠性乃至控制技術(shù)均需應(yīng)對(duì)超強(qiáng)挑戰(zhàn)，隨著環(huán)保壓力的劇增及技術(shù)的進(jìn)步，位置控制式的柴油機(jī)電控噴射結(jié)構(gòu)已慢慢被淘汰和取代，時(shí)間控制式的柴油機(jī)電控系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。

如圖1，所用控制芯片上使用32位的微處理器，此ECU采用模塊化設(shè)計(jì)，各個(gè)模塊均擁有獨(dú)立功能與作用。通常有32位CPU（中央處理器單元）、SRAM（片內(nèi)存儲(chǔ)器）、TPU（定時(shí)處理器）、QSM（隊(duì)列串行模塊）、QADC（隊(duì)列式A/D轉(zhuǎn)換模式）和SIM（系統(tǒng)集成模塊）等。所有模塊之間依托IMB（內(nèi)部總線(xiàn)）連接一體，而外部擴(kuò)展的存儲(chǔ)器依托EBI（外部總線(xiàn)接口）同系統(tǒng)集成模塊模塊連接。而前向通道內(nèi)，則依托接口電路產(chǎn)生的模擬信號(hào)輸進(jìn)“隊(duì)列式A/D轉(zhuǎn)換模式”中，產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)則輸入定時(shí)處理器中。后向通道內(nèi)，定時(shí)處理器輸出不同執(zhí)行機(jī)構(gòu)的信號(hào)，依托驅(qū)動(dòng)電路使執(zhí)行器工作；監(jiān)控模塊則依托隊(duì)列串行模塊對(duì)ECU展開(kāi)實(shí)時(shí)監(jiān)控。而在整個(gè)系統(tǒng)編制軟件程序時(shí)，既可使用專(zhuān)一功能的軟件程序，還能承載超高性能的RTOS（實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)）。

2 一般工況下柴油機(jī)噴油量的控制原理與邏輯關(guān)系分析

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)通常由各個(gè)循環(huán)輸進(jìn)氣缸內(nèi)的燃油量來(lái)表征功率的高低，所以控制燃油量稱(chēng)為ECU的主要工作，在柴油機(jī)工作時(shí)，各個(gè)工況根據(jù)合適的控制邏輯向噴射系統(tǒng)噴油，整個(gè)系統(tǒng)的控制策略如圖2所示。

圖1 柴油機(jī)電控單元結(jié)構(gòu)示意圖

在一定的調(diào)速特性框架下，電控單元依據(jù)油門(mén)開(kāi)度與柴油機(jī)轉(zhuǎn)速，得到所需柴油，如是冷車(chē)狀態(tài)下，將直接從表中選擇相應(yīng)的油門(mén)偏移量，如是怠速狀態(tài)則依據(jù)目標(biāo)轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速的差值，在預(yù)設(shè)的調(diào)速特性中選擇的油量上，再增相應(yīng)修正量，此油量和依據(jù)進(jìn)氣壓力、溫度及轉(zhuǎn)速得到的冒煙極限油量相比較，選最小值，此信息通過(guò)油泵特性分析，并折算后獲取此刻的噴油持續(xù)角度。此處使用的油泵特性，是依據(jù)柴油機(jī)的循環(huán)供油量與轉(zhuǎn)速來(lái)選取合適的噴油角度，再疊加根據(jù)轉(zhuǎn)速查表獲取的延遲角，計(jì)算出最后噴油量（值）。在柴油機(jī)啟動(dòng)時(shí)，因?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)有較大的不確定狀況，依據(jù)選通開(kāi)關(guān)與冷卻水溫度，ECU即可直接獲取噴油正時(shí)和油量信息為系統(tǒng)提供控制策略。

一般來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)嚴(yán)密的控制策略是ECU軟件設(shè)計(jì)的重要原則，還是柴油機(jī)在各個(gè)工況下能平順工作、順利銜接的基礎(chǔ)。而系統(tǒng)噴油正時(shí)的控制策略較易實(shí)現(xiàn)，當(dāng)電控單元獲得此刻的油量之后，把此信息與柴油機(jī)此刻的速度對(duì)照，先從噴油脈譜圖上查得最小的提前角度，然后依據(jù)冷卻水溫與空氣壓力精確計(jì)算，最后得到真正的供油提前角度。而在啟動(dòng)狀態(tài)下，電控單元可只依據(jù)水溫給噴油系統(tǒng)的供油正時(shí)角度噴油。

3 特殊工況下柴油機(jī)噴油量的控制方法與策略

（1）柴油機(jī)啟動(dòng)工況分析。柴油機(jī)啟動(dòng)狀態(tài)有冷啟動(dòng)和熱啟動(dòng)兩種，冷車(chē)啟動(dòng)特別是低溫冷啟動(dòng)比較困難，這主要是低溫時(shí)燃油霧化不好，壁面溫度較低，同時(shí)機(jī)油黏度大，曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)阻力矩相對(duì)較大等原因。柴油機(jī)電控單元對(duì)啟動(dòng)過(guò)程采用一定的控制策略。開(kāi)環(huán)控制是一般情況所用的控制策略，即用柴油機(jī)的冷卻水表征圖所處環(huán)境與機(jī)器自身的情況，用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)表示啟動(dòng)控制的具體進(jìn)程。冷車(chē)啟動(dòng)時(shí)燃油霧化通常不佳，因此需要吸入比較多的柴油，一旦冷卻水溫慢慢變暖，這種情況有所改善，油量降低。另一方面，壓縮時(shí)混合氣溫度低將造成滯燃期比較長(zhǎng)，有必要相應(yīng)地增大噴油提前角。噴油量從發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)到點(diǎn)火，最終轉(zhuǎn)速穩(wěn)定一直保持在較高的水平，從轉(zhuǎn)速穩(wěn)定點(diǎn)開(kāi)始逐漸減少進(jìn)入暖車(chē)工況。

發(fā)動(dòng)機(jī)冷車(chē)啟動(dòng)成功后，其工作的環(huán)境處于十分不利的狀況，控制單元需要給發(fā)動(dòng)機(jī)提供額外的油量，保證發(fā)動(dòng)機(jī)在這種運(yùn)行工況下不滅車(chē)，使之盡快離開(kāi)這種工作狀況。暖車(chē)控制在發(fā)動(dòng)機(jī)的基本供油量的基礎(chǔ)上附加暖車(chē)修正系數(shù)，實(shí)際對(duì)應(yīng)的是油門(mén)的附加量，冷卻水溫度為參考量查取暖車(chē)修正系數(shù)，隨發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫度的提高，暖車(chē)修正量逐漸減少，當(dāng)冷卻水溫達(dá)到某一值時(shí)，暖車(chē)過(guò)程結(jié)束，不再向發(fā)動(dòng)機(jī)提供額外的供油量，并進(jìn)入怠速工況。

（2）柴油機(jī)怠速工況分析。就拿車(chē)用柴油機(jī)來(lái)講，怠速工況通常作為其工作的重點(diǎn)環(huán)節(jié)來(lái)控制，時(shí)間控制式柴油機(jī)噴油量噴射系統(tǒng)設(shè)計(jì)的控制點(diǎn)主要有前饋控制（開(kāi)環(huán)）、PID調(diào)節(jié)（閉環(huán)）以及各缸均勻性控制等。首先根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)確定目標(biāo)怠速轉(zhuǎn)速，這里考慮的是水溫低的時(shí)候讓怠速轉(zhuǎn)速稍高一些，反之則低一點(diǎn)。根據(jù)目標(biāo)轉(zhuǎn)速獲取基本油量提供給發(fā)動(dòng)機(jī)，再將發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)引回，比較與目標(biāo)轉(zhuǎn)速的差，隨后進(jìn)行增量式的PID調(diào)節(jié)。

一般情況下，對(duì)柴油機(jī)油量設(shè)計(jì)兩種限制情況，其一是車(chē)主自身確定的外特性曲線(xiàn)，其二為所有工況點(diǎn)對(duì)應(yīng)的冒煙極限油量。柴油機(jī)運(yùn)行區(qū)域內(nèi)能依據(jù)所處狀況的各異自己描述外特性曲線(xiàn)。而限制冒煙極限油量則通常存在與柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)工況或大負(fù)荷低速區(qū)。對(duì)于外特性限制油量往往在指標(biāo)工作結(jié)束后就確定下來(lái)，但如果需要，在具體使用過(guò)程中仍然可以實(shí)時(shí)修改。冒煙極限油量的確定有兩種方法，一種是采用基于模型的控制，認(rèn)為冒煙極限油量與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和進(jìn)氣壓力存在直接關(guān)系，另一種是通過(guò)查表獲得。

4 小結(jié)

綜上所述，柴油機(jī)在調(diào)試與實(shí)際工作中均將產(chǎn)生部分意外狀況，如負(fù)載忽然卸下將導(dǎo)致轉(zhuǎn)速迅速升高、機(jī)油的泄漏或消耗導(dǎo)致壓力過(guò)低等，這時(shí)操作人員往往沒(méi)時(shí)間開(kāi)展任何動(dòng)作，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)馬上處于一種非常嚴(yán)重且惡劣的運(yùn)行工況，因此在電控單元的設(shè)計(jì)中應(yīng)把“保護(hù)工況”納入重要設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。一般保護(hù)工況有、機(jī)油壓力過(guò)低與超速保護(hù)，其他的工況下則按照預(yù)先設(shè)計(jì)的調(diào)速特性來(lái)執(zhí)行。