閆凱， 楊帥， 付亞豪， 陳以林， 劉海峰， 吳名芝， 馬博尚

（1. 同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院，上海 200240；2. 浙江新柴股份有限公司，浙江 新昌 312500；3. 南昌智能新能源汽車研究院，江西 南昌 330052；4. 長(zhǎng)城汽車股份有限公司，河北 保定 071000；5. 河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北 保定 071000）

0 前言

高壓直噴系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于汽油機(jī)和柴油機(jī)等動(dòng)力機(jī)械上，是發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件，其控制的精確性會(huì)直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力、燃油耗和排放等。傳統(tǒng)基于功能的噴油控制算法只能根據(jù)軌壓和噴射質(zhì)量計(jì)算得到噴油脈寬，需要進(jìn)行大量標(biāo)定且結(jié)果不精確，影響了實(shí)際控制效果。

為此，國(guó)內(nèi)外研究人員展開(kāi)了大量的研究。在噴油器建模方面，張華偉等［1］建立了噴油器的針閥部件和噴油器中燃油的動(dòng)力學(xué)模型，并通過(guò)仿真與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。蔡珍輝等［2］建立了高壓共軌噴油器模型，通過(guò)實(shí)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了其準(zhǔn)確性，并分析了噴油器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)噴射過(guò)程的影響。在噴油器流量特性分析方面，陳思睿等［3］建立了噴油器針閥偶件流場(chǎng)幾何模型，并通過(guò)仿真研究了噴油器針閥升程對(duì)流量系數(shù)的影響。何付斌等［4］對(duì)電控噴油器小噴油脈寬非線性段的特性進(jìn)行了研究，分析了驅(qū)動(dòng)電壓和供油油壓對(duì)其的影響。王志華［5］分析了非固定銜鐵的針閥結(jié)構(gòu)和階梯噴孔結(jié)構(gòu)對(duì)噴油器內(nèi)部動(dòng)、靜態(tài)流量特性的影響。李金印等［6］對(duì)多種噴油器進(jìn)行對(duì)比測(cè)試工作，研究了噴油時(shí)刻和噴油壓力等參數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放的影響。在驅(qū)動(dòng)電路方面，謝宏斌等［7］設(shè)計(jì)了硬件電路，通過(guò)分析噴油器的驅(qū)動(dòng)電流波形，準(zhǔn)確預(yù)估了噴油器的開(kāi)啟時(shí)間。楊彬彬［8］設(shè)計(jì)了噴油器高、低壓驅(qū)動(dòng)電路，研究了噴油壓力等參數(shù)對(duì)噴油的影響。在噴油器控制方面，ANTOINE［9］通過(guò)分析噴油器的工作原理，設(shè)計(jì)了基于峰值保持電路驅(qū)動(dòng)的缸內(nèi)直噴（GDI）噴油器，提高了直噴驅(qū)動(dòng)的性能。王瑞［10］改進(jìn)了高壓共軌多次噴射技術(shù)，利用并發(fā)控制縮短了延遲時(shí)間，通過(guò)精確噴油次數(shù)提高了燃燒效率。楊昆等［11］采用單缸柴油機(jī)模型研究了不同噴油率對(duì)柴油機(jī)缸內(nèi)壓力、缸內(nèi)溫度、放熱率、燃油消耗率等的影響，結(jié)果表明靴形噴油匹配合適的噴油提前角可優(yōu)化柴油機(jī)的綜合性能。

目前，在高壓直噴系統(tǒng)中小流量的控制不夠精準(zhǔn)，且針對(duì)小流量的噴油量研究較少。因此，本文從噴油器工作機(jī)理出發(fā)，分析了其流量特性，對(duì)其控制策略的設(shè)計(jì)展開(kāi)研究和論述。

1 研究平臺(tái)及面向控制的模型

1.1 研究平臺(tái)

某2.0 T直噴發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)見(jiàn)表1。發(fā)動(dòng)機(jī)型式為直列4缸、增壓水冷，后處理設(shè)備為三元催化器+顆粒捕集器。該直噴發(fā)動(dòng)機(jī)噴油控制系統(tǒng)由低壓油路模塊和高壓油路模塊組成，如圖1所示。其中，低壓油路部分由油箱、燃油泵及相關(guān)管路組成，燃油泵通常在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)保持常轉(zhuǎn)，將低壓油路相對(duì)壓力維持在0.5 MPa左右；高壓油路部分由驅(qū)動(dòng)凸輪、高壓泵、高壓油軌和噴油器組成，驅(qū)動(dòng)凸輪被固定在凸輪軸上。凸輪軸驅(qū)動(dòng)高壓泵進(jìn)行吸油和泵油的動(dòng)作，高壓泵將燃油壓縮并推入高壓油軌內(nèi)部，產(chǎn)生持續(xù)的高壓；在電子控制單元（ECU）指令下，噴油器可以通電打開(kāi)或者斷電關(guān)閉，從而將高壓燃油噴射至缸內(nèi)參與化學(xué)反應(yīng)。

圖1 直噴發(fā)動(dòng)機(jī)噴油控制系統(tǒng)

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

1.2 噴油器控制模型

噴油器組件如圖2 所示，其工作原理為：ECU控制線圈通斷電，產(chǎn)生電磁力帶動(dòng)銜鐵運(yùn)動(dòng)，銜鐵與針閥連接，繼續(xù)帶動(dòng)針閥及堵塞噴孔嘴的鋼球運(yùn)動(dòng)，此時(shí)噴油器內(nèi)的高壓燃油會(huì)通過(guò)噴孔噴射出去，形成噴霧并進(jìn)入缸內(nèi)。電磁閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性對(duì)噴油器噴油的曲軸轉(zhuǎn)角和持續(xù)時(shí)間有決定性作用，進(jìn)而影響噴油規(guī)律和混合氣的形成。

圖2 噴油器組件

根據(jù)流體力學(xué)經(jīng)典小孔射流理論［12］，噴油質(zhì)量流量m?為：

式中：ρ為燃油密度；A為噴孔截面積；Cd為流量系數(shù)；u為流體流速。

流體流速的計(jì)算公式為：

式中：?p為噴射壓差。

試驗(yàn)結(jié)果［13］表明，噴油器打開(kāi)是比較復(fù)雜的過(guò)程，在針閥完全打開(kāi)后，噴油器處于線性區(qū)，即在軌壓固定時(shí)噴射質(zhì)量與噴射時(shí)間呈正比例關(guān)系，而在噴油器打開(kāi)過(guò)程中，由于針閥球頭處于類似于子彈在槍管內(nèi)的遠(yuǎn)端過(guò)程，被稱為彈道區(qū)，噴射質(zhì)量與噴射脈寬表現(xiàn)出高階函數(shù)的關(guān)系，而在兩者的過(guò)渡區(qū)域，兼顧2種特性，如式（3）所示。

式中：tpulse為噴射脈寬；minj為噴油質(zhì)量；mHL為噴油質(zhì)量高限，取1.5 mg；mLL為噴油質(zhì)量低限，取1 mg；tod為噴油器開(kāi)啟的延遲時(shí)間；f1(?p)、f2(?p，minj)為修正系數(shù)，通過(guò)測(cè)量獲得；k1、a和b為相關(guān)參數(shù)，通過(guò)測(cè)量獲得。當(dāng)minj≥mHL時(shí)噴油處于線性區(qū)，當(dāng)minj≤mLL時(shí)噴油處于非線性區(qū)，當(dāng)minj介于兩者之間時(shí)，噴油處于過(guò)渡區(qū)，需要利用線性插值理論計(jì)算噴射脈寬。

根據(jù)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)布置型式可知，?p為：

式中：prail為噴射軌壓；pcyl為缸內(nèi)壓力。

prail可以通過(guò)傳感器測(cè)量得到，pcyl需要進(jìn)行估計(jì)。根據(jù)文獻(xiàn)［14］、文獻(xiàn)［15］及理想氣體方程推導(dǎo)出pcyl的計(jì)算方法，并對(duì)其復(fù)雜系數(shù)進(jìn)行參數(shù)化處理。

式中：θinj為噴油時(shí)刻對(duì)應(yīng)的噴油提前角，在0～180°之間是壓縮行程，180°～360°之間是進(jìn)氣行程；θvvt為可變氣門正時(shí)（VVT）提前的相位；f1(θinj)為進(jìn)氣提前角對(duì)缸內(nèi)壓力的影響系數(shù)；f2(θvvt)為VVT提前相位對(duì)缸內(nèi)壓力的影響系數(shù)，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得；pint為進(jìn)氣壓力，通過(guò)傳感器測(cè)得；ηvol為體積效率。

根據(jù)現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩結(jié)構(gòu)，扭矩需求決定了當(dāng)前循環(huán)需要參與燃燒的噴油質(zhì)量，要同時(shí)實(shí)現(xiàn)扭矩精準(zhǔn)和催化器轉(zhuǎn)換效率最優(yōu)，噴油質(zhì)量要與充氣量配比達(dá)到當(dāng)量比。因此，噴油器需要實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的噴油質(zhì)量投遞。

2 基于模型的控制策略

根據(jù)噴油器控制系統(tǒng)輸入、輸出和特性機(jī)制，圖3給出了噴油器控制架構(gòu)。一方面，控制策略根據(jù)噴射相位計(jì)算出缸內(nèi)壓強(qiáng)，進(jìn)而根據(jù)缸壓和軌壓計(jì)算出噴油器的噴射壓差；另一方面，控制策略根據(jù)噴射量判斷噴油器噴射過(guò)程所處的噴射區(qū)域。根據(jù)噴射壓差、噴射量和噴射區(qū)域，可利用公式（3）計(jì)算噴射脈寬。

圖3 噴油控制架構(gòu)

2.1 噴射壓差控制策略設(shè)計(jì)

噴油器噴射壓差的控制策略是通過(guò)獲取噴射相位、VVT相位、充氣效率和歧管壓力參數(shù)，利用公式（5）計(jì)算獲得缸內(nèi)壓力，再通過(guò)噴射軌壓和公式（4）計(jì)算獲得噴射壓差。

根據(jù)文獻(xiàn)［16］，采用非線性批量最小二乘法對(duì)f1(θinj)和f2(θvvt)進(jìn)行離線參數(shù)識(shí)別。最小二乘法是通過(guò)代價(jià)函數(shù)的迭代計(jì)算，使模型的估計(jì)值與實(shí)際值差值的平方和最小，以優(yōu)化得到模型參數(shù)，優(yōu)化函數(shù)為：

式中：J為估計(jì)值與實(shí)際值的偏差，F(xiàn)(x，xdata)為輸入數(shù)據(jù)x后計(jì)算的模型估計(jì)值；xdata、ydata為實(shí)驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù)組。

線性區(qū)參數(shù)f1(θinj)和f2(θvvt)的識(shí)別結(jié)果分別如圖4和圖5所示。

圖4 不同噴射提前角下的f1(θinj)修正值

圖5 不同進(jìn)氣VVT提前相位下的f2(θvvt)修正值

2.2 流量區(qū)域判斷控制策略設(shè)計(jì)

流量區(qū)域判斷的控制策略如圖6所示。該策略通過(guò)判斷噴射質(zhì)量所處的范圍來(lái)區(qū)分噴油器所處的流量區(qū)域。

圖6 流量區(qū)域判斷控制策略

2.3 噴射脈寬控制策略設(shè)計(jì)

噴射脈寬控制策略通過(guò)獲取噴油器的噴射壓差、噴射質(zhì)量和所處的流量區(qū)域，利用公式（3）計(jì)算得到噴油器的噴射脈寬。在公式（3）中，k1、f1(?p)、f2(?p，minj)和tod可以通過(guò)標(biāo)定量和試驗(yàn)測(cè)量設(shè)定，具體的標(biāo)定方法由噴油器供應(yīng)商提供（筆者重點(diǎn)研究噴油器控制策略），需要在噴油器專用臺(tái)架上測(cè)量。測(cè)試方式簡(jiǎn)述如下：靜態(tài)流量單值標(biāo)定k1用于設(shè)定噴油器斜率，在試驗(yàn)臺(tái)上以標(biāo)準(zhǔn)壓力進(jìn)行測(cè)量，本文取值為0.105。GDI線性區(qū)特性測(cè)試往往是在給定參考?jí)毫ο逻M(jìn)行的，試驗(yàn)測(cè)出該壓力下的噴油器斜率，考慮到其他壓力下的噴油器斜率，筆者提供了一維標(biāo)定f1(?p)進(jìn)行修正，其在不同噴射壓差下的修正系數(shù)如圖7 所示。tod的參數(shù)識(shí)別結(jié)果如圖8所示。

圖7 修正系數(shù)f1(?p)的變化

圖8 開(kāi)啟延時(shí)tod的變化

GDI噴油器截距由標(biāo)定tod提供，即為噴油器開(kāi)啟的延遲時(shí)間。在彈道域內(nèi)，噴油器流量特性是非線性的。因此，不再采用斜率和截距的方法進(jìn)行校準(zhǔn)。在不同壓差和噴油質(zhì)量下查表得到非線性區(qū)標(biāo)定f2(?p，minj)，進(jìn)行參數(shù)識(shí)別，如圖9所示。

圖9 非線性區(qū)標(biāo)定f2(?p，minj)

對(duì)于插值區(qū)，依據(jù)線性插值數(shù)學(xué)理論進(jìn)行估計(jì)，其中線性插值是一種針對(duì)一維數(shù)據(jù)的插值方法，其根據(jù)一維數(shù)據(jù)序列中需要插值點(diǎn)的左右鄰近2個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行數(shù)值的估計(jì)。

3 控制策略的模型在環(huán)測(cè)試和臺(tái)架驗(yàn)證

3.1 測(cè)試平臺(tái)搭建

利用Simulink搭建了噴油器控制策略以及模型在環(huán)測(cè)試平臺(tái)，如圖10所示。其中，左側(cè)模塊負(fù)責(zé)進(jìn)氣壓力、體積效率、噴油提前角等參數(shù)信號(hào)；中間模塊是噴油控制策略模塊；右側(cè)3個(gè)示波器分別負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)控制策略輸出的缸內(nèi)壓力、噴射壓差和噴射脈寬，以最大覆蓋度檢查邏輯通路。

圖10 控制策略測(cè)試平臺(tái)架構(gòu)

3.2 噴油偏差率設(shè)計(jì)

在輸入不同軌壓、相位和噴射量下計(jì)算噴射脈寬，在同等條件下，利用相同的噴射脈寬，通過(guò)試驗(yàn)臺(tái)架測(cè)量噴射質(zhì)量，并對(duì)比偏差率，以偏差率來(lái)衡量控制的精確性，偏差率r［17］定義為：

式中：mcmd為需求噴射質(zhì)量；mtest為臺(tái)架測(cè)量噴射質(zhì)量。

3.3 測(cè)試數(shù)據(jù)分析

表2 給出了3 種流量區(qū)域內(nèi)的測(cè)試結(jié)果。圖11為偏差率隨噴射質(zhì)量的變化。結(jié)合表2和圖11可知，控制策略的噴油偏差率隨著噴射質(zhì)量的增加逐漸降低，在線性區(qū)（高流量區(qū)）內(nèi)，控制策略的偏差率不超過(guò)3%；在彈道區(qū)（高流量區(qū)）和插值區(qū)（過(guò)渡區(qū)）內(nèi)，偏差率較大，但不超過(guò)5%，仍有改進(jìn)空間。整體上來(lái)看，該控制策略的控制精度良好。

圖11 偏差率與噴射質(zhì)量的擬合曲線

表2 測(cè)試結(jié)果分析

4 結(jié)語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的噴油器控制策略表現(xiàn)出良好的控制結(jié)果，偏差率在5%以內(nèi)，但是試驗(yàn)表明小流量區(qū)域控制精度還有待提升，下一步將展開(kāi)小流量自適應(yīng)控制策略開(kāi)發(fā)。

通過(guò)Simulink平臺(tái)搭建了控制模型并進(jìn)行了模型測(cè)試，極大地提高了程序的開(kāi)發(fā)速度，但還需要生成C代碼進(jìn)行軟件編譯，生成可刷入控制器的S19文件，下一步將展開(kāi)自動(dòng)代碼生成和集成。

模型在環(huán)測(cè)試和臺(tái)架聯(lián)合測(cè)試保障了控制策略的有效性和精度，但是缺乏更加接近真實(shí)車輛運(yùn)行的動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試，下一步需要展開(kāi)硬件在環(huán)測(cè)試。