采用闭环调节回路的柴油机喷射系统

2019-11-07WINTRICHROTHEBUCHERHITZ

汽车与新动力 2019年5期

【德】 T.WINTRICH S.ROTHE K.BUCHER H-J.HITZ

1 可靠的系统设计

随着在实际行驶条件下对废气排放测量的实施,对满足法规规定的汽车排放限值的要求也得以相应提升。为此,针对动力总成系统开展的整体评估具有重大意义,以便能同时考虑到对功率、燃油耗、噪声特性和废气排放的要求。

未来优化方案的重点是进一步降低氮氧化物(NOx)排放,以便可在整个使用寿命期内的所有环境影响下,在实际行驶过程中满足当今和未来的废气排放限值[1],同时还需继续保持柴油机动力装置CO2排放较低的优势。除了空气系统和废气后处理系统之外,喷油系统通过在喷油策略方面较大的自由度与较高的计量精度相结合,从而能对柴油机燃烧过程的总体优化作出重大贡献,其中在技术上具有较高精确度的零部件与复杂使用功能之间的相互配合起到了决定性的作用。已采取的和目前在开发中现有的涉及到喷油系统零部件的措施都是针对改善CO2平衡和计量精度而设计的[2],因此已具备较为可靠的基础,但对于高功率目标和复杂的燃烧/喷油策略以及设计敏感性较高的应用场合而言,集成闭环调节回路是非常重要的附加措施,可以可靠地满足整个使用周期内发动机整个系统的更高要求,以此大幅推动了集成闭环调节回路方案的应用。

2 针阀闭环控制方案

在对采用电磁阀式喷油器的柴油机共轨喷油系统(CRS)的进一步开发过程中,再应用这种被命名为“针阀闭环控制(NCC)”的技术能够通过喷油持续期的闭环(CL)调节显著地改善喷油精度,特别是对于在实际行驶过程中要求较高的喷油模式而言(图1)。

图1 NCC系统方案

3 传感器

CL调节回路的核心是集成在电磁阀式喷油器中的压电传感器,其可用于采集喷油过程中具有代表性的特征,并被称为针阀关闭传感器(NCS)。从CRI 2-2x一代起电磁阀式喷油器的压力补偿开关阀就被设计成通过中心衔铁销即可灵敏地对喷油器特征变化作出反应,这种集成的传感器直接通过该衔铁销就能在相对较低的结构复杂性情况下可靠地识别该特征。

传感器的信号与中心衔铁销下方阀室中的压力变化成比例。根据图2中所示的阀室压力曲线,应用电控单元中为此提供的最佳算法即可探测到下列特征：(1)电磁阀开启,即喷油始点;(2)阀针换向回程点;(3)针阀关闭(喷油持续时间)。

图2 第二代共轨喷油器中采用NCC进行探测

4 系统描述

在无CL调节回路的常规共轨喷油系统中,用于喷油量计量的基准喷油器总成电磁阀控制时间与共轨压力的关系储存在控制持续时间特性曲线场中。但是即使电磁控制时间相同,不可避免会存在喷油器误差,在整个使用周期内以及冷起动或高负荷行驶时的温度变化,都会导致各个喷油器的喷油持续时间存在一定差异,从而导致其相对于基准喷油器总成会产生一定的喷油量偏差。因为在喷嘴阀针升程可控的伺服喷油器中液压喷油持续时间与喷油量之间存在着较好的相互作用关系(图3),因而在NCC系统中电磁控制持续时间被转换成液压喷油持续时间,其被布设在基准喷油器总成的一个附加特性曲线场中。

5 预调节

喷油器中的压力波和气缸背压等参数对喷嘴针阀动力学和喷油速率大小具有决定性的影响,在软件预调节模块中通过物理模型来描述(图4)。预调节的主要功能是通过针阀控制方面的干预,与喷油器样本无关地修正喷油始点和喷油持续期,以补偿已知因素对喷油时间点和喷油量的影响。

图3 喷油持续时间与喷油量之间相互关系示意图

图4 NCC调节和自适应结构

与常规喷油系统仅可对最终控制结果进行干预相比,通过采用NCC软件结构新添加对喷油始点的修正,经过预调节途径即已获得了良好的喷油量精度,这种效果尤其会在多次喷射情况下得以显现,因为此时基于时间的正确修正干预不会改变对压力波修正品质具有重要意义的实际喷油间距。

6 自适应

由NCC传感器识别例如由新出现的误差部分或漂移变化所引起的针阀开启时间点、阀针换向回程时间点和喷油持续期等喷油器样本所特有的偏差,并且在所属的软件模块(其中喷油器特性通过物理模型进行描述)中于合适的条件下进行学习,而相对于存放在软件中的额定值的偏差则通过对针阀控制的干预来修正。

7 喷油持续期快速调节器

为了补偿在极端环境条件下或高动态时剩余的误差,NCC系统提供了一定的技术可能性,即动态测量喷油器样本和喷射类型(预喷射、主喷射或后喷射)所特有的已实现自适应的喷油持续期,并快速地调节到喷油持续期特性曲线场中的额定值。

采用了对上述三方面都有一定效果的修正方案,NCC系统就能在整个发动机使用周期内,在实际行驶运行中使所有喷油器样本的喷油始点和喷油持续期都保持在经发动机标定的基准喷油器总成的水平上。即使应用了传感器技术和CL调节回路,但是仍未放弃成本高昂的预调节技术,以便能尽量少地对良好动态特性的调节产生干预,以及即使在发生故障的情况下仍能确保对喷油量的计量。

8 积炭补偿

由喷孔积炭所引起的喷油器样本的喷嘴流量偏差,即使在喷油持续期相同的情况下也会导致喷油量偏差。设置在NCC软件中的喷油器模型能通过识别喷嘴针阀动力学的变化差异来区分流量偏差和重要的漂移变化(图5),为此将喷油器样本特有的针阀动力学系数k作为重要的变量,其代表喷嘴针阀关闭时间与开启时间之比,该变量基本取决于喷油器高压液力系统的性能。因为该变量通常不受漂移的影响,因而该系数的变化主要是经历运行时间后由流量的变化所引起的,因此该系数波动代表了经历运行时间后的喷孔积炭程度。

这种变化能够通过探测在自适应的针阀开启时间点和与其相似的喷油始点以及自适应的喷嘴针阀换向回程时间点情况下实现喷油终了与标称值的偏差采集。NCC系统针对发动机的运行而配备了多种补偿选择方案,以便根据已知的边界条件(例如气缸峰值压力或废气温度)对已识别到的积炭明确地作出反应,除了提高共轨压力之外,还能够延长喷油持续期以及调整喷油始点(例如向更早的时刻点方向移动)。

图5 NCC积炭补偿示意图

9 闭环调节回路的优点

NCC系统确保了在汽车整个使用周期内实际行驶运行中稳定的喷油量和喷油时间点,还能可靠地获得复杂的喷油模式,例如被称为数字喷油速率造型Ⅱ(DRSⅡ)的喷油速率曲线形状,此外还能识别喷嘴喷孔积炭,并能予以补偿,因而能使用较小的喷嘴喷孔。最小喷油量的自适应和快速调节与是否处于驱动行驶或倒拖行驶状态无关。由于传感器始终在监测喷油过程,因此NCC系统将成为未来汽车网络诊断方案中的一个最佳功能模块。

10 故障情况

NCC系统具有始终可靠的特性,甚至在传感器发生故障的情况下,通过预调节途径和发生故障时出现冻结的自适应值即可供系统使用,而这种性能通常高于未经调整的系统性能。

11 发动机和汽车试验结果

实际发动机和针对汽车试验的首次测量结果表明了上述方案的使用效果。图6是基于发动机低温试验而测得的废气排放结果，试验时以调节到恒定扭矩的负荷平台为目标运行，从-5℃的冷起动开始，发动机温度连续升高直至达到95℃的运行状态。根据曲线的变化，就能看出冷态性能的差异，从而得出对第二组喷油器NOx排放的影响，其中第一组喷油器示出了低温时的标称特性，而第二组喷油器则趋向于低温时减少喷油量，通过NCC调节成功地调整了低温特性方面的差异，并使NOx排放值的差距减小了约30%。

图6 发动机低温室的排放试验结果和调节干预的汽车试验结果

配备NCC技术的示范车辆的首次试验结果，表明了调节干预特性变量的间接使用效果(图6(f))［3］。如果示范车辆仅按照预先规定的变化较大的动态曲线轮廓(图6中灰色曲线)行驶，以此会引起共轨压力和喷油量的阶跃式突变。图6中蓝色曲线是具备NCC功能的喷油器所实现的特定调节干预，是喷射过程所要求的额定喷油量。从图6中可以看到从5℃冷起动后直至达到发动机运行温度为75℃的整个行驶期间的调节干预逐渐减小，达到发动机运行温度后调节需求仍相对较高，这归因于动态行驶方式和由此在喷油器内部引起的基于温度而变化的物理效应。通过不断地优化，此处所示出的试验结果未来还将由来自发动机台架试验和实际行驶试验，尤其是在实际行驶排放(RDE)试验条件下得到的进一步排放结果予以验证补充。