柴油發動機燃燒模式切換控制策略

方 成，楊福源，歐陽明高，陳 林，李 進

（1.清華大學 汽車安全與節能國家重點實驗室，北京 100084；2.上海汽車集團股份有限公司 技術中心，上海 201206；3.常州易控汽車電子有限公司，江蘇 常州 213164）

0 引 言

柴油機低溫燃燒（LTC），既能夠產生較低的排放，又能夠保持較高的燃燒效率，在最近10多年來，成為學術界的研究熱點［1－3］。一般可以通過燃料早噴、小錐角噴油器噴油和燃料晚噴的方式實現LTC。燃料晚噴的方式是通過在上止點附近噴射柴油和高廢氣再循環（EGR）率來提高預混合比例和降低燃燒溫度。這種方式不需要對燃燒室進行重新匹配，燃燒相位可以通過噴油定時控制［4－6］。本文采用燃料晚噴來實現 LTC。但是，這種LTC局限在中低負荷工況，其他工況仍然需要使用傳統的壓燃（CI）:EGR會引起燃燒惡化，使燃油經濟性變差，噪聲增加；高EGR率雖然可以延長滯燃期，當負荷變大，噴油持續期變長，燃燒惡化的程度也會使碳煙排放量增大［7］。當LTC使用區域的邊界時，需要切換回CI燃燒。

國內外對柴油機LTC／CI燃燒模式切換及其控制策略研究的報道并不多。Michigan大學的Busch等［8］在一臺四缸1.9L柴油機上研究了LTC／CI燃燒模式切換時的NOx排放，指出快速的燃油壓力建立過程是燃燒模式切換過程的一個關鍵控制點。但是該文的切換策略并沒有對LTC和CI各自燃燒所需油氣混合需求進行優化。

美國西南研究院的王俊敏等［9］采用基于模型的空氣系統控制器，以氣體組分和增壓壓力為控制目標，針對LTC和傳統CI設計了兩組滑模控制器以獲得更加快速和平順的空氣系統響應，同時設計了監督控制器（Supervisory controller）在LTC／CI燃燒模式切換瞬態中來協調兩組滑模控制器的工作。利用基于模型的控制策略使EGR和VNT的控制解耦，得到了良好的轉矩跟隨和空燃比跟隨效果。但是，該文中采用的空氣系統模型過于復雜，燃油系統的協調控制也沒有加入控制框架中。

Wisconsin－Madison大學的 Burton等［10］在一臺四缸1.9L柴油機上對發動機穩態點LTC／CI燃燒模式切換和發動機瞬態過程中LTC／CI燃燒模式切換進行了研究，發現從LTC到CI的切換引起NOx排放尖峰，而從CI到LTC的切換則引起HC排放尖峰，Burton認為這是燃油和空氣系統不協調引起的。但是，該文并沒有提出HCCI瞬態控制中油氣綜合控制的策略，只是在發動機ECU上進行了簡單的MAP圖的標定。

本文在研究各個油氣參數對LTC燃燒影響的基礎上，提出了一套油氣協調切換控制策略，對LTC／CI燃燒模式切換過程進行控制。

1 系統描述

1.1 發動機控制單元

系統所用的發動機控制單元，基于Freescale MPC5634M32位高性能單片機開發。該單片機使用LQFP 144封裝，CPU頻率達到80MHz，具有2路CAN總線、32路eTPU、1.5MFlash、32路12位AD、Nexus調試接口支持、DMA支持和浮點運算支持等多種功能［11］。控制單元硬件框架如圖1所示。

圖1 控制系統硬件框架Fig.1 Hardware structure of control system

該控制器支持6～32V寬電壓輸入范圍，可以處理32路模擬信號、20路開關信號、4路PWM信號和2路轉速信號，能夠驅動20路開關型負載、8路PMW負載、1路直流電機負載和8缸噴油器。配備的智能噴油器驅動系統能夠實時閉環控制充電泵電壓和噴油器驅動電流。該控制器能夠滿足柴油機燃油系統控制、空氣系統控制和后處理系統控制的硬件資源需求。

1.2 發動機控制策略

開發的發動機控制策略如圖2所示。在原有的基于扭矩的控制框架基礎上，加入LTC低溫燃燒控制和LTC／CI燃燒模式切換控制。

（1）控制策略識別加速踏板扭矩需求和附件系統扭矩需求，得到動力系統扭矩需求。

圖2 控制系統軟件框架Fig.2 Software structure of control system

（2）從動力系統扭矩需求得到發動機平均有效壓力 BMEP（Brake mean effective pressure），加入預估的摩擦轉矩和平均泵氣壓力PMEP（Pumping mean effective pressure），得到需求的平均指示壓力IMEP（Indicated mean effective pressure）。

（3）在燃燒模式協調控制器中，得到當前的目標IMEP和燃燒模式，通過IMEP和油量之間的轉換關系得到目標油量。

（4）根據目標油量和燃燒模式，進行空氣系統和燃油系統的協調控制。

圖2中，TFLT和QFLT分別是濾波后的扭矩和濾波后的油量，用于燃油系統的控制；TADV和QADV相對于TFLT和QFLT，動態響應更快，用于空氣系統控制。燃油系統支持軌壓控制和多段噴射；空氣系統采用PID控制器對EGR和VNT進行獨立控制。

1.3 發動機

本文在一臺4缸2.5L柴油機上進行LTC和燃燒模式切換研究，該發動機系統框架如圖3所示。

該發動機使用高壓共軌型燃油噴射系統。對原機改造后，加裝了VNT系統和EGR系統。該發動機為直列四沖程、直噴、水冷、增壓、中冷發動機，4缸，缸徑×沖程為92mm×94mm，總排量為2.499L，壓縮比為17.5，額定功率／額定轉速為87kW／4000r·min－1，最大扭矩／最大扭矩轉速為280N·m／2000r·min－1，EGR系統為外部、水冷中冷。

圖3 發動機系統框架Fig.3 Structure of engine system

2 LTC實現及其影響因素

本文使用的燃料晚噴方式注重燃燒過程的改善，它的技術特點是在上止點附近高壓噴射燃油，配合使用大EGR率。柴油晚噴和EGR的應用使得燃燒滯燃期延長，為燃油和空氣爭取更多的混合時間，使得預混合燃燒的比例增大；使用較高的燃油噴射壓力也會促進油氣均勻混合；同時由于大EGR率的使用，氧氣濃度下降，燃燒溫度降低。這些措施，能夠使得NOx和PM排放同時降低。

圖4所示為LTC燃燒的缸壓和燃燒放熱率曲線，可以看出，瞬時燃燒放熱率的主體在上止點后。

圖4 燃料晚噴實現柴油LTC燃燒的缸壓及放熱率曲線Fig.4 Cylinder pressure and ROHR of LTC implemented by late injection

為研究晚噴定時、燃油噴射壓力和EGR率對LTC燃燒的影響，設定基準工作點，該點發動機轉速為1800r·min－1，扭矩為78.2N·m，預噴油量為3.0mm3，主噴油量為16.0mm3，預噴定時為－19.5℃A（上止點前），主噴定時為2.9℃A（上止點后），噴射壓力為120MPa，EGR率為20%，燃燒放熱重心CA50為20℃A，NOx排放體積濃度為98×10－6。

2.1 晚噴定時對LTC的影響

通過調整晚噴定時（固定預噴與晚噴的間隔及油量比例）研究燃燒放熱重心CA50的變化情況，并考察不同晚噴定時及其對應的CA50對低溫燃燒狀態的影響，試驗結果如圖5所示。

圖5 晚噴定時對NOx和PM排放的影響Fig.5 Influence of injection timing on emission level

（1）晚噴定時與燃燒放熱重心CA50單調對應，即晚噴定時變大（上止點后為正），CA50也相應變大（上止點后為正）。

（2）當晚噴定時在上止點前（圖5中在－4℃A前），燃燒呈現出類似CI的特性，即主噴提前則NOx排放惡化，而碳煙排放下降（NOx和PM的Trade－Off關系）。

（3）當晚噴定時被推后到一定位置后（圖5中3℃A），對排放的改善作用變得不明顯。

2.2 燃油噴射壓力對LTC的影響

燃油噴射壓力在60～140MPa變化，研究其對LTC狀態的影響，結果如圖6所示，圖中虛線表示LTC基準工況點對應的傳統CI燃燒的排放水平。

在過低的噴油壓力下，噴入燃燒室的燃油沒有足夠的動能，油氣混合不均，再加上EGR所引入的燃燒廢氣，即使燃油噴射壓力仍然大于傳統CI下的壓力（約60MPa），仍可能會因為氣缸內局部空燃比過低，而產生大量碳煙排放。因此，在一般情況下，LTC所需的燃油噴射壓力都大于相同工況的傳統CI。

圖6 噴射壓力對NOx和PM排放的影響Fig.6 Influence of rail pressure on emission level

2.3 EGR率對LTC的影響

調整EGR閥開度實現EGR率ξEGR從0%～28%的變化，其對LTC燃燒狀態的影響如圖7所示，圖中虛線表示LTC基準工況點對應的傳統CI燃燒的排放水平。

在保持基準工況的燃油噴射壓力和噴油定時不變的情況下，EGR率的增加對碳煙排放影響不大，而NOx排放大幅度下降。由于大量缸內燃燒產生的廢氣通過EGR系統再次循環進入氣缸，廢氣渦輪增壓系統所能利用的排氣能量減少，缺少必要的驅動能量，增壓系統在整個LTC適用工況范圍內基本沒有調控空氣系統的能力。

圖7 EGR率對NOx和PM排放的影響Fig.7 Influence of EGR rate on emission level

3 LTC／CI切換控制策略

LTC使用晚噴、高噴射壓力和高EGR率的方法來實現，在該燃燒模式下，無增壓能力；而傳統的CI使用正常的噴油定時、低噴射壓力、低EGR率來實現，在該燃燒模式下，可以進行正常增壓（可以使用VNT控制增壓壓力）。

在CI或LTC燃燒模式下，單獨改變某個控制參數狀態，對整個發動機性能的影響如表1所示。

表1 控制參數對發動機性能的影響Table 1 Influence of control parameters on engine performance under CI／LTC combustion mode

3.1 CI→LTC燃燒模式切換

燃燒模式從CI切換到LTC時，要保證切換過渡過程轉矩輸出平滑則需要避免燃燒的不穩定，而不穩定燃燒源于大EGR率下低壓噴油噴射，此時燃油霧化程度不好，部分區域嚴重缺氧導致燃燒分布不均勻且產生大量碳煙，所以噴射定時控制模塊應該在燃燒切換初期立刻切換到晚噴，同時保證噴油壓力快速建立至高壓狀態；此外，在切換過程中，可以利用VNT增加排氣背壓以提高EGR閥的流通速率，加快EGR系統的響應。因此，可制定噴油模式和燃油噴射壓力控制模塊迅速響應，VNT輔助EGR系統的控制時序，如圖8所示。

圖8 CI→LTC燃燒模式切換控制Fig.8 Control strategy of CI→LTC mode switch

當確認燃燒模式切換命令后，噴射壓力控制和EGR控制模塊使用經過優化的滿足快速響應要求的控制參數，而VNT子系統在切換過程初期使用降性能控制，通過利用VNT和EGR系統的耦合效應，減少渦輪流通截面，增加排氣背壓，在短時間內輔助EGR系統迅速穩定到目標值，當EGR率接近預定目標時，VNT自動切換控制目標和控制參數（切換條件見圖8，其中Δ為標定量）。

3.2 LTC→CI燃燒模式切換

圖9 LTC→CI燃燒模式切換控制Fig.9 Control strategy of LTC→CI mode switch

燃燒模式從LTC切換到CI燃燒模式初期，EGR閥立刻關閉，并將VNT控制切換到CI狀態下的控制目標和控制參數，使得進氣壓力和新鮮空氣量迅速上升，當進氣壓力到達切換條件時（見圖9），EGR控制進行狀態切換（因為此時EGR率需求較小，EGR閥從完全關閉到達控制目標所需時間不長，這種簡單的控制邏輯的目的是以犧牲短時間NOx排放來減少控制策略復雜度）。噴油模式的切換時刻應保證滿足兩個條件:一是要保證足夠的空氣量，二是應等待噴射壓力下降到適當的程度，避免產生燃燒噪聲。整個切換過程的協調控制時序如圖9所示。

3.3 模式切換邊界控制

在一定工況下，燃燒模式根據該工況轉速和負荷查表（MAP）得到。MAP包含了一些離散的工況點，在各個明確的工況點之間的工況，需要根據周圍4個工況點的燃燒模式來決定。

如圖10所示，工況點（n，L）的燃燒模式，需要由該 MAP圖中周圍4個工況點 （n1，L1）、（n2，L2）、（n1，L2）和（n2，L1）的燃燒模式決定。從該MAP圖得到的燃燒模式，要么是傳統壓燃，要么是低溫燃燒，沒有中間模式，所以，一般只進行查表運算，而不需要進行插值運算。

圖10 滯回式查表方法Fig.10 Hysteresis calculation method

按照一般方法進行查表的算法如下:

按照這種方法，如果當前工況的轉速在（n1＋n2）／2附近波動（這種波動在發動機正常運行過程中很正常），將會導致查表得到的值D（n，L）來回波動，這種波動會導致燃燒模式在CI與LTC之間來回切換。所以本文使用滯回式查表方法來消除這種潛在的高頻燃燒模式切換。

查表值與歷史軌跡相關（k為當前時刻，k－1為前一時刻），當前時刻查表值通過下式確定:

式中:n～（k）為取值的轉速點，通過式（3）確定:

式（3）（4）中的①②③④代表4個條件，其具體表達式如下:

4 實驗結果

在發動機臺架上進行實驗，該臺架配備HT350型交流電力測功機、MEXA－7100DEGR排放分析儀、AVL439不透光煙度計和AVL472顆粒分析儀等設備。

圖11所示為1800r·min－1轉速、80N·m扭矩工況下從CI切換到LTC（圖中HCCI）的實驗結果。圖12所示為1800r·min－1轉速、80N·m扭矩工況下從LTC切換到CI的實驗結果。圖11和圖12中策略1為使用基于模型的軌壓控制策略［12］的控制結果，策略2為使用普通PID的軌壓控制策略的控制結果。

使用基于模型的軌壓控制策略，可以加快軌壓的響應，使得在燃燒模式切換時，快速地控制軌壓達到目標值，提高過渡過程中燃燒的穩定性。

在使用基于模型的軌壓控制策略的基礎上，通過油氣協調控制，在LTC／CI燃燒模式切換動態過程中:

圖11 CI→LTC燃燒模式切換Fig.11 Experimental results of CI→LTC

圖12 LTC→CI燃燒模式切換Fig.12 Experimental results of LTC→CI

（1）從CI切換到LTC，軌壓從60MPa迅速上升到120MPa；從LTC切換到CI，軌壓從120 MPa迅速下降到60MPa。

（2）在LTC燃燒模式下，NOx排放和煙度排放響應迅速，NOx排放和煙度排放相對于CI燃燒模式，下降幅度均超過50%。

（3）在燃燒模式切換過程中，扭矩波動小（工況波動約5N·m），過渡平穩。

5 結 論

（1）LTC燃燒需要使用燃油晚噴、高EGR率和高壓燃油噴射來達到NOx和PM的排放同時降低。

（2）LTC燃燒只適用于部分工況，在燃燒模式邊界上，需要進行LTC／CI燃燒模式切換，在切換過程中，需要對各個控制參數的變化時序進行嚴格控制。

（3）在燃燒模式邊界，使用滯回式查表方法，可以減少由于發動機參數波動導致的燃燒模式頻繁切換。

（4）使用油氣協調的控制策略，在燃燒模式切換過程中，發動機狀態響應迅速，過渡平穩。

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