时间控制式柴油机喷油量喷射系统的控制策略分析

朱双华

（湖南汽车工程职业学院，湖南株洲，412001）

0 前言

本世纪初，由于全球对车用汽柴油机排放法规越来越苛刻，控制得逐步严厉，要求汽车发动机的排放值在直线下调，车用柴油机的最常见排放物，如氮氧化物和碳氢化合物及各类微粒均强制要求急剧减少，所以，对车用柴油车尤其是重载发动机车装备更新技术的燃油喷射系统，早已是顺势而为之事，再者，大胆研究与引入先进的燃油系统，同时接纳其它领域有借鉴意义的新技术新策略，又能整体促进车用柴油机更上一层楼，提升到一个全新的阶段。现今一批批企业的产品已经能符合欧Ⅳ、欧Ⅴ排放法规的标准。一批新的技术比如：排气后处理技术、HCCI（均质压燃系统）等都促使车用柴油机技术达到了一个全新的水准，技术发展已经日新月异。一段时间以来，从控制方式上来分类，车用柴油机电控喷射系统可以划分成位置控制式与时间控制式两种。位置控制式的喷油系统一般应用在分配泵与直列泵上。此批产品的结构是沿用最早喷油系统的泵—管—嘴的简单而可靠的机构，还有柱塞偶件、齿条等部件，此类结构的喷油量控制依据电控单元实时改变滑套或齿杆的位移来达成开展目标，喷油正时依托液压控制喷油角提前器，或者采用可变预行程技术来实现。而时间控制式电控喷油系统，则运用可承载高压的柱塞泵为电控喷油系统构建所需喷射压力，采用特制高速电磁阀的开闭状态使柴油机的喷油正时与油量控制成为可能，之中的电磁阀通电维持多少则反映了柴油量的多少，电磁阀起作用的时刻来控制柴油机的喷油正时，此方式使燃油量转变为时间的函数，这和车用汽油机（EF I）电控喷射系统较为类似。时间控制式的柴油机喷油系统一般由电控喷嘴泵（单体泵）、电控分配泵和各种共轨系统组成。

1 柴油机电控单元的结构与逻辑框架

当前面对喷油系统的超高压力，元件的制造技术、机构的可靠性乃至控制技术均需应对超强挑战，随着环保压力的剧增及技术的进步，位置控制式的柴油机电控喷射结构已慢慢被淘汰和取代，时间控制式的柴油机电控系统应运而生。

如图1，所用控制芯片上使用32位的微处理器，此ECU采用模块化设计，各个模块均拥有独立功能与作用。通常有32位CPU（中央处理器单元）、SRAM（片内存储器）、TPU（定时处理器）、QSM（队列串行模块）、QADC（队列式A/D转换模式）和SIM（系统集成模块）等。所有模块之间依托IMB（内部总线）连接一体，而外部扩展的存储器依托EBI（外部总线接口）同系统集成模块模块连接。而前向通道内，则依托接口电路产生的模拟信号输进“队列式A/D转换模式”中，产生的数字信号则输入定时处理器中。后向通道内，定时处理器输出不同执行机构的信号，依托驱动电路使执行器工作；监控模块则依托队列串行模块对ECU展开实时监控。而在整个系统编制软件程序时，既可使用专一功能的软件程序，还能承载超高性能的RTOS（实时操作系统）。

2 一般工况下柴油机喷油量的控制原理与逻辑关系分析

柴油发动机通常由各个循环输进气缸内的燃油量来表征功率的高低，所以控制燃油量称为ECU的主要工作，在柴油机工作时，各个工况根据合适的控制逻辑向喷射系统喷油，整个系统的控制策略如图2所示。

图1 柴油机电控单元结构示意图

在一定的调速特性框架下，电控单元依据油门开度与柴油机转速，得到所需柴油，如是冷车状态下，将直接从表中选择相应的油门偏移量，如是怠速状态则依据目标转速和实际转速的差值，在预设的调速特性中选择的油量上，再增相应修正量，此油量和依据进气压力、温度及转速得到的冒烟极限油量相比较，选最小值，此信息通过油泵特性分析，并折算后获取此刻的喷油持续角度。此处使用的油泵特性，是依据柴油机的循环供油量与转速来选取合适的喷油角度，再叠加根据转速查表获取的延迟角，计算出最后喷油量（值）。在柴油机启动时，因为整个系统有较大的不确定状况，依据选通开关与冷却水温度，ECU即可直接获取喷油正时和油量信息为系统提供控制策略。

一般来说，设计严密的控制策略是ECU软件设计的重要原则，还是柴油机在各个工况下能平顺工作、顺利衔接的基础。而系统喷油正时的控制策略较易实现，当电控单元获得此刻的油量之后，把此信息与柴油机此刻的速度对照，先从喷油脉谱图上查得最小的提前角度，然后依据冷却水温与空气压力精确计算，最后得到真正的供油提前角度。而在启动状态下，电控单元可只依据水温给喷油系统的供油正时角度喷油。

3 特殊工况下柴油机喷油量的控制方法与策略

（1）柴油机启动工况分析。柴油机启动状态有冷启动和热启动两种，冷车启动特别是低温冷启动比较困难，这主要是低温时燃油雾化不好，壁面温度较低，同时机油黏度大，曲轴转动阻力矩相对较大等原因。柴油机电控单元对启动过程采用一定的控制策略。开环控制是一般情况所用的控制策略，即用柴油机的冷却水表征图所处环境与机器自身的情况，用柴油发动机的转速信号表示启动控制的具体进程。冷车启动时燃油雾化通常不佳，因此需要吸入比较多的柴油，一旦冷却水温慢慢变暖，这种情况有所改善，油量降低。另一方面，压缩时混合气温度低将造成滞燃期比较长，有必要相应地增大喷油提前角。喷油量从发动机启动到点火，最终转速稳定一直保持在较高的水平，从转速稳定点开始逐渐减少进入暖车工况。

发动机冷车启动成功后，其工作的环境处于十分不利的状况，控制单元需要给发动机提供额外的油量，保证发动机在这种运行工况下不灭车，使之尽快离开这种工作状况。暖车控制在发动机的基本供油量的基础上附加暖车修正系数，实际对应的是油门的附加量，冷却水温度为参考量查取暖车修正系数，随发动机冷却水温度的提高，暖车修正量逐渐减少，当冷却水温达到某一值时，暖车过程结束，不再向发动机提供额外的供油量，并进入怠速工况。

（2）柴油机怠速工况分析。就拿车用柴油机来讲，怠速工况通常作为其工作的重点环节来控制，时间控制式柴油机喷油量喷射系统设计的控制点主要有前馈控制（开环）、PID调节（闭环）以及各缸均匀性控制等。首先根据发动机的状态确定目标怠速转速，这里考虑的是水温低的时候让怠速转速稍高一些，反之则低一点。根据目标转速获取基本油量提供给发动机，再将发动机的转速信号引回，比较与目标转速的差，随后进行增量式的PID调节。

一般情况下，对柴油机油量设计两种限制情况，其一是车主自身确定的外特性曲线，其二为所有工况点对应的冒烟极限油量。柴油机运行区域内能依据所处状况的各异自己描述外特性曲线。而限制冒烟极限油量则通常存在与柴油发动机的瞬态工况或大负荷低速区。对于外特性限制油量往往在指标工作结束后就确定下来，但如果需要，在具体使用过程中仍然可以实时修改。冒烟极限油量的确定有两种方法，一种是采用基于模型的控制，认为冒烟极限油量与发动机的转速和进气压力存在直接关系，另一种是通过查表获得。

4 小结

综上所述，柴油机在调试与实际工作中均将产生部分意外状况，如负载忽然卸下将导致转速迅速升高、机油的泄漏或消耗导致压力过低等，这时操作人员往往没时间开展任何动作，柴油发动机会马上处于一种非常严重且恶劣的运行工况，因此在电控单元的设计中应把“保护工况”纳入重要设计环节。一般保护工况有、机油压力过低与超速保护，其他的工况下则按照预先设计的调速特性来执行。