高压共轨燃油系统后喷射控制研究

胡 勇，李文勇，钟剑贞

（桂林电子科技大学 机电工程学院，广西 桂林 541004）

高压共轨燃油喷射系统将燃油分成多次相对独立的喷射，逐次喷入到燃烧室内进行燃烧，通过对多次喷射的每次喷射油量、定时及喷射间隔的精确灵活的控制，来控制柴油机燃油喷射。多次喷射分为预喷、主喷、后喷，可有效降低排放和噪声，优化发动机的输出转矩，是当前改善发动机性能的关键技术和研究的热点［1］。本文主要对后喷射控制策略进行设计，通过ECU的实时控制，实现在柴油机全工况范围内后喷射的最佳控制，达到改善柴油机性能的目的。

1 后喷射作用分析

当发动机处在不同的工况时，使用不同的燃油喷射策略，使发动机的性能和排放均达到更加优良的状态。后喷射的喷射正时一般发生在10°～40°CA ATDC［2］，在主喷射结束后迅速向缸内喷入少量燃油，可促进前期产生的PM和未燃HC继续燃烧氧化。后喷射能将主喷射燃烧产生的PM带入到燃烧室挤流区，后喷完成之后，缸内逆挤流速度增加，局部祸旋运动增加。气流流速的增加有利于残余燃油蒸气以及后喷射燃油蒸气与空气的混合，加强了缸内扰动，提高燃烧后期缸内的温度，加强燃油与新鲜空气的混合，从而促进PM和HC的氧化，还可使柴油机的输出转矩增大。据研究，后喷射不能在柴油机任何工况下都起作用，只有在采用了排气后处理系统后才对降低有害排放物有贡献［2］，且后喷必须结合EGR系统一起使用，以此来保证NOx排放维持在可接受水平［3］，否则在某些工况中使用后喷反而使燃烧有所恶化，因此合适的后喷控制策略就显得尤为必要。

由于实际发动机工况的要求以及喷油器等硬件条件的限制，目前一个循环最多可以实现5次喷射［4］，包括2次预喷、主喷射以及2次后喷，即近后喷、远后喷。

近后喷是将HC氧化，近后喷不产生转矩。随后喷量和主、后间隔角的增加，主喷燃油减少、喷油重心后移，减少了燃烧前期参与燃烧反应的燃料量，使NOx的生成量减少，但经济性有所恶化［5］。

远后喷用于燃烧燃烧室里的炭烟，同时对排气后处理系统的再生也有一定作用，远后喷会产生转矩。由于采用EGR技术，其空燃比变小，使燃烧过程产生的烟度较大，通过远后喷射降低中高负荷工况的烟度，且随着负荷率的增加，效果愈加明显［4］。

2 后喷射控制策略设计

后喷射控制策略就是指ECU对后喷射控制参数的实时控制逻辑。正确合理的控制策略是系统工作稳定可靠的保证。综合考虑柴油机的各种运行工况，采用基于油量的喷射控制策略。后喷射控制参数包括喷油压力、射油量、喷射定时等参数。其中喷油压力的目标值与主喷射一致，喷射协调、后喷油量、后喷起始时刻、喷油器作用时间和后喷释放的综合控制可由软件编程实现。

2.1 后喷射协调

所谓的喷射协调是用来确定每循环每缸喷射次数以及优先级问题。由硬件和软件两方面限制。硬件主要包括油泵泵油量，喷油器物理特性，升电电容负荷等。软件方面主要用于解决不同工况时采用不同的喷油组合方式以及各喷射之间的协调控制。本文主要研究后喷控制，因此暂不考虑预喷相关内容。

2.1.1 后喷射优先级管理

考虑到高压油泵的泵油能力、电控喷油器的起动性能取决于电池的充放电性能以及包括电控喷油器在内的软硬件的性能等因素，燃油喷射系统存在最大喷射次数，若系统在某工况触发的喷油次数大于最大喷射次数，则需要关闭一些触发喷油次数，此时考虑喷油优先级。

对于后喷系统，由于存在正常模式与再生模式，所以需对喷射状态字进行优先级管理。正常模式下优先级：主喷-远后喷-近后喷；当采用EGR时，再生模式优先级：主喷-近后喷-远后喷。如表1所示，1表示最高优先级，2，3…优先级依次递减，预留位无优先级。

表1 正常模式和再生模式下的优先级安排

2.1.2 后喷协调

如表2所示，采用8位控制字实现主喷+近后喷+远后喷的触发管理。为确保系统的扩展性和移植性，8位控制字中 “0”、 “4”、 “7” 作为预留位使用，可保证在不增加非常多次喷射的情况下继续使用本策略，从而保证了控制策略的扩展性。当某位为1时，表示该位对应的喷射释放，否则，表示喷射禁止。

表2 控制字分配

一般情况下，主喷在各工况都是必不可少的，喷射协调主要解决的问题就是近后喷、远后喷的协调方式。表3为后喷射协调组和4种控制方式。

表3 后喷组和控制方式

发动机的各种工况都对应着一种最佳的后喷组和方式，其决定过程如下：①以发动机转速、喷油量、冷却水温和进气温度为输入，经处理后得到表3中对应触发序号；②以①中结果和发动机工况为输入参数，经处理后得到后喷组合方式；③根据大气压、温度等对后喷组和方式进行判断和修正，得到最终的后喷组和方式。

2.2 后喷射的触发

后喷射的触发与预喷射触发不同，主要是依据尾气处理系统 （包括微粒捕捉器和催化氧化器）的启用情况来决定的［6］。图1为近后喷触发示意图。

当喷射触发后，将触发状态输送到表2控制台，组成多次喷射状态控制字。然后将触发的控制字按位进行 “或”运算，将所得到的总触发喷射控制字进行取位求 “和”运算，计算触发喷射N1。并由泵油能力、电池的充放电性，确定最大喷射次数N2。N1与N2较小的值作为喷射次数。

2.3 后喷射油量的控制

高压共轨系统喷油量的大小，实际上是由某一轨压下作用于喷油器电磁阀的喷射脉冲宽度所决定的。后喷油量在控制策略中用其占总油量的百分比表示。图2所示为后喷油量控制示意图，ECU根据发动机转速与所需转矩，从转矩／油量换算MAP中运用线性插值法确定转矩／油量换算曲线。则每循环每缸目标总喷油量由发动机需求转矩根据油量／转矩换算曲线通过内插法确定。然后根据转速和目标喷射总油量通过查基本油量MAP确定喷油量基本值，结合修正因子对基本喷油量进行修正，得到的结果与当前工况下的最大喷油量作比较，较小的值作为中间喷油变量，同时考虑当前轨压确定的最小喷油量，取两者的最大值作为最终后喷油量。

考虑到燃油温度对燃油密度ρ的影响，在计算每循环燃油喷射量时，将质量计的喷油量Qm转化为体积量Qv， Qv=Qm÷ρ（t）。 通过燃油体积的合理调整，可有效避免喷油量的突变，保证发动机平稳运转。

2.4 后喷射时间控制

后喷与主喷之间的间隔、后喷持续时间等，对柴油机的燃油消耗、HC、烟度、NOX等指标有重要影响，因此设置合理的后喷喷射时间是至关重要的。

2.4.1 后喷喷射始点的确定

后喷射始点以主喷始点为参考点，称之为相对始点。根据发动机的转速和目标总喷油量，通过查找各次喷射的喷射始点MAP，可以确定喷射起始时刻的基本值，同时还要考虑环境因子对喷射始点的影响，对其进行修正。图3为喷射始点确定示意图。

2.4.2 喷油器作用时间的确定

喷油器作用时间以图4中得出的估算作用时间为基本量，考虑喷油器闭合和喷射停止时间差，对其进行修正。喷油器作用时间由于其本身特性存在最小作用时间，由系统标定时确定，当喷油器作用时间小于最小作用时间时，选取最小作用时间为喷油时间。

2.5 喷射释放

在确定了后喷次数、喷油时间等参数后，还将面临喷射最终是否能释放的问题。现以近后喷射为例，设计后喷释放状态字如表4所示。其中第7位优先级最高，0位优先级最低。

表4 近后喷释放状态字

3 相关喷射参数的修正

前文中的控制量基本上是通过节气门位置信号和发动机转速信号判断发动机所处工况，然后查询基本MAP图得出基础控制量。除此之外，ECU还要考虑进气温度、蓄电池电压等信号的影响，并对MAP进行修正，提高控制系统精度。本文以进气温度、蓄电池电压为例，介绍修正方法。

3.1 蓄电池电压试验修正

蓄电池电压的大小对汽车有重要的影响，例如电动燃油泵对电压的变化十分敏感，当电压较低时，燃油泵的转速偏低，电压较高时，燃油泵转速变高，致使泵油能力出现波动，从而燃油压力出现波动，最后导致喷油量出现变化。蓄电池电压对喷油器中电磁线圈的吸引力也有重要的影响，蓄电池电压的波动，致使喷油器针阀的开启和关闭时间出现误差，从而导致喷油量的变化。本文对喷油器在不同蓄电池电压下的流量特性进行试验，以12V为标准电压值，得到如图5所示的喷油脉宽修正图。

3.2 进气温度理论修正

由于进气温度对气体密度有很大的影响，从而影响空燃比，对发动机燃烧具有重要作用，所以需对因进气温度影响的喷油量进行修正。以下为从理论角度对进气温度进行修正。

由理想气体状态方程可得发动机每循环的进气量

得出过量空气系数

式中：qo——标况下燃油量；gh0——标况下单位质量燃油完全燃烧所需空气量；gh——实际情况下单位质量燃油完全燃烧所需空气量。

令进气温度分别为To、T时的过量空气系数相等，此时

整理可得进气温度修正系数为：以To时的进气温度为标准，当进气温度高于To时，空气变稀薄，为补偿混合气，需要减小喷油量；当进气温度低于To，为补偿混合气，需要增大喷油量。通过适合的试验值进行拟合，可得出修正系数计算式。

4 后喷射的应用

中国在高压共轨系统上的研究较晚，而且受发动机硬件设施的影响，后喷在中国大多处于研究阶段，以引进国外先进技术为主。在中国采用后喷的发动机及其生产主要厂家如表5所示。后喷射控制主要通过形成控制策略储存于汽车电控单元ECU中，然后根据汽车传感器采集得到的汽车运行状况信息，控制电控高压油泵泵油和电控喷油器的开启与关闭来完成后喷。

表5 中国采用后喷的发动机及其主要生产厂家

5 结束语

本文根据柴油机后喷射作用机理，针对采用EGR技术路线的发动机，以有效降低燃烧噪声、减少排放为目的，分析设计高压共轨燃油喷射系统后喷射控制策略，后喷射是降低碳烟排放的有效手段。研究后喷射控制中有关喷射协调、后喷射量、喷射起始时刻、喷射器作用时间和喷射释放以及相关参数修正等问题，对发动燃烧优化、尾气排放具有明显的效果。

［1］ Imarisio R.Multiple injection.A cost effective solution for emission reduction of common rail Dl diesel engines［J］.Aachener Kolloquium Fahrzeug-und Motorentechnik，2000 （9）： 1 047-1 062.

［2］杨林，卓斌，肖文雍，等.高压共轨电控柴油机燃油预喷射控制研究［J］.柴油机， 2004 （3）： 14.

［3］李人宪.柴油机实现高EGR率方法的计算分析［J］.内燃机工程， 2004， 25 （3）： 27-32.

［4］李明星，王辉，周道林，等.后喷射改善轻型商用车柴油机排放的应用［J］.车用发动机，2011（4）：74-77.

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［6］袁文华.高压共轨喷油系统多学科设计优化及智能控制研究［D］.湖南大学，2010：82.

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