柴油機電控系統(tǒng)軟硬件特征與控制邏輯優(yōu)化

王寶臣

(黑龍江省農(nóng)業(yè)機械工程科學(xué)研究院,哈爾濱 150081)

0 引言

柴油機作為重要動力機械,在汽車、農(nóng)業(yè)機械、工程機械等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,其具有熱效率高、燃油經(jīng)濟(jì)性好、技術(shù)成熟等優(yōu)勢。隨著低碳環(huán)保理念在全世界普及,我國對于柴油機的技術(shù)研究和升級做了大量工作,柴油機排放特性和能源利用率既受到噴油量、噴油提前角、噴油壓力等機械性能的影響,還受到電子控制邏輯、電控硬件先進(jìn)性的影響。尤其從近年來看,柴油機技術(shù)的現(xiàn)代化升級已成必然,在成熟的機械技術(shù)基礎(chǔ)上,全面利用電控技術(shù)升級性能,成為柴油機產(chǎn)品提高市場競爭力的重要保障,更是解決發(fā)動機排放問題和實現(xiàn)能源節(jié)約的有效途徑。

1 柴油機電控系統(tǒng)應(yīng)用情況

隨著美國、歐盟、日本等國家持續(xù)升級排放法規(guī),我國也對柴油機實行了全新的國Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn),對于碳?xì)浠衔?、氮氧化物及懸浮顆粒的排放量限制更為嚴(yán)格,這要求柴油機技術(shù)進(jìn)一步突破傳統(tǒng)模式制約,充分利用電控技術(shù)提升動力性能,優(yōu)化能源利用率和排放性能。電控技術(shù)在柴油機上的應(yīng)用歷史悠久,其與柴油機的結(jié)合主要經(jīng)歷了3個階段:第一階段為電子調(diào)速器電控柴油機技術(shù)階段,這一技術(shù)是在傳統(tǒng)柴油機機械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的簡單電氣升級,能利用電動執(zhí)行器的移動控制噴油量,并通過電控液壓提前器調(diào)整噴油提前角,對于柴油機的其他功能不進(jìn)行改變和控制;第二階段為時間控制式電控柴油機技術(shù)階段,在電子調(diào)速器技術(shù)的基礎(chǔ)上,利用電磁閥保證噴射控制的時間精度,利用電磁閥的開閉時間控制供油量,并增加了部分傳感器技術(shù)監(jiān)測柴油機狀態(tài),且ECU對軟硬件實時性要求更加嚴(yán)格;第三階段采用了現(xiàn)階段應(yīng)用廣泛的共軌式電控柴油噴射技術(shù),是一種全新的供油噴射技術(shù),充分利用了高壓油泵、壓力傳感器和ECU的功能優(yōu)勢,實現(xiàn)對油壓、供油量的精確控制,且供油壓力與柴油機轉(zhuǎn)速不直接相關(guān),有效優(yōu)化了柴油機的工作狀態(tài)[1]。

電控系統(tǒng)的應(yīng)用有效實現(xiàn)了柴油機的技術(shù)升級,其應(yīng)用價值主要體現(xiàn)在以下幾個方面:1)有效提高了柴油機運轉(zhuǎn)的控制精度,使控制指令的滯后性極大縮短;2)顯著增強了柴油機的工作可靠性,針對溫度、油壓、排氣等進(jìn)行全面監(jiān)測能有效避免故障發(fā)生;3)有效改善了柴油機的經(jīng)濟(jì)性和排放性能,且對于惡劣工況的適應(yīng)性能得到提升。

2 主要功能

電控技術(shù)的應(yīng)用主要在于柴油機工作邏輯和控制方式的改變,其主要的應(yīng)用方向包括供油控制、進(jìn)排氣控制、故障診斷等。

2.1 供油控制

供油質(zhì)量是影響柴油機性能的最主要因素之一,電控系統(tǒng)對于供油控制的主要方式包括:1)供油量控制;2)供油時機控制;3)供油邏輯控制;4)供油壓力控制。在共軌式電控柴油噴射技術(shù)中,能夠精確控制噴油正時,并根據(jù)柴油機的負(fù)載及轉(zhuǎn)速等多種參數(shù)優(yōu)選最合理的供油邏輯,改善循環(huán)燃燒過程,并能夠通過壓力傳感器實時監(jiān)測共軌燃油壓力,通過調(diào)整供油壓力改變供油量,并改善噴射壓力。

2.2 進(jìn)氣控制

進(jìn)氣質(zhì)量是影響柴油機燃燒做功的另一個重要因素,電控系統(tǒng)對于進(jìn)氣質(zhì)量的優(yōu)化功能包括:1)配氣控制技術(shù),包括正時控制和渦流控制兩類,正時控制主要是結(jié)合柴油機的關(guān)鍵運轉(zhuǎn)參數(shù)運算和決策配氣邏輯,利用正時機構(gòu)優(yōu)化柴油機的配氣相位,保證在不同工況下達(dá)到最佳配氣相位,渦流控制也是結(jié)合柴油機的運轉(zhuǎn)工況進(jìn)行的優(yōu)化控制,通過進(jìn)氣渦流比脈譜圖邏輯控制進(jìn)氣強度,以滿足不同轉(zhuǎn)速下對進(jìn)氣強度的需求;2)進(jìn)氣預(yù)增溫技術(shù),通過分析冷卻液溫度,控制加熱裝置對進(jìn)氣增溫,以改善柴油機在寒冷環(huán)境下的使用性能及啟動穩(wěn)定性。

2.3 排氣控制

電控系統(tǒng)能有效實現(xiàn)對柴油機排氣的優(yōu)化,常用技術(shù)包括排氣再利用技術(shù)和排氣增壓技術(shù)。排氣再利用技術(shù)主要是利用控制裝置將排出的廢氣重新收集并使其參與柴油機運轉(zhuǎn),進(jìn)而減少氮氧化物等有害物質(zhì)的排放量;排氣增壓技術(shù)是利用廢氣對渦輪進(jìn)行驅(qū)動,進(jìn)而增加柴油機動力性能,并利用電控技術(shù)監(jiān)測渦輪裝置壓力,改善渦輪驅(qū)動性能和安全性[2]。

2.4 故障監(jiān)測

大量傳感器的應(yīng)用能夠全面獲取柴油機工況狀態(tài),并將相關(guān)數(shù)據(jù)信息傳輸給ECU進(jìn)行分析,當(dāng)系統(tǒng)判定工況異常時,能夠自動進(jìn)行故障預(yù)警,有效避免重大故障的發(fā)生。

3 軟硬件組成與特征

3.1 硬件系統(tǒng)

柴油機電控系統(tǒng)的硬件主要包括:ECU、傳感器、電控開關(guān)、執(zhí)行器4部分。

3.1.1 ECU

ECU是電控系統(tǒng)的核心,也被稱為微型控制單元,其功能上集成了通用的輸入/輸出電路接口,能夠匹配多種可控電路面板,實現(xiàn)對數(shù)字信息的收集、運算和處理,結(jié)合先進(jìn)的決策算法和系統(tǒng)預(yù)設(shè)程序,能夠有效處理柴油機運轉(zhuǎn)過程中的大量數(shù)據(jù)信息,并利用信息的處理結(jié)果選擇執(zhí)行方案,將控制指令輸出到執(zhí)行器[3]。

3.1.2 傳感器

柴油機內(nèi)部應(yīng)用的傳感器種類多種多樣,其功能是實時檢測柴油機的工況狀態(tài),部分傳感器還用于檢測車輛、工程機械等的其他機械結(jié)構(gòu)狀態(tài),并將收集到的數(shù)據(jù)信息傳輸給ECU。對于柴油機性能影響顯著的傳感器功能包括以下幾類:一是發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器,其能夠有效檢測柴油機轉(zhuǎn)速,并與曲軸位置傳感器相配合,生成決策數(shù)據(jù)信息,用于改善供油量和供油時機;二是點火正時傳感器,能夠精確獲得燃燒室內(nèi)點火的時刻,供ECU校正供油時機;三是噴油泵轉(zhuǎn)腳傳感器,所檢測的轉(zhuǎn)角信息是噴油狀態(tài)優(yōu)化重要的輔助參數(shù);四是油門位置傳感器,能通過檢測油門踏板的位置數(shù)據(jù),供ECU優(yōu)化柴油機的轉(zhuǎn)速與負(fù)載能力,實現(xiàn)控制意圖與柴油機響應(yīng)質(zhì)量的匹配。

3.1.3 電控開關(guān)

電控開關(guān)主要包括以下幾種類型:一是E/G開關(guān),其功能是控制發(fā)動機點火,并向ECU傳遞發(fā)動機開始工作的信息;二是動力轉(zhuǎn)向油壓開關(guān),主要與轉(zhuǎn)向油路壓力傳感器相配合,能夠?qū)崿F(xiàn)油壓控制;三是空擋啟動開關(guān),能夠有效預(yù)防柴油機的空擋啟動行為,避免空擋啟動造成柴油機負(fù)載或損壞;四是其他電控開關(guān),用于控制專用執(zhí)行器的開關(guān),如控制電磁閥、球閥、噴油器等[4]。

3.1.4 執(zhí)行器

執(zhí)行器是執(zhí)行電控系統(tǒng)輸出指令的裝置,包括電器裝置和機械裝置兩種,是對柴油機性能直接調(diào)整的功能裝置。在新型柴油機電控系統(tǒng)中,常用的執(zhí)行器包括以下幾種:一是電控噴油器,主要原理是通過電磁閥控制噴油器的噴油狀態(tài)。當(dāng)電磁閥斷開時,高壓油路和低壓油路之間被隔斷,噴油器不噴油;當(dāng)電控開關(guān)控制電磁閥通電后,電磁閥自動控制高壓低壓油路接通,在高壓油壓力作用下,柱塞和針閥抬起,高壓燃油經(jīng)過進(jìn)油截流孔、柱塞控制腔、溢流截流孔、球閥閥座后,噴油器開始噴油(圖1);二是共軌壓力控制閥,是一種電控球閥技術(shù),能夠通過電磁力改變閥體受彈簧的壓緊力,實現(xiàn)對燃油壓力的控制,通電后電磁力與彈簧彈力共同作用于球閥,利用電磁力的大小控制燃油壓力,進(jìn)而實現(xiàn)精準(zhǔn)控制[5]。

圖1 電磁閥控制噴油器

3.2 軟件系統(tǒng)

柴油機電控系統(tǒng)的軟件技術(shù)主要針對控制程序和運行邏輯進(jìn)行研究和應(yīng)用，現(xiàn)階段軟件系統(tǒng)的技術(shù)體系種類較多，應(yīng)用較為典型的技術(shù)包括噴油過程優(yōu)化控制技術(shù)和共軌壓力閉環(huán)控制技術(shù)等。其中，噴油過程優(yōu)化控制技術(shù)主要是利用編程和邏輯控制算法與電控噴油設(shè)備相匹配，通用程序控制電磁閥直接控制供油時機和供油量，并通過預(yù)噴射程序、遲噴射程序等對供油效率、供油壓力進(jìn)行修正，實現(xiàn)供油質(zhì)量的優(yōu)化升級，實現(xiàn)在極短時間內(nèi)電控裝置的快速響應(yīng)。共軌壓力閉環(huán)控制技術(shù)是將控制程序和邏輯算法直接與共軌壓力控制閥相關(guān)聯(lián)的一種軟件控制技術(shù)，其以壓力傳感器反饋的壓力數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，利用調(diào)整控制閥的電流改變進(jìn)入共軌的油量和壓力，是一種壓力調(diào)控的閉環(huán)系統(tǒng)，對于共軌式電控柴油機的高質(zhì)量運轉(zhuǎn)影響很大[6]。

4 控制邏輯優(yōu)化方向

4.1 改善燃油利用率

現(xiàn)階段的共軌式電控柴油機控制技術(shù)已經(jīng)顯著提高了燃油利用率,未來在此技術(shù)的基礎(chǔ)上,應(yīng)進(jìn)一步針對高壓共軌、渦輪增壓、可變氣門正時等技術(shù)體系展開細(xì)化研究,結(jié)合MATLAB、GT-POWER等軟件對柴油機燃油供給和燃油利用狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化,將電控技術(shù)與傳統(tǒng)的柴油機機械技術(shù)全面結(jié)合,持續(xù)提高燃燒壓力及燃燒熱對于動能的轉(zhuǎn)換效率。

4.2 改善機械性能

未來應(yīng)進(jìn)一步加強電控機械件的占比,提高柴油機整體的可控性,利用電控系統(tǒng)實時優(yōu)化柴油機轉(zhuǎn)速、供油量、供油轉(zhuǎn)速,保持柴油機持續(xù)穩(wěn)定的缸內(nèi)壓力供給,保證輸出的功率平穩(wěn)且扭矩適宜,在提高動力性能的同時,提高整機運行的平穩(wěn)性。

4.3 改善排放性能

應(yīng)從環(huán)保角度出發(fā),持續(xù)改善柴油機的排放性能,加強對柴油機排放的研究,一方面利用電控技術(shù)優(yōu)化柴油機燃燒做功的邏輯,提高燃燒質(zhì)量,降低氮氧化物、顆粒物等有害物質(zhì)的排放量;另一方面,持續(xù)加強尾氣自動處理設(shè)備的研發(fā)與應(yīng)用,使廢氣進(jìn)一步被回收利用,排放到空氣中的尾氣實現(xiàn)進(jìn)一步凈化。

4.4 改善抗干擾性能

柴油機電控系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)一步加強抗干擾能力,一方面優(yōu)化硬件的選配,提高傳感器、電控開關(guān)、執(zhí)行器耐高溫、耐振動等性能,同時加強電控線路的抗干擾能力;另一方面,充分利用現(xiàn)代化的控制技術(shù),利用PID控制邏輯進(jìn)行分段控制,實現(xiàn)精確控制的同時降低外界干擾對控制過程的影響,實現(xiàn)控制過程的平穩(wěn)、可靠。

5 結(jié)語

綜上所述,柴油機作為重要的動力機械,在我國各行各業(yè)中應(yīng)用十分廣泛,電控系統(tǒng)在與柴油機深度融合的過程中已經(jīng)發(fā)揮出顯著優(yōu)勢。隨著電氣控制技術(shù)的持續(xù)發(fā)展,未來還將帶動柴油機技術(shù)的持續(xù)升級,柴油機生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)重視對產(chǎn)品的電氣化研發(fā),持續(xù)提升柴油機產(chǎn)品性能,為動力機械優(yōu)質(zhì)、低碳、節(jié)能、環(huán)保的良性發(fā)展助力。