采用閉環(huán)調(diào)節(jié)回路的柴油機(jī)噴射系統(tǒng)

【德】 T.WINTRICH S.ROTHE K.BUCHER H-J.HITZ

1 可靠的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著在實(shí)際行駛條件下對(duì)廢氣排放測(cè)量的實(shí)施,對(duì)滿(mǎn)足法規(guī)規(guī)定的汽車(chē)排放限值的要求也得以相應(yīng)提升。為此,針對(duì)動(dòng)力總成系統(tǒng)開(kāi)展的整體評(píng)估具有重大意義,以便能同時(shí)考慮到對(duì)功率、燃油耗、噪聲特性和廢氣排放的要求。

未來(lái)優(yōu)化方案的重點(diǎn)是進(jìn)一步降低氮氧化物(NOx)排放,以便可在整個(gè)使用壽命期內(nèi)的所有環(huán)境影響下,在實(shí)際行駛過(guò)程中滿(mǎn)足當(dāng)今和未來(lái)的廢氣排放限值[1],同時(shí)還需繼續(xù)保持柴油機(jī)動(dòng)力裝置CO2排放較低的優(yōu)勢(shì)。除了空氣系統(tǒng)和廢氣后處理系統(tǒng)之外,噴油系統(tǒng)通過(guò)在噴油策略方面較大的自由度與較高的計(jì)量精度相結(jié)合,從而能對(duì)柴油機(jī)燃燒過(guò)程的總體優(yōu)化作出重大貢獻(xiàn),其中在技術(shù)上具有較高精確度的零部件與復(fù)雜使用功能之間的相互配合起到了決定性的作用。已采取的和目前在開(kāi)發(fā)中現(xiàn)有的涉及到噴油系統(tǒng)零部件的措施都是針對(duì)改善CO2平衡和計(jì)量精度而設(shè)計(jì)的[2],因此已具備較為可靠的基礎(chǔ),但對(duì)于高功率目標(biāo)和復(fù)雜的燃燒/噴油策略以及設(shè)計(jì)敏感性較高的應(yīng)用場(chǎng)合而言,集成閉環(huán)調(diào)節(jié)回路是非常重要的附加措施,可以可靠地滿(mǎn)足整個(gè)使用周期內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)系統(tǒng)的更高要求,以此大幅推動(dòng)了集成閉環(huán)調(diào)節(jié)回路方案的應(yīng)用。

2 針閥閉環(huán)控制方案

在對(duì)采用電磁閥式噴油器的柴油機(jī)共軌噴油系統(tǒng)(CRS)的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)過(guò)程中,再應(yīng)用這種被命名為“針閥閉環(huán)控制(NCC)”的技術(shù)能夠通過(guò)噴油持續(xù)期的閉環(huán)(CL)調(diào)節(jié)顯著地改善噴油精度,特別是對(duì)于在實(shí)際行駛過(guò)程中要求較高的噴油模式而言(圖1)。

圖1 NCC系統(tǒng)方案

3 傳感器

CL調(diào)節(jié)回路的核心是集成在電磁閥式噴油器中的壓電傳感器,其可用于采集噴油過(guò)程中具有代表性的特征,并被稱(chēng)為針閥關(guān)閉傳感器(NCS)。從CRI 2-2x一代起電磁閥式噴油器的壓力補(bǔ)償開(kāi)關(guān)閥就被設(shè)計(jì)成通過(guò)中心銜鐵銷(xiāo)即可靈敏地對(duì)噴油器特征變化作出反應(yīng),這種集成的傳感器直接通過(guò)該銜鐵銷(xiāo)就能在相對(duì)較低的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性情況下可靠地識(shí)別該特征。

傳感器的信號(hào)與中心銜鐵銷(xiāo)下方閥室中的壓力變化成比例。根據(jù)圖2中所示的閥室壓力曲線(xiàn),應(yīng)用電控單元中為此提供的最佳算法即可探測(cè)到下列特征：(1)電磁閥開(kāi)啟,即噴油始點(diǎn);(2)閥針換向回程點(diǎn);(3)針閥關(guān)閉(噴油持續(xù)時(shí)間)。

圖2 第二代共軌噴油器中采用NCC進(jìn)行探測(cè)

4 系統(tǒng)描述

在無(wú)CL調(diào)節(jié)回路的常規(guī)共軌噴油系統(tǒng)中,用于噴油量計(jì)量的基準(zhǔn)噴油器總成電磁閥控制時(shí)間與共軌壓力的關(guān)系儲(chǔ)存在控制持續(xù)時(shí)間特性曲線(xiàn)場(chǎng)中。但是即使電磁控制時(shí)間相同,不可避免會(huì)存在噴油器誤差,在整個(gè)使用周期內(nèi)以及冷起動(dòng)或高負(fù)荷行駛時(shí)的溫度變化,都會(huì)導(dǎo)致各個(gè)噴油器的噴油持續(xù)時(shí)間存在一定差異,從而導(dǎo)致其相對(duì)于基準(zhǔn)噴油器總成會(huì)產(chǎn)生一定的噴油量偏差。因?yàn)樵趪娮扉y針升程可控的伺服噴油器中液壓噴油持續(xù)時(shí)間與噴油量之間存在著較好的相互作用關(guān)系(圖3),因而在NCC系統(tǒng)中電磁控制持續(xù)時(shí)間被轉(zhuǎn)換成液壓噴油持續(xù)時(shí)間,其被布設(shè)在基準(zhǔn)噴油器總成的一個(gè)附加特性曲線(xiàn)場(chǎng)中。

5 預(yù)調(diào)節(jié)

噴油器中的壓力波和氣缸背壓等參數(shù)對(duì)噴嘴針閥動(dòng)力學(xué)和噴油速率大小具有決定性的影響,在軟件預(yù)調(diào)節(jié)模塊中通過(guò)物理模型來(lái)描述(圖4)。預(yù)調(diào)節(jié)的主要功能是通過(guò)針閥控制方面的干預(yù),與噴油器樣本無(wú)關(guān)地修正噴油始點(diǎn)和噴油持續(xù)期,以補(bǔ)償已知因素對(duì)噴油時(shí)間點(diǎn)和噴油量的影響。

圖3 噴油持續(xù)時(shí)間與噴油量之間相互關(guān)系示意圖

圖4 NCC調(diào)節(jié)和自適應(yīng)結(jié)構(gòu)

與常規(guī)噴油系統(tǒng)僅可對(duì)最終控制結(jié)果進(jìn)行干預(yù)相比,通過(guò)采用NCC軟件結(jié)構(gòu)新添加對(duì)噴油始點(diǎn)的修正,經(jīng)過(guò)預(yù)調(diào)節(jié)途徑即已獲得了良好的噴油量精度,這種效果尤其會(huì)在多次噴射情況下得以顯現(xiàn),因?yàn)榇藭r(shí)基于時(shí)間的正確修正干預(yù)不會(huì)改變對(duì)壓力波修正品質(zhì)具有重要意義的實(shí)際噴油間距。

6 自適應(yīng)

由NCC傳感器識(shí)別例如由新出現(xiàn)的誤差部分或漂移變化所引起的針閥開(kāi)啟時(shí)間點(diǎn)、閥針換向回程時(shí)間點(diǎn)和噴油持續(xù)期等噴油器樣本所特有的偏差,并且在所屬的軟件模塊(其中噴油器特性通過(guò)物理模型進(jìn)行描述)中于合適的條件下進(jìn)行學(xué)習(xí),而相對(duì)于存放在軟件中的額定值的偏差則通過(guò)對(duì)針閥控制的干預(yù)來(lái)修正。

7 噴油持續(xù)期快速調(diào)節(jié)器

為了補(bǔ)償在極端環(huán)境條件下或高動(dòng)態(tài)時(shí)剩余的誤差,NCC系統(tǒng)提供了一定的技術(shù)可能性,即動(dòng)態(tài)測(cè)量噴油器樣本和噴射類(lèi)型(預(yù)噴射、主噴射或后噴射)所特有的已實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的噴油持續(xù)期,并快速地調(diào)節(jié)到噴油持續(xù)期特性曲線(xiàn)場(chǎng)中的額定值。

采用了對(duì)上述三方面都有一定效果的修正方案,NCC系統(tǒng)就能在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)使用周期內(nèi),在實(shí)際行駛運(yùn)行中使所有噴油器樣本的噴油始點(diǎn)和噴油持續(xù)期都保持在經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定的基準(zhǔn)噴油器總成的水平上。即使應(yīng)用了傳感器技術(shù)和CL調(diào)節(jié)回路,但是仍未放棄成本高昂的預(yù)調(diào)節(jié)技術(shù),以便能盡量少地對(duì)良好動(dòng)態(tài)特性的調(diào)節(jié)產(chǎn)生干預(yù),以及即使在發(fā)生故障的情況下仍能確保對(duì)噴油量的計(jì)量。

8 積炭補(bǔ)償

由噴孔積炭所引起的噴油器樣本的噴嘴流量偏差,即使在噴油持續(xù)期相同的情況下也會(huì)導(dǎo)致噴油量偏差。設(shè)置在NCC軟件中的噴油器模型能通過(guò)識(shí)別噴嘴針閥動(dòng)力學(xué)的變化差異來(lái)區(qū)分流量偏差和重要的漂移變化(圖5),為此將噴油器樣本特有的針閥動(dòng)力學(xué)系數(shù)k作為重要的變量,其代表噴嘴針閥關(guān)閉時(shí)間與開(kāi)啟時(shí)間之比,該變量基本取決于噴油器高壓液力系統(tǒng)的性能。因?yàn)樵撟兞客ǔ２皇芷频挠绊?因而該系數(shù)的變化主要是經(jīng)歷運(yùn)行時(shí)間后由流量的變化所引起的,因此該系數(shù)波動(dòng)代表了經(jīng)歷運(yùn)行時(shí)間后的噴孔積炭程度。

這種變化能夠通過(guò)探測(cè)在自適應(yīng)的針閥開(kāi)啟時(shí)間點(diǎn)和與其相似的噴油始點(diǎn)以及自適應(yīng)的噴嘴針閥換向回程時(shí)間點(diǎn)情況下實(shí)現(xiàn)噴油終了與標(biāo)稱(chēng)值的偏差采集。NCC系統(tǒng)針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行而配備了多種補(bǔ)償選擇方案,以便根據(jù)已知的邊界條件(例如氣缸峰值壓力或廢氣溫度)對(duì)已識(shí)別到的積炭明確地作出反應(yīng),除了提高共軌壓力之外,還能夠延長(zhǎng)噴油持續(xù)期以及調(diào)整噴油始點(diǎn)(例如向更早的時(shí)刻點(diǎn)方向移動(dòng))。

圖5 NCC積炭補(bǔ)償示意圖

9 閉環(huán)調(diào)節(jié)回路的優(yōu)點(diǎn)

NCC系統(tǒng)確保了在汽車(chē)整個(gè)使用周期內(nèi)實(shí)際行駛運(yùn)行中穩(wěn)定的噴油量和噴油時(shí)間點(diǎn),還能可靠地獲得復(fù)雜的噴油模式,例如被稱(chēng)為數(shù)字噴油速率造型Ⅱ(DRSⅡ)的噴油速率曲線(xiàn)形狀,此外還能識(shí)別噴嘴噴孔積炭,并能予以補(bǔ)償,因而能使用較小的噴嘴噴孔。最小噴油量的自適應(yīng)和快速調(diào)節(jié)與是否處于驅(qū)動(dòng)行駛或倒拖行駛狀態(tài)無(wú)關(guān)。由于傳感器始終在監(jiān)測(cè)噴油過(guò)程,因此NCC系統(tǒng)將成為未來(lái)汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)診斷方案中的一個(gè)最佳功能模塊。

10 故障情況

NCC系統(tǒng)具有始終可靠的特性,甚至在傳感器發(fā)生故障的情況下,通過(guò)預(yù)調(diào)節(jié)途徑和發(fā)生故障時(shí)出現(xiàn)凍結(jié)的自適應(yīng)值即可供系統(tǒng)使用,而這種性能通常高于未經(jīng)調(diào)整的系統(tǒng)性能。

11 發(fā)動(dòng)機(jī)和汽車(chē)試驗(yàn)結(jié)果

實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)和針對(duì)汽車(chē)試驗(yàn)的首次測(cè)量結(jié)果表明了上述方案的使用效果。圖6是基于發(fā)動(dòng)機(jī)低溫試驗(yàn)而測(cè)得的廢氣排放結(jié)果，試驗(yàn)時(shí)以調(diào)節(jié)到恒定扭矩的負(fù)荷平臺(tái)為目標(biāo)運(yùn)行，從-5℃的冷起動(dòng)開(kāi)始，發(fā)動(dòng)機(jī)溫度連續(xù)升高直至達(dá)到95℃的運(yùn)行狀態(tài)。根據(jù)曲線(xiàn)的變化，就能看出冷態(tài)性能的差異，從而得出對(duì)第二組噴油器NOx排放的影響，其中第一組噴油器示出了低溫時(shí)的標(biāo)稱(chēng)特性，而第二組噴油器則趨向于低溫時(shí)減少?lài)娪土?，通過(guò)NCC調(diào)節(jié)成功地調(diào)整了低溫特性方面的差異，并使NOx排放值的差距減小了約30%。

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)低溫室的排放試驗(yàn)結(jié)果和調(diào)節(jié)干預(yù)的汽車(chē)試驗(yàn)結(jié)果

配備N(xiāo)CC技術(shù)的示范車(chē)輛的首次試驗(yàn)結(jié)果，表明了調(diào)節(jié)干預(yù)特性變量的間接使用效果(圖6(f))［3］。如果示范車(chē)輛僅按照預(yù)先規(guī)定的變化較大的動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)輪廓(圖6中灰色曲線(xiàn))行駛，以此會(huì)引起共軌壓力和噴油量的階躍式突變。圖6中藍(lán)色曲線(xiàn)是具備N(xiāo)CC功能的噴油器所實(shí)現(xiàn)的特定調(diào)節(jié)干預(yù)，是噴射過(guò)程所要求的額定噴油量。從圖6中可以看到從5℃冷起動(dòng)后直至達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行溫度為75℃的整個(gè)行駛期間的調(diào)節(jié)干預(yù)逐漸減小，達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行溫度后調(diào)節(jié)需求仍相對(duì)較高，這歸因于動(dòng)態(tài)行駛方式和由此在噴油器內(nèi)部引起的基于溫度而變化的物理效應(yīng)。通過(guò)不斷地優(yōu)化，此處所示出的試驗(yàn)結(jié)果未來(lái)還將由來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)和實(shí)際行駛試驗(yàn)，尤其是在實(shí)際行駛排放(RDE)試驗(yàn)條件下得到的進(jìn)一步排放結(jié)果予以驗(yàn)證補(bǔ)充。

12 結(jié)語(yǔ)

博世公司針對(duì)NCC閉環(huán)調(diào)節(jié)已開(kāi)發(fā)出了一種方案，其通過(guò)噴油量和噴油始點(diǎn)的高精度能在整個(gè)使用周期內(nèi)可靠地滿(mǎn)足未來(lái)的廢氣排放限值要求，與高度精確的零部件一起為整個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)化提供了廣闊的標(biāo)定自由度。