朱雙華

（湖南汽車工程職業(yè)學(xué)院，湖南株洲，412001）

0 前言

本世紀(jì)初，由于全球?qū)囉闷裼蜋C排放法規(guī)越來越苛刻，控制得逐步嚴(yán)厲，要求汽車發(fā)動機的排放值在直線下調(diào)，車用柴油機的最常見排放物，如氮氧化物和碳?xì)浠衔锛案黝愇⒘＞鶑娭埔蠹眲p少，所以，對車用柴油車尤其是重載發(fā)動機車裝備更新技術(shù)的燃油噴射系統(tǒng)，早已是順勢而為之事，再者，大膽研究與引入先進的燃油系統(tǒng)，同時接納其它領(lǐng)域有借鑒意義的新技術(shù)新策略，又能整體促進車用柴油機更上一層樓，提升到一個全新的階段?，F(xiàn)今一批批企業(yè)的產(chǎn)品已經(jīng)能符合歐Ⅳ、歐Ⅴ排放法規(guī)的標(biāo)準(zhǔn)。一批新的技術(shù)比如：排氣后處理技術(shù)、HCCI（均質(zhì)壓燃系統(tǒng)）等都促使車用柴油機技術(shù)達到了一個全新的水準(zhǔn)，技術(shù)發(fā)展已經(jīng)日新月異。一段時間以來，從控制方式上來分類，車用柴油機電控噴射系統(tǒng)可以劃分成位置控制式與時間控制式兩種。位置控制式的噴油系統(tǒng)一般應(yīng)用在分配泵與直列泵上。此批產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)是沿用最早噴油系統(tǒng)的泵—管—嘴的簡單而可靠的機構(gòu)，還有柱塞偶件、齒條等部件，此類結(jié)構(gòu)的噴油量控制依據(jù)電控單元實時改變滑套或齒桿的位移來達成開展目標(biāo)，噴油正時依托液壓控制噴油角提前器，或者采用可變預(yù)行程技術(shù)來實現(xiàn)。而時間控制式電控噴油系統(tǒng)，則運用可承載高壓的柱塞泵為電控噴油系統(tǒng)構(gòu)建所需噴射壓力，采用特制高速電磁閥的開閉狀態(tài)使柴油機的噴油正時與油量控制成為可能，之中的電磁閥通電維持多少則反映了柴油量的多少，電磁閥起作用的時刻來控制柴油機的噴油正時，此方式使燃油量轉(zhuǎn)變?yōu)闀r間的函數(shù)，這和車用汽油機（EF I）電控噴射系統(tǒng)較為類似。時間控制式的柴油機噴油系統(tǒng)一般由電控噴嘴泵（單體泵）、電控分配泵和各種共軌系統(tǒng)組成。

1 柴油機電控單元的結(jié)構(gòu)與邏輯框架

當(dāng)前面對噴油系統(tǒng)的超高壓力，元件的制造技術(shù)、機構(gòu)的可靠性乃至控制技術(shù)均需應(yīng)對超強挑戰(zhàn)，隨著環(huán)保壓力的劇增及技術(shù)的進步，位置控制式的柴油機電控噴射結(jié)構(gòu)已慢慢被淘汰和取代，時間控制式的柴油機電控系統(tǒng)應(yīng)運而生。

如圖1，所用控制芯片上使用32位的微處理器，此ECU采用模塊化設(shè)計，各個模塊均擁有獨立功能與作用。通常有32位CPU（中央處理器單元）、SRAM（片內(nèi)存儲器）、TPU（定時處理器）、QSM（隊列串行模塊）、QADC（隊列式A/D轉(zhuǎn)換模式）和SIM（系統(tǒng)集成模塊）等。所有模塊之間依托IMB（內(nèi)部總線）連接一體，而外部擴展的存儲器依托EBI（外部總線接口）同系統(tǒng)集成模塊模塊連接。而前向通道內(nèi)，則依托接口電路產(chǎn)生的模擬信號輸進“隊列式A/D轉(zhuǎn)換模式”中，產(chǎn)生的數(shù)字信號則輸入定時處理器中。后向通道內(nèi)，定時處理器輸出不同執(zhí)行機構(gòu)的信號，依托驅(qū)動電路使執(zhí)行器工作；監(jiān)控模塊則依托隊列串行模塊對ECU展開實時監(jiān)控。而在整個系統(tǒng)編制軟件程序時，既可使用專一功能的軟件程序，還能承載超高性能的RTOS（實時操作系統(tǒng)）。

2 一般工況下柴油機噴油量的控制原理與邏輯關(guān)系分析

柴油發(fā)動機通常由各個循環(huán)輸進氣缸內(nèi)的燃油量來表征功率的高低，所以控制燃油量稱為ECU的主要工作，在柴油機工作時，各個工況根據(jù)合適的控制邏輯向噴射系統(tǒng)噴油，整個系統(tǒng)的控制策略如圖2所示。

圖1 柴油機電控單元結(jié)構(gòu)示意圖

在一定的調(diào)速特性框架下，電控單元依據(jù)油門開度與柴油機轉(zhuǎn)速，得到所需柴油，如是冷車狀態(tài)下，將直接從表中選擇相應(yīng)的油門偏移量，如是怠速狀態(tài)則依據(jù)目標(biāo)轉(zhuǎn)速和實際轉(zhuǎn)速的差值，在預(yù)設(shè)的調(diào)速特性中選擇的油量上，再增相應(yīng)修正量，此油量和依據(jù)進氣壓力、溫度及轉(zhuǎn)速得到的冒煙極限油量相比較，選最小值，此信息通過油泵特性分析，并折算后獲取此刻的噴油持續(xù)角度。此處使用的油泵特性，是依據(jù)柴油機的循環(huán)供油量與轉(zhuǎn)速來選取合適的噴油角度，再疊加根據(jù)轉(zhuǎn)速查表獲取的延遲角，計算出最后噴油量（值）。在柴油機啟動時，因為整個系統(tǒng)有較大的不確定狀況，依據(jù)選通開關(guān)與冷卻水溫度，ECU即可直接獲取噴油正時和油量信息為系統(tǒng)提供控制策略。

一般來說，設(shè)計嚴(yán)密的控制策略是ECU軟件設(shè)計的重要原則，還是柴油機在各個工況下能平順工作、順利銜接的基礎(chǔ)。而系統(tǒng)噴油正時的控制策略較易實現(xiàn)，當(dāng)電控單元獲得此刻的油量之后，把此信息與柴油機此刻的速度對照，先從噴油脈譜圖上查得最小的提前角度，然后依據(jù)冷卻水溫與空氣壓力精確計算，最后得到真正的供油提前角度。而在啟動狀態(tài)下，電控單元可只依據(jù)水溫給噴油系統(tǒng)的供油正時角度噴油。

3 特殊工況下柴油機噴油量的控制方法與策略

（1）柴油機啟動工況分析。柴油機啟動狀態(tài)有冷啟動和熱啟動兩種，冷車啟動特別是低溫冷啟動比較困難，這主要是低溫時燃油霧化不好，壁面溫度較低，同時機油黏度大，曲軸轉(zhuǎn)動阻力矩相對較大等原因。柴油機電控單元對啟動過程采用一定的控制策略。開環(huán)控制是一般情況所用的控制策略，即用柴油機的冷卻水表征圖所處環(huán)境與機器自身的情況，用柴油發(fā)動機的轉(zhuǎn)速信號表示啟動控制的具體進程。冷車啟動時燃油霧化通常不佳，因此需要吸入比較多的柴油，一旦冷卻水溫慢慢變暖，這種情況有所改善，油量降低。另一方面，壓縮時混合氣溫度低將造成滯燃期比較長，有必要相應(yīng)地增大噴油提前角。噴油量從發(fā)動機啟動到點火，最終轉(zhuǎn)速穩(wěn)定一直保持在較高的水平，從轉(zhuǎn)速穩(wěn)定點開始逐漸減少進入暖車工況。

發(fā)動機冷車啟動成功后，其工作的環(huán)境處于十分不利的狀況，控制單元需要給發(fā)動機提供額外的油量，保證發(fā)動機在這種運行工況下不滅車，使之盡快離開這種工作狀況。暖車控制在發(fā)動機的基本供油量的基礎(chǔ)上附加暖車修正系數(shù)，實際對應(yīng)的是油門的附加量，冷卻水溫度為參考量查取暖車修正系數(shù)，隨發(fā)動機冷卻水溫度的提高，暖車修正量逐漸減少，當(dāng)冷卻水溫達到某一值時，暖車過程結(jié)束，不再向發(fā)動機提供額外的供油量，并進入怠速工況。

（2）柴油機怠速工況分析。就拿車用柴油機來講，怠速工況通常作為其工作的重點環(huán)節(jié)來控制，時間控制式柴油機噴油量噴射系統(tǒng)設(shè)計的控制點主要有前饋控制（開環(huán)）、PID調(diào)節(jié)（閉環(huán)）以及各缸均勻性控制等。首先根據(jù)發(fā)動機的狀態(tài)確定目標(biāo)怠速轉(zhuǎn)速，這里考慮的是水溫低的時候讓怠速轉(zhuǎn)速稍高一些，反之則低一點。根據(jù)目標(biāo)轉(zhuǎn)速獲取基本油量提供給發(fā)動機，再將發(fā)動機的轉(zhuǎn)速信號引回，比較與目標(biāo)轉(zhuǎn)速的差，隨后進行增量式的PID調(diào)節(jié)。

一般情況下，對柴油機油量設(shè)計兩種限制情況，其一是車主自身確定的外特性曲線，其二為所有工況點對應(yīng)的冒煙極限油量。柴油機運行區(qū)域內(nèi)能依據(jù)所處狀況的各異自己描述外特性曲線。而限制冒煙極限油量則通常存在與柴油發(fā)動機的瞬態(tài)工況或大負(fù)荷低速區(qū)。對于外特性限制油量往往在指標(biāo)工作結(jié)束后就確定下來，但如果需要，在具體使用過程中仍然可以實時修改。冒煙極限油量的確定有兩種方法，一種是采用基于模型的控制，認(rèn)為冒煙極限油量與發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和進氣壓力存在直接關(guān)系，另一種是通過查表獲得。

4 小結(jié)

綜上所述，柴油機在調(diào)試與實際工作中均將產(chǎn)生部分意外狀況，如負(fù)載忽然卸下將導(dǎo)致轉(zhuǎn)速迅速升高、機油的泄漏或消耗導(dǎo)致壓力過低等，這時操作人員往往沒時間開展任何動作，柴油發(fā)動機會馬上處于一種非常嚴(yán)重且惡劣的運行工況，因此在電控單元的設(shè)計中應(yīng)把“保護工況”納入重要設(shè)計環(huán)節(jié)。一般保護工況有、機油壓力過低與超速保護，其他的工況下則按照預(yù)先設(shè)計的調(diào)速特性來執(zhí)行。