基于廢氣氧體積分?jǐn)?shù)修正噴油量的試驗研究

杜群, 王國棟,徐艷杰,馬廣營,梁健星

1.內(nèi)燃機可靠性國家重點實驗室,山東濰坊 261061; 2.濰柴動力股份有限公司,山東濰坊 261061

0 引言

精確控制燃油噴射量控制對實現(xiàn)高效清潔燃燒、提高發(fā)動機可靠性和整車動力性有重要作用。高壓共軌技術(shù)可調(diào)節(jié)噴油壓力和噴油正時在柴油機燃油噴射的靈活控制方面具有顯著優(yōu)勢,燃油噴射控制通常為開環(huán)控制方式,對新出廠的噴油器采用開環(huán)控制并配合一致性修正策略,實際噴油量與設(shè)定噴油量誤差極小;但長時間使用后的噴油器由于噴孔磨損、堵塞等,噴油量偏大或者偏小,噴油量偏大導(dǎo)致發(fā)動機超爆壓,影響發(fā)動機可靠性;噴油量偏小,導(dǎo)致整車動力性下降[1-3]。

在柴油機實際運行過程中,如果能實時監(jiān)測燃油噴射信息,對噴油量進(jìn)行閉環(huán)調(diào)整與修正,可以大大提高噴油量控制的精確性。但由于柴油機缸內(nèi)環(huán)境惡劣,難以獲得實時噴油信息[4]。目前,許多學(xué)者基于燃油噴射壓力或基于軌壓研究噴油量預(yù)估方法,這2種方法存在以下問題:1)基于燃油噴射壓力的方法需要在噴油器上加裝壓力傳感器,增加了成本;2)這2種方法需要考慮噴油泵供油與噴油頻率的比,某些供噴比(如3：4)供油時刻相對噴油時刻位置不固定,導(dǎo)致噴油壓力、軌壓信號中夾雜了供油頻率信號;3)噴油壓力、軌壓是波動的,不能直接用來計算實際噴油量而需要進(jìn)行相應(yīng)的信號處理,導(dǎo)致實際應(yīng)用中較難實現(xiàn)噴油閉環(huán)控制[5-8]。

實際噴油量偏離設(shè)定噴油量時,廢氣中氧的體積分?jǐn)?shù)也偏離設(shè)定值,因此本文中研究基于廢氣中氧的體積分?jǐn)?shù)計算噴油量偏差的方法,并進(jìn)行相關(guān)的試驗驗證,實現(xiàn)噴油量的精準(zhǔn)控制。

1 噴油量偏差計算方法

理論空燃比為每克燃料完全燃燒所需的最少的空氣質(zhì)量。過量空氣系數(shù)為實際供給燃料燃燒的空氣量與理論空氣量之比,是反映燃料與空氣配合的重要參數(shù)。絕大部分穩(wěn)態(tài)工況下,柴油機過量空氣系數(shù)大于1,即空氣量充足,燃油能充分燃燒;瞬態(tài)工況下,如急踩油門,可能出現(xiàn)過量空氣系數(shù)小于1,即空氣量不足的情況[9-10]。

根據(jù)過量空氣系數(shù)的定義可得過量空氣系數(shù)λ和實際噴油量、進(jìn)氣量的關(guān)系為:

(1)

式中:m1為進(jìn)氣質(zhì)量,可由柴油機自帶的進(jìn)氣質(zhì)量傳感器測量得到;m2為實際噴油質(zhì)量;α為柴油機理論空燃比,本文中按α=14.5計算。

由式(1)可得:

(2)

柴油機進(jìn)氣中的氧氣質(zhì)量減去燃油燃燒消耗的氧氣質(zhì)量為廢氣中剩余的氧氣質(zhì)量,因此,廢氣中氧體積分?jǐn)?shù)和過量空氣系數(shù)的關(guān)系[9]為:

(3)

式中:φ(O2)為發(fā)動機廢氣中氧體積分?jǐn)?shù),可由柴油機自帶的氮氧傳感器測得。

噴油量偏差為設(shè)定噴油量與實際噴油量的差,可根據(jù)噴油量偏差進(jìn)行噴油量修正和油量閉環(huán)控制。噴油量偏差

(4)

式中m3為設(shè)定噴油量。

實際應(yīng)用中,需要考慮進(jìn)氣質(zhì)量傳感器和氮氧傳感器測量精度造成的誤差。噴油量偏差減去測量精度造成的誤差后再用于噴油量修正或者噴油量閉環(huán)控制。

根據(jù)廢氣中氧體積分?jǐn)?shù)計算噴油量偏差的邏輯框圖如圖1所示。

圖1 根據(jù)廢氣中氧體積分?jǐn)?shù)計算噴油量偏差邏輯框圖

2 試驗方案

選用某款6缸柴油機,在發(fā)動機臺架上進(jìn)行噴油量偏差試驗驗證。為保證試驗結(jié)果準(zhǔn)確,將原噴油器更換為中值噴油器,柴油機1缸1只中值噴油器可保證設(shè)定噴油量與實際噴油量偏差極小;為準(zhǔn)確測量氧的體積分?jǐn)?shù),對氣體分析儀進(jìn)行標(biāo)定,測點布置在排氣管上;確認(rèn)發(fā)動機臺架可獨立測量發(fā)動機進(jìn)氣質(zhì)量,為排除發(fā)動機傳感器的測量誤差,計算噴油量偏差時的氧體積分?jǐn)?shù)、進(jìn)氣質(zhì)量采用臺架測量結(jié)果;連接發(fā)動機控制器標(biāo)定工具,進(jìn)行控制器數(shù)據(jù)標(biāo)定,監(jiān)測記錄傳感器測量結(jié)果,通過控制器軟件計算的發(fā)動機相關(guān)參數(shù)。

發(fā)動機試驗工況為能覆蓋發(fā)動機運行工況的12個工況,如表1所示。

表1 發(fā)動機試驗工況

1)分別運行以上12個工況點,通過調(diào)節(jié)臺架油門開度達(dá)到各工況的設(shè)定噴油量,每個工況穩(wěn)定運行2 min,記錄發(fā)動機臺架測量的廢氣中氧體積分?jǐn)?shù)、進(jìn)氣質(zhì)量。

2)通過噴油器一致性修正策略,保持設(shè)定噴油量不變,將各缸、各工況的實際噴油量增加20 mg,模擬噴油器磨損情況。為保證燃油充分燃燒需要根據(jù)廢氣中氧的體積分?jǐn)?shù)計算過量空氣系數(shù)。再次分別運行上述12個工況,每個工況穩(wěn)定后維持2 min,發(fā)動機臺架記錄測量的廢氣中氧體積分?jǐn)?shù)、進(jìn)氣質(zhì)量。

3 噴油量偏差試驗結(jié)果分析

3.1 噴油器正常

采集數(shù)據(jù)后,將臺架測量的每個工況廢氣中氧體積分?jǐn)?shù)代入式(3)計算λ,再將設(shè)定噴油量、臺架測量進(jìn)氣質(zhì)量、λ代入式(4)計算噴油量偏差(表中Δm為6只中值噴油器測量結(jié)果的平均值),結(jié)果如表2所示。

由表2可知:噴油器正常時,理論噴油量偏差為0,根據(jù)廢氣中氧體積分?jǐn)?shù)計算的噴油量偏差為-3.1～1.6 mg,相對偏差(相對偏差為Δm與當(dāng)前工況設(shè)定噴油量的比)為-2.90%～1.00%,偏差較小,計算結(jié)果較精確。

3.2 噴油器磨損

采集數(shù)據(jù)后,根據(jù)廢氣中氧的體積分?jǐn)?shù)計算上述12個工況的過量空氣系數(shù),都大于1.976,全部工況均充分燃燒。噴油器磨損情況下噴油量偏差如表3所示。

表3 噴油器磨損情況下噴油量偏差

由表3可知:為模擬噴油器磨損,多噴20 mg燃油,理論油量偏差應(yīng)為-20 mg,因此各工況的噴油量偏差為-3.9～1.9 mg,相對偏差為-3.42%～0.83%,偏差均較小。用該噴油量偏差修正噴油量,可使實際噴油量接近設(shè)定噴油量,大大降低由噴油器磨損造成的超爆壓對發(fā)動機可靠性的不利影響,還可在噴油器部分噴孔堵塞時保證整車動力性。

噴油器正常和磨損時計算的噴油量相對偏差均較小,但在實際應(yīng)用中,為保證在充分燃燒的前提下計算噴油量偏差,須在發(fā)動機處于偏穩(wěn)態(tài)工況且過量空氣系數(shù)高于限值時計算噴油量偏差并按工況存儲,在后續(xù)達(dá)到相同工況時存儲的噴油量偏差可作為噴油量修正的前饋,再根據(jù)新計算的噴油量偏差進(jìn)行比例微分積分閉環(huán)控制,以保證噴油量修正準(zhǔn)確、及時。

4 結(jié)論

本文研究基于廢氣中氧體積分?jǐn)?shù)修正噴油量的計算方法并進(jìn)行試驗驗證,得出以下結(jié)論。

1)噴油器正常時,計算的噴油量相對偏差為-2.90%～1.00%,模擬噴油器磨損時的噴油量相對偏差為-3.42%～0.83%,相對偏差均較小,基于廢氣中氧體積分?jǐn)?shù)修正噴油量的方法可行、精確。

2)實際應(yīng)用中,應(yīng)在確保充分燃燒情況下計算噴油量偏差,并考慮進(jìn)氣質(zhì)量傳感器和氮氧傳感器測量精度造成的誤差,剔除誤差后再進(jìn)行噴油量修正。