如何采用燃燒曲線造型調(diào)節(jié)柴油機(jī)燃燒的方法

用于燃燒曲線造型的燃油噴射策略由多次小噴油量噴射組成，為使柴油機(jī)在進(jìn)一步降低燃油耗的同時(shí)降低原始排放提供了很大的潛力。為了實(shí)現(xiàn)該方案，德國(guó)FEV公司與亞琛工業(yè)大學(xué)共同合作開(kāi)發(fā)了一種自動(dòng)標(biāo)定方法。

1調(diào)節(jié)燃燒的動(dòng)機(jī)

燃油耗、有害物排放和噪聲優(yōu)化是目前柴油機(jī)開(kāi)發(fā)的關(guān)注焦點(diǎn)，這對(duì)燃油噴射的控制也起著極其重要的作用，因?yàn)樗x擇的燃燒過(guò)程策略具有決定性的影響。

在過(guò)去幾十年中所作出的努力已有力推動(dòng)了共軌燃油噴射系統(tǒng)（CR-KES）的發(fā)展，并將其用于當(dāng)今轎車柴油機(jī)的現(xiàn)代燃油噴射系統(tǒng)，在降低高壓燃油泵摩擦損失的同時(shí)，其噴射壓力已高達(dá)250 MPa，目前新型的燃油噴射的每個(gè)工作循環(huán)能以較短的噴射間隔和較小的噴油量進(jìn)行噴射。

但是，為了充分開(kāi)發(fā)現(xiàn)代燃油噴射系統(tǒng)的潛力，僅采用傳統(tǒng)的控制方法是無(wú)法滿足的。當(dāng)前的噴射策略大多采用單次或雙次預(yù)噴射，以及單次主噴射和單次后噴射，通常不采用多于4次噴射的噴油策略，以此限制標(biāo)定過(guò)程的費(fèi)用。此外，經(jīng)優(yōu)化處理的高壓燃油泵即使在中等負(fù)荷工況點(diǎn)也能應(yīng)用高噴射壓力而不會(huì)使燃油耗惡化，但就目前而言，僅在高負(fù)荷運(yùn)行工況點(diǎn)才會(huì)采用高噴射壓力。通過(guò)提高噴射壓力能有效改善廢氣再循環(huán)（EGR）的相容性，從而降低碳煙排放，但在傳統(tǒng)的噴射策略影響下，由于會(huì)同時(shí)提高燃燒噪聲并在燃油中摻入機(jī)油油膜而受到限制。

為了能繼續(xù)滿足未來(lái)法規(guī)的要求，需要充分利用燃油噴射系統(tǒng)的潛力，這就要采用燃燒速率曲線造型（CRS）方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2燃油噴射管理的新方法

CRS的特征是一種經(jīng)擴(kuò)展的噴射策略，可實(shí)現(xiàn)單次小噴油量和增加噴射次數(shù)，從而能在降低燃燒噪聲的同時(shí)優(yōu)化碳煙和氮氧化物（NOX）的排放沖突。

實(shí)現(xiàn)該噴油策略將面臨更高的標(biāo)定費(fèi)用，因?yàn)閷?duì)于傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)學(xué)試驗(yàn)方法而言，增加噴射次數(shù)是巨大的挑戰(zhàn)，為此介紹一種自動(dòng)化的標(biāo)定方法。該方法以全面調(diào)節(jié)燃燒方式為基礎(chǔ)，其中整個(gè)燃油噴射形態(tài)包括噴射特性、各自的噴油起始點(diǎn)和噴油量，被用于調(diào)節(jié)參數(shù)。將整個(gè)燃燒曲線作為調(diào)節(jié)對(duì)象，可針對(duì)最佳熱力學(xué)性能對(duì)其特性進(jìn)行標(biāo)定。采用該方法就無(wú)需對(duì)燃油噴射形態(tài)進(jìn)行標(biāo)定。

3燃燒速率的管理

調(diào)節(jié)系統(tǒng)如圖1所示。在考慮到與運(yùn)行工況點(diǎn)相關(guān)的邊界條件下形成的標(biāo)定燃燒曲線及熱力學(xué)參數(shù)，其中要特別重視空氣管路中的狀態(tài)參數(shù)，例如增壓壓力、增壓空氣溫度和EGR率等。借助對(duì)所測(cè)得的氣缸壓力曲線的分析就能得知燃燒的實(shí)時(shí)狀況。

圖1 以CRS為基礎(chǔ)的調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)

CRS調(diào)節(jié)器是以物理模型為基礎(chǔ)的曲線造型，可將調(diào)節(jié)器的標(biāo)定費(fèi)用減少到最低程度，并達(dá)到最佳的可靠性。該調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)包含有一系列的物理子模型（圖2），其核心部分是一個(gè)反向的放熱模型，將預(yù)先設(shè)定的燃燒曲線轉(zhuǎn)換成液力噴油形態(tài)，而著火滯后模型對(duì)噴射起始點(diǎn)的正確識(shí)別起著重要的作用，噴油器模型則最后將液力噴油形態(tài)轉(zhuǎn)換成能直接觸發(fā)電控噴油器噴射的脈沖信號(hào)。

圖2 CRS調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)

標(biāo)定燃燒特性可用不同的狀態(tài)曲線（如氣缸壓力、溫度曲線或放熱曲線）來(lái)確定，因?yàn)椴煌臓顟B(tài)可用熱力學(xué)基本方程式推導(dǎo)得出。為了充分利用在熱力學(xué)領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，對(duì)所需燃燒特性參數(shù)的選擇是非常重要的。最佳的特性參數(shù)（例如燃燒重心位置、峰值壓力或壓力升高率）可通過(guò)基于試驗(yàn)設(shè)計(jì)（DoE）的標(biāo)定方法來(lái)確定，并最終合成通過(guò)曲軸轉(zhuǎn)角進(jìn)行分辨的標(biāo)定燃燒曲線。目前，標(biāo)定燃燒曲線是通過(guò)氣缸壓力曲線與α變化曲線進(jìn)行合成而得到的（圖3）。

圖3 作為標(biāo)定燃燒曲線的α變化曲線

壓力升高率（（dp/dα）max）、燃燒始點(diǎn)（SOC）和壓力限值（pmax）是較為重要的特性值，在該方法中必須對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定。目前，所期望的高壓回線的平均指示壓力（IMEPg）在以曲軸轉(zhuǎn)角分辨的氣缸壓力曲線中得以充分考慮。

4熱力學(xué)潛力

采用CRS方法，可在寬廣的運(yùn)行范圍內(nèi)將燃燒噪聲與碳煙排放進(jìn)行分離。峰值壓力的升高速率與燃燒噪聲密切相關(guān)，因此通過(guò)對(duì)壓力升高速率的標(biāo)定就可直接調(diào)節(jié)噪聲水平，同樣噴油壓力也能加以利用，以此可明顯降低碳煙的形成。

與此同時(shí)，提高噴油壓力也會(huì)導(dǎo)致較高比重的預(yù)混合燃燒，從而使燃燒噪聲較大，而采用基于CRS的調(diào)節(jié)方案就能避免此類情況的出現(xiàn)。因?yàn)閲娪蛪毫Φ奶岣咭欢ǔ潭壬蠒?huì)作為干擾因素而影響到燃燒過(guò)程，可通過(guò)對(duì)燃油噴射形態(tài)的適當(dāng)干預(yù)，對(duì)此予以補(bǔ)償，從而能緩和噪聲-碳煙的目標(biāo)沖突圖4示出了在NOX排放水平不變情況下的噴油壓力試驗(yàn)方案。將90 MPa噴油壓力單次噴射的測(cè)量結(jié)果作為比較基準(zhǔn)，在高燃燒噪聲的情況下碳煙值較低。在相同的邊界條件下，CRS調(diào)節(jié)器可實(shí)現(xiàn)多次噴射，結(jié)果一方面降低了燃燒噪聲，而另一方面卻使碳煙值有所增加。為了使碳煙值回復(fù)到最初的較低數(shù)值，在保持原氣缸壓力曲線不變的情況下就要提高噴油壓力，因而CRS調(diào)節(jié)器可在降低燃燒噪聲的情況下顯著減少碳煙值。

圖4 在壓力升高率不變和應(yīng)用CRS情況下

噴油壓力試驗(yàn)方案

為了進(jìn)一步考察CRS的熱力學(xué)潛力，下面討論在單缸試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)上的兩個(gè)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況點(diǎn)的性能，其中將其在燃油系統(tǒng)方面所建立的基本標(biāo)定作為比較基準(zhǔn)，而對(duì)于CRS運(yùn)行規(guī)定的氣缸壓力曲線則在NOX排放水平不變的情況下使燃油耗和燃燒噪聲以及碳?xì)浠衔铮℉C）、CO和碳煙排放之間達(dá)到最佳的折中。

基準(zhǔn)試驗(yàn)的噴油策略呈現(xiàn)0.6 MPa/°kW的急劇壓力升高率，從而導(dǎo)致較高的燃燒噪聲（圖5）。該現(xiàn)象歸因于較高的EGR率，可使滯燃期延長(zhǎng)，并出現(xiàn)較大比重的預(yù)混合燃燒。為了限制峰值壓力升高率，CRS調(diào)節(jié)器自動(dòng)將首次噴油量增加到5.4 mm3以縮短滯燃期，從而使燃燒噪聲比基準(zhǔn)標(biāo)定時(shí)降低4.5 dB(A)。

圖5 基于DoE的CRS方法標(biāo)定結(jié)果與

符合歐6標(biāo)準(zhǔn)NOx排放水平情況下

低負(fù)荷運(yùn)行工況點(diǎn)基準(zhǔn)標(biāo)定的比較

基準(zhǔn)標(biāo)定的燃燒重心位置（αX50）位于上止點(diǎn)后8.9°kW。燃燒向較早的方向調(diào)整能改善燃油耗，但是也會(huì)使燃燒噪聲進(jìn)一步增大，而借助于CRS調(diào)節(jié)器能獲得上止點(diǎn)后7.3°kW較早的燃燒重心位置，可以限制燃燒噪聲，并能獲得比基準(zhǔn)標(biāo)定時(shí)低2.5%的燃油耗優(yōu)勢(shì)。

生成HC排放的典型機(jī)理即為猝冷熄火效應(yīng)，該效應(yīng)描述了在燃燒室壁面附近因溫度較低而使火焰熄滅的現(xiàn)象以及在燃燒極限內(nèi)較為稀薄的混合氣，例如在具有較高EGR率的低負(fù)荷運(yùn)行工況點(diǎn)，可觀察到著火滯后現(xiàn)象加劇猝冷熄火效應(yīng)的出現(xiàn)。與此相反，CRS調(diào)節(jié)器因增加了預(yù)噴射油量而獲得了較短的著火滯后。

降低HC排放的另一種方式是采用后氧化。在燃燒階段期間HC分子可能會(huì)擴(kuò)散返回到燃燒氣體中，此處溫度較高，在有氧可利用的情況下就會(huì)出現(xiàn)后氧化。目前在燃燒階段CO和碳煙也會(huì)相應(yīng)減少。圖5中所示出的CRS結(jié)果就包括了這兩種效應(yīng)，在這個(gè)例子中與基準(zhǔn)標(biāo)定相比 HC排放降低了30.1%，CO排放降低了13.5%。

圖6示出了部分負(fù)荷運(yùn)行工況點(diǎn)的試驗(yàn)結(jié)果，其中應(yīng)用CRS調(diào)節(jié)器的噴油壓力比基準(zhǔn)標(biāo)定提高了27%。該項(xiàng)措施因改善了混合氣而使碳煙減少了44%，同時(shí)CO排放降低了46.6%。雖然顯著提高了噴油壓力，但是CRS調(diào)節(jié)器卻因產(chǎn)生了更多的小油量噴射而降低了氣缸峰值壓力的升高速率，從而使燃燒噪聲水平降低了1.0 dB(A)。同樣，CRS方法也使著火滯后縮短，從而減少了猝冷熄火效應(yīng)造成的影響。

圖6 基于DoE的CRS方法標(biāo)定結(jié)果與

符合歐6標(biāo)準(zhǔn)NOx排放水平情況下

部分負(fù)荷運(yùn)行工況點(diǎn)基準(zhǔn)標(biāo)定的比較

此外，較長(zhǎng)的燃油噴束有利于形成HC排放，因?yàn)槿加蛧娛鴺O有可能潤(rùn)濕壁面，因此為了獲得所期望的扭矩，與基準(zhǔn)標(biāo)定相比CRS調(diào)節(jié)器可優(yōu)先產(chǎn)生更小的燃油噴束。正如之前所提到的低負(fù)荷工況點(diǎn)，燃燒階段由CRS調(diào)節(jié)器通過(guò)推遲噴射以增加噴油量，有助于后氧化的實(shí)現(xiàn)。與基準(zhǔn)標(biāo)定相比，可觀測(cè)到HC排放降低達(dá)64%的巨大潛力。

最后，為了評(píng)估CRS方法在認(rèn)證試驗(yàn)循環(huán)中的優(yōu)勢(shì)，將各種不同穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況點(diǎn)的試驗(yàn)結(jié)果用于試驗(yàn)質(zhì)量為1 590kg車輛的全球統(tǒng)一的輕型載貨車試驗(yàn)規(guī)范（WLTP）循環(huán)，為此在一臺(tái)4缸1.6 L柴油機(jī)上進(jìn)行測(cè)量。標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果示于圖7，其中基準(zhǔn)標(biāo)定仍作為比較的基準(zhǔn)。所選用的燃燒速率調(diào)節(jié)方法使得在NOX原始排放相當(dāng)?shù)那闆r下，燃燒特性得以全面改善。

圖7 用于搭載4缸1.6 L柴油機(jī)的

1 590 kg車輛外推法WLTP認(rèn)證

試驗(yàn)循環(huán)的CRS方案與燃油系統(tǒng)常規(guī)標(biāo)定的

熱力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果的比較

5燃燒速率調(diào)節(jié)的批量應(yīng)用

為了沒(méi)有氣缸壓力信息的情況下，也能將CRS方法應(yīng)用于量產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元（ECU），下面介紹一種新型的標(biāo)定方法（圖8）。該標(biāo)定方法的第一步是采取基于DoE的標(biāo)定方法以識(shí)別最佳的氣缸壓力曲線，根據(jù)DoE參數(shù)（燃燒始點(diǎn)、壓力升高率和峰值壓力限制）的系統(tǒng)變化確定發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳熱力學(xué)性能。對(duì)空氣系統(tǒng)具有重要意義的參數(shù)，如增壓壓力和EGR率的變化，將由CRS調(diào)節(jié)器作為干擾參數(shù)來(lái)考慮和補(bǔ)償，從而開(kāi)啟對(duì)空氣和燃油系統(tǒng)進(jìn)行平行標(biāo)定的可能性。在試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)階段期間，在快速控制樣機(jī)（RCP）系統(tǒng)中通過(guò)至ECU的一個(gè)旁路實(shí)施CRS算法。所屬的噴油形態(tài)由CRS調(diào)節(jié)器來(lái)識(shí)別，并最終儲(chǔ)存在ECU中與運(yùn)行工況點(diǎn)的特性曲線場(chǎng)內(nèi)。

圖8 在試驗(yàn)臺(tái)自動(dòng)化系統(tǒng)中借助于

RCP方法對(duì)CRS調(diào)節(jié)器支持的

批產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元燃油系統(tǒng)的標(biāo)定程序

與常規(guī)方法相比，基于CRS的標(biāo)定方法的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是減少了標(biāo)定費(fèi)用。CRS方法可采集包括噴油壓力在內(nèi)的4個(gè)DoE參數(shù)，而常規(guī)標(biāo)定方法則需要許多對(duì)噴射系統(tǒng)具有重要意義的參數(shù)，可根據(jù)所選擇的噴油形態(tài)的復(fù)雜性來(lái)度量。為了限制其復(fù)雜性，噴油次數(shù)往往被限制在3次（預(yù)噴射、主噴射和后噴射），為此還需要7個(gè)DoE參數(shù)。如圖9所示，標(biāo)定過(guò)程的試驗(yàn)費(fèi)用隨著DoE參數(shù)數(shù)量呈指數(shù)增加。

圖9 燃油系統(tǒng)標(biāo)定階段期間的試驗(yàn)費(fèi)用與

DoE參數(shù)數(shù)量和

DoE模型復(fù)雜性的關(guān)系

此外，相關(guān)費(fèi)用還與由模型復(fù)雜性決定的模型等級(jí)有關(guān)，因此除了減少DoE參數(shù)數(shù)量之外，降低DoE模型復(fù)雜性是減少試驗(yàn)費(fèi)用的另一種方式。由于應(yīng)用CRS方法中的DoE物理參數(shù)，使得模型的復(fù)雜性大幅降低。

6結(jié)論

CRS方法提供了一種優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)熱力學(xué)性能的途徑。通常，采用CRS方法的目的是開(kāi)發(fā)由多次小噴油量噴射組成的最佳噴油策略，以此可在寬廣的運(yùn)行范圍內(nèi)提高噴油壓力而不會(huì)過(guò)度增大噪聲，從而緩和碳煙和噪聲之間的矛盾性。除此之外，由于在聲學(xué)性能方面的優(yōu)勢(shì)，還能優(yōu)化燃燒重心位置，因而可獲得相應(yīng)的節(jié)油效果。同時(shí)由于在碳煙排放方面同樣具備優(yōu)勢(shì)，還可提高EGR相容性，從而獲得降低NOX原始排放的潛力。

但是，對(duì)CRS具有重要意義的噴油策略是較為復(fù)雜的，因而傳統(tǒng)的標(biāo)定方法并不適用。為了解決此類沖突，采用CRS調(diào)節(jié)器對(duì)目標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)化標(biāo)定，最終由CRS調(diào)節(jié)器所產(chǎn)生的噴油形態(tài)為批量生產(chǎn)電控單元的特性曲線場(chǎng)提供數(shù)據(jù)，因此CRS調(diào)節(jié)器僅在發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定期間用于試驗(yàn)臺(tái)自動(dòng)化系統(tǒng)，因而在批量生產(chǎn)中可不采用附加的氣缸壓力傳感器，仍繼續(xù)使用基于特性曲線場(chǎng)的ECU軟件結(jié)構(gòu)，以此僅需通過(guò)優(yōu)化燃油系統(tǒng)標(biāo)定，充分利用現(xiàn)有燃油噴射系統(tǒng)的潛力，就可不增加成本而充分改善發(fā)動(dòng)機(jī)的熱力學(xué)性能。