采用閉環調節回路的柴油機噴射系統

【德】 T.WINTRICH S.ROTHE K.BUCHER H-J.HITZ

1 可靠的系統設計

隨著在實際行駛條件下對廢氣排放測量的實施,對滿足法規規定的汽車排放限值的要求也得以相應提升。為此,針對動力總成系統開展的整體評估具有重大意義,以便能同時考慮到對功率、燃油耗、噪聲特性和廢氣排放的要求。

未來優化方案的重點是進一步降低氮氧化物(NOx)排放,以便可在整個使用壽命期內的所有環境影響下,在實際行駛過程中滿足當今和未來的廢氣排放限值[1],同時還需繼續保持柴油機動力裝置CO2排放較低的優勢。除了空氣系統和廢氣后處理系統之外,噴油系統通過在噴油策略方面較大的自由度與較高的計量精度相結合,從而能對柴油機燃燒過程的總體優化作出重大貢獻,其中在技術上具有較高精確度的零部件與復雜使用功能之間的相互配合起到了決定性的作用。已采取的和目前在開發中現有的涉及到噴油系統零部件的措施都是針對改善CO2平衡和計量精度而設計的[2],因此已具備較為可靠的基礎,但對于高功率目標和復雜的燃燒/噴油策略以及設計敏感性較高的應用場合而言,集成閉環調節回路是非常重要的附加措施,可以可靠地滿足整個使用周期內發動機整個系統的更高要求,以此大幅推動了集成閉環調節回路方案的應用。

2 針閥閉環控制方案

在對采用電磁閥式噴油器的柴油機共軌噴油系統(CRS)的進一步開發過程中,再應用這種被命名為“針閥閉環控制(NCC)”的技術能夠通過噴油持續期的閉環(CL)調節顯著地改善噴油精度,特別是對于在實際行駛過程中要求較高的噴油模式而言(圖1)。

圖1 NCC系統方案

3 傳感器

CL調節回路的核心是集成在電磁閥式噴油器中的壓電傳感器,其可用于采集噴油過程中具有代表性的特征,并被稱為針閥關閉傳感器(NCS)。從CRI 2-2x一代起電磁閥式噴油器的壓力補償開關閥就被設計成通過中心銜鐵銷即可靈敏地對噴油器特征變化作出反應,這種集成的傳感器直接通過該銜鐵銷就能在相對較低的結構復雜性情況下可靠地識別該特征。

傳感器的信號與中心銜鐵銷下方閥室中的壓力變化成比例。根據圖2中所示的閥室壓力曲線,應用電控單元中為此提供的最佳算法即可探測到下列特征：(1)電磁閥開啟,即噴油始點;(2)閥針換向回程點;(3)針閥關閉(噴油持續時間)。

圖2 第二代共軌噴油器中采用NCC進行探測

4 系統描述

在無CL調節回路的常規共軌噴油系統中,用于噴油量計量的基準噴油器總成電磁閥控制時間與共軌壓力的關系儲存在控制持續時間特性曲線場中。但是即使電磁控制時間相同,不可避免會存在噴油器誤差,在整個使用周期內以及冷起動或高負荷行駛時的溫度變化,都會導致各個噴油器的噴油持續時間存在一定差異,從而導致其相對于基準噴油器總成會產生一定的噴油量偏差。因為在噴嘴閥針升程可控的伺服噴油器中液壓噴油持續時間與噴油量之間存在著較好的相互作用關系(圖3),因而在NCC系統中電磁控制持續時間被轉換成液壓噴油持續時間,其被布設在基準噴油器總成的一個附加特性曲線場中。

5 預調節

噴油器中的壓力波和氣缸背壓等參數對噴嘴針閥動力學和噴油速率大小具有決定性的影響,在軟件預調節模塊中通過物理模型來描述(圖4)。預調節的主要功能是通過針閥控制方面的干預,與噴油器樣本無關地修正噴油始點和噴油持續期,以補償已知因素對噴油時間點和噴油量的影響。

圖3 噴油持續時間與噴油量之間相互關系示意圖

圖4 NCC調節和自適應結構

與常規噴油系統僅可對最終控制結果進行干預相比,通過采用NCC軟件結構新添加對噴油始點的修正,經過預調節途徑即已獲得了良好的噴油量精度,這種效果尤其會在多次噴射情況下得以顯現,因為此時基于時間的正確修正干預不會改變對壓力波修正品質具有重要意義的實際噴油間距。

6 自適應

由NCC傳感器識別例如由新出現的誤差部分或漂移變化所引起的針閥開啟時間點、閥針換向回程時間點和噴油持續期等噴油器樣本所特有的偏差,并且在所屬的軟件模塊(其中噴油器特性通過物理模型進行描述)中于合適的條件下進行學習,而相對于存放在軟件中的額定值的偏差則通過對針閥控制的干預來修正。

7 噴油持續期快速調節器

為了補償在極端環境條件下或高動態時剩余的誤差,NCC系統提供了一定的技術可能性,即動態測量噴油器樣本和噴射類型(預噴射、主噴射或后噴射)所特有的已實現自適應的噴油持續期,并快速地調節到噴油持續期特性曲線場中的額定值。

采用了對上述三方面都有一定效果的修正方案,NCC系統就能在整個發動機使用周期內,在實際行駛運行中使所有噴油器樣本的噴油始點和噴油持續期都保持在經發動機標定的基準噴油器總成的水平上。即使應用了傳感器技術和CL調節回路,但是仍未放棄成本高昂的預調節技術,以便能盡量少地對良好動態特性的調節產生干預,以及即使在發生故障的情況下仍能確保對噴油量的計量。

8 積炭補償

由噴孔積炭所引起的噴油器樣本的噴嘴流量偏差,即使在噴油持續期相同的情況下也會導致噴油量偏差。設置在NCC軟件中的噴油器模型能通過識別噴嘴針閥動力學的變化差異來區分流量偏差和重要的漂移變化(圖5),為此將噴油器樣本特有的針閥動力學系數k作為重要的變量,其代表噴嘴針閥關閉時間與開啟時間之比,該變量基本取決于噴油器高壓液力系統的性能。因為該變量通常不受漂移的影響,因而該系數的變化主要是經歷運行時間后由流量的變化所引起的,因此該系數波動代表了經歷運行時間后的噴孔積炭程度。

這種變化能夠通過探測在自適應的針閥開啟時間點和與其相似的噴油始點以及自適應的噴嘴針閥換向回程時間點情況下實現噴油終了與標稱值的偏差采集。NCC系統針對發動機的運行而配備了多種補償選擇方案,以便根據已知的邊界條件(例如氣缸峰值壓力或廢氣溫度)對已識別到的積炭明確地作出反應,除了提高共軌壓力之外,還能夠延長噴油持續期以及調整噴油始點(例如向更早的時刻點方向移動)。

圖5 NCC積炭補償示意圖

9 閉環調節回路的優點

NCC系統確保了在汽車整個使用周期內實際行駛運行中穩定的噴油量和噴油時間點,還能可靠地獲得復雜的噴油模式,例如被稱為數字噴油速率造型Ⅱ(DRSⅡ)的噴油速率曲線形狀,此外還能識別噴嘴噴孔積炭,并能予以補償,因而能使用較小的噴嘴噴孔。最小噴油量的自適應和快速調節與是否處于驅動行駛或倒拖行駛狀態無關。由于傳感器始終在監測噴油過程,因此NCC系統將成為未來汽車網絡診斷方案中的一個最佳功能模塊。

10 故障情況

NCC系統具有始終可靠的特性,甚至在傳感器發生故障的情況下,通過預調節途徑和發生故障時出現凍結的自適應值即可供系統使用,而這種性能通常高于未經調整的系統性能。

11 發動機和汽車試驗結果

實際發動機和針對汽車試驗的首次測量結果表明了上述方案的使用效果。圖6是基于發動機低溫試驗而測得的廢氣排放結果，試驗時以調節到恒定扭矩的負荷平臺為目標運行，從-5℃的冷起動開始，發動機溫度連續升高直至達到95℃的運行狀態。根據曲線的變化，就能看出冷態性能的差異，從而得出對第二組噴油器NOx排放的影響，其中第一組噴油器示出了低溫時的標稱特性，而第二組噴油器則趨向于低溫時減少噴油量，通過NCC調節成功地調整了低溫特性方面的差異，并使NOx排放值的差距減小了約30%。

圖6 發動機低溫室的排放試驗結果和調節干預的汽車試驗結果

配備NCC技術的示范車輛的首次試驗結果，表明了調節干預特性變量的間接使用效果(圖6(f))［3］。如果示范車輛僅按照預先規定的變化較大的動態曲線輪廓(圖6中灰色曲線)行駛，以此會引起共軌壓力和噴油量的階躍式突變。圖6中藍色曲線是具備NCC功能的噴油器所實現的特定調節干預，是噴射過程所要求的額定噴油量。從圖6中可以看到從5℃冷起動后直至達到發動機運行溫度為75℃的整個行駛期間的調節干預逐漸減小，達到發動機運行溫度后調節需求仍相對較高，這歸因于動態行駛方式和由此在噴油器內部引起的基于溫度而變化的物理效應。通過不斷地優化，此處所示出的試驗結果未來還將由來自發動機臺架試驗和實際行駛試驗，尤其是在實際行駛排放(RDE)試驗條件下得到的進一步排放結果予以驗證補充。

12 結語

博世公司針對NCC閉環調節已開發出了一種方案，其通過噴油量和噴油始點的高精度能在整個使用周期內可靠地滿足未來的廢氣排放限值要求，與高度精確的零部件一起為整個系統的優化提供了廣闊的標定自由度。