車載高壓共軌柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)控制策略分析(上)

◆文/江蘇 高惠民

一、概述

隨著汽車社會(huì)的高速發(fā)展，能源危機(jī)和環(huán)境污染問題日趨嚴(yán)重。為解決這兩大問題，世界各國都制定了發(fā)展節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線，并且不斷革新著汽車動(dòng)力裝置——發(fā)動(dòng)機(jī)。傳統(tǒng)的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)主要包括汽油機(jī)和柴油機(jī)。相對于汽油機(jī)來說,柴油機(jī)的顯著優(yōu)點(diǎn)就是油耗較低。在排放方面，汽油機(jī)廢氣中的一氧化碳(CO)、碳?xì)浠衔?HC)和氮氧化合物(NOx)比較容易處理，而柴油機(jī)廢氣中CO、HC的排放量很低, NOx與碳煙顆粒(PM)的排放量卻比較高，而且很難同時(shí)降低NOx與PM。因此，世界各國在采用柴油機(jī)作為汽車動(dòng)力的同時(shí)，對其排放控制提出了越來越高的要求，這也促進(jìn)了車載柴油機(jī)控制新技術(shù)的相繼問世。尤其是高壓共軌柴油機(jī)電控燃油噴射系統(tǒng)的研制成功,改變了傳統(tǒng)燃油噴射系統(tǒng)的基本組成和結(jié)構(gòu),使柴油發(fā)動(dòng)機(jī)越來越成為汽車動(dòng)力的主流，柴油機(jī)電控技術(shù)也成為當(dāng)前內(nèi)燃機(jī)節(jié)能技術(shù)的主要發(fā)展方向。

二、柴油機(jī)汽車排放法規(guī)與電控技術(shù)的發(fā)展歷程

1.柴油機(jī)汽車排放法規(guī)

從2001年開始，我國先后實(shí)施了《輕型汽車污染物排放限值及測量方法》國Ⅰ到國Ⅴ的排放標(biāo)準(zhǔn)。2016 年12月，又發(fā)布了國Ⅵ排放法規(guī)，為了給車企一定的緩沖時(shí)間，該標(biāo)準(zhǔn)設(shè)有6a和6b兩個(gè)排放限值方案，分別將于2020年和2023年實(shí)施，具體的排放限值如圖1。與現(xiàn)國Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)比較，國Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)具有下列不同：(1)測試循環(huán)從 NEDC(新標(biāo)歐洲循環(huán)測試) 循環(huán)變成 WLTC 循環(huán)(全球輕型車統(tǒng)一測試循環(huán))；(2)加嚴(yán)了測試要求；(3)采用燃料中立原則，對柴油車 NOx 和汽油車 PM 不再設(shè)置較松限值，而是采用相同限值要求，比國Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格了50%左右；(4)增加了實(shí)際道路行駛排放測試；(5)加嚴(yán)了蒸發(fā)排放控制要求；(6)增加排放質(zhì)保要求；(7)引入OBD控制要求，實(shí)時(shí)監(jiān)測車輛排放狀態(tài)。因此，嚴(yán)厲的排放標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施，有力推動(dòng)了車載柴油機(jī)電控技術(shù)的快速發(fā)展。

圖1 輕型柴油車第六階段污染物排放限值

2.電控柴油機(jī)汽車燃油噴射系統(tǒng)的發(fā)展

電控柴油機(jī)汽車燃油噴射系統(tǒng)已經(jīng)經(jīng)歷了三代變化。第一代為位置控制式的電控燃油噴射系統(tǒng),此系統(tǒng)中將機(jī)械式調(diào)速器和提前器換成電子控制的機(jī)構(gòu),燃油的壓送機(jī)構(gòu)和機(jī)械式燃油系統(tǒng)相同。噴油量根據(jù)ECU指令由齒桿或溢油環(huán)的位置進(jìn)行控制,噴油時(shí)間由發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸和凸輪軸的相位差進(jìn)行控制。第二代為時(shí)間控制式的電控燃油噴射系統(tǒng),采用高速電磁閥式噴油器對噴油量和噴油時(shí)間進(jìn)行時(shí)間控制。燃油升壓通過噴油泵或發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪來實(shí)現(xiàn)，升壓開始時(shí)間(與噴油時(shí)間對應(yīng))和升壓終了時(shí)間(升壓開始到升壓終了的時(shí)間與噴油量對應(yīng))由電磁閥的通斷控制，控制自由度得到了很大提升。第三代為時(shí)間壓力控制式電控燃油噴射系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的特點(diǎn)是有一個(gè)各缸共用的高壓燃油容腔。這一高壓油腔稱為高壓油軌或簡稱共軌。一般共軌被安裝在汽缸蓋側(cè)方呈管狀與機(jī)身長度方向平行。在與各汽缸相對的位置,引出高壓油管連接對應(yīng)汽缸的噴油器。共軌系統(tǒng)的噴油器受電驅(qū)動(dòng)信號控制。當(dāng)存在驅(qū)動(dòng)電流時(shí),共軌系統(tǒng)噴油器的高速電磁泄壓閥會(huì)被打開,引發(fā)噴油器針閥兩端壓力差升高、針閥抬起、燃油噴入汽缸。由于這種系統(tǒng)在油軌內(nèi)壓力一定時(shí),每次供油量大體與供油時(shí)間成正比,因此也被稱作時(shí)間壓力式控制系統(tǒng)。高壓共軌系統(tǒng)具有很突出的特點(diǎn)：(1)燃油噴射壓力獨(dú)立于柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷。在柴油機(jī)低速下,仍可實(shí)現(xiàn)較高的燃油噴射壓力。這可以使柴油機(jī)低速低負(fù)荷時(shí)的性能得以改善；(2)對噴油時(shí)間和噴油量的控制非常自由；(3)對噴油規(guī)律的調(diào)節(jié)能力很強(qiáng)。噴油控制僅取決于高速電磁閥這一運(yùn)動(dòng)件,由于這個(gè)運(yùn)動(dòng)件質(zhì)量比較小,因此運(yùn)動(dòng)慣性也很小。實(shí)際控制時(shí)可以實(shí)現(xiàn)在一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)的多次噴射，有效地改進(jìn)燃燒效果；(4)能夠?qū)崿F(xiàn)很高的燃油噴射壓力，目前已達(dá)到180～200MPa；(5)適應(yīng)性較強(qiáng)，可以用于多種柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。由于共軌系統(tǒng)這些優(yōu)異的性能，實(shí)現(xiàn)對柴油機(jī)燃燒壓力的變化率較好地控制，燃燒噪聲得到了改善。與此同時(shí)對柴油機(jī)本體也進(jìn)行優(yōu)化，如新型燃燒室設(shè)計(jì)、可變截面渦輪廢氣增壓(VGT)、降低壓縮比、增大EGR冷卻效率、可變氣門正時(shí)(VVT)、進(jìn)排氣道結(jié)構(gòu)優(yōu)化等，特別是結(jié)合排放后處理系統(tǒng)選型(催化氧化轉(zhuǎn)換器DOC+顆粒過濾器DPF系統(tǒng)或DOC+DPF+選擇尿素溶液還原的SCR系統(tǒng))，拓寬了柴油機(jī)的使用領(lǐng)域。實(shí)現(xiàn)對排放更好的控制。

三、高壓共軌柴油機(jī)噴油系統(tǒng)組成與控制

1.高壓共軌柴油機(jī)噴油系統(tǒng)組成

高壓共軌柴油機(jī)電控燃油噴射系統(tǒng)主要由兩大部分組成，燃油供給系統(tǒng)和電子控制系統(tǒng)。燃油供給系統(tǒng)主要由低壓油路和高壓油路組成(圖2)。

主要零部件有高壓油泵。調(diào)壓閥、高壓蓄壓器(共軌管)、噴油器。高壓油泵中的輸油泵將燃油從低壓油路吸入，并通過油泵柱塞加壓成高壓燃油供入高壓油路共軌內(nèi)。儲存在共軌內(nèi)的高壓燃油在適當(dāng)?shù)臅r(shí)刻和適當(dāng)?shù)牧客ㄟ^噴油器噴射到發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸內(nèi)。噴油器的開啟與關(guān)閉受電子控制單元(ECU)的控制。

圖2 高壓共軌柴油機(jī)燃油供給系統(tǒng)組成

高壓共軌柴油機(jī)電子控制系統(tǒng)主要由各種傳感器、電子控制單元(ECU)和各種執(zhí)行器三大部分組成(圖3)。

圖3 高壓共軌柴油機(jī)電子控制系統(tǒng)組成

電子控制系統(tǒng)使用的傳感器，基本結(jié)構(gòu)和原理與汽油機(jī)電子控制燃油噴射系統(tǒng)的傳感器基本相同。電子控制單元(ECU)接收各種傳感器送來的信息，輸出的信號用于操作執(zhí)行器工作。也就是說，由各種傳感器采集的數(shù)據(jù)都被送入ECU，在ECU內(nèi)部與預(yù)先存儲在存儲器中的經(jīng)過大量試驗(yàn)得到的最佳噴油量、噴油時(shí)間和噴油規(guī)律的MAP圖(脈譜圖)進(jìn)行比較、計(jì)算出當(dāng)前的最佳參數(shù)，并轉(zhuǎn)換成電流信號指令發(fā)送給執(zhí)行器。執(zhí)行器包括電動(dòng)輸油泵、油壓調(diào)節(jié)閥、電子節(jié)氣門、噴油器以及廢氣再循環(huán)等部件，噴油器根據(jù)ECU指令按照最佳的噴油量、噴油正時(shí)和噴油規(guī)律噴油。

2.高壓共軌柴油機(jī)噴油系統(tǒng)控制策略

高壓共軌柴油機(jī)電控燃油噴射系統(tǒng)控制框圖如圖4所示。高壓共軌柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)控制具體內(nèi)容如下。

(1)噴油量控制

目標(biāo)噴油量的確定包括計(jì)算基本噴油量、計(jì)算最大噴油量、比較基本噴油量與最大噴油量，圖5所示為噴油量控制策略示意圖。

圖4 高壓共軌柴油機(jī)電控燃油噴射系統(tǒng)控制框圖

首先電控單元(ECU)通過油門踏板位置傳感器和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器測量獲取柴油機(jī)工況信息,在柴油機(jī)工況信息獲知的基礎(chǔ)上結(jié)合噴油量MAP,確定基本噴油量, 然后再結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)水溫等信息對基本噴油量進(jìn)行修正，圖6所示為基本噴油量、最大噴油量、噴油量修正值曲線圖，確定修正值后與當(dāng)前轉(zhuǎn)速下進(jìn)氣量(進(jìn)氣壓力)所對應(yīng)的最大噴油量相比較(最大噴油量是全負(fù)荷煙度限制的噴油量),取較小的值為最終目標(biāo)噴油量，圖7所示為加速踏板60%為恒速驅(qū)動(dòng)，加速踏板100%為加速驅(qū)動(dòng)時(shí)的目標(biāo)噴油量曲線圖。最后通過查詢與共軌壓力、噴油量相對應(yīng)的噴射脈寬MAP圖,確定噴射脈寬輸出至噴油器,完成噴油控制。

圖5 噴油量控制策略原理圖

圖6 基本噴油量、最大噴油量、噴油量修正值曲線圖

圖7 目標(biāo)噴油量曲線圖

(2)噴油壓力控制

在高壓共軌柴油機(jī)噴油系統(tǒng)中，燃油壓力的產(chǎn)生與噴射是分開的，并且燃油壓力的產(chǎn)生與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和噴油量無關(guān)。因此必須針對其共軌壓力建立和釋放的過程,建立獨(dú)立的調(diào)節(jié)機(jī)制,才能使共軌壓力穩(wěn)定在需要的范圍內(nèi),為柴油機(jī)工作提供保障。根據(jù)系統(tǒng)不同，燃油壓力的調(diào)節(jié)采用不同的方式，圖8所示為共軌系統(tǒng)高壓調(diào)節(jié)方式。

圖8 共軌系統(tǒng)高壓調(diào)節(jié)方式

①高壓側(cè)燃油壓力調(diào)節(jié)

在轎車用共軌噴油系統(tǒng)中，所期望的共軌壓力由壓力調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)，如圖8a所示。不需要噴射的燃油則通過壓力調(diào)節(jié)閥返回到低壓回路。這種調(diào)節(jié)方式能夠使共軌壓力迅速地適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況變化時(shí)(例如負(fù)荷變化時(shí))的油量需求。壓力調(diào)節(jié)閥大多安裝在共軌上，在個(gè)別應(yīng)用場合也有安裝在高壓燃油泵上的。

②進(jìn)油油量調(diào)節(jié)

調(diào)節(jié)共軌壓力的另一種方式是進(jìn)油油量調(diào)節(jié)如圖8b所示。進(jìn)油計(jì)量單元通過法蘭連接在高壓燃油泵上。使高壓燃油泵能夠?qū)⒕_的燃油量輸送到共軌中去，由此就能維持系統(tǒng)所必須的噴射壓力。限壓閥能在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)防止共軌壓力出現(xiàn)不容許的異常升高。采用進(jìn)油油量調(diào)節(jié)的方式可減少被壓縮到高壓側(cè)的燃油量，因而減小了高壓油泵的驅(qū)動(dòng)功率，對發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗產(chǎn)生有利效果。此外，與調(diào)節(jié)高壓側(cè)燃油壓力的方式相比，可降低返回的燃油箱的燃油溫度，但在發(fā)動(dòng)機(jī)冷態(tài)時(shí)則不利于燃油的加熱。

③雙調(diào)節(jié)系統(tǒng)

雙調(diào)節(jié)系統(tǒng)如圖8c所示是將采用進(jìn)油計(jì)量單元調(diào)節(jié)進(jìn)油側(cè)壓力的方法與采用壓力調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)高壓側(cè)壓力的方法組合起來，它綜合了兩種調(diào)節(jié)方式的優(yōu)點(diǎn)。與單一的進(jìn)油側(cè)調(diào)節(jié)比較，克服了在發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷快速變化時(shí)，共軌中的燃油壓力降低延續(xù)時(shí)間太長，燃油壓力適應(yīng)負(fù)荷狀況變化動(dòng)態(tài)響應(yīng)過于遲鈍，特別是壓電直接控制噴油器的情況下，因燃油僅有少量的內(nèi)部泄漏，更可能出現(xiàn)的這種情況。所以，好些共軌噴油系統(tǒng)除了高壓油泵帶有進(jìn)油計(jì)量單元之外，另外還附加有一個(gè)壓力調(diào)節(jié)閥。采用這種雙調(diào)節(jié)系統(tǒng)能將低壓側(cè)調(diào)節(jié)優(yōu)點(diǎn)與高壓側(cè)調(diào)節(jié)有利的動(dòng)態(tài)性能結(jié)合起來。

噴油壓力是通過安裝在高壓共軌上的共軌壓力傳感器進(jìn)行測量，然后把測量信息發(fā)送給電控單元ECU，ECU根據(jù)基本噴油量和最大噴油量以及發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷、溫度等信息進(jìn)行修正，計(jì)算出目標(biāo)燃油噴射需要的壓力，控制燃油壓力調(diào)節(jié)閥。

(3)噴油正時(shí)控制

如圖8c所示，柴油機(jī)的燃燒很大程度上是由柴油機(jī)的噴油正時(shí)所決定,不僅如此,噴油正時(shí)還影響著柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、排放性以及運(yùn)行的柔和度。噴油過程中,噴油提前角不能過大,也不能過小。過大的話,將引起柴油機(jī)工作粗暴,著火延遲期將會(huì)變長,由于噴入缸內(nèi)的燃料過多,會(huì)增加柴油機(jī)的壓縮負(fù)功,導(dǎo)致功率下降,燃油消耗率也會(huì)增加。噴油提前角過小的話,會(huì)引起后燃現(xiàn)象,排氣溫度會(huì)增加,燃油消耗率增加,對渦輪增壓也會(huì)產(chǎn)生負(fù)面的影響。所以,噴油提前角需要針對柴油機(jī)的不同負(fù)荷,精確控制噴油正時(shí)。

控制好噴油正時(shí)是共軌噴射控制技術(shù)的關(guān)鍵之一,基本的控制原理就是利用基本值加上補(bǔ)償值,其中基本值就是通過柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速與噴油量MAP查詢確定的, 補(bǔ)償值主要包括冷卻水溫補(bǔ)償、進(jìn)氣溫度補(bǔ)償、進(jìn)氣壓力補(bǔ)償?shù)?，圖9所示為噴油正時(shí)控制策略原理圖。

圖9 噴油正時(shí)控制策略原理圖

由于較低的溫度會(huì)影響燃燒的延遲,因此引入進(jìn)氣溫度補(bǔ)償,結(jié)合標(biāo)定的MAP獲得補(bǔ)償量。在柴油機(jī)運(yùn)行時(shí),行駛道路的海拔高度不一樣,會(huì)使進(jìn)氣壓力發(fā)生變化,導(dǎo)致柴油機(jī)某些硬件損壞,使用進(jìn)氣壓力補(bǔ)償會(huì)使由于海拔高度造成的影響降到最低。噴油正時(shí)的控制實(shí)際上就是對噴油起始點(diǎn)的確定,準(zhǔn)確控制噴油起始點(diǎn),就是實(shí)現(xiàn)了精確的噴油正時(shí)控制。噴油起始點(diǎn)即是對噴油驅(qū)動(dòng)信號上升沿的確定,由噴油時(shí)間再確定噴油驅(qū)動(dòng)信號下降沿。其中噴油驅(qū)動(dòng)信號的觸發(fā)沿可以通過發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號和上止點(diǎn)信號確定。

(4)噴油規(guī)律控制

由于高壓燃油泵產(chǎn)生共軌壓力與燃油噴射無關(guān)，噴油壓力在噴射過程中基本恒定不變(圖10)。在給定壓力下，噴油量與噴油器電磁閥通電時(shí)間成正比，而與發(fā)動(dòng)機(jī)或噴油泵的轉(zhuǎn)速無關(guān)(時(shí)間控制式噴射)，這樣就能得到近似矩形的噴油規(guī)律。因其噴油持期間短，并且高的噴束速度基本保持不變，因此提高了全負(fù)荷時(shí)的空氣利用率，獲得較高的升功率。但是這對降低燃燒噪聲是不利的，由于噴油開始時(shí)噴油速率高，在著火滯后期內(nèi)噴入燃燒室的燃油量較多，這將會(huì)導(dǎo)致預(yù)混合燃燒期間較高的壓力升高。采用多達(dá)兩次的預(yù)噴射，可以調(diào)整燃燒室內(nèi)的溫度，從而縮短著火滯后期，達(dá)到最小的燃燒噪聲值。同時(shí)實(shí)施多次噴射控制，為發(fā)動(dòng)機(jī)各種不同的運(yùn)行工況點(diǎn)自由確定噴油始點(diǎn)、噴油持續(xù)時(shí)間和噴油壓力，從而優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩,減小排放和燃油消耗率。

現(xiàn)代的壓電共軌噴油系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)更多次的預(yù)噴射和后噴射，最多能夠在一個(gè)工作循環(huán)期間噴射5次。

(5)噴射功能

根據(jù)車載柴油機(jī)用途，需要下列功能(圖11)。

圖10 共軌燃油噴射系統(tǒng)噴油規(guī)律

圖11 多次噴射功能

①預(yù)噴射1：用于降低燃燒噪聲和NOx排放，特別是在直噴式柴油機(jī)上；②主噴射2期間的壓力曲線：用于無EGR運(yùn)行時(shí)降低NOx排放；③主噴射期間的靴形壓力曲線4：用于無EGR運(yùn)行時(shí)降低碳煙顆粒排放；④主噴期間恒定不變的高壓2-7用于有EGR運(yùn)行時(shí)降低碳煙顆粒排放；⑤早后噴射8：用于降低碳煙顆粒排放；⑥晚后噴射。