車載高壓共軌柴油機燃油噴射系統控制策略分析(上)

◆文/江蘇 高惠民

一、概述

隨著汽車社會的高速發展，能源危機和環境污染問題日趨嚴重。為解決這兩大問題，世界各國都制定了發展節能與新能源汽車技術路線，并且不斷革新著汽車動力裝置——發動機。傳統的汽車發動機主要包括汽油機和柴油機。相對于汽油機來說,柴油機的顯著優點就是油耗較低。在排放方面，汽油機廢氣中的一氧化碳(CO)、碳氫化合物(HC)和氮氧化合物(NOx)比較容易處理，而柴油機廢氣中CO、HC的排放量很低, NOx與碳煙顆粒(PM)的排放量卻比較高，而且很難同時降低NOx與PM。因此，世界各國在采用柴油機作為汽車動力的同時，對其排放控制提出了越來越高的要求，這也促進了車載柴油機控制新技術的相繼問世。尤其是高壓共軌柴油機電控燃油噴射系統的研制成功,改變了傳統燃油噴射系統的基本組成和結構,使柴油發動機越來越成為汽車動力的主流，柴油機電控技術也成為當前內燃機節能技術的主要發展方向。

二、柴油機汽車排放法規與電控技術的發展歷程

1.柴油機汽車排放法規

從2001年開始，我國先后實施了《輕型汽車污染物排放限值及測量方法》國Ⅰ到國Ⅴ的排放標準。2016 年12月，又發布了國Ⅵ排放法規，為了給車企一定的緩沖時間，該標準設有6a和6b兩個排放限值方案，分別將于2020年和2023年實施，具體的排放限值如圖1。與現國Ⅴ標準比較，國Ⅵ標準具有下列不同：(1)測試循環從 NEDC(新標歐洲循環測試) 循環變成 WLTC 循環(全球輕型車統一測試循環)；(2)加嚴了測試要求；(3)采用燃料中立原則，對柴油車 NOx 和汽油車 PM 不再設置較松限值，而是采用相同限值要求，比國Ⅴ標準嚴格了50%左右；(4)增加了實際道路行駛排放測試；(5)加嚴了蒸發排放控制要求；(6)增加排放質保要求；(7)引入OBD控制要求，實時監測車輛排放狀態。因此，嚴厲的排放標準實施，有力推動了車載柴油機電控技術的快速發展。

圖1 輕型柴油車第六階段污染物排放限值

2.電控柴油機汽車燃油噴射系統的發展

電控柴油機汽車燃油噴射系統已經經歷了三代變化。第一代為位置控制式的電控燃油噴射系統,此系統中將機械式調速器和提前器換成電子控制的機構,燃油的壓送機構和機械式燃油系統相同。噴油量根據ECU指令由齒桿或溢油環的位置進行控制,噴油時間由發動機曲軸和凸輪軸的相位差進行控制。第二代為時間控制式的電控燃油噴射系統,采用高速電磁閥式噴油器對噴油量和噴油時間進行時間控制。燃油升壓通過噴油泵或發動機凸輪來實現，升壓開始時間(與噴油時間對應)和升壓終了時間(升壓開始到升壓終了的時間與噴油量對應)由電磁閥的通斷控制，控制自由度得到了很大提升。第三代為時間壓力控制式電控燃油噴射系統。這種系統的特點是有一個各缸共用的高壓燃油容腔。這一高壓油腔稱為高壓油軌或簡稱共軌。一般共軌被安裝在汽缸蓋側方呈管狀與機身長度方向平行。在與各汽缸相對的位置,引出高壓油管連接對應汽缸的噴油器。共軌系統的噴油器受電驅動信號控制。當存在驅動電流時,共軌系統噴油器的高速電磁泄壓閥會被打開,引發噴油器針閥兩端壓力差升高、針閥抬起、燃油噴入汽缸。由于這種系統在油軌內壓力一定時,每次供油量大體與供油時間成正比,因此也被稱作時間壓力式控制系統。高壓共軌系統具有很突出的特點：(1)燃油噴射壓力獨立于柴油機的轉速和負荷。在柴油機低速下,仍可實現較高的燃油噴射壓力。這可以使柴油機低速低負荷時的性能得以改善；(2)對噴油時間和噴油量的控制非常自由；(3)對噴油規律的調節能力很強。噴油控制僅取決于高速電磁閥這一運動件,由于這個運動件質量比較小,因此運動慣性也很小。實際控制時可以實現在一個工作循環內的多次噴射，有效地改進燃燒效果；(4)能夠實現很高的燃油噴射壓力，目前已達到180～200MPa；(5)適應性較強，可以用于多種柴油發動機。由于共軌系統這些優異的性能，實現對柴油機燃燒壓力的變化率較好地控制，燃燒噪聲得到了改善。與此同時對柴油機本體也進行優化，如新型燃燒室設計、可變截面渦輪廢氣增壓(VGT)、降低壓縮比、增大EGR冷卻效率、可變氣門正時(VVT)、進排氣道結構優化等，特別是結合排放后處理系統選型(催化氧化轉換器DOC+顆粒過濾器DPF系統或DOC+DPF+選擇尿素溶液還原的SCR系統)，拓寬了柴油機的使用領域。實現對排放更好的控制。

三、高壓共軌柴油機噴油系統組成與控制

1.高壓共軌柴油機噴油系統組成

高壓共軌柴油機電控燃油噴射系統主要由兩大部分組成，燃油供給系統和電子控制系統。燃油供給系統主要由低壓油路和高壓油路組成(圖2)。

主要零部件有高壓油泵。調壓閥、高壓蓄壓器(共軌管)、噴油器。高壓油泵中的輸油泵將燃油從低壓油路吸入，并通過油泵柱塞加壓成高壓燃油供入高壓油路共軌內。儲存在共軌內的高壓燃油在適當的時刻和適當的量通過噴油器噴射到發動機汽缸內。噴油器的開啟與關閉受電子控制單元(ECU)的控制。

圖2 高壓共軌柴油機燃油供給系統組成

高壓共軌柴油機電子控制系統主要由各種傳感器、電子控制單元(ECU)和各種執行器三大部分組成(圖3)。

圖3 高壓共軌柴油機電子控制系統組成

電子控制系統使用的傳感器，基本結構和原理與汽油機電子控制燃油噴射系統的傳感器基本相同。電子控制單元(ECU)接收各種傳感器送來的信息，輸出的信號用于操作執行器工作。也就是說，由各種傳感器采集的數據都被送入ECU，在ECU內部與預先存儲在存儲器中的經過大量試驗得到的最佳噴油量、噴油時間和噴油規律的MAP圖(脈譜圖)進行比較、計算出當前的最佳參數，并轉換成電流信號指令發送給執行器。執行器包括電動輸油泵、油壓調節閥、電子節氣門、噴油器以及廢氣再循環等部件，噴油器根據ECU指令按照最佳的噴油量、噴油正時和噴油規律噴油。

2.高壓共軌柴油機噴油系統控制策略

高壓共軌柴油機電控燃油噴射系統控制框圖如圖4所示。高壓共軌柴油機燃油噴射系統控制具體內容如下。

(1)噴油量控制

目標噴油量的確定包括計算基本噴油量、計算最大噴油量、比較基本噴油量與最大噴油量，圖5所示為噴油量控制策略示意圖。

圖4 高壓共軌柴油機電控燃油噴射系統控制框圖

首先電控單元(ECU)通過油門踏板位置傳感器和發動機轉速傳感器測量獲取柴油機工況信息,在柴油機工況信息獲知的基礎上結合噴油量MAP,確定基本噴油量, 然后再結合發動機水溫等信息對基本噴油量進行修正，圖6所示為基本噴油量、最大噴油量、噴油量修正值曲線圖，確定修正值后與當前轉速下進氣量(進氣壓力)所對應的最大噴油量相比較(最大噴油量是全負荷煙度限制的噴油量),取較小的值為最終目標噴油量，圖7所示為加速踏板60%為恒速驅動，加速踏板100%為加速驅動時的目標噴油量曲線圖。最后通過查詢與共軌壓力、噴油量相對應的噴射脈寬MAP圖,確定噴射脈寬輸出至噴油器,完成噴油控制。

圖5 噴油量控制策略原理圖

圖6 基本噴油量、最大噴油量、噴油量修正值曲線圖

圖7 目標噴油量曲線圖

(2)噴油壓力控制

在高壓共軌柴油機噴油系統中，燃油壓力的產生與噴射是分開的，并且燃油壓力的產生與發動機轉速和噴油量無關。因此必須針對其共軌壓力建立和釋放的過程,建立獨立的調節機制,才能使共軌壓力穩定在需要的范圍內,為柴油機工作提供保障。根據系統不同，燃油壓力的調節采用不同的方式，圖8所示為共軌系統高壓調節方式。

圖8 共軌系統高壓調節方式

①高壓側燃油壓力調節

在轎車用共軌噴油系統中，所期望的共軌壓力由壓力調節閥調節，如圖8a所示。不需要噴射的燃油則通過壓力調節閥返回到低壓回路。這種調節方式能夠使共軌壓力迅速地適應發動機運行工況變化時(例如負荷變化時)的油量需求。壓力調節閥大多安裝在共軌上，在個別應用場合也有安裝在高壓燃油泵上的。

②進油油量調節

調節共軌壓力的另一種方式是進油油量調節如圖8b所示。進油計量單元通過法蘭連接在高壓燃油泵上。使高壓燃油泵能夠將精確的燃油量輸送到共軌中去，由此就能維持系統所必須的噴射壓力。限壓閥能在系統發生故障時防止共軌壓力出現不容許的異常升高。采用進油油量調節的方式可減少被壓縮到高壓側的燃油量，因而減小了高壓油泵的驅動功率，對發動機燃油消耗產生有利效果。此外，與調節高壓側燃油壓力的方式相比，可降低返回的燃油箱的燃油溫度，但在發動機冷態時則不利于燃油的加熱。

③雙調節系統

雙調節系統如圖8c所示是將采用進油計量單元調節進油側壓力的方法與采用壓力調節閥調節高壓側壓力的方法組合起來，它綜合了兩種調節方式的優點。與單一的進油側調節比較，克服了在發動機負荷快速變化時，共軌中的燃油壓力降低延續時間太長，燃油壓力適應負荷狀況變化動態響應過于遲鈍，特別是壓電直接控制噴油器的情況下，因燃油僅有少量的內部泄漏，更可能出現的這種情況。所以，好些共軌噴油系統除了高壓油泵帶有進油計量單元之外，另外還附加有一個壓力調節閥。采用這種雙調節系統能將低壓側調節優點與高壓側調節有利的動態性能結合起來。

噴油壓力是通過安裝在高壓共軌上的共軌壓力傳感器進行測量，然后把測量信息發送給電控單元ECU，ECU根據基本噴油量和最大噴油量以及發動機負荷、溫度等信息進行修正，計算出目標燃油噴射需要的壓力，控制燃油壓力調節閥。

(3)噴油正時控制

如圖8c所示，柴油機的燃燒很大程度上是由柴油機的噴油正時所決定,不僅如此,噴油正時還影響著柴油機的經濟性、排放性以及運行的柔和度。噴油過程中,噴油提前角不能過大,也不能過小。過大的話,將引起柴油機工作粗暴,著火延遲期將會變長,由于噴入缸內的燃料過多,會增加柴油機的壓縮負功,導致功率下降,燃油消耗率也會增加。噴油提前角過小的話,會引起后燃現象,排氣溫度會增加,燃油消耗率增加,對渦輪增壓也會產生負面的影響。所以,噴油提前角需要針對柴油機的不同負荷,精確控制噴油正時。

控制好噴油正時是共軌噴射控制技術的關鍵之一,基本的控制原理就是利用基本值加上補償值,其中基本值就是通過柴油機的轉速與噴油量MAP查詢確定的, 補償值主要包括冷卻水溫補償、進氣溫度補償、進氣壓力補償等，圖9所示為噴油正時控制策略原理圖。

圖9 噴油正時控制策略原理圖

由于較低的溫度會影響燃燒的延遲,因此引入進氣溫度補償,結合標定的MAP獲得補償量。在柴油機運行時,行駛道路的海拔高度不一樣,會使進氣壓力發生變化,導致柴油機某些硬件損壞,使用進氣壓力補償會使由于海拔高度造成的影響降到最低。噴油正時的控制實際上就是對噴油起始點的確定,準確控制噴油起始點,就是實現了精確的噴油正時控制。噴油起始點即是對噴油驅動信號上升沿的確定,由噴油時間再確定噴油驅動信號下降沿。其中噴油驅動信號的觸發沿可以通過發動機轉速信號和上止點信號確定。

(4)噴油規律控制

由于高壓燃油泵產生共軌壓力與燃油噴射無關，噴油壓力在噴射過程中基本恒定不變(圖10)。在給定壓力下，噴油量與噴油器電磁閥通電時間成正比，而與發動機或噴油泵的轉速無關(時間控制式噴射)，這樣就能得到近似矩形的噴油規律。因其噴油持期間短，并且高的噴束速度基本保持不變，因此提高了全負荷時的空氣利用率，獲得較高的升功率。但是這對降低燃燒噪聲是不利的，由于噴油開始時噴油速率高，在著火滯后期內噴入燃燒室的燃油量較多，這將會導致預混合燃燒期間較高的壓力升高。采用多達兩次的預噴射，可以調整燃燒室內的溫度，從而縮短著火滯后期，達到最小的燃燒噪聲值。同時實施多次噴射控制，為發動機各種不同的運行工況點自由確定噴油始點、噴油持續時間和噴油壓力，從而優化發動機的轉矩,減小排放和燃油消耗率。

現代的壓電共軌噴油系統能夠實現更多次的預噴射和后噴射，最多能夠在一個工作循環期間噴射5次。

(5)噴射功能

根據車載柴油機用途，需要下列功能(圖11)。

圖10 共軌燃油噴射系統噴油規律

圖11 多次噴射功能

①預噴射1：用于降低燃燒噪聲和NOx排放，特別是在直噴式柴油機上；②主噴射2期間的壓力曲線：用于無EGR運行時降低NOx排放；③主噴射期間的靴形壓力曲線4：用于無EGR運行時降低碳煙顆粒排放；④主噴期間恒定不變的高壓2-7用于有EGR運行時降低碳煙顆粒排放；⑤早后噴射8：用于降低碳煙顆粒排放；⑥晚后噴射。