柴油机电子控制系统第三部分

M4柴油机空气系统的电子控制随着排放法规的加严，要求柴油机的微粒和NOx排放同时大幅度降低，这要求柴油机也象汽油机一样要对空燃比进行控制。因此在柴油机上开始采用电子控制的空气系统。典型的空气系统电子控制的措施包括可变截面涡轮的增压压力控制系统、废气再循环控制系统、排放后处理系统。图45给出了整个空气系统的结构简图，采用增压中冷、废气再循环、排放后处理措施的柴油机能够到达欧III～欧V排放标准。M4.1增压压力控制系统（VNT）柴油机在采用废气涡轮增压之后，与自然吸气的柴油机相比，在动力性、经济性和排放性能都有了较大的提高。但是，普通的增压器特性往往不能够兼顾柴油机的高速工况和低速工况。在柴油机的低速工况，由于循环频率低，废气流量和能量相对较小，很难将涡轮和增压器的转速提高到期望的水平，即最终的增压压力（或者增压比）难以提高；而在高速工况，由于废气流量和能量都较高，使得涡轮和压气机的转速可能超过期望的增压压力，导致涡轮速度过高，可靠性和寿命下降。例如一般的固定截面涡轮的增压器都带有废气放器阀，目的就是为了在高速工况为了避免增压器转速过高，旁通部分废气使之不对涡轮做功。为了兼顾高速和低速工况，可变截面（VariableNozzleTurbocharger，简称VNT，或VariableGeometryTurbocharger，简称VGT）的涡轮增压器得到了应用。典型的可变截面涡轮如图46所示，发动机的燃烧产生的废气经涡轮入口（环形入口），在导向叶片的作用下，经过喷嘴环截面，冲击涡轮叶片，对其做功后从涡轮的废气出口流出。压气机轴和涡轮的轴是一体的，因此在增压器的另一侧，压气机利用涡轮传递来的功压缩空气，实现废气涡轮增压的过程。与固定截面涡轮不同的地方在于，喷嘴环截面有圆周均布的导向叶片，导向叶片一个方面能够调整喷嘴环的等效流通截面，另一个方面能够调整废气冲击涡轮叶片的角度；这两个因素也就调整了废气对涡轮做功的大小，即不同喷嘴环截面、不同叶片角度决定了废气能量的转换为对涡轮的功的效率，从而实现了对增压压力的控制。VNT的控制方式既可以象图46那样利用杠杆机构，由真空膜片阀来控制VNT导向叶片的位置角度，也可以由电机等执行器来控制VNT的导向叶片位置角度。和传统的增压器相比，VNT的优点在于：在兼顾高速动力性、经济性和排放的同时，能够大幅度提高低速大扭矩区的空气量，从而提高柴油机的低速扭矩储备，同时降低低速工况的排烟。加快和优化空气的动态过程，降低加速过程的排烟。从前述的燃油系统的电子控制可知，采用电磁阀控制的燃油喷射系统，可以在一个循环内将柴油机的喷油量从很小变到很大，即柴油机的燃油瞬态响应是很快的。而空气系统的瞬态响应时间相对较长，这是因为涡轮压气机的转速较高（可达10万转/分），改变涡轮和压气机的速度相对较慢，也就是改变增压压力的速度相对慢，一般的响应时间在秒级以上，相对燃油系统一个发动机循环的响应速度要慢得多。采用VNT可以加快空气动态过程，使得空气系统的过渡过程和燃油系统的过渡过程较好匹配，从而避免柴油机加速冒烟的问题。结合废气再循环（EGR），实现空燃比闭环。增压压力的控制可以灵活实现后，再结合EGR，使得柴油机的空气和燃油的配合过程更加精确，从而为同时降低柴油机的NOx和微粒排放提供了可能。和传统的增压器相比，VNT技术的难点在于：涡轮和压气机的效率问题。即保证VNT在低速工况和高速工况都必须具有较好的效率，才能保证VNT在尽可能宽的工况范围内优化柴油机的性能。典型的车用柴油机涡轮效率为80％，压气机的效率也大约在80％左右，则整个增压器的效率在60％左右。机油、燃气和空气的密封问题。VNT的关键部件导向叶片一个方面直接暴露在柴油机高温废气中，另外一个方面又需要灵活调整角度，因此整个VNT的机油冷却和密封、燃烧后废气的密封、增压后空气的密封等都比传统的增压器更加难以保证，需要良好的结构、材料和工艺来保证VNT的可靠性和寿命。涡轮——压气机的惯量问题。在瞬态过程中，尽量快速地改变涡轮——压气机的转动惯量，可以加快增压压力从一个值过渡到另外一个值。因此在保证涡轮和压气机叶片的结构强度的同时，要尽量降低VNT的转动惯量。控制和匹配问题。VNT既有传热传质和机械液力的综合，也有空气系统和电子执行器的动态过程，还要实现增压器特性和发动机特性的匹配，这给VNT的控制带来了很大的难度。例如在电控燃油喷射系统中，喷射定时和喷油量决定了柴油机废气中能量的多少，而废气能量的大小也就决定了能够实现的增压压力的大小；增压压力的大小反过来又决定了柴油机的循环进气量，进气量的大小在一定程度上决定了一定喷油量的情况下，生成的有害排放物的多少。因此VNT控制系统需要和电控燃油喷射系统联合匹配，才能获得最佳的整机性能。M4.2废气再循环（EGR）控制系统为了控制柴油机在部分负荷下的NOx排放，采用废气再循环（ExhaustGasRecyclation）可降低进入气缸的新鲜空气量相对比例，从而抑制NOx的生成。图47为VNT和EGR联合控制时的柴油机空气系统结构示意图。可见EGR阀直接连通排气管和进气管，能够直接调节进入气缸的废气比例。在增压控制系统中，增压后空气一般带有中冷器来降低进入气缸的空气温度，EGR也有类似的中冷器。进气管压力调节阀有的系统可以不装，其作用是可以快速控制进入气缸总的空气量和废气比例，与汽油机的节气门的功能有相似之处。柴油机对空气系统检测和控制的基本思路如下：电子控制单元通过空气流量计来实时检测进入发动机的新鲜空气量，该空气流量传感器的位置在增压器之前，滤清器之后；电子控制单元通过控制VNT实现增压压力的控制，通过控制EGR阀控制EGR回路的流通截面的大小，增压压力可以通过进气温度传感器实时反馈；利用进气温度和压力传感器和速度密度法来估计进入气缸的总空气流量，总空气量与流量计测量的新鲜空气量之差就是EGR的流量，可见当同时采用VNT和EGR时，空气流量传感器和速度密度法测量空气流量被同时采用。电子控制单元根据进入气缸的总空气量、EGR的流量，计算出鲜新空气和废气的比例。于是电子控制单元就能够实现EGR率的闭环控制，为空气系统和燃油系统的综合匹配奠定基础。与VNT执行器一样，EGR阀直接与发动机的高温排气接触，因此在材料和工艺上与一般的执行器有所不同。图48给出了不同结构和形式的EGR阀，这些阀在控制方式、动态响应等方面各不相同，在匹配EGR控制系统时，要把执行器本身的动态响应也要综合考虑。M4.3排放后处理系统为了进一步降低柴油机的有害排放物对大气的污染，除了在燃烧环节尽量降低有害排放物的生成以外，还可以采取排放后处理措施。柴油机较完善的后处理措施如图50所示，目前后处理也是柴油机的主要热点问题之一。与汽油机不同，由于柴油机的空/燃比较大，无法利用汽油机的三效催华器对排放物进行有效的处理。柴油机排放后处理系统的基本组成和功能如下：氧化催化器：其作用是将没有完全燃烧的HC、CO和部分微粒氧化，生成CO2和H2O。柴油机的氧化催化器如图51所示。多孔的蜂窝状结构使得HC和CO与O2接触面积很大，保证氧化的效率，在正常工作时，HC和CO氧化过程的放热能够使得催化器处于正常的工作温度范围。在冷启动时，控制装置可以采用电加热的办法使得催化器快速到达正常的工作温度。NOx的还原催化器。由于柴油机的空燃比较大，因此NOx的还原是其后处理的难点之一。目前相对比较成熟的方法是采用尿素辅助还原的方法。在图50中，SINOx还原催华装置的有效工作需要在排气管中喷入一定量的尿素来辅助NOx的还原。因此设计了专门喷射尿素的带电磁阀的喷油器、尿素存储罐以及帮助尿素和排气混合的混合装置。由于尿素的喷射量与排放的空燃比有关，因此在SINOx前后需要加装反馈空燃比的氧传感器。而且，氧传感器的功能检测的空燃比的带宽要比汽油机上使用的带宽要宽得多。微粒捕捉器（ParticularDepositFilter，简称PDF）。与汽油机相比，柴油机的有害排放物中微粒是主要成分之一。图52为蜂窝结构的微粒捕捉器，其核心是过滤体和过滤体再生装置。来自废气的微粒被吸附在过滤体的蜂窝结构的网格上，过滤体由多孔陶瓷过滤材料或者多孔金属材料组成，在刚开始工作时，过滤体可以吸附90％的微粒，随着微粒的堆积，过滤体前后的压力差越来越显著，发动机排气阻力加大，这时需要采用加热等措施将微粒烧掉。如图53和图54所示，采用两个过滤体分别处于吸附和再生两个阶段，两个交替工作，到达连续吸附微粒和再生的目的。微粒捕捉器的控制系统实时检测捕捉器前后的压力传感器采集的压力信号，来判断是否需要对正在吸附的过滤器再生。从上述的后处理装置可以看出，控制系统是整个后处理正常和高效工作的保证。在图51中，给出了专门负责后处理的电子控制单元和发动机控制单元之间的通信模式，高速的CAN通讯是较好的模式。M4.4柴油机空气系统的电子控制特点总结与燃油喷射控制系统相比，柴油机的空气系统结构较复杂。为满足欧III标准排放或更严的法规，对燃油喷射、VNT和EGR以及后处理装置将采取电子控制。电子控制技术对于柴油机的油气综合控制以及排放性能起着重要的作用。其基本特点可以总结如下：增压压力控制：通过进气压力传感器反馈增压压力，通过VNT来实现增压压力的闭环控制；废气再循环控制：通过空气流量计和进气压力传感器计算出废气再循环率，通过EGR阀实现废气再循环闭环控制；利用VNT和EGR，结合电控燃油喷射系统的喷油量控制，实现柴油机的空燃比闭环控制，排气管上的宽带氧传感器反馈实际的空燃比信号；在柴油机的排放后处理系统中，可以分别采用氧化催化器氧化HC和CO，利用尿素和NOx的还原装置来还原大部分的NOx，通过微粒捕捉器来收集并处理大部分的微粒，使得柴油机能够可以到达超低排放的欧V标准。排放后处理措施不仅在一定程度上增加了排气的阻力，损失了约5％经济性，而且也导致柴油机的成本增加、电子控制系统的开发、调试和匹配更加复杂。M5柴油发动机整机管理为了实现柴油机的燃油喷射控制、进排气系统和排放后处理系统的综合控制，发动机电子控制系统必须要有完整的传感器、执行器和控制算法以及对应的匹配标定的数据。如图55所示，电控系统从硬件上可分为传感器、电控单元（ECU）及执行器三个部分。图55柴油机电控系统的结构框图传感器传感器是用于感知和检测发动机及车辆运行状态的元件和装置。在柴油机电控系统中常用的传感器可分为压力传感器、温度传感器、位置传感器和转速传感器四种。另外，在电控系统中还有专门的开关量采集电路，用于检测空调、档位、离合器等开关量的状态信息。所有的信息最后都经过电控单元的信号采集模块处理后提供给发动机管理系统，作为发动机控制的基本依据。电控单元（ECU）电控单元的作用是接收和处理传感器的所有信息，按照控制软件进行运算，并驱动执行器以控制发动机达到所需的性能指标。它是发动机电控系统的核心部件，由微处理器及其外围硬件和一整套的控制软件组成。一个典型的电控单元的硬件电路包含电源模块、信号处理、数字核心、通讯接口、驱动电路等部分，如图56所示。图56电控单元硬件结构示意图控制软件包括发动机的各种性能曲线、图表和控制算法，可以分为发动机管理系统、喷射控制系统以及通讯与监控系统三个部分。三个部分既从功能上相互独立，又通过缓冲区紧密关联以实现信息交互，如图57所示。图57控制系统软件各部分间的接口示意图在这三部分中发动机管理系统是控制软件的核心内容，也是整个发动机电控系统中最关键的部分，它的核心任务在于实时监测和采集发动机状态，正确分析司机驾驶意图和整车控制的要求，通过精确控制影响发动机运行的各个可控量，使得发动机稳定运行并满足所需的性能要求。同时在运行过程中，随时进行软硬件系统的故障诊断和容错控制，保障系统安全可靠的运行并在故障发生时提示操作者相应信息以便采取相应操作。喷射控制系统接收管理系统的控制指令，根据发动机的运行相位精确的完成燃油量和喷油定时等的控制。喷射控制系统的最大特点是实时性，是电控系统软件设计中的难点。在大多数情况下，喷射控制系统作为管理系统的一个模块而存在。通讯与监控系统担负着电控单元与外界进行信息交互的任务，它提供发动机管理系统与整车控制系统及操纵者的通讯接口。一个完整的底层通讯模块既是整车控制指令交互应答必不可少的一部分，同时也为操作者提供必要的发动机状态信息和控制参数信息。是发动机状态监控、管理系统数据标定、故障诊断信息交互、整车控制系统集成等等功能的基础。执行器执行器是接收电控单元传来的指令，并完成所需调控任务的元器件，如电控直列泵和分配泵中的线性电磁铁，电控单体泵和泵喷嘴中的电磁阀，电控共轨系统中的PCV阀和喷油器电磁阀，以及空气系统控制中的各种阀门控制器等等。M5.1发动机管理系统的基本框架发动机管理系统是整机控制系统实现控制功能的核心。由于发动机是一个既包含连续运动形式（空气系统动态过程、曲轴动力学过程）又包含离散的事件触发式运动形式（点火、喷油过程）的混合机械，使得对发动机的控制既有连续的实时性要求不高的时间域控制，又有离散的事件驱动的强实时性的控制。这对控制系统的分析和设计提出了很大的挑战。在发动机控制系统的最顶层，控制功能从逻辑上可以划分为三个模块：操纵意图、扭矩控制、底层驱动。如图58所示。每一个模块代表了一些特定功能的集合，三个模块之间有非常紧密的逻辑关系，同时又具备相当的独立性。图58发动机管理系统的三个主要逻辑模块操纵意图模块操纵意图模块是发动机管理系统与司机及整车控制单元的接口。其主要功能在于正确理解司机的操纵意图，将其解释为需求扭矩的形式提供给后面的扭矩控制模块。在行车过程中，司机会根据路面状况经常对车辆进行调整。此时，需要根据所有可以参考的信息如油门、档位、转向位置、附件状态、开关量状态（如巡航开关）、点火开关位置等等，以及发动机状态参数如转速，来准确的理解司机要求，并进一步转换为对发动机的扭矩需求。在操纵意图模块的设计中，常常根据发动机及车辆的各种信息进行综合判断，将扭矩需求分成几种有代表性的状态，不同的状态中扭矩需求的趋势也不一样。如图59所示，可以将发动机状态划分为停机、起动、怠速、过渡、调速、超速等状态。图59发动机运行状态划分需要指出的是，发动机状态的划分往往不是唯一的。图59所示的是一个最基本的划分形式。随着对整机和整车性能要求的提高，发动机运行状态的划分往往还需要考虑进动力传动系统的各个状态量（如离合器、刹车、档位等），以达到综合性能的最优。此时状态分析更为细致全面，如图60所示。输入：K：输入：K：点火开关G：油门位置D：离合器位置B：刹车信号C：巡航开关输出：n：发动机转速F：输出扭矩V：车速图60更详细的发动机运行状态划分扭矩控制模块扭矩控制模块的作用在于根据操作意图模块提出的扭矩需求，确定发动机达到该扭矩所必需的喷油量、喷油提前角、点火提前角（对汽油机）、空气量等等。扭矩控制模块是集中体现系统控制策略的地方。为了能比较精确的控制发动机的输出扭矩，需要对发动机的喷油系统和空气系统的动态特性以及它们当前的状态有全面的了解，为此获取发动机的状态参数如转速、进气压力等就很重要。为了实现更复杂的控制策略，同时还需要采集发动机水温、油温、进气温等等参数作为参考输入。面向不同类型燃油喷射系统的扭矩控制策略在软件复杂程度上会有很大差异。但一个完整的扭矩控制模块至少包含以下基本功能。目标喷油量和喷油定时控制这是电控系统最基本的功能。扭矩控制模块中可以灵活设计任何模式（全程、两极或其他）的调速曲线以及包括起动加浓、烟度限制、转矩修正在内的外特性曲线。还可以在巡航状态下根据转速反馈实现恒转速控制模式。对喷油定时的控制则根据排放、油耗、功率和其他性能如噪声及冷起动的要求，实现全工况的优化匹配。喷油量和喷油定时的平衡和补偿控制根据环境状态及发动机运行参数的变化，如大气压力、大气温度、冷却水温、机油温度等的变化，对目标油量和定时进行补偿控制，使发动机能适应各种运行条件下性能需求。在发动机使用寿命中，由于零部件磨损及老化，以及喷油器积碳等因素的影响，会使各缸喷油逐渐产生差异。管理系统会时刻监测和评估发动机各缸工作的不均匀性，对各缸油量重新进行平衡和修正，以保证发动机工作的平稳，并在各缸差异过大时提醒操作者检修。冷启动、暖机及怠速稳定性控制冷启动性能是发动机的关键性能之一。管理系统会根据冷却水温对冷起动的油量和正时进行调整以保证低温下能顺利起动。在水温较低时会自动提高怠速转速以加快暖机过程。怠速控制属于恒转速控制过程。怠速转速的反常波动主要是各缸供油和燃烧不均匀引起的。因此对怠速的控制还包括了对各缸不均匀性的估计和修正。此外，发动机从怠速起步以及回到怠速的过程也是怠速控制的重要内容，在怠速起步以及回到怠速时均需要合理控制加减油速率，以防止发动机失速。过渡性能与烟度控制通过过渡过程中对油量和喷油定时的综合补偿来满足最佳过渡性能和降低烟度的要求。如增压柴油机开始加速时加大供油提前角，可获得加大加速转矩和减少冒烟的双重效果。喷油规律与喷油压力的控制对于共轨系统，可以通过对喷油器电磁阀的控制实现灵活的喷油规律如矩形喷射、楔型喷射、预喷射、后喷射等等。通过对油泵上的压力控制阀来实现对轨道压力的控制。空气系统（如VNT、EGR）的控制对装备有VNT和EGR的柴油机，在管理系统中还包含有对VNT叶片和EGR阀门的控制。VNT主要用于改善发动机的低速性能，在发动机从低速起步时减小涡轮叶片开度以增大压气机转速和增大增压压力，以提供尽可能多的空气使发动机能加速迅速；在高速大负荷时则增大叶片开度以减小压力机转速，防止增压器超速。EGR主要用于降低NOx排放，在中低负荷时适当增大EGR阀门开度引入废气，稀释进气中的氧气浓度并降低燃烧反应的温度，可以有效抑制NOx的形成；在大负荷时则要减小EGR阀门开度以防止烟度增加。底层驱动模块底层驱动模块从扭矩控制模块获取控制信号，将其转换为实际的驱动信号，并和喷射控制系统接口以驱动实际的执行器。在该模块中需要考虑以下几个方面：控制信号与驱动信号间的对应关系；控制信号与发动机转角信号（凸轮轴、曲轴信号）的同步；实际执行器的特性。底层驱动模块的结构可以用图61表示。从扭矩控制模块传递过来的控制参数经过驱动参数调整后转换为合适的数据结构，经过转角信号同步后，将实际的控制信号传递给喷射控制系统驱动实际的执行器。图61底层驱动模块结构简图M5.2柴油发动机管理系统的匹配标定在实际的发动机控制软件中，存在大量的数据表格，这些数据表有些代表了部件的固有特性，如压力传感器电压值与压力值间的关系表、燃油密度和温度的关系表等等；有些代表了发动机的稳态性能，如进气流量与进气压力间和温度间的关系表、喷油器油量与喷油压力和控制脉宽的关系表等等；有些则是控制策略不可缺少的部分，如起动油量与水温间的关系表、基本油量与油门和转速间的关系表等等。通常把这些数据表称为MAP图。可以说，一个完整的发动机控制系统是控制策略与MAP的集合。大量MAP图的存在，既给控制系统的设计带来了方便，也为系统的匹配带来了挑战。当发动机控制系统移植到不同机型的发动机上时，一些关键的MAP图都需要重新确定数据，这就是我们通常所说的匹配标定过程。匹配标定过程一般借助于专门的标定系统来实现。电控柴油机标定系统一般由运行于PC机（上位机）端的用户标定界面和ECU（下位机）端的标定程序组成，其结构关系如图1所示。标定过程中，用户操作标定界面，根据测试设备监测的发动机油耗、排放和动力性等指标，确定合适的MAP图，并转化为二进制形式的数据文件，经由通讯接口下载至ECU的存储芯片中。ECU中的标定程序组织MAP图的存储方式，并通过对MAP图的查找和插值操作，提供当前工况下的喷射控制参数，驱动执行器。图62标定系统结构关系示意图在匹配标定过程中上位机用户标定界面是标定人员与发动机交互的媒介。标定过程中，用户根据标定界面监测的发动机运行状况，确定喷射控制数据，再经由通讯接口实时在线修改下位机MAP图数据，完成标定操作，其后的发动机状况又通过标定界面反馈给用户。可见，标定界面集中体现了在线标定系统的输入输出功能和操纵易用程度。一个典型的匹配标定界面如图63所示。图63标定系统用户界面在该用户标定界面中提供了数据文件读入与存储、MAP图数据显示与修改、当前运行状态监测和FLASH编程、EXCEL转换、Matlab图像处理等辅助功能。标定界面中，树状列表显示出所有的MAP图，可在不同MAP图间进行切换。该界面提供了网格和线条两种形式来显示和修改MAP图数据，标定人员可直接在网格表中浏览和修改MAP图数据，也可以使用鼠标操作进行图形缩放查看MAP以及拖动修改数据点，修改后数据与网格区同步，并经由通讯模块改写下位机的控制MAP图，实现在线标定操作；数据修改可撤销或恢复，提供了最大程度的防误操作设计。M5.3柴油发动机管理系统的故障诊断发动机电控系统的故