車載高壓共軌柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)控制策略分析(下)

◆文/江蘇 高惠民

(接上期)

(6)預(yù)噴射

通過在壓縮行程期間少量燃油(約1mg)的燃燒提高主噴射開始時(shí)刻汽缸內(nèi)的壓力和溫度，能夠縮短主噴射的著火滯后期，這能降低燃燒產(chǎn)生的噪聲。但是，因?yàn)闇p少了預(yù)混合燃燒的燃油份額，同時(shí)增加了擴(kuò)散燃燒的燃油量，以及提高了汽缸中的溫度，會(huì)使炭煙顆粒和NOx排放有所增加。另一方面，冷啟動(dòng)和低負(fù)荷范圍內(nèi)，較高的燃燒室溫度對穩(wěn)定燃燒，降低HC和CO排放是有利的。通過預(yù)噴射與主噴射之間間隔時(shí)間和預(yù)噴射油量的匹配，有利于根據(jù)運(yùn)行工況點(diǎn)調(diào)整燃燒噪聲與NOx排放之間較好的折中。

(7)早后噴射

在共軌噴油系統(tǒng)中，后噴射能夠直接緊跟在主噴射后面實(shí)現(xiàn)連續(xù)的燃燒，使炭煙顆粒以這種方式后續(xù)燃燒，從而能使碳煙顆粒排放減少20%～70%。

(8)晚后噴射

晚后噴射的燃油并不參與燃燒，而是靠廢氣中的余熱汽化。這種后噴射位于主噴射之后的做功行程，或直至上止點(diǎn)后(OT后)200°KW(KW曲軸縮略語)的排氣行程，將精確計(jì)量的燃油噴入廢氣中，這種廢氣—燃油混合氣在排氣期間通過排氣門被輸往廢氣后處理裝置中。

晚后噴射主要為碳?xì)浠衔镌诖呋D(zhuǎn)換器中的氧化反應(yīng)提高廢氣溫度。這種措施用于連接廢氣后處理系統(tǒng)(顆粒捕集器或存儲(chǔ)式NOx催化轉(zhuǎn)換器)的再生。

因?yàn)檫@種晚后噴射會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油被柴油稀釋，因此它們必須由發(fā)動(dòng)機(jī)制造商來進(jìn)行程序調(diào)整。

四、高壓共軌柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴射系統(tǒng)的過量空氣系數(shù)λ調(diào)節(jié)

以上所述的高壓共軌柴油發(fā)動(dòng)機(jī)噴油量控制，除了怠速轉(zhuǎn)速有轉(zhuǎn)速反饋，使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在目標(biāo)怠速上的閉環(huán)調(diào)節(jié)外，其余工況都是根據(jù)傳感器輸入信號(hào)，查MAP圖得到噴油器可執(zhí)行的噴油脈寬。這種噴油量的確定和調(diào)節(jié)只是屬于開環(huán)控制。但是隨著車載柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放法規(guī)的限值越來越嚴(yán)厲，特別是轎車用的高壓共軌柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，除了優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒之外，對廢氣排放具有重要意義的反饋控制功能變得越來越重要，其中實(shí)施過量空氣系數(shù)λ調(diào)節(jié)為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)減小排放提供了有效措施。

圖12 轎車柴油發(fā)動(dòng)機(jī)λ調(diào)節(jié)系統(tǒng)圖

應(yīng)用λ調(diào)節(jié)的噴油閉環(huán)控制，是采用安裝在排氣管道中的寬帶式氧傳感器(圖12)，測量廢氣中的氧濃度，此氧濃度與進(jìn)氣系統(tǒng)中新鮮空氣氧濃度(約21%)比較得到一個(gè)偏差值，用這個(gè)偏差值使發(fā)動(dòng)機(jī)學(xué)習(xí)到在每個(gè)工況點(diǎn)的空燃比(過量空氣系數(shù)λ)修正值，并且應(yīng)用到噴油量平均值的調(diào)節(jié)過程中，控制發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒達(dá)到目標(biāo)空燃比，這就是利用氧傳感器的信號(hào)調(diào)節(jié)噴油量平均值的自適應(yīng)功能。

1.基于λ調(diào)節(jié)的廢氣再循環(huán)

從柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒分析，是屬于過量空氣下的高速、高溫、高壓燃燒。而且混合氣λ值要比汽油機(jī)大，增壓柴油發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷時(shí)的λ=1.15～2.0，怠速和空負(fù)荷運(yùn)行時(shí)提高到10。因此，混合氣燃燒時(shí)過量空氣中的氮在高溫下氧化生成NOx，成為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的主要排放物之一。通過廢氣再循環(huán)(EGR)系統(tǒng)將廢氣回引到進(jìn)氣管中與新鮮進(jìn)氣混合后充入汽缸, 可以降低進(jìn)氣中的氧濃度, 并且由于混合氣的比熱容增大使缸內(nèi)燃燒的峰值溫度降低, 從而可以有效抑制NOx生成。

噴油量平均值自適應(yīng)功能為對廢氣調(diào)節(jié)回路中的EGR率形成提供一個(gè)精確的噴油量信號(hào)。而且EGR的修正對廢氣排放具有重大影響。噴油量平均值自適應(yīng)功能在低速部分負(fù)荷范圍內(nèi)工作，它查明對所有汽缸平均的噴油量偏差。圖13示出了噴油量平均值自適應(yīng)功能的基本原理。

圖13 噴油量平均值自適應(yīng)功能的基本流程原理圖

用氧傳感器和空氣流量計(jì)信號(hào)計(jì)算實(shí)際噴油質(zhì)量，并與噴油量額定值進(jìn)行比較，兩者的差值被存儲(chǔ)在自適應(yīng)特性曲線場中規(guī)定的“學(xué)習(xí)點(diǎn)”上，從而確保發(fā)動(dòng)機(jī)即使在動(dòng)態(tài)運(yùn)行工況變化的情況下也能確定運(yùn)行工況點(diǎn)特有的噴油修正量。這些修正量被存儲(chǔ)在ECU的EEPROM中，在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)立即就可提供使用。

2.全負(fù)荷煙度限制

圖14示出了采用氧傳感器限制全負(fù)荷煙度功能的調(diào)節(jié)流程原理圖。該功能的目標(biāo)是控制不超過所規(guī)定碳煙顆粒排放值的最大噴油量。

圖14 λ調(diào)節(jié)限制全負(fù)荷煙度的基本流程原理圖

用空氣流量計(jì)和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器的信號(hào)計(jì)算出整個(gè)煙度極限值特性曲線場中的λ額定值(λsoll)。再用該值與實(shí)時(shí)進(jìn)氣流量一起計(jì)算出最大噴油量的預(yù)調(diào)值。λ調(diào)節(jié)作用就是由λ額定值(λsoll)與λ實(shí)際值(λist)的差值計(jì)算出一個(gè)修正噴油量，預(yù)調(diào)噴油量與修正噴油量之和就是精確的全負(fù)荷最大噴油量。這種通過預(yù)調(diào)節(jié)再疊加λ調(diào)節(jié)，可以改善調(diào)節(jié)精度，達(dá)到良好的動(dòng)態(tài)性能。

3.非正常燃燒的識(shí)別

借助氧傳感器信號(hào)能在汽車行駛中識(shí)別非正常燃燒，即當(dāng)氧傳感器的信號(hào)低于規(guī)定的計(jì)算閾值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)ECU判斷為非正常燃燒，這時(shí)通過關(guān)閉節(jié)氣門和EGR閥而停機(jī)。這種非正常燃燒的識(shí)別是發(fā)動(dòng)機(jī)的一種附加安全保護(hù)功能。

4.λ調(diào)節(jié)的影響

應(yīng)用這種基于λ調(diào)節(jié)的廢氣再循環(huán)，能大大降低因制造誤差或部件老化而使功能變化造成汽車廢氣排放的離散度，為此應(yīng)用噴油量平均值的自適應(yīng)功能。

此外，使用λ閉環(huán)調(diào)節(jié)能精確控制全負(fù)荷的碳煙顆粒排放，并能檢測到發(fā)動(dòng)機(jī)非正常燃燒。除此之外，氧傳感器高精度的信號(hào)，使得λ調(diào)節(jié)應(yīng)用在NOx催化轉(zhuǎn)化器再生過程中。

五、故障案例

1.故障現(xiàn)象

一輛2007款豐田考斯特輕型客車，車型XZB53L，裝備N04C共軌帶渦輪增壓柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，客戶報(bào)修車輛最高車速只能達(dá)到110km/h，而其公司同型車輛能達(dá)到120km/h以上。經(jīng)銷店對車輛進(jìn)行檢查，并未發(fā)現(xiàn)明顯異常，推測為供油泵故障，更換供油泵總成后，但故障未排除，故請求筆者技術(shù)支援。

2.故障診斷

筆者接車后，試車確認(rèn)故障。該車在高速公路上以5擋行駛中，將油門踏板踩到底，最高車速只能達(dá)到110km/h(車速表顯示的車速)。而該車在110km以下行駛無加速不良以及行駛異響等異?，F(xiàn)象，排氣管不冒黑煙。用故障診斷儀檢測，無故障代碼儲(chǔ)存。將故障車電控燃油噴射系統(tǒng)數(shù)據(jù)流(圖15)與正常車電控燃油噴射系統(tǒng)數(shù)據(jù)流(圖16)對比進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)兩點(diǎn)異常。

圖15 故障車電控燃油噴射動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)流

圖16 正常車電控燃油噴射動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)流

(1)將油門踩到底以5擋行駛時(shí)，故障車車速最高只能達(dá)到108km/h，發(fā)動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速3 142r/min。正常車車速最高可以達(dá)到120km/h，發(fā)動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速可達(dá)到3 400r/min。

(2)將油門踩到底以5擋行駛時(shí)，故障車進(jìn)氣壓力(MAP)先上升到200kPa，約36秒后降到142kPa。而正常車進(jìn)氣壓力(MAP)也是先上升到200 kPa，隨后降到182kPa便保持住了。

根據(jù)檢查的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)流分析，推測故障車在高速運(yùn)行時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力無法維持，判斷可能有以下原因，并進(jìn)行了相關(guān)檢查：

①參照維修手冊檢查渦輪增壓壓力，停車狀態(tài)下，油門踩到底，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速3 600r/min時(shí)，渦輪增壓力瞬間上升到70kPa，隨后立即下降，正常。

②使用SST檢查渦輪增壓旁通閥作動(dòng)狀態(tài)，在施加114kPa時(shí)，旁通閥推桿移動(dòng)，正常。

③檢查空氣濾清芯是否堵塞或吸癟，未發(fā)現(xiàn)異常。

④檢查渦輪增壓器到進(jìn)氣歧管之間的進(jìn)氣管(高壓側(cè)管路)無漏氣。

⑤檢查空氣濾清器到渦輪增壓器之間的進(jìn)氣管(低壓側(cè)管路)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到3 100r/min以上時(shí)，低壓側(cè)進(jìn)氣管的前端部(橡膠部)發(fā)生凹陷(圖17)。3 100r/min以下沒有問題。

⑥拔掉進(jìn)氣管路試，該車能輕松加速到120km/h以上。

通過以上檢查可以判斷，該車由于低壓側(cè)進(jìn)氣管的前端橡膠材料不良，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)高負(fù)荷狀態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)被吸癟，阻礙了吸入空氣的流量，從而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)加速不良。

圖17 進(jìn)氣管被吸癟的狀態(tài)

3.故障排除

更換進(jìn)氣管(圖18)后試車，該車加速一切正常，故障排除。

圖18 故障車進(jìn)氣管

六、結(jié)論

高壓共軌電控柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷調(diào)節(jié)采用“質(zhì)”調(diào)節(jié)，基本噴油量是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和油門踏板位置開度信號(hào)的函數(shù)，而為限制全負(fù)荷碳煙顆粒排放超標(biāo)，發(fā)動(dòng)機(jī)的最大噴油量是依靠發(fā)動(dòng)機(jī)吸入的空氣質(zhì)量或進(jìn)氣壓力等信號(hào)進(jìn)行校正。

在高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)中，除了燃油噴射系統(tǒng)之外，影響汽缸充量(即進(jìn)氣門關(guān)閉后汽缸中的混合氣，它由吸入的新鮮空氣和上個(gè)循環(huán)燃燒的殘余廢氣組成)的進(jìn)氣系統(tǒng)同樣也具有特別重要意義。它的作用起到凈化吸入的空氣，保障汽缸充量的運(yùn)動(dòng)、密度和成分，是決定發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和功率以及廢氣成分的重要參數(shù)。上述的豐田考斯特輕型客車最高車速受到限制的故障就是一個(gè)進(jìn)氣管道受到阻礙，造成進(jìn)氣壓力下降而達(dá)不到目標(biāo)噴油量的影響。

（全文完）