柴油機電控系統軟硬件特征與控制邏輯優化

王寶臣

(黑龍江省農業機械工程科學研究院,哈爾濱 150081)

0 引言

柴油機作為重要動力機械,在汽車、農業機械、工程機械等領域應用廣泛,其具有熱效率高、燃油經濟性好、技術成熟等優勢。隨著低碳環保理念在全世界普及,我國對于柴油機的技術研究和升級做了大量工作,柴油機排放特性和能源利用率既受到噴油量、噴油提前角、噴油壓力等機械性能的影響,還受到電子控制邏輯、電控硬件先進性的影響。尤其從近年來看,柴油機技術的現代化升級已成必然,在成熟的機械技術基礎上,全面利用電控技術升級性能,成為柴油機產品提高市場競爭力的重要保障,更是解決發動機排放問題和實現能源節約的有效途徑。

1 柴油機電控系統應用情況

隨著美國、歐盟、日本等國家持續升級排放法規,我國也對柴油機實行了全新的國Ⅵ排放標準,對于碳氫化合物、氮氧化物及懸浮顆粒的排放量限制更為嚴格,這要求柴油機技術進一步突破傳統模式制約,充分利用電控技術提升動力性能,優化能源利用率和排放性能。電控技術在柴油機上的應用歷史悠久,其與柴油機的結合主要經歷了3個階段:第一階段為電子調速器電控柴油機技術階段,這一技術是在傳統柴油機機械結構的基礎上進行的簡單電氣升級,能利用電動執行器的移動控制噴油量,并通過電控液壓提前器調整噴油提前角,對于柴油機的其他功能不進行改變和控制;第二階段為時間控制式電控柴油機技術階段,在電子調速器技術的基礎上,利用電磁閥保證噴射控制的時間精度,利用電磁閥的開閉時間控制供油量,并增加了部分傳感器技術監測柴油機狀態,且ECU對軟硬件實時性要求更加嚴格;第三階段采用了現階段應用廣泛的共軌式電控柴油噴射技術,是一種全新的供油噴射技術,充分利用了高壓油泵、壓力傳感器和ECU的功能優勢,實現對油壓、供油量的精確控制,且供油壓力與柴油機轉速不直接相關,有效優化了柴油機的工作狀態[1]。

電控系統的應用有效實現了柴油機的技術升級,其應用價值主要體現在以下幾個方面:1)有效提高了柴油機運轉的控制精度,使控制指令的滯后性極大縮短;2)顯著增強了柴油機的工作可靠性,針對溫度、油壓、排氣等進行全面監測能有效避免故障發生;3)有效改善了柴油機的經濟性和排放性能,且對于惡劣工況的適應性能得到提升。

2 主要功能

電控技術的應用主要在于柴油機工作邏輯和控制方式的改變,其主要的應用方向包括供油控制、進排氣控制、故障診斷等。

2.1 供油控制

供油質量是影響柴油機性能的最主要因素之一,電控系統對于供油控制的主要方式包括:1)供油量控制;2)供油時機控制;3)供油邏輯控制;4)供油壓力控制。在共軌式電控柴油噴射技術中,能夠精確控制噴油正時,并根據柴油機的負載及轉速等多種參數優選最合理的供油邏輯,改善循環燃燒過程,并能夠通過壓力傳感器實時監測共軌燃油壓力,通過調整供油壓力改變供油量,并改善噴射壓力。

2.2 進氣控制

進氣質量是影響柴油機燃燒做功的另一個重要因素,電控系統對于進氣質量的優化功能包括:1)配氣控制技術,包括正時控制和渦流控制兩類,正時控制主要是結合柴油機的關鍵運轉參數運算和決策配氣邏輯,利用正時機構優化柴油機的配氣相位,保證在不同工況下達到最佳配氣相位,渦流控制也是結合柴油機的運轉工況進行的優化控制,通過進氣渦流比脈譜圖邏輯控制進氣強度,以滿足不同轉速下對進氣強度的需求;2)進氣預增溫技術,通過分析冷卻液溫度,控制加熱裝置對進氣增溫,以改善柴油機在寒冷環境下的使用性能及啟動穩定性。

2.3 排氣控制

電控系統能有效實現對柴油機排氣的優化,常用技術包括排氣再利用技術和排氣增壓技術。排氣再利用技術主要是利用控制裝置將排出的廢氣重新收集并使其參與柴油機運轉,進而減少氮氧化物等有害物質的排放量;排氣增壓技術是利用廢氣對渦輪進行驅動,進而增加柴油機動力性能,并利用電控技術監測渦輪裝置壓力,改善渦輪驅動性能和安全性[2]。

2.4 故障監測

大量傳感器的應用能夠全面獲取柴油機工況狀態,并將相關數據信息傳輸給ECU進行分析,當系統判定工況異常時,能夠自動進行故障預警,有效避免重大故障的發生。

3 軟硬件組成與特征

3.1 硬件系統

柴油機電控系統的硬件主要包括:ECU、傳感器、電控開關、執行器4部分。

3.1.1 ECU

ECU是電控系統的核心,也被稱為微型控制單元,其功能上集成了通用的輸入/輸出電路接口,能夠匹配多種可控電路面板,實現對數字信息的收集、運算和處理,結合先進的決策算法和系統預設程序,能夠有效處理柴油機運轉過程中的大量數據信息,并利用信息的處理結果選擇執行方案,將控制指令輸出到執行器[3]。

3.1.2 傳感器

柴油機內部應用的傳感器種類多種多樣,其功能是實時檢測柴油機的工況狀態,部分傳感器還用于檢測車輛、工程機械等的其他機械結構狀態,并將收集到的數據信息傳輸給ECU。對于柴油機性能影響顯著的傳感器功能包括以下幾類:一是發動機轉速傳感器,其能夠有效檢測柴油機轉速,并與曲軸位置傳感器相配合,生成決策數據信息,用于改善供油量和供油時機;二是點火正時傳感器,能夠精確獲得燃燒室內點火的時刻,供ECU校正供油時機;三是噴油泵轉腳傳感器,所檢測的轉角信息是噴油狀態優化重要的輔助參數;四是油門位置傳感器,能通過檢測油門踏板的位置數據,供ECU優化柴油機的轉速與負載能力,實現控制意圖與柴油機響應質量的匹配。

3.1.3 電控開關

電控開關主要包括以下幾種類型:一是E/G開關,其功能是控制發動機點火,并向ECU傳遞發動機開始工作的信息;二是動力轉向油壓開關,主要與轉向油路壓力傳感器相配合,能夠實現油壓控制;三是空擋啟動開關,能夠有效預防柴油機的空擋啟動行為,避免空擋啟動造成柴油機負載或損壞;四是其他電控開關,用于控制專用執行器的開關,如控制電磁閥、球閥、噴油器等[4]。

3.1.4 執行器

執行器是執行電控系統輸出指令的裝置,包括電器裝置和機械裝置兩種,是對柴油機性能直接調整的功能裝置。在新型柴油機電控系統中,常用的執行器包括以下幾種:一是電控噴油器,主要原理是通過電磁閥控制噴油器的噴油狀態。當電磁閥斷開時,高壓油路和低壓油路之間被隔斷,噴油器不噴油;當電控開關控制電磁閥通電后,電磁閥自動控制高壓低壓油路接通,在高壓油壓力作用下,柱塞和針閥抬起,高壓燃油經過進油截流孔、柱塞控制腔、溢流截流孔、球閥閥座后,噴油器開始噴油(圖1);二是共軌壓力控制閥,是一種電控球閥技術,能夠通過電磁力改變閥體受彈簧的壓緊力,實現對燃油壓力的控制,通電后電磁力與彈簧彈力共同作用于球閥,利用電磁力的大小控制燃油壓力,進而實現精準控制[5]。

圖1 電磁閥控制噴油器

3.2 軟件系統

柴油機電控系統的軟件技術主要針對控制程序和運行邏輯進行研究和應用，現階段軟件系統的技術體系種類較多，應用較為典型的技術包括噴油過程優化控制技術和共軌壓力閉環控制技術等。其中，噴油過程優化控制技術主要是利用編程和邏輯控制算法與電控噴油設備相匹配，通用程序控制電磁閥直接控制供油時機和供油量，并通過預噴射程序、遲噴射程序等對供油效率、供油壓力進行修正，實現供油質量的優化升級，實現在極短時間內電控裝置的快速響應。共軌壓力閉環控制技術是將控制程序和邏輯算法直接與共軌壓力控制閥相關聯的一種軟件控制技術，其以壓力傳感器反饋的壓力數據為基準，利用調整控制閥的電流改變進入共軌的油量和壓力，是一種壓力調控的閉環系統，對于共軌式電控柴油機的高質量運轉影響很大[6]。

4 控制邏輯優化方向

4.1 改善燃油利用率

現階段的共軌式電控柴油機控制技術已經顯著提高了燃油利用率,未來在此技術的基礎上,應進一步針對高壓共軌、渦輪增壓、可變氣門正時等技術體系展開細化研究,結合MATLAB、GT-POWER等軟件對柴油機燃油供給和燃油利用狀態進行優化,將電控技術與傳統的柴油機機械技術全面結合,持續提高燃燒壓力及燃燒熱對于動能的轉換效率。

4.2 改善機械性能

未來應進一步加強電控機械件的占比,提高柴油機整體的可控性,利用電控系統實時優化柴油機轉速、供油量、供油轉速,保持柴油機持續穩定的缸內壓力供給,保證輸出的功率平穩且扭矩適宜,在提高動力性能的同時,提高整機運行的平穩性。

4.3 改善排放性能

應從環保角度出發,持續改善柴油機的排放性能,加強對柴油機排放的研究,一方面利用電控技術優化柴油機燃燒做功的邏輯,提高燃燒質量,降低氮氧化物、顆粒物等有害物質的排放量;另一方面,持續加強尾氣自動處理設備的研發與應用,使廢氣進一步被回收利用,排放到空氣中的尾氣實現進一步凈化。

4.4 改善抗干擾性能

柴油機電控系統應進一步加強抗干擾能力,一方面優化硬件的選配,提高傳感器、電控開關、執行器耐高溫、耐振動等性能,同時加強電控線路的抗干擾能力;另一方面,充分利用現代化的控制技術,利用PID控制邏輯進行分段控制,實現精確控制的同時降低外界干擾對控制過程的影響,實現控制過程的平穩、可靠。

5 結語

綜上所述,柴油機作為重要的動力機械,在我國各行各業中應用十分廣泛,電控系統在與柴油機深度融合的過程中已經發揮出顯著優勢。隨著電氣控制技術的持續發展,未來還將帶動柴油機技術的持續升級,柴油機生產企業應重視對產品的電氣化研發,持續提升柴油機產品性能,為動力機械優質、低碳、節能、環保的良性發展助力。