车载高压共轨柴油机燃油喷射系统控制策略分析(上)

◆文/江苏 高惠民

一、概述

随着汽车社会的高速发展，能源危机和环境污染问题日趋严重。为解决这两大问题，世界各国都制定了发展节能与新能源汽车技术路线，并且不断革新着汽车动力装置——发动机。传统的汽车发动机主要包括汽油机和柴油机。相对于汽油机来说,柴油机的显著优点就是油耗较低。在排放方面，汽油机废气中的一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)和氮氧化合物(NOx)比较容易处理，而柴油机废气中CO、HC的排放量很低, NOx与碳烟颗粒(PM)的排放量却比较高，而且很难同时降低NOx与PM。因此，世界各国在采用柴油机作为汽车动力的同时，对其排放控制提出了越来越高的要求，这也促进了车载柴油机控制新技术的相继问世。尤其是高压共轨柴油机电控燃油喷射系统的研制成功,改变了传统燃油喷射系统的基本组成和结构,使柴油发动机越来越成为汽车动力的主流，柴油机电控技术也成为当前内燃机节能技术的主要发展方向。

二、柴油机汽车排放法规与电控技术的发展历程

1.柴油机汽车排放法规

从2001年开始，我国先后实施了《轻型汽车污染物排放限值及测量方法》国Ⅰ到国Ⅴ的排放标准。2016 年12月，又发布了国Ⅵ排放法规，为了给车企一定的缓冲时间，该标准设有6a和6b两个排放限值方案，分别将于2020年和2023年实施，具体的排放限值如图1。与现国Ⅴ标准比较，国Ⅵ标准具有下列不同：(1)测试循环从 NEDC(新标欧洲循环测试) 循环变成 WLTC 循环(全球轻型车统一测试循环)；(2)加严了测试要求；(3)采用燃料中立原则，对柴油车 NOx 和汽油车 PM 不再设置较松限值，而是采用相同限值要求，比国Ⅴ标准严格了50%左右；(4)增加了实际道路行驶排放测试；(5)加严了蒸发排放控制要求；(6)增加排放质保要求；(7)引入OBD控制要求，实时监测车辆排放状态。因此，严厉的排放标准实施，有力推动了车载柴油机电控技术的快速发展。

图1 轻型柴油车第六阶段污染物排放限值

2.电控柴油机汽车燃油喷射系统的发展

电控柴油机汽车燃油喷射系统已经经历了三代变化。第一代为位置控制式的电控燃油喷射系统,此系统中将机械式调速器和提前器换成电子控制的机构,燃油的压送机构和机械式燃油系统相同。喷油量根据ECU指令由齿杆或溢油环的位置进行控制,喷油时间由发动机曲轴和凸轮轴的相位差进行控制。第二代为时间控制式的电控燃油喷射系统,采用高速电磁阀式喷油器对喷油量和喷油时间进行时间控制。燃油升压通过喷油泵或发动机凸轮来实现，升压开始时间(与喷油时间对应)和升压终了时间(升压开始到升压终了的时间与喷油量对应)由电磁阀的通断控制，控制自由度得到了很大提升。第三代为时间压力控制式电控燃油喷射系统。这种系统的特点是有一个各缸共用的高压燃油容腔。这一高压油腔称为高压油轨或简称共轨。一般共轨被安装在汽缸盖侧方呈管状与机身长度方向平行。在与各汽缸相对的位置,引出高压油管连接对应汽缸的喷油器。共轨系统的喷油器受电驱动信号控制。当存在驱动电流时,共轨系统喷油器的高速电磁泄压阀会被打开,引发喷油器针阀两端压力差升高、针阀抬起、燃油喷入汽缸。由于这种系统在油轨内压力一定时,每次供油量大体与供油时间成正比,因此也被称作时间压力式控制系统。高压共轨系统具有很突出的特点：(1)燃油喷射压力独立于柴油机的转速和负荷。在柴油机低速下,仍可实现较高的燃油喷射压力。这可以使柴油机低速低负荷时的性能得以改善；(2)对喷油时间和喷油量的控制非常自由；(3)对喷油规律的调节能力很强。喷油控制仅取决于高速电磁阀这一运动件,由于这个运动件质量比较小,因此运动惯性也很小。实际控制时可以实现在一个工作循环内的多次喷射，有效地改进燃烧效果；(4)能够实现很高的燃油喷射压力，目前已达到180～200MPa；(5)适应性较强，可以用于多种柴油发动机。由于共轨系统这些优异的性能，实现对柴油机燃烧压力的变化率较好地控制，燃烧噪声得到了改善。与此同时对柴油机本体也进行优化，如新型燃烧室设计、可变截面涡轮废气增压(VGT)、降低压缩比、增大EGR冷却效率、可变气门正时(VVT)、进排气道结构优化等，特别是结合排放后处理系统选型(催化氧化转换器DOC+颗粒过滤器DPF系统或DOC+DPF+选择尿素溶液还原的SCR系统)，拓宽了柴油机的使用领域。实现对排放更好的控制。

三、高压共轨柴油机喷油系统组成与控制

1.高压共轨柴油机喷油系统组成

高压共轨柴油机电控燃油喷射系统主要由两大部分组成，燃油供给系统和电子控制系统。燃油供给系统主要由低压油路和高压油路组成(图2)。

主要零部件有高压油泵。调压阀、高压蓄压器(共轨管)、喷油器。高压油泵中的输油泵将燃油从低压油路吸入，并通过油泵柱塞加压成高压燃油供入高压油路共轨内。储存在共轨内的高压燃油在适当的时刻和适当的量通过喷油器喷射到发动机汽缸内。喷油器的开启与关闭受电子控制单元(ECU)的控制。

图2 高压共轨柴油机燃油供给系统组成

高压共轨柴油机电子控制系统主要由各种传感器、电子控制单元(ECU)和各种执行器三大部分组成(图3)。

图3 高压共轨柴油机电子控制系统组成

电子控制系统使用的传感器，基本结构和原理与汽油机电子控制燃油喷射系统的传感器基本相同。电子控制单元(ECU)接收各种传感器送来的信息，输出的信号用于操作执行器工作。也就是说，由各种传感器采集的数据都被送入ECU，在ECU内部与预先存储在存储器中的经过大量试验得到的最佳喷油量、喷油时间和喷油规律的MAP图(脉谱图)进行比较、计算出当前的最佳参数，并转换成电流信号指令发送给执行器。执行器包括电动输油泵、油压调节阀、电子节气门、喷油器以及废气再循环等部件，喷油器根据ECU指令按照最佳的喷油量、喷油正时和喷油规律喷油。

2.高压共轨柴油机喷油系统控制策略

高压共轨柴油机电控燃油喷射系统控制框图如图4所示。高压共轨柴油机燃油喷射系统控制具体内容如下。

(1)喷油量控制

目标喷油量的确定包括计算基本喷油量、计算最大喷油量、比较基本喷油量与最大喷油量，图5所示为喷油量控制策略示意图。

图4 高压共轨柴油机电控燃油喷射系统控制框图

首先电控单元(ECU)通过油门踏板位置传感器和发动机转速传感器测量获取柴油机工况信息,在柴油机工况信息获知的基础上结合喷油量MAP,确定基本喷油量, 然后再结合发动机水温等信息对基本喷油量进行修正，图6所示为基本喷油量、最大喷油量、喷油量修正值曲线图，确定修正值后与当前转速下进气量(进气压力)所对应的最大喷油量相比较(最大喷油量是全负荷烟度限制的喷油量),取较小的值为最终目标喷油量，图7所示为加速踏板60%为恒速驱动，加速踏板100%为加速驱动时的目标喷油量曲线图。最后通过查询与共轨压力、喷油量相对应的喷射脉宽MAP图,确定喷射脉宽输出至喷油器,完成喷油控制。

图5 喷油量控制策略原理图

图6 基本喷油量、最大喷油量、喷油量修正值曲线图

图7 目标喷油量曲线图

(2)喷油压力控制

在高压共轨柴油机喷油系统中，燃油压力的产生与喷射是分开的，并且燃油压力的产生与发动机转速和喷油量无关。因此必须针对其共轨压力建立和释放的过程,建立独立的调节机制,才能使共轨压力稳定在需要的范围内,为柴油机工作提供保障。根据系统不同，燃油压力的调节采用不同的方式，图8所示为共轨系统高压调节方式。

图8 共轨系统高压调节方式

①高压侧燃油压力调节

在轿车用共轨喷油系统中，所期望的共轨压力由压力调节阀调节，如图8a所示。不需要喷射的燃油则通过压力调节阀返回到低压回路。这种调节方式能够使共轨压力迅速地适应发动机运行工况变化时(例如负荷变化时)的油量需求。压力调节阀大多安装在共轨上，在个别应用场合也有安装在高压燃油泵上的。

②进油油量调节

调节共轨压力的另一种方式是进油油量调节如图8b所示。进油计量单元通过法兰连接在高压燃油泵上。使高压燃油泵能够将精确的燃油量输送到共轨中去，由此就能维持系统所必须的喷射压力。限压阀能在系统发生故障时防止共轨压力出现不容许的异常升高。采用进油油量调节的方式可减少被压缩到高压侧的燃油量，因而减小了高压油泵的驱动功率，对发动机燃油消耗产生有利效果。此外，与调节高压侧燃油压力的方式相比，可降低返回的燃油箱的燃油温度，但在发动机冷态时则不利于燃油的加热。

③双调节系统

双调节系统如图8c所示是将采用进油计量单元调节进油侧压力的方法与采用压力调节阀调节高压侧压力的方法组合起来，它综合了两种调节方式的优点。与单一的进油侧调节比较，克服了在发动机负荷快速变化时，共轨中的燃油压力降低延续时间太长，燃油压力适应负荷状况变化动态响应过于迟钝，特别是压电直接控制喷油器的情况下，因燃油仅有少量的内部泄漏，更可能出现的这种情况。所以，好些共轨喷油系统除了高压油泵带有进油计量单元之外，另外还附加有一个压力调节阀。采用这种双调节系统能将低压侧调节优点与高压侧调节有利的动态性能结合起来。

喷油压力是通过安装在高压共轨上的共轨压力传感器进行测量，然后把测量信息发送给电控单元ECU，ECU根据基本喷油量和最大喷油量以及发动机负荷、温度等信息进行修正，计算出目标燃油喷射需要的压力，控制燃油压力调节阀。

(3)喷油正时控制

如图8c所示，柴油机的燃烧很大程度上是由柴油机的喷油正时所决定,不仅如此,喷油正时还影响着柴油机的经济性、排放性以及运行的柔和度。喷油过程中,喷油提前角不能过大,也不能过小。过大的话,将引起柴油机工作粗暴,着火延迟期将会变长,由于喷入缸内的燃料过多,会增加柴油机的压缩负功,导致功率下降,燃油消耗率也会增加。喷油提前角过小的话,会引起后燃现象,排气温度会增加,燃油消耗率增加,对涡轮增压也会产生负面的影响。所以,喷油提前角需要针对柴油机的不同负荷,精确控制喷油正时。

控制好喷油正时是共轨喷射控制技术的关键之一,基本的控制原理就是利用基本值加上补偿值,其中基本值就是通过柴油机的转速与喷油量MAP查询确定的, 补偿值主要包括冷却水温补偿、进气温度补偿、进气压力补偿等，图9所示为喷油正时控制策略原理图。

图9 喷油正时控制策略原理图

由于较低的温度会影响燃烧的延迟,因此引入进气温度补偿,结合标定的MAP获得补偿量。在柴油机运行时,行驶道路的海拔高度不一样,会使进气压力发生变化,导致柴油机某些硬件损坏,使用进气压力补偿会使由于海拔高度造成的影响降到最低。喷油正时的控制实际上就是对喷油起始点的确定,准确控制喷油起始点,就是实现了精确的喷油正时控制。喷油起始点即是对喷油驱动信号上升沿的确定,由喷油时间再确定喷油驱动信号下降沿。其中喷油驱动信号的触发沿可以通过发动机转速信号和上止点信号确定。

(4)喷油规律控制

由于高压燃油泵产生共轨压力与燃油喷射无关，喷油压力在喷射过程中基本恒定不变(图10)。在给定压力下，喷油量与喷油器电磁阀通电时间成正比，而与发动机或喷油泵的转速无关(时间控制式喷射)，这样就能得到近似矩形的喷油规律。因其喷油持期间短，并且高的喷束速度基本保持不变，因此提高了全负荷时的空气利用率，获得较高的升功率。但是这对降低燃烧噪声是不利的，由于喷油开始时喷油速率高，在着火滞后期内喷入燃烧室的燃油量较多，这将会导致预混合燃烧期间较高的压力升高。采用多达两次的预喷射，可以调整燃烧室内的温度，从而缩短着火滞后期，达到最小的燃烧噪声值。同时实施多次喷射控制，为发动机各种不同的运行工况点自由确定喷油始点、喷油持续时间和喷油压力，从而优化发动机的转矩,减小排放和燃油消耗率。

现代的压电共轨喷油系统能够实现更多次的预喷射和后喷射，最多能够在一个工作循环期间喷射5次。

(5)喷射功能

根据车载柴油机用途，需要下列功能(图11)。

图10 共轨燃油喷射系统喷油规律

图11 多次喷射功能

①预喷射1：用于降低燃烧噪声和NOx排放，特别是在直喷式柴油机上；②主喷射2期间的压力曲线：用于无EGR运行时降低NOx排放；③主喷射期间的靴形压力曲线4：用于无EGR运行时降低碳烟颗粒排放；④主喷期间恒定不变的高压2-7用于有EGR运行时降低碳烟颗粒排放；⑤早后喷射8：用于降低碳烟颗粒排放；⑥晚后喷射。