基于扭矩的高壓共軌柴油機急加/減速控制策略的研究*

廖亮宇 徐勁松 申立中 畢玉華

（昆明理工大學交通工程學院云南昆明650500）

·研究·開發·

基于扭矩的高壓共軌柴油機急加/減速控制策略的研究*

廖亮宇 徐勁松 申立中 畢玉華

（昆明理工大學交通工程學院云南昆明650500）

以高壓共軌柴油機為對象，針對急加速和急減速過程的特殊性，結合基于扭矩的控制算法，提出了急加速和急減速過程的扭矩計算扭矩/油量轉換和軌壓控制策略。利用ETAS公司的INCA 5.4標定軟件對該控制策略在發動機試驗臺架上進行了實時監測和標定。結果表明：該控制策略的應用保證了對柴油機急加速和急減速過程的平穩控制，改善了柴油機的響應性能。

高壓共軌柴油機急加速急減速控制策略

引言

車輛在行駛過程中，駕駛員經常需要進行急加速和急減速操作，以提高車輛速度或進行制動。在城市道路中，急加速和急減速過程則更加頻繁地出現。為保證柴油機轉速的平穩過渡，提升柴油機的操縱性，對急加速和急減速過程控制的重要性日益凸顯。

柴油機高壓共軌控制技術因其對噴油量和噴油壓力的靈活控制，對改善柴油機性能有著傳統機械式柴油機無法比擬的優勢。高壓共軌柴油機對噴油量的控制從基于油量的控制逐步發展到基于扭矩的控制，基于扭矩的噴油量控制算法首先通過計算發動機需求扭矩，再由扭矩/油量轉換MAP插值得到噴油量。該算法由J.Gerhardt于1997年最先提出，隨后由于其邏輯清晰、構造方便及自由度高等特點，在現代發動機管理系統開發中得到了廣泛的應用[1，2]。

急加速和急減速過程是通過給發動機控制系統輸入近似于階躍信號的油門踏板開度，使發動機在兩個穩態工況之間實現過渡的瞬態工況。由于油門踏板開度信號輸入的突變，導致柴油機控制系統的扭矩、噴油量等參數產生劇烈變化。隨著廢氣渦輪增壓柴油機的普及，渦輪增壓器在這兩個過程中的慣性引起進氣量供給滯后，進而導致在急加速過程中空燃比過小，燃燒惡化，使得柴油機響應緩慢，污染物排放增加[3]；而在急減速過程中空燃比則偏大，加之噴油量的減小使得霧化效果不理想，導致燃燒不穩定，排放也隨之惡化[4]。

作者采用基于扭矩的高壓共軌控制策略，分析了從輸入油門踏板開度信號到燃油噴射過程中的扭矩計算、扭矩/油量轉換和軌壓控制的控制策略，通過控制噴油量和噴油壓力改善柴油機的急加速和急減速性能。

1 扭矩計算

車用柴油機的扭矩計算一般采用倒推法，即從驅動車輛前進的扭矩經過一系列的計算，最終倒推出發動機的指示扭矩。急加速和急減速扭矩的具體計算過程如圖1所示。

圖1 急加速和急減速扭矩計算邏輯

柴油機急加速和急減速工況的控制通過踩下或放開油門踏板來實現。產生的油門踏板電壓信號需經過線性化以轉換成百分比的油門踏板開度值，隨后還需對其進行PT1過濾和合理性檢查，以保證油門踏板對發動機的平穩控制。

油門踏板開度到扭矩的轉換通過基于油門踏板開度和發動機轉速的駕駛員需求扭矩MAP中插值出推進扭矩實現，推進扭矩再加上傳動系最小扭矩得到駕駛員需求扭矩，該扭矩不能大于傳動系最大扭矩。傳動系最小扭矩是發動機摩擦扭矩和高壓油泵需求扭矩組成的發動機最小扭矩與交流發電機、空調以及伺服泵等附件消耗的扭矩之和，為負值。傳動系最大扭矩是根據發動機轉速從發動機外特性關系曲線中插值出來的發動機最大扭矩與發動機附件消耗的扭矩之和，為正值。

當有制動需求時，制動選擇模塊根據制動需求類型進行扭矩切換，以實現急減速斷油。制動選擇模塊輸出的傳動系輸入扭矩是發動機曲軸輸出的扭矩，該扭矩減去負值的發動機最小扭矩就得到了發動機的內部扭矩。由于發動機產生的扭矩不能為負值，所以應與0取大。當不踩下油門踏板時，內部扭矩被限制為0，發動機進入怠速工況，此時低怠速管理模塊被激活，計算出低怠速需求扭矩以保證發動機在最小運轉轉速下運行，在限制扭矩不小于0后，得到發動機指示扭矩，進入到扭矩/油量轉換模塊。

該扭矩計算方法通過采用模塊化設計，思路清晰，結構簡單，操作性強，相比于傳統的機械式柴油機有利于提高對發動機控制的靈活性和可靠性。

1.1 需求扭矩控制策略

評價急加速和急減速過程控制優劣的指標主要有3個：1）響應時間短；2）燃油經濟性好；3）排放少。對噴油量的控制是急加速和急減速過程控制的主要方面，在基于扭矩的高壓共軌系統中，噴油量是通過計算扭矩再經轉換得到的，因此對需求扭矩的控制是控制急加速和急減速過程的重點。

在急加速過程中，需要加大噴油量，然而由于渦輪增壓器的慣性使得柴油機在急加速過程早期處于近似于自然吸氣的狀態，噴油量的增加遠遠快于進氣量，導致空燃比過小，燃燒惡化。因此在駕駛員踩下油門踏板后應盡快增大發動機需求扭矩，讓發動機轉速迅速上升到目標轉速，縮短發動機的加速時間，滿足駕駛員的加速意圖，但在油門踏板開度穩定后，隨著轉速的上升，應逐漸減小需求扭矩，以避免發動機飛車和燃燒繼續惡化，從而實現對加速過程的平穩控制。

在急減速過程中，隨著油門踏板開度的減小，應迅速減小需求扭矩，以使轉速迅速地下降到目標轉速，在油門踏板開度穩定后，隨著轉速的下降應逐漸增大需求扭矩以避免發動機熄火。

1.2 減速斷油控制策略

在急減速過程中，突然關閉油門時，如果不切斷燃油供給，由于噴油量小導致霧化效果不好，將導致在此情況下發動機的燃燒和排放惡化，且不利于車輛的迅速制動。所以當發動機高速運轉過程中油門踏板被完全放開時，應進行減速斷油，暫時停止燃油噴射，直到油門踏板再次被踩下時切換到正常噴油量，或等到發動機轉速下降到某一設定值（900 r/min）后切換到怠速油量。

圖2所示為減速斷油控制邏輯圖。當完全放開油門即油門踏板開度為0，且駕駛員需求轉速不大于低怠速轉速下限（800 r/min），同時制動模式預選擇標志位等于3時，則判定為需進行減速斷油，制動狀態標志位置1，此時發動機扭矩從油門踏板開度計算出來的駕駛員需求扭矩切換到最小制動扭矩。駕駛員需求轉速由油門踏板開度從駕駛員需求轉速曲線插值得到，與油門踏板開度成正比。制動模式預選擇信號來自CAN或硬件PIN腳，標志位3表示低怠速預選擇，即駕駛員意圖使發動機進入低怠速工況。

最小制動扭矩為發動機從高轉速迅速制動到低轉速時所需的最小摩擦扭矩，為負值。最小制動扭矩由從基于發動機轉速的制動扭矩曲線插值加上發動機最小扭矩，并減去交流發電機、空調及伺服泵等附件的需求扭矩得到。

圖2 減速斷油控制邏輯圖

2 扭矩/油量轉換

圖3所示為扭矩/油量轉換策略示意圖。扭矩/油量轉換通過發動機轉速和發動機指示扭矩從扭矩/油量轉換MAP中經過線性插值實現。扭矩/油量轉換MAP是在不同發動機轉速下所對應的一組轉換曲線族，需要在發動機臺架上試驗標定得出。線性插值方法為：先將發動機指示扭矩和發動機轉速輸入到扭矩/油量轉換MAP中，以發動機轉速為指針，從三維的扭矩/油量轉換MAP中插值出扭矩/油量轉換曲線，再根據曲線插值出指示扭矩所對應的基本油量點。基本油量還須除以當前扭矩/油量轉換效率修正因子，得到設定噴油量，最后再加上軌壓限制修正油量，以防止在急加速和急減速等過程中油量急劇變化導致軌壓產生較大的波動，從而得到最終的噴射油量。

圖3 扭矩/油量轉換策略示意圖

3 軌壓控制策略

柴油機急加速和急減速過程都屬于瞬態工況，軌壓變化幅度往往較大。在急加速過程中，噴油量急劇增加，需要快速建立軌壓，而由于泵油系統的滯后，導致在軌壓上升后期帶來軌壓超調，即目標軌壓與實際軌壓之間產生較大的負偏差。而在急減速時，噴油量快速下降，需降低軌壓，然而同樣由于泵油系統的慣性，導致在軌壓下降后期目標軌壓與實際軌壓之間產生較大的正偏差。軌壓控制的目的是根據噴油量和發動機轉速計算出當前的目標軌壓，通過軌壓控制器的調節使軌壓能夠實時地隨噴油量的變化而做出相應的改變[5]。

3.1 目標軌壓計算

為精確控制軌壓，需先計算當前所需的目標軌壓，作為軌壓控制的目標基準值，即軌壓的最終調節目標。隨后根據目標軌壓與實際軌壓之間的偏差通過控制器的調節來減小偏差。

目標軌壓的計算流程如圖4所示。針對不同工況的需求，應先根據發動機轉速和總噴油量從基礎目標軌壓MAP中插值出基礎目標軌壓。此外，由于外界環境的變化會對柴油機系統產生較大的影響，此時軌壓自身和噴射系統對軌壓的需求會產生相應的變化，因此需根據水溫、大氣壓力、進氣溫度和燃油溫度對目標軌壓進行修正。由于開啟高壓油泵電磁閥的能量由蓄電池提供，蓄電池供電能量不足將影響軌壓的控制，因此目標軌壓應經過蓄電池軌壓最小值的限制。此外，為防止目標軌壓出現大幅度的階躍性的變化，需對目標軌壓的變化步長進行限制。

圖4 目標軌壓計算流程圖

3.2 軌壓閉環控制策略

為保證對柴油機急加速和急減速過程的平穩控制，軌壓控制系統不但要確保軌壓控制的穩定性和穩態精度，即穩態性能；更要確保軌壓控制的跟隨性和跟隨精度，即動態性能，因此應采用閉環控制。

圖5所示為軌壓閉環控制邏輯圖。軌壓閉環控制以PID控制為核心，通過給定目標軌壓與實際軌壓的偏差Δp，將Δp的比例（P）、積分（I）和微分（D）經過線性組合構成控制量，對高壓油泵的供油量進行調整，以減小Δp。比例模塊的作用是即時成比例地反映偏差，一旦產生偏差，立即產生控制作用。積分模塊的作用是不斷累加偏差，加大對偏差的控制力度，以消除靜差，提高系統的無差度，但如果積分的調節作用太強會引起系統振蕩，此時需通過積分凍結器分離積分作用。微分延遲模塊的作用是反映Δp的變化趨勢，減小超調量，改善系統的動態響應，同時提高軌壓控制系統的高頻抗干擾能力。由于工況的不同對軌壓的需求也不同，固定PID參數不能滿足對軌壓的控制要求，因此需通過PID參數選擇器針對不同的工況選擇合適的PID參數，以改善軌壓控制效果。

圖5 軌壓閉環控制邏輯圖

PID的調整流量加上軌壓預控制模塊輸出的軌壓預控制流量得到油量計量單元流量。軌壓預控制模塊的作用是通過考慮共軌管中燃油的泄漏量、發動機轉速、總噴油量和多次噴射等因素對軌壓的影響，計算出一個軌壓預控制流量，以減小軌壓控制系統的延遲時間，并使偏差保持在較小的范圍內。

4 試驗結果

為測試上述控制策略對急加速和急減速過程的控制效果，在一臺3.0 L 4缸高壓共軌柴油機上進行了柴油機急加速和急減速臺架試驗，并通過ETAS公司的INCA5.4標定軟件對柴油機電控ECU進行實時在線監測與標定。

在急加速和急減速過程中，油門踏板給柴油機控制系統的輸入信號近似于階躍信號，因此可運用自動控制理論，通過考察柴油機控制系統在典型信號輸入下的動態性能和穩態性能來評價該控制系統的性能[6]。

圖6所示為高壓共軌柴油機急加速過程臺架試驗控制效果。

圖6 急加速試驗

從圖6可以看出，柴油機轉速在1240 r/min時，開始輸入從9%到24%的近似于階躍信號的油門踏板開度，為盡快達到目標轉速，柴油機扭矩在出現90%的超調后迅速下降到68.5 N·m的最終穩定值，上升時間為0.4 s，調節時間為3 s。轉速的上升則稍滯后于油門踏板開度，在3s后轉速從1240r/min上升到2240r/min。由前文分析可知，循環噴油量與發動機扭矩之間存在對應關系，它們的變化趨勢是一致的。由圖中軌壓變化趨勢可以看出，不論目標軌壓還是實際軌壓都保持了很好的穩態性能和動態性能。由以上分析可見，上述急加速過程的控制策略可使高壓共軌柴油機控制系統在急加速過程中，響應迅速，控制穩定，具有理想的動態性能和穩態性能。

圖7所示為高壓共軌柴油機急減速過程臺架試驗控制效果。

圖7 急減速試驗

從圖7可以看出，柴油機開始以2020r/min的轉速正常運轉，當油門踏板開度突降為0，ECU判斷此時柴油機滿足執行減速斷油策略的條件，柴油機指示扭矩立即被限制為0，使得循環噴油量也減小為0，柴油機停止噴油，軌壓也隨之下降，但仍保持一定的軌壓。隨著發動機轉速下降到900 r/min以下，開始由低怠速管理模塊控制發動機，柴油機扭矩切換為低怠速需求扭矩，循環油量切換到怠速油量，ECU恢復噴油，柴油機轉速最終下降至目標怠速。由于供油泵系統的慣性，導致實際軌壓過渡到低怠速工況下的目標軌壓時出現了較大的偏差，但隨著恢復噴油，兩者又很快保持了一致。由以上分析可見，上述針對急減速過程的減速斷油控制策略實現了柴油機從高速運轉工況到低怠速工況的平穩過渡，改善了柴油機急減速性能。

5 結論

1）采用基于扭矩的柴油機急加速和急減速控制策略可有效改善柴油機的急加速和急減速性能，實現轉速和工況的平穩過渡。

2）在急減速過程中，當油門踏板開度突降為0時，采用減速斷油控制策略可改善柴油機的制動響應，使柴油機轉速快速平穩地進入目標怠速。

3）在急加速和急減速過程中采用軌壓閉環控制策略使得軌壓控制具有良好的穩態性能和動態性能。

1肖文雍，冒曉建，楊林，等.GD-1高壓共軌電控柴油機急減速控制策略研究的研究[J].車用發動機，2005（2）：35～37

2邊曉婷.高壓共軌柴油機控制策略的研究[D].山東：山東大學，2012

3Constantine D.Rakopoulos，Evangelos G.Giakoumis.Diesel engine transient operation-Principles of operation and simulation analysis[M].Springer，2009

4王延嶺，歐陽明高，盧青春，等.車用電控柴油機瞬態過程控制研究[J].汽車工程，1999，21（6）：338～343

5徐勁松，申立中，王貴勇，等.高壓共軌柴油機軌壓復合控制策略的研究[J].內燃機工程，2012，33（2）：54～59

6胡壽松.自動控制原理簡明教程第二版[M].北京：科學出版社，2008

Study on Control Strategy of Torque Based Abrupt Acceleration and Abrupt Deceleration Process for High Pressure Common Rail Diesel Engine

Liao Liangyu，Xu Jinsong，Shen Lizhong，Bi Yuhua
Faculty of Transportation Engineering，Kunming University of Science and Technology（Kunming，Yunnan，650500，China）

In view of the particularity of abrupt acceleration and abrupt deceleration process，on the high pressure common rail diesel engine，combined torque based control algorithm，torque calculation，torque/fuel conversion and rail pressure control strategy of abrupt acceleration and abrupt deceleration process was proposed.The control strategy was real-time monitored and calibrated by engine test bed using the INCA 5.4 calibration software of ETAS.The test results show that this control strategy can control abrupt acceleration and abrupt deceleration process smoothly，and improve the response performance of the diesel engine.

High pressure common rail diesel engine，Abrupt acceleration，Abrupt deceleration，Control strategy

TK421

A

2095-8234（2014）04-0001-05

2014-05-14）

國家自然科學基金資助項目（61263026）。

廖亮宇（1991-），男，碩士研究生，主要研究方向為柴油機電控技術。