柴油机多次喷射干扰的喷油脉宽评估方法及抑制策略

王正江，申立中，姚国仲，黄粉莲，万明定

（昆明理工大学云南省内燃机重点实验室，昆明 650500）

0 引 言

节能减排是柴油机技术发展的方向和要求。世界各国相应发布了更加苛刻的排放法规来规范柴油机产品的排放，中国将于2020 年7 月1 日正式实施国六轻型车排放标准[1]。高压共轨燃油多次喷射技术是柴油机满足日益严格的排放法规和改善燃油消耗的关键机内净化技术之一，被广泛应用于现代柴油机中。

大量的研究结果表明，通过实现多次喷射，能够有效降低NOx 和PM 排放[2-7]，并降低柴油机噪声[8-11]，通过后喷能够实现排气温度控制，为柴油机DPF 再生提供条件[12-14]。随着计算机技术的发展，计算机数值模拟方法被广泛应用到多次喷射对缸内燃烧以及柴油机性能的影响研究中[15-19]。柴油机控制系统越来越复杂，控制参数的标定量呈指数增长[20-21]。多次喷射的不同组合更是增加了柴油机控制参数优化匹配的难度和工作量。因此国内外研究者对多次喷射的参数优化与匹配做了大量研究，一些先进的优化方法和技术被应用到多次喷射控制参数优化中并取得了较好的效果[21-26]。

多次喷射技术能够对柴油机喷油实现灵活精确的控制，从而优化柴油机的各项性能。国外在高压共轨燃油喷射技术方面具有成熟的技术储备和产品，如德国博世、美国德尔福、日本电装等，但关于控制策略的研究报道较少。国内在柴油机电控技术方面起步较晚，对多次喷射的协调控制策略方面的研究较少，主要是对喷射次数协调控制及整体控制架构的研究。徐劲松等[27]对多次喷射轨压波动油量修策略进行了研究，通过对喷油量脉宽进行预修正以提高喷油执行精度。祝轲卿等[28]基于GD-1高压共轨燃油喷射系统，研究了多次喷射中各部分喷油对柴油机性能和排放的影响，分析和设计了预喷使能、后喷使能和总控制字等几方面的多次喷射控制策略。韦雄等[29]基于GD-1 电控柴油机高压油泵设计了适应于多次喷射的高压油泵策略控制策略，通过高压油泵允许的最大喷油次数协调多次喷射发生的总次数。王本亮等[30]提出了针对预喷、主喷和后喷的多次喷射协调控制策略，对最大喷射次数进行了优先级管理，对喷油角度进行了限值协调。

本文以某型高压共轨柴油机为研究对象，在不同工况点研究了预喷与主喷以不同程度重叠时对喷油器驱动电流及柴油机性能的影响，并针对多次喷射控制状态字中的喷油角度释放条件状态位，提出了基于喷油脉宽评估方法的喷油角度干扰抑制策略。通过Simulink 搭建控制策略及生成代码，并基于自主开发的ECU 完成了干扰抑制策略的试验验证。基于喷油脉宽评估的角度协调策略能够保证预喷在合理的角度范围内喷射，可为柴油机多次喷射的喷油角度协调控制提供理论依据。

1 试验设备与试验方案

1.1 试验设备

试验台架如图1 所示。柴油机为某型号四缸高压共轨中冷柴油机，基本参数见表1。喷油器为博世CRI1-18，提升电流为17.5～18.5 A，保持电流为11.5～12.5 A。ECU为自主开发的带ED 芯片的高压共轨柴油机电子控制单元。通过美国英特佩斯公司的ValueCAN3 建立标定软件INCA 与ECU 的数据交换，并通过INCA 进行控制参数在线修改。测功机为奕科EIM0301 水涡流测功机，其他仪器包括AVL AMA i60 气体排放分析仪、AVL 622 燃烧分析仪、RCCS31 瞬态油耗仪等。

图1 试验台架布局图 Fig.1 Schematic diagram of bench test

表1 发动机基本参数 Table 1 Basic parameters of engine

1.2 试验方案

为了研究预喷与主喷不同程度重叠在不同工况下对柴油机性能的影响，选取不同转速和不同负荷的3 种工况（1 200 r/min、 25%负荷；2 000 r/min、50%负荷和 2 800 r/min、75%负荷，分别记为工况A、B、C）进行试验，试验中没有对EGR 进行控制，EGR 阀处于关闭状态。预喷与主喷重叠程度的定义如图2 所示。重叠程度用-100%～100%表示。-100%表示预喷结束与主喷开始之间的间隔为预喷喷油脉宽对应的曲轴转角；-50%表示预喷结束与主喷开始之间的间隔为预喷喷油脉宽对应的曲轴转角的50%；0 表示预喷与主喷开始重叠；50%表示预喷与主喷的重叠角度为预喷的喷油脉宽对应角度值的50%；100%表示预喷与主喷的喷油提前角相同，此时完全重叠。

图2 重叠程度定义示意图 Fig.2 Schematic diagram of overlapping percentage definition

预喷脉宽和预喷最小时间间隔通过式（1）转换为对应转速下的曲轴转角，并根据重叠程度的定义及预喷脉宽，计算得到各试验工况下的预喷喷油提前角。试验工况及喷油参数见表2。预喷与主喷的喷油提前角是相对于上止点的绝对角度值，负值表示上止点前，正值表示上止点后。具体的试验方案是：在各工况下，将喷油压力、主喷提前角、预喷喷油量设为对应工况下的原始值并保持不变。通过INCA 标定软件修改预喷的喷油提前角，使其分别在每种工况下以-100%、-50%、0、50%和100%与主喷发生重叠，分析不同程度重叠对喷油器驱动电流和柴油机燃烧、经济性及排放性能的影响。

式中φ 为预喷脉宽或预喷最小时间间隔对应的角度值，°CA；T 为预喷脉宽或预喷最小时间间隔，us；n为发动机转速，r/min。

表2 试验工况及控制参数 Table 2 Working condition and control parameters

2 结果与分析

2.1 预喷与主喷重叠对喷油器驱动电流的影响

图3 为3 种工况下预喷与主喷不同程度重叠时，喷油器驱动的提升电流。试验结果表明，喷油重叠对喷油器驱动电流的影响主要与重叠程度有关，而与工况无关。0 和50%重叠时喷油器的驱动电流峰值约为喷油器规定电流的2 倍。

图3 不同重叠程度下的最大驱动电流 Fig.3 Maximum current under different overlapping percentage

图4 为A 工况下，预喷与主喷不同程度重叠时喷油器驱动电流的偏移图。当重叠度为-100%和-50%时，预喷与主喷没有发生重叠，对驱动电流影响不明显。当重叠度为0 和50%时，喷油器驱动电流分别被抬升至38.4 和39.2 A 左右。原因是预喷驱动电流还没有降低时，主喷驱动进一步抬升驱动电流，使驱动电流增加。重叠时的驱动电流远大于喷油器规定电流，因此极有可能对喷油器或ECU 造成损坏。驱动电流的维持使得喷油器一直处于打开状态，因此2 次喷油合并为1 次喷油。然而，喷油控制策略仍以“预喷+主喷”的方式进行控制，相应的控制参数并不适合单次喷射的情况，因此需要从控制策略上避免2 次喷射的重叠。

图4 A 工况下不同重叠程度下喷油器的驱动电流 Fig.4 Injector current under different overlapping percentage under working condition A

2.2 预喷与主喷重叠对缸内燃烧过程的影响

图5 为A、B、C 工况的缸压及瞬时放热率曲线。由于A 工况的提前角比较小，燃烧发生在上止点之后，缸压曲线为双峰曲线，第1 峰为止点压缩压力，第2 峰为燃烧阶段的最大燃烧压力。B 工况下，当重叠度为100%时，缸压曲线也为双峰曲线，一方面喷油提前角减小，另一方面，2 次喷射重叠，滞燃期延长，因此重叠度为100%时，燃烧在上止点附近发生。由于C 工况的喷油提前角较大，因此缸压曲线为单峰曲线。当2 次喷射重叠后，预喷效果消失，滞燃期内参与燃烧的油量增加，瞬时放热率增加，缸内爆发压力增高。而A 工况下2 次喷射重叠后，随着预喷提前角推迟，燃烧往后移动，发生在活塞下行阶段，缸内最高燃烧压力及瞬时放热率呈下降趋势。

图5 不同重叠程度下柴油机缸压及瞬时放热率 Fig.5 Cylinder pressure and instantaneous heat release under different overlapping percentage

图6 为预喷与主喷不同程度重叠时的着火延迟角。着火延迟角定义为主喷提前角与燃烧分析仪测得的燃烧始点的差值。当重叠程度为0、50%和100%时，由于预喷与主喷合并为1 次喷射，着火延迟角根据预喷喷油提前角与燃烧始点的差值计算。重叠程度0 与-50%相比，3个工况点的着火延迟角度分别增加4.1、4.8 和5.2 °CA，增幅分别为86.7%、115%和99%。

图6 不同重叠程度对着火延迟角的影响 Fig.6 Effects of different overlapping percentage on ignition delay angle

图7 为预喷与主喷不同程度重叠对柴油机燃烧的影响。由图7a 和7b 可知，当预喷与主喷重叠后，缸内最大燃烧压力和最高燃烧温度均有增加，重叠程度0 与-50%相比，3 种工况的缸内最大燃烧压力的增量分别为0.865、0.971 和1.5 MPa，增幅分别为15%、10%和12%；最高燃烧温度的增量分别为319、31 和40 ℃。增幅为25%、2%和2%。原因是预喷与主喷重叠后，滞燃期增加，预混燃烧的油量增加，缸内爆发压力增大，缸内燃烧温度增加。图7c 为预喷与主喷不同程度重叠时燃烧始点的变化。燃烧始点在燃烧分析仪中定义为累积放热率大于0 时所对应的曲轴转角。一方面，随着预喷喷油提前角减小，燃烧始点也逐渐推迟，整个燃烧过程往后移动。另一方面，预喷与主喷重叠后，燃烧滞燃期增加，燃烧始点后移。图7d 为预喷与主喷不同程度重叠时燃烧噪声的变化。预喷与主喷重叠时燃烧噪声增加明显，重叠度0 与-50%相比，燃烧噪声增量分别为6.65、11.1 和5.4 dB，增幅分别为7%、12%和6%。原因是2 次喷射重叠以后，燃烧滞燃期变长，预混燃烧增加，缸内最大燃烧压力及压力增高率增加，使得燃烧噪声增加。而在A 工况中，随着预喷提前角的减小，燃烧始点进一步后移，燃烧处于活塞下行阶段，最高燃烧压力与压力增高率也随之减小，燃烧噪声随之减小。

图7 不同程度重叠对缸内燃烧过程的影响 Fig.7 Effects of different overlapping percentage on combustion in cylinder

2.3 预喷与主喷重叠对柴油机燃油经济性的影响

图8 为预喷与主喷不同程度重叠时对柴油机燃油经济性的影响。在B、C 工况下，燃烧基本发生在上止点之前，预喷提前角减小以及预喷与主喷重叠对燃油的燃烧做功影响较小，因此B、C 工况下预喷与主喷不同程度重叠对柴油机燃油经济性的影响较小。在A 工况下，随着预喷与主喷接近和重叠，比油耗成增加趋势，重叠程度0 与-50%相比，比油耗增加量为4.1 g/(kW·h)，增幅为1.3%。原因是随着预喷的喷油提前角减小，燃烧始点后移，当预喷与主喷重叠后，缸内燃烧滞燃期延长，燃料在活塞下行阶段燃烧放热，膨胀比较低，释放的热量不能被有效利用，柴油机燃油经济性下降，但总体来说，预喷与主喷的重叠对燃油经济性影响不大。

2.4 预喷与主喷重叠对柴油机排放的影响

图9 为预喷与主喷不同程度重叠对柴油机排放性能的影响。由图9a、图9b 可知，在B、C 工况下，预喷与主喷不同程度重叠对CO 和HC 排放的影响不大。在A 工况下，随着预喷与主喷越来越近，CO 和HC 排放急剧增加， 重叠程度0 与-50%相比，CO 的增加量为150×10-6，增幅为79%，HC 的增加量为16.2×10-6，增幅为30%。原因是低速低负荷工况下扩散燃烧占比较大，局部燃料与空气混合不均匀，浓度较高的混合气因为缺氧不能完全氧化。另外，A 工况的整体燃烧位于上止点后方，预喷喷油提前角减小，使得燃烧进一步往上止点后方移动，燃油得不到足够的反应时间，CO 和HC 排放增加。图9c 为预喷与主喷重叠对NOx的影响。随着预喷与主喷不同程度重叠，NOx排放明显增加，重叠程度0 与-50%时相比，增加量分别为386.7×10-6、49×10-6和173×10-6，增幅分别为87%、7.5%和22.7%。主要原因是预喷与主喷重叠后，滞燃期延长，使预混燃烧的可燃混合气增加，可燃混合气几乎同时燃烧使得急燃期燃烧速率加快，导致缸内燃烧压力和燃烧温度升高，从而导致NOx排放增加。图9d 为不同重叠程度对碳烟排放的影响，当预喷与主喷重叠时，急燃期燃烧速率加快促进后续进入气缸的燃油蒸发，有利于燃油与空气的均匀混合，使得燃烧更加充分，碳烟排放降低。但随着喷油的推迟，碳烟生成量又成上升趋势。

图8 不同程度重叠对比油耗的影响 Fig.8 Effects of different overlapping percentage on BSFC (bracke specific fuel consump tion)

图9 不同程度重叠对排放的影响 Fig.9 Effects of different over lapping percentage on emissions

3 多次喷射干扰抑制策略

3.1 多次喷射协调控制

高压共轨柴油机在当前工作循环能够发生的喷油总次数和喷油组合由一个总控制状态字表示。如图10 所示，总控制状态字的不同位分别代表了不同预喷、不同后喷和主喷，以及各次喷射发生的先后顺序（高位优先）。预喷射的释放条件分别由1 个8 位控制状态字表示，控制状态字的物理含义见表3。其中控制状态字的第4 位为角度释放条件位。当预喷不能在合理的角度范围内喷射时，可通过设置角度释放条件位为0，以关闭对应的预喷射。

图10 多次喷射控制状态字关系 Fig.10 Relationship of state word of multiple injection

表3 预喷状态字的含义 Table 3 Meaning of pilot injection state character

3.2 多次喷射干扰抑制策略设计

预喷干扰抑制流程如图11 所示。策略根据预喷的喷油脉宽对预喷实际喷油提前角进行协调控制，保证预喷不与主喷产生干扰或重叠。

多次喷射干扰抑制策略通过式（2）根据预喷喷油脉宽、最大预喷提前角、主喷提前角和最小喷油间隔监测预喷是否会与主喷发生干扰。根据不同判定情况计算预喷实际喷油角度。当无法通过抑制策略协调预喷在合理角度范围内进行喷油时，通过控制状态字中的第4 位关闭预喷。

式中φ(PiI1_Set)为根据MAP 得到的预喷提前角设定值，°CA；φ(PiI1_Act)为经过协调策略计算后的预喷喷油提前角，预喷最终使用该角度进行喷油，°CA；φ(PiI_Max)为所有预喷允许的最大喷油提前角，°CA；φ(PiI1_Et)为预喷预估脉宽对应的曲轴角度，°CA；φ(PiI_Pse)为预喷最小间隔对应的角度值，°CA；φ(MI)为主喷提前角，°CA。

图11 预喷喷油角度协调流程 Fig.11 Coordination process of pilot injection 1 advance angle

3.3 多次喷射干扰抑制策略验证

为了验证策略的正确性，编写了提前角自动设定程序，并在B 工况下进行干扰抑制策略的验证。为了使预喷能够达到不满足预喷最大喷油提前角的条件，在INCA软件中将允许的最大预喷提前角设为18 °CA，并通过软件开关触发验证试验。验证结果如图12。在1 阶段，由MAP 计算得到的预喷喷油提前角设定值大于最大允许的预喷提前角，策略对预喷以最大预喷提前角喷油进行评估，由于该阶段预喷以最大预喷提前角进行喷油不与主喷发生干扰，因此最终预喷以最大预喷角度进行喷油。试验开始后2 s，程序自动设定预喷的提前角设定值，使其斜坡减小。进入2 阶段，由于预喷提前角设定值小于等于最大值，且抑制策略检测到预喷结束时不与主喷喷发生干扰，因此预喷实际喷油提前角就为MAP 计算得到的喷油提前角设定值。进入3 阶段后，预喷提前角设定值减小使得预喷结束与主喷发生干扰，抑制策略根据主喷提前角推算预喷的实际喷油提前角。因此，随着预喷提前角设定值进一步减小，预喷也不会与主喷发生干扰。预喷提前角设定值达到最小值，3 s 后程序自动设定主喷实际喷油提前角，使其斜坡上升。进入4 阶段，由于预喷喷油结束角度小于主喷提前角，预喷与主喷产生干扰，预喷实际喷油提前角由抑制策略根据主喷提前角进行推算。随着主喷提前角变大，预喷的实际喷油提前角也随之增大，保证2 次喷射不发生干扰。进入5 阶段，由主喷推算的预喷实际喷油角度超过了允许的最大预喷角度，预喷不能发生在合理范围内，此时预喷角度释放条件位被置为0，并且喷油总控制状态字中预喷的激活位被设为0，控制状态字的值由24 变为8。预喷不发生时，喷油提前角及喷油脉宽均被设为0。同理，在1 阶段，如果预喷喷油结束角度小于主喷提前角，那么预喷也会被关闭。

图12 预喷干扰抑制策略试验验证结果 Fig.12 Results of injection interference inhibition strategy of pilot injection

4 结 论

1）预喷与主喷重叠时，预喷驱动电流还没有降低，主喷驱动进一步抬升驱动电流，使驱动电流增加。0 重叠程度下，驱动电流最高被抬升至39 A 左右，约为喷油器规定电流的2 倍。因此，多次喷射重叠时极有可能对喷油器和控制器造成损害。

2）预喷与主喷重叠时，喷油器处于连续开启状态，2 次喷射合并为1 次喷射，预喷的效果消失。重叠程度0与-50%相比，3 种工况下着火延迟角度分别增加4.1、4.8和5.2 °CA，增幅分别为86.7%、115%和99%。缸内最大燃烧压力分别增加0.865、0.971 和1.5 MPa，增幅分别为15%、10%和12%。最高燃烧温度分别增加319、31 和40 ℃，增幅为25%、2%和2%。燃烧噪声分别增加6.65、11.1 和5.4 dB，增幅分别为7%、12%和6%。柴油机的油耗及各项排放性能也受到不同程度的影响。

3）对干扰抑制策略进行了试验验证。抑制策略监测到预喷与主喷会产生干扰或重叠时，能够协调控制预喷发生在合理的角度范围内进行喷油，防止了与主喷发生重叠。当预喷不能满足角度释放条件时，抑制策略能够通过预喷的控制状态字关闭预喷。预喷与主喷的干扰抑制机制可以应用到高压共轨柴油机其他喷射的角度协调控制中，为高压共轨柴油机多次喷射协调控制提供理论依据。