彈跳式噴油模式下汽油直接噴射的實時控制

彈跳式噴油模式下汽油直接噴射的實時控制

【意】 F.T.Scafati F.Pirozzi S.Cannavacciuolo L.Allocca A.Montanaro

汽油直接噴射無節流稀氣分層燃燒能降低發動機的有害排放，并明顯提高燃油經濟性。然而，采用汽油分層燃燒會導致諸如循環變化率大和顆粒物排放增加等問題。應用多次噴射策略可以緩解這些問題，但這需要采取小油量噴射方式，從而會使傳統電磁閥噴油器在彈跳式噴油模式下工作，這時線圈通電時間與噴油量之間呈現出高度非線性關系。介紹1種可以控制小油量噴射的閉環控制系統。這種控制系統基于線圈斷電階段電壓控制信號的1種特殊特性。根據這一特性，可以計算出噴油器針閥的關閉時間，進而計算出實際噴油量。試驗結果表明，通過對彈跳式噴油的合理控制，提出的控制系統有潛力提高汽油直接噴射電磁閥噴油器最小油量的噴射能力。

汽油直接噴射 多次噴射 實時控制 彈跳式噴油

0 前言

未來的排放法規要求開發效率更高的汽油機，以大幅降低有害排放、燃油消耗和二氧化碳(CO2)排放。汽油直接噴射無節流稀氣分層燃燒可以取得的最大優勢是降低油耗。在這種模式下，燃油在壓縮行程的后期噴射[1]，能使超稀薄混合氣穩定燃燒。然而，采用汽油分層燃燒會導致一些問題。特別是由于燃燒過程中氧含量過剩，因而會導致氮氧化物(NOx)排放水平比進氣道噴射發動機或均質充氣直接噴射發動機的高。同時，混合氣混合時間短和燃油噴束撞壁會導致循環變化率大和顆粒物排放增加。另一方面，考慮到歐6排放法規要求降低發動機的顆粒物排放，汽油直接噴射發動機要減少排氣中的顆粒物也是1個關鍵的問題。

采用多次噴射，將總噴油量分成幾次較小油量(較短噴油持續時間)噴射，是減輕汽油直接噴射分層燃燒產生上述問題和減少噴油束撞壁的1種有效方法。這種方法首先可以降低噴油束在燃燒內的貫穿距，因此能減少濕壁效應和顆粒物排放。再者，采用多次噴射策略可以使達到50%已燃質量百分數(MBF50)的時間推遲，使其接近熱力學的最佳狀態[2]。這就能使燃燒峰值溫度降低，從而減少NOx排放。

然而，用傳統汽油直接噴射電磁閥噴油器來實現多次噴油并不是件容易的事。實際上，小油量噴射的管理會使汽油直接噴射電磁閥噴油器處于彈跳式噴油的工作模式。彈跳式噴油的特性是小噴射脈沖寬度，會在針閥達到最大升程前就被切斷噴油脈沖。在彈跳噴油期間，電控信號與噴油量之間呈現非線性關系，針閥運動不穩定，燃油供給量不能以最優的精度進行控制。

本文介紹1種能控制小油量噴射和增加汽油直接噴射電磁閥噴油器的最小油量噴射能力的閉環控制系統，以將它延用到多次噴射策略中?；趪娪推麟娏餍盘柕奶卣?，提出的控制結構是通過計算針閥的關閉時刻來提供實際噴油量的實時信息。然后，可以將實際噴油量數據與目標值進行比較，進而調整電控信號的噴油脈沖寬度。

1 試驗裝置

使用1款Bosch公司的汽油直接噴射(GDI)多孔電磁閥噴油器進行了試驗。利用1款配裝專用圖形用戶界面的智能動力裝置(STMicroelectronics-L9781)驅動噴油器，它可以對噴油器的控制電流進行編程和選擇需要的線圈通電時間。用于驅動噴油器的電流形態。包括1種12A的吸合電流和2種保持電流，第一種保持電流為5A，第二種保持電流為2.5A。

在電驅動期間，L9781評定板上的幾個具體試驗點能獲得3種不同的線圈電壓信號： (1) 高端電壓信號： 它是高端L9781 MOSFTETs的電源電壓；(2) 低端電壓信號： 它是低端L9781 MOSFTET的放電電壓；(3) 電壓差信號： 它是高電壓與低電壓信號的差值，是實際的線圈電壓控制信號。

利用按Bosch公司長管原理工作的AVL燃油噴射計量儀測定汽油流量[2-4]。燃油噴射到1個壓力恒定為0.5MPa的小腔室內，該腔室與1根內截面恒定不變的6m長管相連接。將AVL GM12D壓力傳感器安裝在噴嘴下游，用它收集噴射燃油產生的壓力變化。產生的壓力變化Δp與噴油量q呈如下線性關系：

(1)

式(1)中：ρ是燃油密度，Atube是管子內截面面積，a是環境溫度下燃油中的音速。采集回路的時間分辨率是0.01ms，與傳感器130kHz的固有頻率(0.0076ms)一致。q的瞬時值為0.01ms間隔的噴油量，而每一次總噴油量為整個噴油脈沖持續時間內噴油量的積分。噴油量率測定值取100次噴射的平均值，以消除循環之間的變化，同時，收集管子中放出的燃油，并用精確天平(OHAUS 410GX1-量程410g，精度1.0mg)對它進行稱重后與總噴油量進行對比。

2 試驗結果

圖1所示為同一系列2種噴油器的噴油率特性曲線。該曲線為1種具有典型離散度的曲線。對于這兩種噴油器，在脈沖信號持續時間超過400ms和噴油量大于2.8mg時，脈沖信號持續時間與噴油量之間都呈現線性關系，并具有重復性。在脈沖信號寬度小于400ms時，二者則呈現出明顯的非線性關系，在某些脈沖信號持續時間下，二者關系的趨勢可能會相反，在電檢信號增加時噴油量會減少。在非線性區域，對于非常短的噴油脈沖信號，噴油器針閥在未達到最大升程點時就開始關閉： 這種效應被稱之為彈跳模式。有報道稱，產生這種非線性關系的原因主要取決于噴油器彈簧質量系統的慣量、線圈釋放的電磁力減小、摩擦變化等因素[5]。所有這些會因制造公差和老化的影響而對針閥升程的動態性能帶來不可預估的影響。這就是迄今為止，非線性區域還未在商用直噴汽油機的傳統噴油策略中得以應用的原因。

為了在彈跳工作模式期間也能達到期望的噴射目標，并將電磁閥噴油器擴展應用于小油量噴射，需要獲得彈跳工作模式時實際噴油量的實時信息?；谶@些信息，可以通過閉環算法實時調整噴油器的通電時間來獲得需要的噴油量。

圖2和圖3所示為線圈通電300μs時噴油器低端電壓信號和相應噴油量的曲線。對2組曲線分析的結果表明，當噴油量消失時電壓信號都出現了拐點。在其他幾種線圈通電時間下也證實了這一特性。

圖1 同一系列的2種噴油器的噴油率特性曲線

圖2 線圈通電300μs時噴油器低端電壓信號和相應的噴油量曲線的比較

圖3 線圈通電300μs時噴油器低端電壓信號和相應噴油量曲線的比較

比較噴油量和電壓差信號的曲線也發現了類似的關系。當噴油量消失時電壓差信號也出現拐點(圖4)。

圖4 線圈通電300μs時噴油器電壓差信號和相應噴油量曲線的比較

在斷電階段，低端電壓信號和電壓差信號都會出現拐點，此時噴油器線圈斷電，并會產生自感電壓。在這個階段，電壓信號不僅包括了會對渦流電流衰退產生作用，還會對線圈斷電時針閥運動產生作用，針閥的振幅取決于針閥速度。由于在針閥關閉前針閥速度已達到最大值，因而此時電壓信號出現拐點?；谶@一特征，可以通過適當處理噴油器的電壓信號來獲取針閥關閉的實時信息，進而得到實際燃油噴射量的信息。利用此信息可以在彈跳噴油工作模式時實時將噴油量調整到目標值。

3 彈跳噴油工作模式的實時補償算法

圖5展示了彈跳射噴油工作模式時進行噴油量實時監測和補償的1種可能的控制結構。

圖5 彈跳噴油工作模式時噴油量實時補償的閉環控制算法

在研究工作中，對該控制算法的第一部分進行了推演和試驗。

如圖5所示，斷電線圈中的電壓差分信號首先由低通濾波器進行過濾，以減少重疊噪聲。然后，濾波后的信號與參考電壓信號(Vref)進行對比。

參考電壓信號Vref是線圈斷電時，利用1個不會使針閥產生任何運動的電控信號(如1個非常短的信號脈沖)感生的電壓。因此，這個信號僅僅與渦流電流消退產生的自感電壓有關，不包括上面提到的針閥運動的因素。這樣，電壓信號與參考電壓信號差值可以分離掉針閥運動產生的影響，從而能以較高精度確定針閥關閉的時間。在實際應用中，參考電壓信號既可以在發動機標定時生成，也可以由發動機電控單元(ECU)定期生成，以便考慮到噴油器老化的影響。

對由電線圈電壓差信號與參考電壓信號的差值獲得的信號進行處理后，就能計算時間的最大值(或者最小值，取決于差值的符號)。這個時間就相當于噴油器針閥關閉的時間。

能夠測定針閥關閉的時間意味著能夠測定噴油量。事實上，可以證實的是，對于電磁閥噴油器，當開啟延遲無變化時，噴油量與針閥關閉的時間直接相關。對于本研究中試驗用的噴油器，其針閥關閉時間與相應噴油量的關系如圖6所示。

圖6 試驗用噴油器噴油持續時間與噴油量的關系

圖6中清楚顯示了噴油持續時間(即電控信號開始發送到針閥完全關閉經歷的時間)與噴油量之間呈線性關系(斜率0.98)。這種關系與所用的特定噴油器(同一系列)無關，在彈跳式噴油時也是如此。

基于這種關系，一旦由電壓信號檢測到噴油持續時間，這種算法就可以計算出實際噴油量。隨后可以將實際噴油量與之前設定的目標噴油量進行比較，利用比較的結果，可以確定線圈通電時間修正值。然而，該算法的通電時間修正(它與誤差補償有關)在本研究階段尚未進行說明，它將是未來的開發目標。

本文提出的整個算法已在STM32微控制器(STMicroelectronics公司生產)上利用STM32F3 DISCOVERY評定模板進行了推演。本文后續部分將詳細介紹部分算法的詳細實施過程。

4 電壓差信號的過濾

為了降低電壓差信號的重疊噪聲，設計了1種專用的數字濾波器。為此，通過快速傅里葉轉換(FFT)對信號進行頻譜分析(圖7)。

圖7 300μs線圈控制時間內電壓差信號的FFT

圖8 電控信號脈沖300μs時歸一化到最大功率的電壓差信號的功率譜密度的積分曲線

圖8是歸一化到最大功率的電壓差信號在整個功率譜密度頻率范圍內的積分特性。圖中的線圈通電時間為300μs，但在其他電控信號脈沖持續時間下也發現了相似的特性。

基于頻譜分析的結果，選擇了1種系數為40和截止頻率為12kHz的低通濾波器。從圖8的分析可以推斷，12kHz截止頻率就是電壓差信號的功率譜達到最大功率95%時的頻率。

5 噴油器針閥關閉時間的計算

圖9是1個由濾波后的電壓差信號與參考電壓信號的差值獲得的信號實例。如上所述，確定了這一差值信號出現最大值的時間，就能計算出噴油器針閥關閉的時間。

圖9 由過濾波后的電壓差信號與參考電壓信號之差值獲得的信號

在STM32微控制器上，執行計算噴油器針閥關閉時間的算法時，需要采用如下幾個輔助設備： (1) 比較器，它能在達到電壓閾值時起到模數轉換器的功能。比較器的使用可以在斷電階段，也能在噴油器線圈斷電時阻制線圈電壓信號采集；(2) 模數轉換器，其功能是采集線圈電壓信號；(3) 計時器，用于記錄電控信號脈沖結束到針閥關閉經歷的時間。

表1是該算法運行后的性能結果。表中列出了在幾種線圈通電時間下，噴油量消失的時間(tflow)和用本文提出的算法計算的針閥估計關閉時間(tneedle)的比較結果。

表1 噴油量消失的時間和相應的針閥關閉估算時間的比較

由表中數據可見，估算的針閥關閉時間與噴油量消失的時間兩者的最大誤差是15μs，平均誤差是7.5μs，標準偏差是4μs。這些結果證實，本文提出的算法有能力預測彈跳噴油模式下的實際噴油量，因而能將它實時修正到目標噴油量。該算法中的噴油量修正和在汽油直接噴射發動機上的試驗是未來開發的目標。

6 結語

汽油直接噴射發動機采用多次噴油策略需要進行多次小油量噴射，從而促使傳統電磁閥噴油器處于彈跳式噴油工作模式，這時線圈的通電時間與噴油量之間呈現明顯的非線性關系。

本文介紹了1種能控制小油量噴射的閉環控制系統。通過對彈跳式噴油的合理控制，該控制系統能提高汽油直接噴射電磁閥噴油器的小油量噴射能力。

該控制系統是基于在線圈斷電階段發現的電壓控制信號的1種特殊特性而提出的。特別是，發現噴油器針閥關閉時對應的線圈電壓信號會出現拐點。

基于這個特性，本文提出的算法通過對噴油器電壓信號的恰當處理，可以獲得針閥關閉時間的實時信息，進而得知實際噴油量。

整個算法已在1臺STM32微控制器上利用一些專用輔助設備進行了推演使用。

本文詳細描述了該算法中某些部分的詳細執行過程。特別是介紹了線圈電壓信號的濾波和噴油器針閥關閉時間檢測的詳細情況。

執行該算法能檢測噴油量消失的時間，其平均誤差為7.5μs，標準偏差為4.5μs。

[1] Schwarz C, Schünemann E, Durst B, et al. Potentials of the spray-guided BMW DI combustion system[C]. SAE Paper 2006- 01-1265.

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[5] Parotto M, Sgatti S, Sensi F. Advanced GD iinjector control with extended dynamic range[C]. SAE Paper 2013-01-0258.

陳 佳 譯自 SAE Paper 2015-24-2428

朱炳全 校

虞 展 編輯

2016-04-26)