燃油噴嘴小油量非線(xiàn)性區(qū)補(bǔ)償算法研究

曾偉，顧欣，馬濤

(1.凱龍高科技有限公司，無(wú)錫 214000；2.上海柴油機(jī)股份有限公司產(chǎn)品研發(fā)中心，上海 200438)

0 引言

隨著機(jī)動(dòng)車(chē)排放標(biāo)準(zhǔn)的日趨嚴(yán)格和不斷升級(jí)，GDI發(fā)動(dòng)機(jī)需要采用更加先進(jìn)而復(fù)雜的噴射模式和控制策略才能滿(mǎn)足其要求。而先進(jìn)的噴射模式和控制策略則需要控制GDI噴油器在其原來(lái)很少用到的小油量區(qū)域內(nèi)(0.5 mg～3 mg的范圍)進(jìn)行噴射。但是在小油量區(qū)域，噴油器特性曲線(xiàn)都是極其非線(xiàn)性的，且各噴油器特性曲線(xiàn)之間的離散性很大，噴油器油量偏差往往過(guò)大，油量一致性很差，很難控制各噴油器進(jìn)行準(zhǔn)確的油量噴射，因此必須要想辦法提高小油量噴射的一致性。

如果從機(jī)械設(shè)計(jì)或加工工藝上提高小油量噴射的一致性，則難度很大且成本很高，因此國(guó)外的相關(guān)研究都是希望通過(guò)對(duì)小油量進(jìn)行軟件算法補(bǔ)償?shù)姆绞絹?lái)提高小油量噴射的一致性，這種方案具有不需要改進(jìn)原噴油器結(jié)構(gòu)、或進(jìn)行少許改動(dòng)、且整體成本低、實(shí)施方便的優(yōu)點(diǎn)。

針對(duì)上述問(wèn)題和需求，提出了一種基于軌壓降的小油量補(bǔ)償策略。此策略并不是針對(duì)影響小油量的具體因素進(jìn)行補(bǔ)償，而是基于GDI噴油器沒(méi)有回油的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，且根據(jù)油量噴射前后的軌壓降與噴油量之間的特定關(guān)系(一般是線(xiàn)性關(guān)系)，通過(guò)測(cè)量小油量噴射前后的軌壓降特征值，來(lái)估算實(shí)際噴射的油量大小，并通過(guò)統(tǒng)計(jì)平均的方法[1]來(lái)保障估算油量的準(zhǔn)確性。通過(guò)實(shí)時(shí)計(jì)算各噴油器的估算油量，在線(xiàn)重構(gòu)各噴油器在小油量區(qū)域的噴油規(guī)律(即各軌壓下噴油量和噴射脈寬的關(guān)系)，進(jìn)而各噴油器依據(jù)所重構(gòu)的噴油規(guī)律來(lái)實(shí)施噴射，從而獲得比較高的小油量一致性[2]。

1 GDI噴油器小油量一致性研究

圖1試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)處于非線(xiàn)性區(qū)域(200～400 μs噴射脈寬)時(shí)，各噴油器的油量基本特性曲線(xiàn)差異較大，一致性較差。相對(duì)于噴油器油量均值，在非線(xiàn)性區(qū)域，有很多工況的油量偏差在20%以上，甚至有些工況點(diǎn)的油量偏差達(dá)到50%之間。而在大油量線(xiàn)性區(qū)域，特性曲線(xiàn)線(xiàn)性度與噴射一致性則很好，油量偏差一般都小于5%，滿(mǎn)足了使用要求。為了滿(mǎn)足更高的排放要求，先進(jìn)的噴射模式需要進(jìn)行多次小油量先導(dǎo)噴射(如0.5 mg～3 mg之間)，以滿(mǎn)足清潔燃燒需求，因此對(duì)小油量的一致性也有較高的要求，一般要求小油量偏差在20%以?xún)?nèi)。

圖1GDI噴油器非線(xiàn)性區(qū)域油量特性曲線(xiàn)

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得出結(jié)論：由于GDI噴油器在小油量區(qū)域的噴射油量一致性比較差，很多工況的油量偏差都已經(jīng)在20%以上，甚至還有某些大于50%的。因此就需要開(kāi)發(fā)一種小油量補(bǔ)償算法，來(lái)對(duì)小油量噴射進(jìn)行補(bǔ)償，提高小油量噴射的油量一致性，以滿(mǎn)足更高排放的要求。

2 GDI燃油系統(tǒng)噴油量與軌壓降關(guān)系特性試驗(yàn)

2.1 軌壓降特征值提取試驗(yàn)

對(duì)于軌壓降的特征值進(jìn)行探索性提取試驗(yàn)，在單次噴射的前提下，對(duì)待測(cè)噴油器進(jìn)行5次噴射(每個(gè)循環(huán)只噴射一次)后，進(jìn)行軌壓降計(jì)算。

試驗(yàn)在不同軌壓下，關(guān)閉泵油和除待測(cè)缸以外的其它噴油器，使待測(cè)噴油器連續(xù)噴射5個(gè)循環(huán)，記錄其噴射前與噴射后軌壓(記錄時(shí)間各為3個(gè)循環(huán))并測(cè)量噴射的實(shí)際油量。如圖2所示，單次噴射采集軌壓降的檢測(cè)經(jīng)歷了11個(gè)循環(huán)(時(shí)間為2 s)噴射前后的軌壓基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，波動(dòng)很小。圖2中，噴射前軌壓為5.1164 MPa，噴射后軌壓為4.8234 MPa，計(jì)算得5次噴射的平均軌壓降為0.0586 MPa。

圖2多次噴射軌壓降提取

2.2 軌壓降與噴油量的關(guān)系特性試驗(yàn)

在不同軌壓與噴射脈寬下重復(fù)2.2節(jié)的工作，可獲得待測(cè)噴油器各軌壓下的油量特性與軌壓降特性曲線(xiàn)數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行相關(guān)性分析。以噴油脈寬為橫坐標(biāo)，噴油量和軌壓降分別為縱坐標(biāo)，畫(huà)出的1～4號(hào)GDI噴油器非線(xiàn)性區(qū)域的軌壓降特性曲線(xiàn)與油量特性曲線(xiàn)如圖3所示。

圖3非線(xiàn)性區(qū)域噴射油量與軌壓降特性曲線(xiàn)

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)各個(gè)噴油器的噴射油量與軌壓降皆成經(jīng)過(guò)零點(diǎn)的線(xiàn)性正相關(guān)，且不同噴油器的擬合曲線(xiàn)基本重合。四條線(xiàn)性擬合趨勢(shì)線(xiàn)的斜率平均值為5.432，如圖4所示。

圖4各噴油器油量與軌壓降關(guān)系

基于軌壓降與油量相關(guān)性，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了燃油噴嘴小油量非線(xiàn)性區(qū)補(bǔ)償算法架構(gòu)。如圖5所示，算法主要分為5大主模塊與13個(gè)子模塊，具體模塊如下：

圖5燃油噴嘴小油量非線(xiàn)性區(qū)補(bǔ)償算法

3 燃油噴嘴小油量補(bǔ)償策略實(shí)現(xiàn)

3.1 自學(xué)習(xí)狀態(tài)控制模塊

該模塊負(fù)責(zé)小油量補(bǔ)償算法的狀態(tài)標(biāo)志設(shè)置與切換工作。控制模塊把油量補(bǔ)償算法分為三種狀態(tài)：

a)當(dāng)未進(jìn)行軌壓降估算油量時(shí)，狀態(tài)位設(shè)置為未學(xué)習(xí)狀態(tài)，此時(shí)根據(jù)油量到脈寬的轉(zhuǎn)換表格，查表求取噴射脈寬；

b)當(dāng)完成軌壓降估算油量自學(xué)習(xí)后，狀態(tài)位設(shè)置為已學(xué)習(xí)狀態(tài)，此時(shí)根據(jù)各噴油器的估算油量學(xué)習(xí)表格進(jìn)行油量到脈寬的轉(zhuǎn)換；

c)當(dāng)狀態(tài)為未學(xué)習(xí)狀態(tài)，或是狀為已學(xué)習(xí)狀態(tài)，但需要進(jìn)行噴油器老化補(bǔ)償時(shí)，置位軌壓降估算油量需求標(biāo)志(如0代表為學(xué)習(xí)，1代表自學(xué)習(xí)，2代表已學(xué)習(xí))，并判斷是否可使小油量軌壓降估算開(kāi)啟自學(xué)習(xí)功能。如滿(mǎn)足軌壓穩(wěn)定要求(軌壓波動(dòng)范圍小于閾值且穩(wěn)定一段時(shí)間以上)，則開(kāi)啟油量自學(xué)習(xí)功能，此時(shí)狀態(tài)位設(shè)置為自學(xué)習(xí)狀態(tài)。

3.2 未學(xué)習(xí)狀態(tài)控制模塊

未學(xué)習(xí)的油量到脈寬轉(zhuǎn)換模塊：當(dāng)處于未學(xué)習(xí)狀態(tài)時(shí)，根據(jù)軌壓與油量來(lái)查Q2T(油量到脈寬轉(zhuǎn)換)表格獲得未學(xué)習(xí)時(shí)的噴射脈寬1。

3.3 已學(xué)習(xí)狀態(tài)控制模塊

已學(xué)習(xí)的油量到脈寬轉(zhuǎn)換模塊：當(dāng)處于已學(xué)習(xí)狀態(tài)時(shí)，根據(jù)學(xué)習(xí)獲得的各噴油器各自的估算油量學(xué)習(xí)表格來(lái)獲取已學(xué)習(xí)噴射脈寬。可使用與各噴油器對(duì)應(yīng)的學(xué)習(xí)表來(lái)求反函數(shù)，以此獲取各噴油器的噴射脈寬，即Linj=Map-1(P， Q估計(jì))，并控制各噴油器的噴射，以在小油量非線(xiàn)性區(qū)域獲得較好的一致性。

3.4 自學(xué)習(xí)狀態(tài)控制模塊

當(dāng)開(kāi)啟自學(xué)習(xí)功能后，進(jìn)入自學(xué)習(xí)模塊。此模塊分為9個(gè)子模塊，完成軌壓降估算油量的自學(xué)習(xí)更新功能。

a)自學(xué)習(xí)噴射模式及參數(shù)設(shè)置模塊：

在計(jì)算估算油量前，需要確認(rèn)自學(xué)習(xí)模式與油量補(bǔ)償?shù)膮?shù)。

b)噴油泵油使能控制模塊：

c)噴油前軌壓采集模塊：

該模塊執(zhí)行噴油器噴油前軌壓采集、濾波與合理性判斷功能。

d)噴油器噴射管理模塊：

該模塊執(zhí)行噴油器噴射時(shí)的管理控制，設(shè)定合適的噴射次數(shù)與噴射脈寬2，以完成待測(cè)噴射器的噴射驅(qū)動(dòng)。

e)噴油后軌壓采集模塊：

該模塊執(zhí)行噴油器噴油后軌壓采集、濾波與合理性判斷功能，并調(diào)用軌壓降計(jì)算模塊來(lái)獲得高精度的軌壓降。

f)軌壓降計(jì)算模塊：

史書(shū)描述溫瑞塘河的開(kāi)鑿是在西晉武帝太康年間（公元280—289年），“橫陽(yáng)周凱率眾治理永寧、安固、橫陽(yáng)三江（今甌江、飛云江、鰲江）及瀕海地，疏鑿河道，引水入海”?！盀l海地”是指溫瑞平原，即溫州周凱帶領(lǐng)民眾治理甌江、飛云江、鰲江及溫瑞平原，疏浚河道，開(kāi)鑿塘河，引水到大海。溢流堰壩應(yīng)在西晉武帝太康年間與溫瑞塘河同時(shí)建造，距今約1 730年。為防止潮水倒灌、咸水入河造成農(nóng)業(yè)減產(chǎn)甚至絕收，后人在堰壩上再修建陡門(mén)用于擋潮。

此模塊根據(jù)噴射前后壓力差，計(jì)算單次噴射的軌壓降并判斷其合理性，如滿(mǎn)足合理性要求，則存儲(chǔ)入MAP表中。當(dāng)存儲(chǔ)了足夠多的軌壓降測(cè)量值后，計(jì)算軌壓降的平均值。

g)相關(guān)系數(shù)計(jì)算模塊：

此模塊根據(jù)輸入的軌壓查表獲取相關(guān)系數(shù)，以作為計(jì)算估算油量的前提。

h)油量估算模塊：

根據(jù)計(jì)算得到的軌壓降均值以及相關(guān)系數(shù)，來(lái)求取當(dāng)前工況下的估算油量。

i)自學(xué)習(xí)油量更新模塊：

當(dāng)處于自學(xué)習(xí)狀態(tài)時(shí)，此模塊對(duì)脈寬、軌壓進(jìn)行自學(xué)習(xí)設(shè)置；并把各軌壓、脈寬下學(xué)習(xí)到的估算油量自動(dòng)填寫(xiě)入各噴油器對(duì)應(yīng)的學(xué)習(xí)表中，以在學(xué)習(xí)完成后使用各噴油器對(duì)應(yīng)的學(xué)習(xí)表來(lái)獲取噴射脈寬3。

3.5 噴油脈寬協(xié)調(diào)模塊

負(fù)責(zé)噴油器脈寬的協(xié)調(diào)工作，對(duì)輸入的未學(xué)習(xí)噴射脈寬1、自學(xué)習(xí)噴射脈寬2、已學(xué)習(xí)噴射脈寬3進(jìn)行協(xié)調(diào)并輸出最終的噴射脈寬。

在未學(xué)習(xí)狀態(tài)時(shí)，使用給定的基本表格，進(jìn)行查表求取噴油脈寬，并在合適的情況下開(kāi)啟軌壓降估算油量學(xué)習(xí)功能。

在自學(xué)習(xí)狀態(tài)時(shí)，是指當(dāng)前正處于小油量的自學(xué)習(xí)階段，需要進(jìn)行不同軌壓、不同脈寬下小油量的學(xué)習(xí)；采集各噴油器不同軌壓和不同脈寬下的軌壓降，然后根據(jù)軌壓降與噴油量的相關(guān)系數(shù)來(lái)計(jì)算估算油量，并把計(jì)算到的估算油量值填入到各個(gè)噴油器對(duì)應(yīng)的小油量學(xué)習(xí)表中；一般在發(fā)動(dòng)機(jī)或整車(chē)出廠(chǎng)前，需要對(duì)裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上的各噴油器小油量進(jìn)行自學(xué)習(xí)。當(dāng)噴油器老化后，也需要在合適的情況下重新開(kāi)啟小油量自學(xué)習(xí)功能，以改善老化后噴油器的小油量一致性。

在已學(xué)習(xí)狀態(tài)時(shí)，使用與各噴油器對(duì)應(yīng)的學(xué)習(xí)表求反函數(shù)來(lái)獲取各噴油器的噴射脈寬，以在小油量非線(xiàn)性區(qū)域獲得較好的一致性。

4 燃油噴嘴小油量補(bǔ)償策略驗(yàn)證

為了驗(yàn)證小油量補(bǔ)償策略的有效性，將集成測(cè)試后的補(bǔ)償算法在GDI噴油器上進(jìn)行驗(yàn)證，以確補(bǔ)償算法的有效性與補(bǔ)償效果。

4.1 噴油器非線(xiàn)性區(qū)域油量與軌壓降相關(guān)系數(shù)確定

在不同軌壓下，對(duì)待測(cè)型號(hào)噴油器非線(xiàn)性區(qū)域的軌壓降與噴油量的特性曲線(xiàn)相關(guān)性進(jìn)行分析并計(jì)算其相關(guān)系數(shù)，把獲得的相關(guān)系數(shù)制作成插值表。

對(duì)各軌壓下的軌壓降與油量每隔1 Mpar進(jìn)行軌壓降與油量測(cè)量，并對(duì)其關(guān)系曲線(xiàn)進(jìn)行線(xiàn)性擬合，經(jīng)過(guò)處理后，獲取各軌壓下的相關(guān)系數(shù)曲線(xiàn)如圖6所示。

圖6噴油器非線(xiàn)性區(qū)域油量與軌壓降相關(guān)系數(shù)

驗(yàn)證試驗(yàn)表明，當(dāng)軌壓相同時(shí)，各噴油器的噴射油量與軌壓降皆成過(guò)零點(diǎn)的線(xiàn)性正相關(guān)，且不同噴油器的擬合曲線(xiàn)基本重合；因此，軌壓降與噴油量呈線(xiàn)性強(qiáng)相關(guān)性。通過(guò)對(duì)各軌壓下的軌壓降油量關(guān)系曲線(xiàn)進(jìn)行擬合計(jì)算，可獲得相關(guān)系數(shù)曲線(xiàn)。

4.2 小油量補(bǔ)償策略估算油量與實(shí)際油量對(duì)比

使用補(bǔ)償算法對(duì)各軌壓下的油量進(jìn)行估算，在獲得待測(cè)噴油器各軌壓下根據(jù)軌壓降估算的油量特性曲線(xiàn)后，將其與使用高精度天平稱(chēng)量的實(shí)際油量構(gòu)成的特性曲線(xiàn)進(jìn)行比較，比較結(jié)果如圖7所示，實(shí)測(cè)油量與估算油量二者的偏差小于10%。

圖7各軌壓估算(實(shí)際)油量特性曲線(xiàn)對(duì)比

4.3 補(bǔ)償算法效果驗(yàn)證

當(dāng)關(guān)閉(開(kāi)啟)油量補(bǔ)償算法時(shí)，在不同軌壓下，GDI噴油器以不同脈寬進(jìn)行噴射。描繪軌壓降補(bǔ)償算法前后各噴油器不同軌壓下的非線(xiàn)性區(qū)域油量特性曲線(xiàn)，并分析各自油量偏差，如圖8～圖9所示。

圖8補(bǔ)償算法關(guān)閉下油量特性曲線(xiàn)

圖9補(bǔ)償算法開(kāi)啟時(shí)的油量特性曲線(xiàn)

對(duì)多次噴射模式下油量補(bǔ)償前后油量特性曲線(xiàn)及油量偏差進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)使用算法補(bǔ)償后，各軌壓下噴油器小油量非線(xiàn)性區(qū)域的油量特性曲線(xiàn)更加趨向一致，小油量一致性得到明顯改善；噴油器間的實(shí)測(cè)油量最大偏差從70%左右下降為小于20%，滿(mǎn)足了小油量噴射控制要求。

5 量杯累計(jì)油量對(duì)比驗(yàn)證

為了驗(yàn)證算法的可靠性，挑選不同軌壓，不同脈寬下的小油量試驗(yàn)點(diǎn)(試驗(yàn)分別在5 MPa、10 MPa、15 MPa軌壓下進(jìn)行，針對(duì)每個(gè)軌壓下挑選一個(gè)非線(xiàn)性區(qū)域小油量點(diǎn)，使用量杯接取未使用與使用補(bǔ)償算法后各噴油器噴射的油量，來(lái)對(duì)油量補(bǔ)償策略進(jìn)行宏觀上的補(bǔ)償效果驗(yàn)證。

對(duì)未使用補(bǔ)償策略與使用補(bǔ)償策略下分別獲得的量杯累積油量，進(jìn)行目測(cè)，如圖10所示，觀察其補(bǔ)償后噴油量一致性是否好于補(bǔ)償前。

圖10非線(xiàn)性區(qū)域補(bǔ)償前后油量試管目測(cè)

試驗(yàn)結(jié)果表明非線(xiàn)性區(qū)域補(bǔ)償前后的油量一致性有較大改善；在線(xiàn)性區(qū)域，補(bǔ)償前油量偏差較小，補(bǔ)償后的油量偏差有小幅改善。

6 結(jié)論

對(duì)GDI噴油器的小油量補(bǔ)償原理和方法進(jìn)行了深入的試驗(yàn)研究，成功開(kāi)發(fā)和實(shí)施了GDI噴油器小油量補(bǔ)償策略，并在博世和馬瑞利的GDI噴射器上進(jìn)行了補(bǔ)償效果的驗(yàn)證，取得了較好的驗(yàn)證效果。

需要指出的是，如果此補(bǔ)償策略后續(xù)應(yīng)用到量產(chǎn)項(xiàng)目上，需要針對(duì)應(yīng)用到車(chē)上的各種具體細(xì)節(jié)問(wèn)題進(jìn)行深入研究和開(kāi)發(fā)。同時(shí)針對(duì)具體噴油器的小油量特性和需要達(dá)到的指標(biāo)要求，需要在算法自學(xué)習(xí)效率與油量一致性目標(biāo)方面進(jìn)行一個(gè)平衡，即在達(dá)到指標(biāo)要求的情況下盡量減少油量自學(xué)習(xí)的工況點(diǎn)數(shù)，以提高自學(xué)習(xí)速度和算法效率。