基于噴油器模型的2.0 T直噴汽油機噴油控制系統開發

閆凱， 楊帥， 付亞豪， 陳以林， 劉海峰， 吳名芝， 馬博尚

（1. 同濟大學 汽車學院，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. 長城汽車股份有限公司，河北 保定 071000；5. 河北省汽車工程技術研究中心，河北 保定 071000）

0 前言

高壓直噴系統被廣泛應用于汽油機和柴油機等動力機械上，是發動機的核心部件，其控制的精確性會直接影響發動機的動力、燃油耗和排放等。傳統基于功能的噴油控制算法只能根據軌壓和噴射質量計算得到噴油脈寬，需要進行大量標定且結果不精確，影響了實際控制效果。

為此，國內外研究人員展開了大量的研究。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力學模型，并通過仿真與試驗結果進行對比，對模型進行了驗證。蔡珍輝等［2］建立了高壓共軌噴油器模型，通過實測結果驗證了其準確性，并分析了噴油器主要結構參數對噴射過程的影響。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幾何模型，并通過仿真研究了噴油器針閥升程對流量系數的影響。何付斌等［4］對電控噴油器小噴油脈寬非線性段的特性進行了研究，分析了驅動電壓和供油油壓對其的影響。王志華［5］分析了非固定銜鐵的針閥結構和階梯噴孔結構對噴油器內部動、靜態流量特性的影響。李金印等［6］對多種噴油器進行對比測試工作，研究了噴油時刻和噴油壓力等參數對發動機排放的影響。在驅動電路方面，謝宏斌等［7］設計了硬件電路，通過分析噴油器的驅動電流波形，準確預估了噴油器的開啟時間。楊彬彬［8］設計了噴油器高、低壓驅動電路，研究了噴油壓力等參數對噴油的影響。在噴油器控制方面，ANTOINE［9］通過分析噴油器的工作原理，設計了基于峰值保持電路驅動的缸內直噴（GDI）噴油器，提高了直噴驅動的性能。王瑞［10］改進了高壓共軌多次噴射技術，利用并發控制縮短了延遲時間，通過精確噴油次數提高了燃燒效率。楊昆等［11］采用單缸柴油機模型研究了不同噴油率對柴油機缸內壓力、缸內溫度、放熱率、燃油消耗率等的影響，結果表明靴形噴油匹配合適的噴油提前角可優化柴油機的綜合性能。

目前，在高壓直噴系統中小流量的控制不夠精準，且針對小流量的噴油量研究較少。因此，本文從噴油器工作機理出發，分析了其流量特性，對其控制策略的設計展開研究和論述。

1 研究平臺及面向控制的模型

1.1 研究平臺

某2.0 T直噴發動機參數見表1。發動機型式為直列4缸、增壓水冷，后處理設備為三元催化器+顆粒捕集器。該直噴發動機噴油控制系統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、燃油泵及相關管路組成，燃油泵通常在發動機運行時保持常轉，將低壓油路相對壓力維持在0.5 MPa左右；高壓油路部分由驅動凸輪、高壓泵、高壓油軌和噴油器組成，驅動凸輪被固定在凸輪軸上。凸輪軸驅動高壓泵進行吸油和泵油的動作，高壓泵將燃油壓縮并推入高壓油軌內部，產生持續的高壓；在電子控制單元（ECU）指令下，噴油器可以通電打開或者斷電關閉，從而將高壓燃油噴射至缸內參與化學反應。

圖1 直噴發動機噴油控制系統

表1 發動機參數

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，產生電磁力帶動銜鐵運動，銜鐵與針閥連接，繼續帶動針閥及堵塞噴孔嘴的鋼球運動，此時噴油器內的高壓燃油會通過噴孔噴射出去，形成噴霧并進入缸內。電磁閥的動態響應特性對噴油器噴油的曲軸轉角和持續時間有決定性作用，進而影響噴油規律和混合氣的形成。

圖2 噴油器組件

根據流體力學經典小孔射流理論［12］，噴油質量流量m?為：

式中：ρ為燃油密度；A為噴孔截面積；Cd為流量系數；u為流體流速。

流體流速的計算公式為：

式中：?p為噴射壓差。

試驗結果［13］表明，噴油器打開是比較復雜的過程，在針閥完全打開后，噴油器處于線性區，即在軌壓固定時噴射質量與噴射時間呈正比例關系，而在噴油器打開過程中，由于針閥球頭處于類似于子彈在槍管內的遠端過程，被稱為彈道區，噴射質量與噴射脈寬表現出高階函數的關系，而在兩者的過渡區域，兼顧2種特性，如式（3）所示。

式中：tpulse為噴射脈寬；minj為噴油質量；mHL為噴油質量高限，取1.5 mg；mLL為噴油質量低限，取1 mg；tod為噴油器開啟的延遲時間；f1(?p)、f2(?p，minj)為修正系數，通過測量獲得；k1、a和b為相關參數，通過測量獲得。當minj≥mHL時噴油處于線性區，當minj≤mLL時噴油處于非線性區，當minj介于兩者之間時，噴油處于過渡區，需要利用線性插值理論計算噴射脈寬。

根據直噴發動機布置型式可知，?p為：

式中：prail為噴射軌壓；pcyl為缸內壓力。

prail可以通過傳感器測量得到，pcyl需要進行估計。根據文獻［14］、文獻［15］及理想氣體方程推導出pcyl的計算方法，并對其復雜系數進行參數化處理。

式中：θinj為噴油時刻對應的噴油提前角，在0～180°之間是壓縮行程，180°～360°之間是進氣行程；θvvt為可變氣門正時（VVT）提前的相位；f1(θinj)為進氣提前角對缸內壓力的影響系數；f2(θvvt)為VVT提前相位對缸內壓力的影響系數，通過試驗測得；pint為進氣壓力，通過傳感器測得；ηvol為體積效率。

根據現代發動機扭矩結構，扭矩需求決定了當前循環需要參與燃燒的噴油質量，要同時實現扭矩精準和催化器轉換效率最優，噴油質量要與充氣量配比達到當量比。因此，噴油器需要實現精準的噴油質量投遞。

2 基于模型的控制策略

根據噴油器控制系統輸入、輸出和特性機制，圖3給出了噴油器控制架構。一方面，控制策略根據噴射相位計算出缸內壓強，進而根據缸壓和軌壓計算出噴油器的噴射壓差；另一方面，控制策略根據噴射量判斷噴油器噴射過程所處的噴射區域。根據噴射壓差、噴射量和噴射區域，可利用公式（3）計算噴射脈寬。

圖3 噴油控制架構

2.1 噴射壓差控制策略設計

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

根據文獻［16］，采用非線性批量最小二乘法對f1(θinj)和f2(θvvt)進行離線參數識別。最小二乘法是通過代價函數的迭代計算，使模型的估計值與實際值差值的平方和最小，以優化得到模型參數，優化函數為：

式中：J為估計值與實際值的偏差，F(x，xdata)為輸入數據x后計算的模型估計值；xdata、ydata為實驗獲取的數據組。

線性區參數f1(θinj)和f2(θvvt)的識別結果分別如圖4和圖5所示。

圖4 不同噴射提前角下的f1(θinj)修正值

圖5 不同進氣VVT提前相位下的f2(θvvt)修正值

2.2 流量區域判斷控制策略設計

流量區域判斷的控制策略如圖6所示。該策略通過判斷噴射質量所處的范圍來區分噴油器所處的流量區域。

圖6 流量區域判斷控制策略

2.3 噴射脈寬控制策略設計

噴射脈寬控制策略通過獲取噴油器的噴射壓差、噴射質量和所處的流量區域，利用公式（3）計算得到噴油器的噴射脈寬。在公式（3）中，k1、f1(?p)、f2(?p，minj)和tod可以通過標定量和試驗測量設定，具體的標定方法由噴油器供應商提供（筆者重點研究噴油器控制策略），需要在噴油器專用臺架上測量。測試方式簡述如下：靜態流量單值標定k1用于設定噴油器斜率，在試驗臺上以標準壓力進行測量，本文取值為0.105。GDI線性區特性測試往往是在給定參考壓力下進行的，試驗測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，筆者提供了一維標定f1(?p)進行修正，其在不同噴射壓差下的修正系數如圖7 所示。tod的參數識別結果如圖8所示。

圖7 修正系數f1(?p)的變化

圖8 開啟延時tod的變化

GDI噴油器截距由標定tod提供，即為噴油器開啟的延遲時間。在彈道域內，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行校準。在不同壓差和噴油質量下查表得到非線性區標定f2(?p，minj)，進行參數識別，如圖9所示。

圖9 非線性區標定f2(?p，minj)

對于插值區，依據線性插值數學理論進行估計，其中線性插值是一種針對一維數據的插值方法，其根據一維數據序列中需要插值點的左右鄰近2個數據點來進行數值的估計。

3 控制策略的模型在環測試和臺架驗證

3.1 測試平臺搭建

利用Simulink搭建了噴油器控制策略以及模型在環測試平臺，如圖10所示。其中，左側模塊負責進氣壓力、體積效率、噴油提前角等參數信號；中間模塊是噴油控制策略模塊；右側3個示波器分別負責監測控制策略輸出的缸內壓力、噴射壓差和噴射脈寬，以最大覆蓋度檢查邏輯通路。

圖10 控制策略測試平臺架構

3.2 噴油偏差率設計

在輸入不同軌壓、相位和噴射量下計算噴射脈寬，在同等條件下，利用相同的噴射脈寬，通過試驗臺架測量噴射質量，并對比偏差率，以偏差率來衡量控制的精確性，偏差率r［17］定義為：

式中：mcmd為需求噴射質量；mtest為臺架測量噴射質量。

3.3 測試數據分析

表2 給出了3 種流量區域內的測試結果。圖11為偏差率隨噴射質量的變化。結合表2和圖11可知，控制策略的噴油偏差率隨著噴射質量的增加逐漸降低，在線性區（高流量區）內，控制策略的偏差率不超過3%；在彈道區（高流量區）和插值區（過渡區）內，偏差率較大，但不超過5%，仍有改進空間。整體上來看，該控制策略的控制精度良好。

圖11 偏差率與噴射質量的擬合曲線

表2 測試結果分析

4 結語

本文所設計的噴油器控制策略表現出良好的控制結果，偏差率在5%以內，但是試驗表明小流量區域控制精度還有待提升，下一步將展開小流量自適應控制策略開發。

通過Simulink平臺搭建了控制模型并進行了模型測試，極大地提高了程序的開發速度，但還需要生成C代碼進行軟件編譯，生成可刷入控制器的S19文件，下一步將展開自動代碼生成和集成。

模型在環測試和臺架聯合測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車輛運行的動態響應測試，下一步需要展開硬件在環測試。