電控單體泵柴油機燃油噴射控制策略

楊時威,劉廣軍

(1.泛亞汽車技術中心有限公司,上海 201206;2.同濟大學 機械工程學院,上海 201804)

為了滿足日趨嚴格的排放法規(guī),應用集成電控技術,生產具有低燃油消耗率特點的柴油機,已成為一個發(fā)展趨勢[1,2].電控單體泵系統(tǒng)屬于典型的時間控制式噴射系統(tǒng).發(fā)動機管理系統(tǒng)根據(jù)駕駛需求和發(fā)動機狀態(tài)確定目標噴油量和噴油提前角,單體泵噴射控制系統(tǒng)根據(jù)這些參數(shù)驅動電磁閥實現(xiàn)對噴油過程的控制.電控單元中其他控制策略模塊按發(fā)動機的運行狀態(tài)計算出下一循環(huán)所需噴入氣缸的油量,但如何將電控單元計算得出的指令油量轉換成一定寬度的脈沖信號,并驅動電控單體泵電磁閥,讓燃油得以按指定的噴油提前角噴入氣缸,這些功能需要靠噴油正時模塊來實現(xiàn).發(fā)動機運行工況復雜,起動、正常運行、發(fā)動機測試及控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障需采用跛行回家策略時,都要采用不同的噴油正時策略.

1 噴油提前角

1.1 起動工況

起動控制模塊其目標是使發(fā)動機在高寒、高溫及高原環(huán)境下都能迅速起動,這與噴油提前角的控制有很大關系[3],曲軸轉速低時,壓縮時的漏氣損失和傳熱損失增加,也會使壓縮終點溫度下降,同時低速時燃料霧化不良,混合不好,這都使起動困難.在起動時,適當增大循環(huán)供油量,使燃油霧化品質改善,可降低最低起動轉速.此外,合適的噴油提前角也可降低最低起動轉速.起動工況下的噴油正時脈譜設計成轉速與冷卻水溫度相關的二維脈譜,可以使發(fā)動機在不同溫度和轉速下采用不同的起動噴油正時,從而改善發(fā)動機冷起動的環(huán)境適應能力,起動工況的噴油提前角見圖1.

圖1 起動工況的噴油提前角Fig.1 Injection timing during cranking

1.2 正常工況

噴油提前角應根據(jù)不同的發(fā)動機轉速和負荷進行優(yōu)化.起動成功后,發(fā)動機主要運行在怠速、加速和減速等工況下,噴油提前角對發(fā)動機的動力性、最高燃燒溫度、最高工作壓力都有很大影響,并且決定了整機的排放水平,因此針對這些工況制定了相應的噴油正時控制模塊.為了使電控單元對提前角可作柔性控制,將噴油提前角設計成轉速與油量的二維脈譜,即每個工況點都有各自的噴油提前角,見圖2,并根據(jù)大氣壓力、冷卻水溫、進氣溫度對噴油提前角進行修正.

圖2 正常工況的噴油提前角Fig.2 Injection timing during runing

為了防止因環(huán)境壓力變化導致的增壓器超速及其他機械部件的損壞,在控制策略中加入了大氣壓力對噴油正時的補償.大氣壓力噴油正時修正脈譜是和轉速、油量相關的二維脈譜.另外一個脈譜則是與大氣壓力相關的修正權重脈譜,權重系數(shù)與修正量相乘即得出大氣壓力對噴油正時的修正量,如圖3.

冷卻水溫也是影響噴油正時的一個重要因素.根據(jù)冷卻水溫對噴油正時進行及時修正,可以降低發(fā)動機油耗和排放,也能在過高或過低的冷卻水溫下有效地保護發(fā)動機.采用權重系數(shù)進行水溫對噴油正時的修正,見圖4.

1.3 跛行回家

當發(fā)動機電控系統(tǒng)故障時,為了使車輛仍然能安全行駛到最近的維修站進行維護,此時會進入跛行回家策略.該策略采用固定噴油提前角,根據(jù)不同的故障類型限制發(fā)動機最大功率,以此來保護發(fā)動機.為了實現(xiàn)這幾種噴油正時策略的互相切換,給怠速、正常工作、跛行回家都設立了狀態(tài)標志位.當標志位樹立起來時,策略即進入對應的噴油正時計算流程.

2 噴油脈寬

最終噴油量由噴油壓力、提前角及噴油脈寬共同決定.燃油噴射系統(tǒng)都有固定的物理特性,如電磁閥響應速率、壓力建立速度、噴射壓力的波動關系以及噴油規(guī)律等.在控制策略中,指令油量最終是通過給電控單體泵發(fā)送的脈沖信號來決定實際噴油量.由于電控單體泵機械結構及電磁特性的復雜性,在控制策略中,大多采用經(jīng)驗值,因此策略中以轉速和噴油量為坐標的二維脈譜作為單體泵的噴油特性曲線,即一定油量對應一定脈寬值.燃油的物理特性如運動粘度、密度、表面張力等都會隨著油溫的變化而變化,對燃油壓力大于100 MPa的燃油系統(tǒng)來說,需要考慮壓力和溫度對燃油物理特性所帶來的影響[4].為了補償由于燃油溫度帶來的油量差異,在噴油脈寬的計算中加入了與油溫相關的補償脈譜,計算過程如圖5.

圖5 油量線性化及油溫修正脈譜Fig.5 Map of fuel linearization an d fuel temperature correction

3 燃油系統(tǒng)工作特性補償

此外還需要考慮電控單體泵系統(tǒng)本身特性——電磁閥響應特性及泵噴嘴結構液力特性對噴油正時及脈寬的影響.

電磁閥要求快速關閉以保證噴射定時準確和迅速形成高壓,快速開啟以保證噴射的快速切斷和穩(wěn)定卸載.電磁閥的動態(tài)響應特性直接影響燃油噴射系統(tǒng)的主要性能指標.眾多仿真與試驗結果研究表明,現(xiàn)代電控柴油機上強力電磁閥為了適應高速及小油量噴射的需要,其開啟和關閉的響應時間都應處于0～2 ms范圍內,即便如此,當發(fā)動機轉速為3000 r·min-1時,曲軸電磁閥的延遲角度也達到了0～36°,無疑對噴油正時和脈寬都會產生很大影響.

燃油噴射系統(tǒng)工作時的液力特性是另外一個影響正時和噴油脈寬的主要因素.從電磁閥開啟時,壓力波由電控單體泵出口,經(jīng)高壓油管傳送到噴油器,并達到油嘴開啟壓力,這個過程也有一個延時,稱之為液力開啟延時.經(jīng)試驗證明,開啟延時的延遲角度可達到20°左右.同樣的燃油系統(tǒng)也會存在液力關閉延時.因此,噴油正時還需要加入燃油系統(tǒng)工作特性的補償,即電磁響應速度補償和液力延時補償.如前面所述,燃油溫度對燃油的物理性質有很大的影響,尤其在高壓環(huán)境下,而且燃油噴射系統(tǒng)的液力特性與其中流體的物理特性息息相關.為了能真實地反映燃油系統(tǒng)的液力特性,在液力特性補償脈譜中將燃油溫度作為其中一個坐標,并與轉速組成二維脈譜.

圖6是電磁閥響應速度與燃油系統(tǒng)的液力延時對噴油正時、噴油脈寬的補償策略.由于電磁閥產品之間的響應特性存在差異,采用電磁閥平均響應速度+偏差量作為每個電控單體泵的開啟和關閉延時.因為每個氣缸的供油都由一個對應的電控單體泵來控制,所以這個偏差量應根據(jù)缸號來查詢.缸號通過凸輪信號盤信號來辨別.液力延時則通過轉速和燃油油溫查詢.

圖6 噴油正時及脈寬修正策略Fig.6 Correction of in jection timing and pulse

4 試驗結果

為了驗證噴油正時控制策略的運行效果,采用CAN ape軟件,在多種工況下的轉速、油量、噴油提前角等參數(shù)進行了監(jiān)測和實時采集,見圖7.

5 結論

臺架試驗證明,在噴油正時控制策略中,將電磁閥開啟、關閉的電磁延遲、噴油器開啟和關閉的液力延遲加入到噴油脈沖起始時刻的計算中,可以準確控制燃油噴入氣缸的時刻及噴油結束時刻,實現(xiàn)噴油正時和噴油量柔性控制.

圖7 多種工況下的轉速、油量、噴油提前角Fig.7 Engine speed,fuel and injection timing in different working points

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