上海交通大学硕士学位论文第四章 高压共轨柴油机共轨油压控制策略 30 第四章 高压共轨柴油机共轨油压控制策略 4.1前言 准确的喷油量和喷油正时是柴油机电控燃油喷射系统的核心在高压共轨电控 系统中由于采用了压力时间燃油计量方式即燃油喷射量是喷射油压和喷油脉 宽共同决定的因此燃油喷射压力控制对柴油机性能具有重要影响是高压共轨 电控系统开发的一个关键环节 混合气的形成过程是控制和决 定燃烧过程的关键因素要求在极 短的时间内燃油能快速地破碎 雾化吸热气化并扩散至空气中 并与空气混合形成一定浓度的可燃 混合气预混合燃烧的燃油量应适 度减少因此喷油初期速率要减缓 同时要加快中后期的混合速度和 燃烧速度 在直喷柴油机中通过提高燃 油喷射压力可提高燃油喷射速度 加快与空气混合的速度使雾化更 均匀不必专门组织进气涡流从 而避免了复杂的进气道以及由此造 成的充量系数的下降在辅以预喷 射技术的条件下提高燃油喷射压 力可使柴油机保持较高的经济性 而且 N O X排放量不增加 燃油喷射的高压化可使燃油 喷雾颗粒微细化并促进燃油与空气的混合这对降低 P M 碳烟的排放非常有效 高温富氧和氧与氮在高温中的滞留时间长是影响柴油机燃烧过程中 N O X的生成 率大小的三要素喷油定时延迟是目前降低 N O X的主要措施之一 喷油定时延迟减 少了预混合燃烧量降低了最高燃烧温度使 N O X下降 但却会招致燃油消耗率恶 图 4 - 1 油泵供油原理图 F i g . 4 - 1 t h e t h e o r y o f p u m p 凸轮升程 h 吸油行程 压油行程 PCV开PCV关PCV开 预压行程 PCV动作 Toff Ton 供油行程 吸油行程压油行程预压行程 PCV 供油 PCV 回油 PCV 出油阀 柱塞 吸油 图 4 - 2 供油凸轮特性 F i g . 4 - 2 t h e c h a r a c t e r o f p u m p c a m 凸轮升程/mm 凸轮转角/am ToffTon 上海交通大学硕士学位论文第四章 高压共轨柴油机共轨油压控制策略 31 化和 P M的增加而采用高压喷射则可加快混合气的形成与燃烧速度使 N O X下降的 同时 P M 与燃油消耗率不致恶化 综上所述在与进气系统燃烧室合理匹配的条件下根据柴油机的不同工况 精确而灵活地控制燃油喷射压力能有效抑制柴油机的排放降低对缸内空气运动 的要求在提高柴油机充气效率改善经济性兼顾高低速性能等方面带来许多有 利之处对于适应现代柴油机技术发展的需要是十分必要的 4.2控制油压设备的介绍 1 . 高压油管 高压油管将供油泵中生成的高压燃油分配到各个气缸的喷油器中去油管上装 有压力传感器和压力力限制器如果发生异常高压压力限制器开启使高压油管 内压力下降压力传感器用于检测燃油压力作为反馈量 2 . 高压油泵和控制阀 控制阀的作用是用于调整高压共轨管内的燃油压力方法是调整供油泵供入共 轨内的燃油量所以向控制阀通电和断电的时间就决定了向高压共轨管. 供入的 供油量 当压力控制电磁阀 P C V开启柱塞下行时低压燃油从高压泵输油管经由 P C V 输送到柱塞室当柱塞上升时若 P C V是开启状态则被输送的燃油在没有压力增 加的情况下经由 P C V返回到输油管内当柱塞室内剩余的燃油量为工况需求的油量 时P C V关闭即回油通道关闭因而柱塞室中的燃油被压缩升压经过出油单向 阀被输送到共轨管中去于是输送的燃油相当于 P C V关闭之后当量于柱塞升程的 燃油因此供油量或共轨管压力是由调节 P C V的通电开始时刻来控制的早关闭 可增加供油量晚关闭可减少供油量共轨压力由压力传感器检测后进给 E C U E C U 根据发动机工况确定所需的共轨压力反馈信号控制 P C V的动作以使共轨管中的压 力稳定在所需值 上海交通大学硕士学位论文第四章 高压共轨柴油机共轨油压控制策略 32 4.3燃油喷射压力的控制策略 4.3.1燃油喷射压力的控制原理 G D - 1系统通过控制高压油量的方式控制共轨管内的燃油压力即燃油喷射压 力高压油泵的供油原理见图 4 - 1 控制器E C U 通过压力控制电磁阀 P C V 以下 简称为 P C V 的开关而控制有效供油量在油泵凸轮的下降段P C V开启柱塞下 行柱塞腔内充油此行程称为吸油行程在油泵凸轮的上升段柱塞上行若 P C V 未关闭则燃油未经压缩就回油不向共轨管供油此段行程称为预压行程当柱 塞上行到某一位置时P C V关闭则燃油经压缩后向共轨管供油此段行程称为压 油行程压油行程的长短影响到供油量的大小压油行程越长则供油量越大则 共轨管内的油压越高即燃油喷射压力越高 图 4 - 2 为高压油泵凸轮上升段的相位图P C V预压行程与供油行程的和为 6 0度 凸轮转角简称为a mP C V延迟关闭的角度 T o f f 简称为延迟角度 T o f f 对应 于预压行程的长短而 P C V持续关闭的角度 T o n 简称为工作角度 T o n 则决定供 油行程的长短即供油量的大小延迟角度 T o f f 与工作角度 T o n 的关系是 T o n = 6 0 - T o f f 例如当 T o f f 为 2 4 a m 时 T o n 为 3 6 a m 对于此种电磁阀 P C V 一般只需持续通电 3 . 8毫秒以驱动其关闭然后在高压 燃油的作用下即可保持关闭状态直到柱塞下行吸油时 P C V才能再开启因此精确 控制 P C V 延迟角度 T o f f 然后驱动 P C V 使之关闭再在燃油作用下保持 P C V关闭状 态即可精确控制供油行程的长短即供油量得大小 Open-lp mode Close-lp mode Start mode NENG Ton Ton_ol Ton_cl PCV operation mode switch Toff 60am Toff_str Ton_str PCVon_str PCVoff_str PCVon_act PCVoff_act PCVoff PCVon 图 4 - 3 P C V 控制图 F i g . 4 - 3 t h e d i a g r a m o f P C V c o n t r o l m e t h o d 上海交通大学硕士学位论文第四章 高压共轨柴油机共轨油压控制策略 33 总之E C U通过精确控制 P C V的工作角度 T o n以精确控制供油量进而精确控 制燃油喷射压力在柴油机运行过程中E C U通过查取脉谱M A P 计算相应工况下 的工作角度 T o n 然后驱动 P C V以控制燃油喷射压力换言之对燃油喷射压力的 控制实质上就是对 P C V 的控制P C V 的控制模式就是燃油喷射压力的控制模式 4.3.2 PCV的控制模式 针对 G D - 1高压共轨电控柴油机根据电控高压共轨燃油系统的结构特点结 合柴油机的不同工况采用多种模式驱动 P C V去控制喷射压力以满足柴油机各个工况 的需要控制模式主要分为起动模式S t a r t m o d e 与运行模式而起动模式又可 分为判缸成功前与判缸成功后两种阶段而运行模式则可分为开环控制O p e n - l p m o d e 与闭环控制C l o s e - l p m o d e 两种模式图 4 - 3 是 P C V 的控制框图E C U通 过 P C V执行模式选择开关控制 P C V实际延迟的时间 P C V o f f与实际执行关闭的工作 脉宽 P C V o n 以控制喷射压力 1 运行模式 当工作在运行模式下时E C U通过 P C V执行模式选择开关选择 P C V的工作角度 T o n 闭环控制模式下工作角度 T o n为 T o n _ c l 而在开环模式下 T o n为 T o n _ o l 相应地 即可求出 P C V 延迟角度 T o f f在运行模式下时 为实现 P C V 的工作角度 T o n 只需根据此时的柴油机转速 N E N G求出保证 P C V可靠关闭的最短工作脉宽 P C V o n _ a c t 一般为 3 . 8毫秒左右然后由高压燃油保证 P C V持续关闭直至柱塞开始下行吸油 P C V 才开启而 P C V 延迟角度 T o f f则必须根据转速 N E N G将其换算成 P C V延迟工作的 时间 P C V o f f _ a c t 以实现预压行程 2 起动模式 为了促进起动过程中燃油的雾化要求有较高的喷射压力高压共轨燃油系统 的喷射压力可灵活控制在极低的转速下也可建立较高的压力目标喷射压力一般 定为 4 0 M P a G D - 1高压共轨电控柴油机的供油泵采用双柱塞三作用型凸轮由电 磁阀 P C V调整供油量每个柱塞每次的泵油行程对应 6 0 A M 凸轮轴旋转一周两 电磁阀分别交替工作三次共向共轨管供油六次 为了迅速建立喷射压力在起动过程中对建立共轨油压采用两种开环控制方 式而在实现起动目标油压后则采用闭环控制方式维持油压起动结束后向怠 速油压控制模式过渡 上海交通大学硕士学位论文第四章 高压共轨柴油机共轨油压控制策略 34 1 模式一 柴油机起动初期E C U没有检测到判缸信号时不能判断出柴油机的精确相位 此时不能按与转速同步的方法驱动电磁阀 P C V向共轨管供油但可根据曲轴转速 计算出相应的时间来驱动 P C V 1 与 P C V 2交替工作根据转速信号求出瞬态转速计 算柱塞泵油行程的一半即 3 0 A M所对应的时间驱动 P C V 1 与 P C V 2分别交替工 作 P C V工作四次中就有两次有效供油有效泵油行程是可利用泵油行程的一半 不难发现无论 P C V的最初工作始点对应什么凸轮相位有效泵油行程始终是可利 用泵油行程的一半当 P C V连续工作四次后若 E C U仍没有检测到判缸信号应按 照新的曲轴转速计算 P C V 的工作时间 模式一可在 E C U控制时序建立前就驱动油泵向共轨管泵油促进了起动过程中 目标油压的建立 2 模式二 在 E C U 检测到判缸信号已建立控制时序后在起动目标油压尚未达到之前 驱动 P C V 利用高压油泵凸轮的整个上升段供油以迅速建立起动目标油压模式二 是按照与转速同步得方式驱动 P C V 工作 ECU建立控制时序后若按模式一正在工作的一个 P C V 恰好对应其供油凸轮相 位则应继续按模式二工作否则在此 P C V 工作完成后应等待一段时间以依 据供油凸轮相位驱动相应的 P C V 按模式二工作 3模式三 在起动过程尚未结束前以闭环方式维持起动目标油压 4.3.3燃油喷射压力的闭环控制 由于 G D - 1高压共轨电控燃油喷射系统采用压力时间式的燃油计量方式必 须通过闭环控制方式控制燃油喷射压力以实现精确控制喷油量首先根据柴油机的 工况计算目标喷射压力然后查取油压开环控制 P C V工作角度脉谱计算出 P C V开环 模式下的工作角度 T o n _ o l 再根据目标油压与实测油压的误差利用 P I D控制器或模 糊控制器计算 P C V工作角度增量 T o n _ c m p T o n _ c m p与 T o n _ o l的和就是油压闭环控 制模式下 P C V的工作角度 T o n _ c l 具体流程见图 4 - 4 从柴油机的经济性动力性 与排放等方面综合考虑各个工况均有一最佳燃油喷射压力在柴油机电控中称为 目标燃油喷射压力简称为目标油压目标油压主要是柴油机转速与负荷即计算 上海交通大学硕士学位论文第四章 高压共轨柴油机共轨油压控制策略 35 喷油量 Q 的函数但还需进行冷却水温度进气温度与进气压力的修正燃油喷 射压力在每个工况下均有一许用范围过大则燃油喷雾着壁过多易产生黑烟过 小则喷油持续期延长且雾化不良故需对每次计算所得的目标油压进行最大值与最 小值的限制为避免负荷变化或转速变化引起目标油压的急剧变化还需对相邻两 次计算的目标油压的变化率进行限制一般地瞬态工况下的目标油压