弹跳式喷油模式下汽油直接喷射的实时控制

弹跳式喷油模式下汽油直接喷射的实时控制

【意】 F.T.Scafati F.Pirozzi S.Cannavacciuolo L.Allocca A.Montanaro

汽油直接喷射无节流稀气分层燃烧能降低发动机的有害排放，并明显提高燃油经济性。然而，采用汽油分层燃烧会导致诸如循环变化率大和颗粒物排放增加等问题。应用多次喷射策略可以缓解这些问题，但这需要采取小油量喷射方式，从而会使传统电磁阀喷油器在弹跳式喷油模式下工作，这时线圈通电时间与喷油量之间呈现出高度非线性关系。介绍1种可以控制小油量喷射的闭环控制系统。这种控制系统基于线圈断电阶段电压控制信号的1种特殊特性。根据这一特性，可以计算出喷油器针阀的关闭时间，进而计算出实际喷油量。试验结果表明，通过对弹跳式喷油的合理控制，提出的控制系统有潜力提高汽油直接喷射电磁阀喷油器最小油量的喷射能力。

汽油直接喷射 多次喷射 实时控制 弹跳式喷油

0 前言

未来的排放法规要求开发效率更高的汽油机，以大幅降低有害排放、燃油消耗和二氧化碳(CO2)排放。汽油直接喷射无节流稀气分层燃烧可以取得的最大优势是降低油耗。在这种模式下，燃油在压缩行程的后期喷射[1]，能使超稀薄混合气稳定燃烧。然而，采用汽油分层燃烧会导致一些问题。特别是由于燃烧过程中氧含量过剩，因而会导致氮氧化物(NOx)排放水平比进气道喷射发动机或均质充气直接喷射发动机的高。同时，混合气混合时间短和燃油喷束撞壁会导致循环变化率大和颗粒物排放增加。另一方面，考虑到欧6排放法规要求降低发动机的颗粒物排放，汽油直接喷射发动机要减少排气中的颗粒物也是1个关键的问题。

采用多次喷射，将总喷油量分成几次较小油量(较短喷油持续时间)喷射，是减轻汽油直接喷射分层燃烧产生上述问题和减少喷油束撞壁的1种有效方法。这种方法首先可以降低喷油束在燃烧内的贯穿距，因此能减少湿壁效应和颗粒物排放。再者，采用多次喷射策略可以使达到50%已燃质量百分数(MBF50)的时间推迟，使其接近热力学的最佳状态[2]。这就能使燃烧峰值温度降低，从而减少NOx排放。

然而，用传统汽油直接喷射电磁阀喷油器来实现多次喷油并不是件容易的事。实际上，小油量喷射的管理会使汽油直接喷射电磁阀喷油器处于弹跳式喷油的工作模式。弹跳式喷油的特性是小喷射脉冲宽度，会在针阀达到最大升程前就被切断喷油脉冲。在弹跳喷油期间，电控信号与喷油量之间呈现非线性关系，针阀运动不稳定，燃油供给量不能以最优的精度进行控制。

本文介绍1种能控制小油量喷射和增加汽油直接喷射电磁阀喷油器的最小油量喷射能力的闭环控制系统，以将它延用到多次喷射策略中。基于喷油器电流信号的特征，提出的控制结构是通过计算针阀的关闭时刻来提供实际喷油量的实时信息。然后，可以将实际喷油量数据与目标值进行比较，进而调整电控信号的喷油脉冲宽度。

1 试验装置

使用1款Bosch公司的汽油直接喷射(GDI)多孔电磁阀喷油器进行了试验。利用1款配装专用图形用户界面的智能动力装置(STMicroelectronics-L9781)驱动喷油器，它可以对喷油器的控制电流进行编程和选择需要的线圈通电时间。用于驱动喷油器的电流形态。包括1种12A的吸合电流和2种保持电流，第一种保持电流为5A，第二种保持电流为2.5A。

在电驱动期间，L9781评定板上的几个具体试验点能获得3种不同的线圈电压信号： (1) 高端电压信号： 它是高端L9781 MOSFTETs的电源电压；(2) 低端电压信号： 它是低端L9781 MOSFTET的放电电压；(3) 电压差信号： 它是高电压与低电压信号的差值，是实际的线圈电压控制信号。

利用按Bosch公司长管原理工作的AVL燃油喷射计量仪测定汽油流量[2-4]。燃油喷射到1个压力恒定为0.5MPa的小腔室内，该腔室与1根内截面恒定不变的6m长管相连接。将AVL GM12D压力传感器安装在喷嘴下游，用它收集喷射燃油产生的压力变化。产生的压力变化Δp与喷油量q呈如下线性关系：

(1)

式(1)中：ρ是燃油密度，Atube是管子内截面面积，a是环境温度下燃油中的音速。采集回路的时间分辨率是0.01ms，与传感器130kHz的固有频率(0.0076ms)一致。q的瞬时值为0.01ms间隔的喷油量，而每一次总喷油量为整个喷油脉冲持续时间内喷油量的积分。喷油量率测定值取100次喷射的平均值，以消除循环之间的变化，同时，收集管子中放出的燃油，并用精确天平(OHAUS 410GX1-量程410g，精度1.0mg)对它进行称重后与总喷油量进行对比。

2 试验结果

图1所示为同一系列2种喷油器的喷油率特性曲线。该曲线为1种具有典型离散度的曲线。对于这两种喷油器，在脉冲信号持续时间超过400ms和喷油量大于2.8mg时，脉冲信号持续时间与喷油量之间都呈现线性关系，并具有重复性。在脉冲信号宽度小于400ms时，二者则呈现出明显的非线性关系，在某些脉冲信号持续时间下，二者关系的趋势可能会相反，在电检信号增加时喷油量会减少。在非线性区域，对于非常短的喷油脉冲信号，喷油器针阀在未达到最大升程点时就开始关闭： 这种效应被称之为弹跳模式。有报道称，产生这种非线性关系的原因主要取决于喷油器弹簧质量系统的惯量、线圈释放的电磁力减小、摩擦变化等因素[5]。所有这些会因制造公差和老化的影响而对针阀升程的动态性能带来不可预估的影响。这就是迄今为止，非线性区域还未在商用直喷汽油机的传统喷油策略中得以应用的原因。

为了在弹跳工作模式期间也能达到期望的喷射目标，并将电磁阀喷油器扩展应用于小油量喷射，需要获得弹跳工作模式时实际喷油量的实时信息。基于这些信息，可以通过闭环算法实时调整喷油器的通电时间来获得需要的喷油量。

图2和图3所示为线圈通电300μs时喷油器低端电压信号和相应喷油量的曲线。对2组曲线分析的结果表明，当喷油量消失时电压信号都出现了拐点。在其他几种线圈通电时间下也证实了这一特性。

图1 同一系列的2种喷油器的喷油率特性曲线

图2 线圈通电300μs时喷油器低端电压信号和相应的喷油量曲线的比较

图3 线圈通电300μs时喷油器低端电压信号和相应喷油量曲线的比较

比较喷油量和电压差信号的曲线也发现了类似的关系。当喷油量消失时电压差信号也出现拐点(图4)。

图4 线圈通电300μs时喷油器电压差信号和相应喷油量曲线的比较

在断电阶段，低端电压信号和电压差信号都会出现拐点，此时喷油器线圈断电，并会产生自感电压。在这个阶段，电压信号不仅包括了会对涡流电流衰退产生作用，还会对线圈断电时针阀运动产生作用，针阀的振幅取决于针阀速度。由于在针阀关闭前针阀速度已达到最大值，因而此时电压信号出现拐点。基于这一特征，可以通过适当处理喷油器的电压信号来获取针阀关闭的实时信息，进而得到实际燃油喷射量的信息。利用此信息可以在弹跳喷油工作模式时实时将喷油量调整到目标值。

3 弹跳喷油工作模式的实时补偿算法

图5展示了弹跳射喷油工作模式时进行喷油量实时监测和补偿的1种可能的控制结构。

图5 弹跳喷油工作模式时喷油量实时补偿的闭环控制算法

在研究工作中，对该控制算法的第一部分进行了推演和试验。

如图5所示，断电线圈中的电压差分信号首先由低通滤波器进行过滤，以减少重叠噪声。然后，滤波后的信号与参考电压信号(Vref)进行对比。

参考电压信号Vref是线圈断电时，利用1个不会使针阀产生任何运动的电控信号(如1个非常短的信号脉冲)感生的电压。因此，这个信号仅仅与涡流电流消退产生的自感电压有关，不包括上面提到的针阀运动的因素。这样，电压信号与参考电压信号差值可以分离掉针阀运动产生的影响，从而能以较高精度确定针阀关闭的时间。在实际应用中，参考电压信号既可以在发动机标定时生成，也可以由发动机电控单元(ECU)定期生成，以便考虑到喷油器老化的影响。

对由电线圈电压差信号与参考电压信号的差值获得的信号进行处理后，就能计算时间的最大值(或者最小值，取决于差值的符号)。这个时间就相当于喷油器针阀关闭的时间。

能够测定针阀关闭的时间意味着能够测定喷油量。事实上，可以证实的是，对于电磁阀喷油器，当开启延迟无变化时，喷油量与针阀关闭的时间直接相关。对于本研究中试验用的喷油器，其针阀关闭时间与相应喷油量的关系如图6所示。

图6 试验用喷油器喷油持续时间与喷油量的关系

图6中清楚显示了喷油持续时间(即电控信号开始发送到针阀完全关闭经历的时间)与喷油量之间呈线性关系(斜率0.98)。这种关系与所用的特定喷油器(同一系列)无关，在弹跳式喷油时也是如此。

基于这种关系，一旦由电压信号检测到喷油持续时间，这种算法就可以计算出实际喷油量。随后可以将实际喷油量与之前设定的目标喷油量进行比较，利用比较的结果，可以确定线圈通电时间修正值。然而，该算法的通电时间修正(它与误差补偿有关)在本研究阶段尚未进行说明，它将是未来的开发目标。

本文提出的整个算法已在STM32微控制器(STMicroelectronics公司生产)上利用STM32F3 DISCOVERY评定模板进行了推演。本文后续部分将详细介绍部分算法的详细实施过程。

4 电压差信号的过滤

为了降低电压差信号的重叠噪声，设计了1种专用的数字滤波器。为此，通过快速傅里叶转换(FFT)对信号进行频谱分析(图7)。

图7 300μs线圈控制时间内电压差信号的FFT

图8 电控信号脉冲300μs时归一化到最大功率的电压差信号的功率谱密度的积分曲线

图8是归一化到最大功率的电压差信号在整个功率谱密度频率范围内的积分特性。图中的线圈通电时间为300μs，但在其他电控信号脉冲持续时间下也发现了相似的特性。

基于频谱分析的结果，选择了1种系数为40和截止频率为12kHz的低通滤波器。从图8的分析可以推断，12kHz截止频率就是电压差信号的功率谱达到最大功率95%时的频率。

5 喷油器针阀关闭时间的计算

图9是1个由滤波后的电压差信号与参考电压信号的差值获得的信号实例。如上所述，确定了这一差值信号出现最大值的时间，就能计算出喷油器针阀关闭的时间。

图9 由过滤波后的电压差信号与参考电压信号之差值获得的信号

在STM32微控制器上，执行计算喷油器针阀关闭时间的算法时，需要采用如下几个辅助设备： (1) 比较器，它能在达到电压阈值时起到模数转换器的功能。比较器的使用可以在断电阶段，也能在喷油器线圈断电时阻制线圈电压信号采集；(2) 模数转换器，其功能是采集线圈电压信号；(3) 计时器，用于记录电控信号脉冲结束到针阀关闭经历的时间。

表1是该算法运行后的性能结果。表中列出了在几种线圈通电时间下，喷油量消失的时间(tflow)和用本文提出的算法计算的针阀估计关闭时间(tneedle)的比较结果。

表1 喷油量消失的时间和相应的针阀关闭估算时间的比较

由表中数据可见，估算的针阀关闭时间与喷油量消失的时间两者的最大误差是15μs，平均误差是7.5μs，标准偏差是4μs。这些结果证实，本文提出的算法有能力预测弹跳喷油模式下的实际喷油量，因而能将它实时修正到目标喷油量。该算法中的喷油量修正和在汽油直接喷射发动机上的试验是未来开发的目标。

6 结语

汽油直接喷射发动机采用多次喷油策略需要进行多次小油量喷射，从而促使传统电磁阀喷油器处于弹跳式喷油工作模式，这时线圈的通电时间与喷油量之间呈现明显的非线性关系。

本文介绍了1种能控制小油量喷射的闭环控制系统。通过对弹跳式喷油的合理控制，该控制系统能提高汽油直接喷射电磁阀喷油器的小油量喷射能力。

该控制系统是基于在线圈断电阶段发现的电压控制信号的1种特殊特性而提出的。特别是，发现喷油器针阀关闭时对应的线圈电压信号会出现拐点。

基于这个特性，本文提出的算法通过对喷油器电压信号的恰当处理，可以获得针阀关闭时间的实时信息，进而得知实际喷油量。

整个算法已在1台STM32微控制器上利用一些专用辅助设备进行了推演使用。

本文详细描述了该算法中某些部分的详细执行过程。特别是介绍了线圈电压信号的滤波和喷油器针阀关闭时间检测的详细情况。

执行该算法能检测喷油量消失的时间，其平均误差为7.5μs，标准偏差为4.5μs。

[1] Schwarz C, Schünemann E, Durst B, et al. Potentials of the spray-guided BMW DI combustion system[C]. SAE Paper 2006- 01-1265.

[2] King J, Schmidt L, Stokes J, et al. Multiple injection and boosting benefits for improved fuel consumption on a spray guided direct injection gasoline engine[C]. FISITA 2012 World Automotive Congress, 2012.

[3] Bosch W. The fuel rate indicator： a new measuring instrument for display of the characteristics of individual injection[C]. SAE Paper 660749.

[4] Wallace I. Injectionrate rate gauge： pass off information and user instructions[J]. Fuel & Engine Management Systems, Graz, December, 2002.

[5] Parotto M, Sgatti S, Sensi F. Advanced GD iinjector control with extended dynamic range[C]. SAE Paper 2013-01-0258.

陈 佳 译自 SAE Paper 2015-24-2428

朱炳全 校

虞 展 编辑

2016-04-26)