柴油发动机燃烧模式切换控制策略

方 成，杨福源，欧阳明高，陈 林，李 进

（1.清华大学 汽车安全与节能国家重点实验室，北京 100084；2.上海汽车集团股份有限公司 技术中心，上海 201206；3.常州易控汽车电子有限公司，江苏 常州 213164）

0 引 言

柴油机低温燃烧（LTC），既能够产生较低的排放，又能够保持较高的燃烧效率，在最近10多年来，成为学术界的研究热点［1－3］。一般可以通过燃料早喷、小锥角喷油器喷油和燃料晚喷的方式实现LTC。燃料晚喷的方式是通过在上止点附近喷射柴油和高废气再循环（EGR）率来提高预混合比例和降低燃烧温度。这种方式不需要对燃烧室进行重新匹配，燃烧相位可以通过喷油定时控制［4－6］。本文采用燃料晚喷来实现 LTC。但是，这种LTC局限在中低负荷工况，其他工况仍然需要使用传统的压燃（CI）:EGR会引起燃烧恶化，使燃油经济性变差，噪声增加；高EGR率虽然可以延长滞燃期，当负荷变大，喷油持续期变长，燃烧恶化的程度也会使碳烟排放量增大［7］。当LTC使用区域的边界时，需要切换回CI燃烧。

国内外对柴油机LTC／CI燃烧模式切换及其控制策略研究的报道并不多。Michigan大学的Busch等［8］在一台四缸1.9L柴油机上研究了LTC／CI燃烧模式切换时的NOx排放，指出快速的燃油压力建立过程是燃烧模式切换过程的一个关键控制点。但是该文的切换策略并没有对LTC和CI各自燃烧所需油气混合需求进行优化。

美国西南研究院的王俊敏等［9］采用基于模型的空气系统控制器，以气体组分和增压压力为控制目标，针对LTC和传统CI设计了两组滑模控制器以获得更加快速和平顺的空气系统响应，同时设计了监督控制器（Supervisory controller）在LTC／CI燃烧模式切换瞬态中来协调两组滑模控制器的工作。利用基于模型的控制策略使EGR和VNT的控制解耦，得到了良好的转矩跟随和空燃比跟随效果。但是，该文中采用的空气系统模型过于复杂，燃油系统的协调控制也没有加入控制框架中。

Wisconsin－Madison大学的 Burton等［10］在一台四缸1.9L柴油机上对发动机稳态点LTC／CI燃烧模式切换和发动机瞬态过程中LTC／CI燃烧模式切换进行了研究，发现从LTC到CI的切换引起NOx排放尖峰，而从CI到LTC的切换则引起HC排放尖峰，Burton认为这是燃油和空气系统不协调引起的。但是，该文并没有提出HCCI瞬态控制中油气综合控制的策略，只是在发动机ECU上进行了简单的MAP图的标定。

本文在研究各个油气参数对LTC燃烧影响的基础上，提出了一套油气协调切换控制策略，对LTC／CI燃烧模式切换过程进行控制。

1 系统描述

1.1 发动机控制单元

系统所用的发动机控制单元，基于Freescale MPC5634M32位高性能单片机开发。该单片机使用LQFP 144封装，CPU频率达到80MHz，具有2路CAN总线、32路eTPU、1.5MFlash、32路12位AD、Nexus调试接口支持、DMA支持和浮点运算支持等多种功能［11］。控制单元硬件框架如图1所示。

图1 控制系统硬件框架Fig.1 Hardware structure of control system

该控制器支持6～32V宽电压输入范围，可以处理32路模拟信号、20路开关信号、4路PWM信号和2路转速信号，能够驱动20路开关型负载、8路PMW负载、1路直流电机负载和8缸喷油器。配备的智能喷油器驱动系统能够实时闭环控制充电泵电压和喷油器驱动电流。该控制器能够满足柴油机燃油系统控制、空气系统控制和后处理系统控制的硬件资源需求。

1.2 发动机控制策略

开发的发动机控制策略如图2所示。在原有的基于扭矩的控制框架基础上，加入LTC低温燃烧控制和LTC／CI燃烧模式切换控制。

（1）控制策略识别加速踏板扭矩需求和附件系统扭矩需求，得到动力系统扭矩需求。

图2 控制系统软件框架Fig.2 Software structure of control system

（2）从动力系统扭矩需求得到发动机平均有效压力 BMEP（Brake mean effective pressure），加入预估的摩擦转矩和平均泵气压力PMEP（Pumping mean effective pressure），得到需求的平均指示压力IMEP（Indicated mean effective pressure）。

（3）在燃烧模式协调控制器中，得到当前的目标IMEP和燃烧模式，通过IMEP和油量之间的转换关系得到目标油量。

（4）根据目标油量和燃烧模式，进行空气系统和燃油系统的协调控制。

图2中，TFLT和QFLT分别是滤波后的扭矩和滤波后的油量，用于燃油系统的控制；TADV和QADV相对于TFLT和QFLT，动态响应更快，用于空气系统控制。燃油系统支持轨压控制和多段喷射；空气系统采用PID控制器对EGR和VNT进行独立控制。

1.3 发动机

本文在一台4缸2.5L柴油机上进行LTC和燃烧模式切换研究，该发动机系统框架如图3所示。

该发动机使用高压共轨型燃油喷射系统。对原机改造后，加装了VNT系统和EGR系统。该发动机为直列四冲程、直喷、水冷、增压、中冷发动机，4缸，缸径×冲程为92mm×94mm，总排量为2.499L，压缩比为17.5，额定功率／额定转速为87kW／4000r·min－1，最大扭矩／最大扭矩转速为280N·m／2000r·min－1，EGR系统为外部、水冷中冷。

图3 发动机系统框架Fig.3 Structure of engine system

2 LTC实现及其影响因素

本文使用的燃料晚喷方式注重燃烧过程的改善，它的技术特点是在上止点附近高压喷射燃油，配合使用大EGR率。柴油晚喷和EGR的应用使得燃烧滞燃期延长，为燃油和空气争取更多的混合时间，使得预混合燃烧的比例增大；使用较高的燃油喷射压力也会促进油气均匀混合；同时由于大EGR率的使用，氧气浓度下降，燃烧温度降低。这些措施，能够使得NOx和PM排放同时降低。

图4所示为LTC燃烧的缸压和燃烧放热率曲线，可以看出，瞬时燃烧放热率的主体在上止点后。

图4 燃料晚喷实现柴油LTC燃烧的缸压及放热率曲线Fig.4 Cylinder pressure and ROHR of LTC implemented by late injection

为研究晚喷定时、燃油喷射压力和EGR率对LTC燃烧的影响，设定基准工作点，该点发动机转速为1800r·min－1，扭矩为78.2N·m，预喷油量为3.0mm3，主喷油量为16.0mm3，预喷定时为－19.5℃A（上止点前），主喷定时为2.9℃A（上止点后），喷射压力为120MPa，EGR率为20%，燃烧放热重心CA50为20℃A，NOx排放体积浓度为98×10－6。

2.1 晚喷定时对LTC的影响

通过调整晚喷定时（固定预喷与晚喷的间隔及油量比例）研究燃烧放热重心CA50的变化情况，并考察不同晚喷定时及其对应的CA50对低温燃烧状态的影响，试验结果如图5所示。

图5 晚喷定时对NOx和PM排放的影响Fig.5 Influence of injection timing on emission level

（1）晚喷定时与燃烧放热重心CA50单调对应，即晚喷定时变大（上止点后为正），CA50也相应变大（上止点后为正）。

（2）当晚喷定时在上止点前（图5中在－4℃A前），燃烧呈现出类似CI的特性，即主喷提前则NOx排放恶化，而碳烟排放下降（NOx和PM的Trade－Off关系）。

（3）当晚喷定时被推后到一定位置后（图5中3℃A），对排放的改善作用变得不明显。

2.2 燃油喷射压力对LTC的影响

燃油喷射压力在60～140MPa变化，研究其对LTC状态的影响，结果如图6所示，图中虚线表示LTC基准工况点对应的传统CI燃烧的排放水平。

在过低的喷油压力下，喷入燃烧室的燃油没有足够的动能，油气混合不均，再加上EGR所引入的燃烧废气，即使燃油喷射压力仍然大于传统CI下的压力（约60MPa），仍可能会因为气缸内局部空燃比过低，而产生大量碳烟排放。因此，在一般情况下，LTC所需的燃油喷射压力都大于相同工况的传统CI。

图6 喷射压力对NOx和PM排放的影响Fig.6 Influence of rail pressure on emission level

2.3 EGR率对LTC的影响

调整EGR阀开度实现EGR率ξEGR从0%～28%的变化，其对LTC燃烧状态的影响如图7所示，图中虚线表示LTC基准工况点对应的传统CI燃烧的排放水平。

在保持基准工况的燃油喷射压力和喷油定时不变的情况下，EGR率的增加对碳烟排放影响不大，而NOx排放大幅度下降。由于大量缸内燃烧产生的废气通过EGR系统再次循环进入气缸，废气涡轮增压系统所能利用的排气能量减少，缺少必要的驱动能量，增压系统在整个LTC适用工况范围内基本没有调控空气系统的能力。

图7 EGR率对NOx和PM排放的影响Fig.7 Influence of EGR rate on emission level

3 LTC／CI切换控制策略

LTC使用晚喷、高喷射压力和高EGR率的方法来实现，在该燃烧模式下，无增压能力；而传统的CI使用正常的喷油定时、低喷射压力、低EGR率来实现，在该燃烧模式下，可以进行正常增压（可以使用VNT控制增压压力）。

在CI或LTC燃烧模式下，单独改变某个控制参数状态，对整个发动机性能的影响如表1所示。

表1 控制参数对发动机性能的影响Table 1 Influence of control parameters on engine performance under CI／LTC combustion mode

3.1 CI→LTC燃烧模式切换

燃烧模式从CI切换到LTC时，要保证切换过渡过程转矩输出平滑则需要避免燃烧的不稳定，而不稳定燃烧源于大EGR率下低压喷油喷射，此时燃油雾化程度不好，部分区域严重缺氧导致燃烧分布不均匀且产生大量碳烟，所以喷射定时控制模块应该在燃烧切换初期立刻切换到晚喷，同时保证喷油压力快速建立至高压状态；此外，在切换过程中，可以利用VNT增加排气背压以提高EGR阀的流通速率，加快EGR系统的响应。因此，可制定喷油模式和燃油喷射压力控制模块迅速响应，VNT辅助EGR系统的控制时序，如图8所示。

图8 CI→LTC燃烧模式切换控制Fig.8 Control strategy of CI→LTC mode switch

当确认燃烧模式切换命令后，喷射压力控制和EGR控制模块使用经过优化的满足快速响应要求的控制参数，而VNT子系统在切换过程初期使用降性能控制，通过利用VNT和EGR系统的耦合效应，减少涡轮流通截面，增加排气背压，在短时间内辅助EGR系统迅速稳定到目标值，当EGR率接近预定目标时，VNT自动切换控制目标和控制参数（切换条件见图8，其中Δ为标定量）。

3.2 LTC→CI燃烧模式切换

图9 LTC→CI燃烧模式切换控制Fig.9 Control strategy of LTC→CI mode switch

燃烧模式从LTC切换到CI燃烧模式初期，EGR阀立刻关闭，并将VNT控制切换到CI状态下的控制目标和控制参数，使得进气压力和新鲜空气量迅速上升，当进气压力到达切换条件时（见图9），EGR控制进行状态切换（因为此时EGR率需求较小，EGR阀从完全关闭到达控制目标所需时间不长，这种简单的控制逻辑的目的是以牺牲短时间NOx排放来减少控制策略复杂度）。喷油模式的切换时刻应保证满足两个条件:一是要保证足够的空气量，二是应等待喷射压力下降到适当的程度，避免产生燃烧噪声。整个切换过程的协调控制时序如图9所示。

3.3 模式切换边界控制

在一定工况下，燃烧模式根据该工况转速和负荷查表（MAP）得到。MAP包含了一些离散的工况点，在各个明确的工况点之间的工况，需要根据周围4个工况点的燃烧模式来决定。

如图10所示，工况点（n，L）的燃烧模式，需要由该 MAP图中周围4个工况点 （n1，L1）、（n2，L2）、（n1，L2）和（n2，L1）的燃烧模式决定。从该MAP图得到的燃烧模式，要么是传统压燃，要么是低温燃烧，没有中间模式，所以，一般只进行查表运算，而不需要进行插值运算。

图10 滞回式查表方法Fig.10 Hysteresis calculation method

按照一般方法进行查表的算法如下:

按照这种方法，如果当前工况的转速在（n1＋n2）／2附近波动（这种波动在发动机正常运行过程中很正常），将会导致查表得到的值D（n，L）来回波动，这种波动会导致燃烧模式在CI与LTC之间来回切换。所以本文使用滞回式查表方法来消除这种潜在的高频燃烧模式切换。

查表值与历史轨迹相关（k为当前时刻，k－1为前一时刻），当前时刻查表值通过下式确定:

式中:n～（k）为取值的转速点，通过式（3）确定:

式（3）（4）中的①②③④代表4个条件，其具体表达式如下:

4 实验结果

在发动机台架上进行实验，该台架配备HT350型交流电力测功机、MEXA－7100DEGR排放分析仪、AVL439不透光烟度计和AVL472颗粒分析仪等设备。

图11所示为1800r·min－1转速、80N·m扭矩工况下从CI切换到LTC（图中HCCI）的实验结果。图12所示为1800r·min－1转速、80N·m扭矩工况下从LTC切换到CI的实验结果。图11和图12中策略1为使用基于模型的轨压控制策略［12］的控制结果，策略2为使用普通PID的轨压控制策略的控制结果。

使用基于模型的轨压控制策略，可以加快轨压的响应，使得在燃烧模式切换时，快速地控制轨压达到目标值，提高过渡过程中燃烧的稳定性。

在使用基于模型的轨压控制策略的基础上，通过油气协调控制，在LTC／CI燃烧模式切换动态过程中:

图11 CI→LTC燃烧模式切换Fig.11 Experimental results of CI→LTC

图12 LTC→CI燃烧模式切换Fig.12 Experimental results of LTC→CI

（1）从CI切换到LTC，轨压从60MPa迅速上升到120MPa；从LTC切换到CI，轨压从120 MPa迅速下降到60MPa。

（2）在LTC燃烧模式下，NOx排放和烟度排放响应迅速，NOx排放和烟度排放相对于CI燃烧模式，下降幅度均超过50%。

（3）在燃烧模式切换过程中，扭矩波动小（工况波动约5N·m），过渡平稳。

5 结 论

（1）LTC燃烧需要使用燃油晚喷、高EGR率和高压燃油喷射来达到NOx和PM的排放同时降低。

（2）LTC燃烧只适用于部分工况，在燃烧模式边界上，需要进行LTC／CI燃烧模式切换，在切换过程中，需要对各个控制参数的变化时序进行严格控制。

（3）在燃烧模式边界，使用滞回式查表方法，可以减少由于发动机参数波动导致的燃烧模式频繁切换。

（4）使用油气协调的控制策略，在燃烧模式切换过程中，发动机状态响应迅速，过渡平稳。

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