汽车与发动机电子控制系统设计-柴油机电控

同舟共济自强不息1主讲人：石秀勇博士/副教授院系：汽车学院E-mail:[e-mail]:69589980(O)M.P.:15821858727同舟共济自强不息2个人简介石秀勇，博士，副教授-2007年毕业于山东大学获得博士学位，2009年12月上海交通大学博士后出站后到同济大学大学汽车学院任教。主要研究方向-CAE技术•有限元(机体、缸套、气缸垫、曲轴、连杆、螺栓连接)•计算流体力学(进排气流动、缸内混合燃烧、冷却水流动)-发动机节能减排•柴油机喷油规律优化（多次喷射、降低PM排放）•热管理（系统匹配、发动机舱热流场）•润滑系统（系统设计匹配、可变排量机油泵）•EGR（阀流场、EGR系统匹配优化）•SCR（催化器流动均匀性、NH3喷射混合、还原剂匹配）同舟共济自强不息3柴油机电子控制技术概述柴油机发展趋势柴油机技术措施柴油机电控技术电控共轨系统电控单体泵电控泵喷嘴其他电控技术车载诊断OBD系统同舟共济自强不息4石油供应安全全球气候变暖大气环境污染我国汽车动力面临诸多挑战我国原油供需状况单位：万吨06000120001800024000300003600042000199319961999200220052008原油产量原油需求量同舟共济自强不息5同舟共济自强不息6同舟共济自强不息7同舟共济自强不息8同舟共济自强不息9同舟共济自强不息10排放法规同舟共济自强不息11排放限值及循环相比国4、国5，国6采用了低速低温循环和更严格的尾管排放目标。同舟共济自强不息12同舟共济自强不息13同舟共济自强不息14同舟共济自强不息15同舟共济自强不息16同舟共济自强不息17同舟共济自强不息18同舟共济自强不息19柴油机发展趋势理想喷油特性-预喷射，初始喷射速率低，主喷速率高，后喷停止速度快高压喷射-轿车：~200MPa，重型车：~250MPa增压中冷，废气再循环-提高升功率、经济性和降低排放排气后处理-氧化催化器，微粒捕集器，NOx催化器同舟共济自强不息20柴油机发展趋势解决方案：电子控制-电子控制燃油喷射-电子控制可变截面涡轮-电子控制废气再循环-电动进排气门-电子控制单元实现理想的喷油速率是解决柴油机排放的基础，配合空气系统和电子控制，柴油机发展的根本途径。同舟共济自强不息21电控燃油系统类型同舟共济自强不息22发展简史同舟共济自强不息23发展简史同舟共济自强不息24发展简史同舟共济自强不息25同舟共济自强不息26同舟共济自强不息27同舟共济自强不息28同舟共济自强不息29同舟共济自强不息30同舟共济自强不息31同舟共济自强不息32同舟共济自强不息33（1）节能与排放的矛盾原因：节能要求燃烧完全，使燃烧温度高，虽然CO、HC和颗粒PM排放少，但氮氧化物NOX排放多。（2）颗粒PM与氮氧化物NOx排放的矛盾原因：消除颗粒PM要燃烧完全，使燃烧温度高，氮氧化物NOx排放多。而对减少氮氧化物NOx排放有利的措施，又可能导致颗粒PM高；反之亦然。（3）节能与工作柔和要求的矛盾原因：工作柔和要求前期少喷油，会造成后燃严重，经济性和动力性差；如燃烧完全，前期喷油多，则压力升高快，工作粗暴。柴油机燃烧过程组织的困难同舟共济自强不息34控制燃烧过程放热规律的三要素：燃烧始点喷射时刻；放热规律曲线形状喷射规律；燃烧持续时间扩散速率燃烧室内部气流特性，和燃料喷射方式的优化匹配是控制柴油机燃烧放热规律的主要手段。同舟共济自强不息35具体措施：电控高压喷射技术；喷射规律控制喷射时期控制；缩口燃烧室气流EGR：TzVNT（VGT）；抑制预混合燃烧过程NOx，促进扩散燃烧PM同舟共济自强不息36柴油机燃烧燃烧室燃油供给进气组织均匀混合气燃油雾化喷射次数……提高充气密度气流运动形式……压缩比燃烧过程组织排放……同舟共济自强不息37空滤器进气1.可变增压+双级增压4.电控高压多段喷射系统还原剂供给系统6.氧化催化+DPF+NOx还原2.中冷3.EGR中冷EGR阀排气5.燃烧室内气流特性柴油机节能与排放控制技术同舟共济自强不息38五大系统进排气系统增压系统EGR系统燃料供给系统电控燃油系统润滑系统冷却系统电子风扇电子水泵电子节温器起动系统OBD系统同舟共济自强不息39同舟共济自强不息40同舟共济自强不息41同舟共济自强不息42同舟共济自强不息43同舟共济自强不息44同舟共济自强不息45柴油机电控共轨技术柴油机电控共轨系统特点柴油机电控共轨系统组成柴油机电控共轨系统控制策略同舟共济自强不息46柴油机混合气形成及燃烧特点柴油机燃烧的特点其主要特点是：①燃料的混合和燃烧是在气缸内进行的（缸内混合）。②混合与燃烧的时间很短（15～35℃A）0.0017～0.004s。③柴油粘度大，不易挥发，必须以雾状喷入。④可燃混合气的形成和燃烧过程是同时，连续重叠进行的，即边喷射，边混合，边燃烧，气缸内各处混合气浓度不均匀。⑤质调节（负荷）。同舟共济自强不息47机械燃油供给系统1）在适当的时刻，将一定数量的洁净燃油以适当的规律喷入燃烧室。各缸的喷油定时和喷油量相同且与柴油机运行工况相适应。2）在每一个工作循环内，各气缸均喷油一次，喷油次序与气缸工作顺序一致。3）根据柴油机工况变化自动调节循环供油量，以保证柴油机稳定运转。同舟共济自强不息48★降低压力升高率、最大爆压，提高效率！矛盾解决：两种极限放热规律。1.先快后慢。多数为此，比较易实现（初期喷压高），效率高，但是由于早期放热量大，爆压高。2.先慢后快。压力升高率、最大爆压均较低，但效率也低。效率低的根源：不完全是因为初期放热率低，而是大量的热在远离上止点处释放。解决措施：可以通过缩短燃烧持续期（提高喷压，缩短供油持续期、加大缸内气流、缩短缓燃期来实现）。同舟共济自强不息49★减缓初期燃烧速度、加快后期燃烧速度！实现方法：1.减缓初期燃烧速度1)控制喷油；2)采用预喷技术（高压共轨供油系统）……2.加快后期燃烧速度1)加大缸内气流；2)提高喷油速率……同舟共济自强不息50喷射系统的控制要求：良好喷雾特性、喷注与燃烧室良好匹配；控制喷油规律控制放热规律节能又低排放措施：喷射压力高压化；且喷射时期/喷油量/喷油率可变控制；响应特性。C-R直接控制喷油器控制响应特性，高速柴油机上普遍采用。喷油器的要求：喷射压力高压化：200MPa雾化，喷射速率多段脉冲喷射：响应特性喷射规律放热规律同舟共济自强不息51柴油机电控燃油喷射系统同舟共济自强不息52同舟共济自强不息53Bosch重卡车用第4代共轨系统同舟共济自强不息54共轨系统(CommonRail)同舟共济自强不息55柴油共轨系统四大核心的部件功能同舟共济自强不息56同舟共济自强不息57同舟共济自强不息580.51.01.52.02001501005096MPa80MPa48MPa38MPa喷射量mm3/st通电脉冲幅Ti/ms高压共轨喷射系统的特点：共轨压力波动小不存在压力波引起的难控区、失控区以及调速器能力不足等问题；喷射压力独立于n和负荷可实现理想喷油规律易实现多阶段脉冲喷射过程喷射规率自由控制喷射量仅取决于共轨压力和喷油器通电脉冲宽度;高压高压泵驱动损失，需耐高压和高压密封。同舟共济自强不息59同舟共济自强不息60同舟共济自强不息61同舟共济自强不息62同舟共济自强不息63同舟共济自强不息64同舟共济自强不息65同舟共济自强不息66同舟共济自强不息67同舟共济自强不息68同舟共济自强不息69低压部分同舟共济自强不息70低压部分同舟共济自强不息71低压部分同舟共济自强不息72同舟共济自强不息73同舟共济自强不息74同舟共济自强不息75同舟共济自强不息76同舟共济自强不息77同舟共济自强不息78同舟共济自强不息79同舟共济自强不息80C-R系统对燃烧速率的精确控制：由喷油规律的柔性控制实现“Multijet”(多脉冲)喷射方式精确控制燃烧室内的温度和压力高效率低排放同舟共济自强不息81先导喷射预喷射主喷射1主喷射2后喷射迟后喷射控制TzmaxNOx压缩T和p，起动暖车时间，惰转噪声&HC排放，改善低速转矩特性T为主喷射准备缩短主喷射的i，Tz，NOx改善废气在膨胀过程中的氧化环境，PM后处器的催化反应废气中HCNOx还原装置的效率喷油规律控制同舟共济自强不息82标定同舟共济自强不息83喷油控制策略控制逻辑工况判断：获取柴油机当前各状态参数进行判断基本喷油量和喷油正时：根据工况状态得到每缸每循环基本喷油量和基本喷油正时，实现柴油机运行要求。修正和限制因素：受排放、经济性、动力性等多个指标的限制，对油量和进气量进行控制，最终得出能满足各种要求的目标喷油量和目标喷油正时,以及相应的进气量。选择合适的喷油规律：对于多次喷射,完成每次喷油量的计算,即总油量分配,是喷油率控制需要解决的问题。共轨压力控制与喷油正时控制：根据喷油量和柴油机状态参数获得供油脉宽、供油时刻、喷射脉宽及喷射时刻。根据目标喷油量和目标喷油正时控制要求,驱动燃油喷射系统的执行器。其中喷射驱动必须与转角信号同步,并根据蓄电池电压进行相应的补偿。同舟共济自强不息84喷油量基本控制策略通过传感器测量得出油门踏板位置和平均转速,结合油量MAP确定目标喷油量基本值通过结合冷却水温对发动机工况的影响,确定修正值与当前转速下的最大喷油量相比,取较小的值为最终喷油量通过查询共轨压力、喷油量和喷射脉宽MAP图,即由当前的共轨压力,查喷油量和喷射脉宽的对应关系MAP,确定喷射脉宽,即喷射脉冲持续时间,输出至喷油器,由电磁阀完成喷油量控制同舟共济自强不息85起动工况控制策略起动油量控制流程如图所示。由基本油量与加浓油量组成,其中基本油量是冷却水温度与柴油机转速的函数。同舟共济自强不息86怠速控制怠速控制包括开环和闭环控制,开环控制主要针负载突然变化,急减速等瞬时工况,计算当前喷油量,而对实际转速并没有检查。闭环控制是通过检测到的实际转速与目标转速进行比较,检测当前喷油量导致的运行速度,计算下一次喷油量。图为怠速闭环控制原理图。同舟共济自强不息87调速控制流量首先根据柴油机转速和油门开度判断柴油机是否进入调速模式,柴油机进入调速模式的标志是:柴油机转速高于目标怠速或者油门开度大于一定开度。图为调速控制油量示意图。当柴油机进入调速控制过程,通过采用全程调速MAP的控制模式进行调速。根据油门和转速查询MAP得到调速油量,图中的曲线斜率是保障调速控制稳定性的关键。同舟共济自强不息88高压共轨系统工作原理电控高压共轨系统的工作原理如图所示,燃油经过输油泵和高压油泵形成高压进入高压共轨,通过高压油管连接喷油器。同舟共济自强不息89轨压控制框图通过对比例电磁阀的控制即是对进入高压油泵的燃油量进行控制,也就是说需要多少燃油就压缩多少燃油。具体地,在低压输油泵与高压油泵之间设置了一个比例电磁阀,通过这一电磁阀的打开和关闭来调控进入高压油泵的燃油量。进入高压油泵柱塞腔的燃油量,原则上就等于高压共轨系统实际供给汽缸油量和喷油器回油量之和,避免了对燃油做高压压缩又释放的方式所浪费的能量,此种系统轨压控制结构的低压输油泵出口处有机械式的定压溢流阀,当出油量少而造成出口压力高于定压溢流阀开启压力时,会造成溢流。但由于这部分油的压力较低,不会带来太大的浪费。同舟共济自强不息90共轨压力控制策略轨压控制如图所示,根据柴油机状态参数转速、冷却水温等,通过查共轨压力MAP确定目标轨压基本值,分析冷却水温等与轨压之间的关系,利用水温等与轨压之间的关系,对轨压进行修正,计算最后的轨压值。采取闭环控制系统,通过实际轨压的反馈,利用神经网络模糊PID控制算法对实际轨压与目标轨压进行控制,驱动执行机构动作,即求解比例电磁阀的通电提前角,同时考虑轨压最大值与最小值的限定,实现轨压的控制。同舟共济自强不息91通过查询MAP图,查询出目标轨压基本值,在目标轨压基本值的基础上,考虑环境修正量、燃油温度修正量,与目标轨压基本值进行加和,