电控单体泵柴油机燃油喷射控制策略

杨时威,刘广军

(1.泛亚汽车技术中心有限公司,上海 201206;2.同济大学 机械工程学院,上海 201804)

为了满足日趋严格的排放法规,应用集成电控技术,生产具有低燃油消耗率特点的柴油机,已成为一个发展趋势[1,2].电控单体泵系统属于典型的时间控制式喷射系统.发动机管理系统根据驾驶需求和发动机状态确定目标喷油量和喷油提前角,单体泵喷射控制系统根据这些参数驱动电磁阀实现对喷油过程的控制.电控单元中其他控制策略模块按发动机的运行状态计算出下一循环所需喷入气缸的油量,但如何将电控单元计算得出的指令油量转换成一定宽度的脉冲信号,并驱动电控单体泵电磁阀,让燃油得以按指定的喷油提前角喷入气缸,这些功能需要靠喷油正时模块来实现.发动机运行工况复杂,起动、正常运行、发动机测试及控制系统出现故障需采用跛行回家策略时,都要采用不同的喷油正时策略.

1 喷油提前角

1.1 起动工况

起动控制模块其目标是使发动机在高寒、高温及高原环境下都能迅速起动,这与喷油提前角的控制有很大关系[3],曲轴转速低时,压缩时的漏气损失和传热损失增加,也会使压缩终点温度下降,同时低速时燃料雾化不良,混合不好,这都使起动困难.在起动时,适当增大循环供油量,使燃油雾化品质改善,可降低最低起动转速.此外,合适的喷油提前角也可降低最低起动转速.起动工况下的喷油正时脉谱设计成转速与冷却水温度相关的二维脉谱,可以使发动机在不同温度和转速下采用不同的起动喷油正时,从而改善发动机冷起动的环境适应能力,起动工况的喷油提前角见图1.

图1 起动工况的喷油提前角Fig.1 Injection timing during cranking

1.2 正常工况

喷油提前角应根据不同的发动机转速和负荷进行优化.起动成功后,发动机主要运行在怠速、加速和减速等工况下,喷油提前角对发动机的动力性、最高燃烧温度、最高工作压力都有很大影响,并且决定了整机的排放水平,因此针对这些工况制定了相应的喷油正时控制模块.为了使电控单元对提前角可作柔性控制,将喷油提前角设计成转速与油量的二维脉谱,即每个工况点都有各自的喷油提前角,见图2,并根据大气压力、冷却水温、进气温度对喷油提前角进行修正.

图2 正常工况的喷油提前角Fig.2 Injection timing during runing

为了防止因环境压力变化导致的增压器超速及其他机械部件的损坏,在控制策略中加入了大气压力对喷油正时的补偿.大气压力喷油正时修正脉谱是和转速、油量相关的二维脉谱.另外一个脉谱则是与大气压力相关的修正权重脉谱,权重系数与修正量相乘即得出大气压力对喷油正时的修正量,如图3.

冷却水温也是影响喷油正时的一个重要因素.根据冷却水温对喷油正时进行及时修正,可以降低发动机油耗和排放,也能在过高或过低的冷却水温下有效地保护发动机.采用权重系数进行水温对喷油正时的修正,见图4.

1.3 跛行回家

当发动机电控系统故障时,为了使车辆仍然能安全行驶到最近的维修站进行维护,此时会进入跛行回家策略.该策略采用固定喷油提前角,根据不同的故障类型限制发动机最大功率,以此来保护发动机.为了实现这几种喷油正时策略的互相切换,给怠速、正常工作、跛行回家都设立了状态标志位.当标志位树立起来时,策略即进入对应的喷油正时计算流程.

2 喷油脉宽

最终喷油量由喷油压力、提前角及喷油脉宽共同决定.燃油喷射系统都有固定的物理特性,如电磁阀响应速率、压力建立速度、喷射压力的波动关系以及喷油规律等.在控制策略中,指令油量最终是通过给电控单体泵发送的脉冲信号来决定实际喷油量.由于电控单体泵机械结构及电磁特性的复杂性,在控制策略中,大多采用经验值,因此策略中以转速和喷油量为坐标的二维脉谱作为单体泵的喷油特性曲线,即一定油量对应一定脉宽值.燃油的物理特性如运动粘度、密度、表面张力等都会随着油温的变化而变化,对燃油压力大于100 MPa的燃油系统来说,需要考虑压力和温度对燃油物理特性所带来的影响[4].为了补偿由于燃油温度带来的油量差异,在喷油脉宽的计算中加入了与油温相关的补偿脉谱,计算过程如图5.

图5 油量线性化及油温修正脉谱Fig.5 Map of fuel linearization an d fuel temperature correction

3 燃油系统工作特性补偿

此外还需要考虑电控单体泵系统本身特性——电磁阀响应特性及泵喷嘴结构液力特性对喷油正时及脉宽的影响.

电磁阀要求快速关闭以保证喷射定时准确和迅速形成高压,快速开启以保证喷射的快速切断和稳定卸载.电磁阀的动态响应特性直接影响燃油喷射系统的主要性能指标.众多仿真与试验结果研究表明,现代电控柴油机上强力电磁阀为了适应高速及小油量喷射的需要,其开启和关闭的响应时间都应处于0～2 ms范围内,即便如此,当发动机转速为3000 r·min-1时,曲轴电磁阀的延迟角度也达到了0～36°,无疑对喷油正时和脉宽都会产生很大影响.

燃油喷射系统工作时的液力特性是另外一个影响正时和喷油脉宽的主要因素.从电磁阀开启时,压力波由电控单体泵出口,经高压油管传送到喷油器,并达到油嘴开启压力,这个过程也有一个延时,称之为液力开启延时.经试验证明,开启延时的延迟角度可达到20°左右.同样的燃油系统也会存在液力关闭延时.因此,喷油正时还需要加入燃油系统工作特性的补偿,即电磁响应速度补偿和液力延时补偿.如前面所述,燃油温度对燃油的物理性质有很大的影响,尤其在高压环境下,而且燃油喷射系统的液力特性与其中流体的物理特性息息相关.为了能真实地反映燃油系统的液力特性,在液力特性补偿脉谱中将燃油温度作为其中一个坐标,并与转速组成二维脉谱.

图6是电磁阀响应速度与燃油系统的液力延时对喷油正时、喷油脉宽的补偿策略.由于电磁阀产品之间的响应特性存在差异,采用电磁阀平均响应速度+偏差量作为每个电控单体泵的开启和关闭延时.因为每个气缸的供油都由一个对应的电控单体泵来控制,所以这个偏差量应根据缸号来查询.缸号通过凸轮信号盘信号来辨别.液力延时则通过转速和燃油油温查询.

图6 喷油正时及脉宽修正策略Fig.6 Correction of in jection timing and pulse

4 试验结果

为了验证喷油正时控制策略的运行效果,采用CAN ape软件,在多种工况下的转速、油量、喷油提前角等参数进行了监测和实时采集,见图7.

5 结论

台架试验证明,在喷油正时控制策略中,将电磁阀开启、关闭的电磁延迟、喷油器开启和关闭的液力延迟加入到喷油脉冲起始时刻的计算中,可以准确控制燃油喷入气缸的时刻及喷油结束时刻,实现喷油正时和喷油量柔性控制.

图7 多种工况下的转速、油量、喷油提前角Fig.7 Engine speed,fuel and injection timing in different working points

[1] 孙宗强,世界轿车柴油机的现状和发展[J].内燃机,1999(2):3-7.SUN Zongqiang.State and prospect of diesel engine vehicle of the world[J].Internal Combustion Engines,1999(2):3-7.

[2] CHOIC Y,REITZ R D.An experimental study on the effects of oxygenated fuel blends and multiple injection strategies on DI diesel engine emissions[J].Fuel,1999,78(11):1303-1317.

[3] 肖文雍,冒晓建,王好战,GD-1高压共轨式电控柴油机的起动控制策略研究[J].内燃机学报,2003,21(2):97-100.XIAO Wenyong,MAO Xiaojian,WANG Haozhan.Starting control of GD-1 high pressure comm on rail diesel engine[J].Transactions of Csice,2003,21(2):97-100.

[4] 张健明,张卫刚,王亚伟,等.柴油高压物理特性的研究[J].高压物理学报,2005,19(1):41-44.ZHANG Jianming,ZHANGW eigang,WANG Yawei,et al.Study on high pressure physical properties of dieseloil[J].Chinese Journal of High Pressure Phy sics,2005,19(1):41-44.