基于缸内压力信号的先进闭环燃烧控制的低温燃烧柴油发动机

基于缸内压力信号的先进闭环燃烧控制的低温燃烧柴油发动机摘要低温燃烧（LTC）技术被广泛地认为是同时降低柴油机氮氧化物和颗粒物排放水平的有效方法。但是，当LTC柴油机被应用在车辆上时面临着一些挑战。关键是，汽车性能特别是驾驶舒适性，扭矩输出稳定性和发动机工作噪声可以达到要求。改进LTC发动机的一个比较有希望的方法是发展基于缸内压力信号的闭环燃烧控制。在文章中，开发了一项符合欧6排放法规的基于缸内压力的闭环燃烧控制技术。该技术的主要挑战是，对LTC进行控制直接影响发动机和汽车的性能，文章对此进行了详细的分析。为了解决这些缺点，设计了一个新的控制算法整合进基本的闭环控制系统中。新算法的性能已经在发动机台架试验中进行了测试。结果显示，LTC发动机在燃烧稳定性和发动机瞬态噪声减小方面效果显著。新的算法也在是车上进行了测试，因此可以证明信得控制概念在现实的使用中具有潜力。1、介绍众所周知，全球范围内制定了对柴油机排放进行严格限制的法规，用于地降低氮氧化物和颗粒物的排放水平。除了后处理系统外，随着动力链的复杂化和成本的增加，可以通过缸内直喷LTC的方法降低排放物水平。在LTC柴油机运转时，空气-废气-混合气形成过程是可以控制的，所以可以获得一个较低的燃油过量系数，同时还可以使缸内燃油分布均匀。通过这样的方法，在燃烧过程中可以降低缸内温度，并且可以同时有效减少氮氧化物和颗粒的生成率。为了获得准均质混合气，文献中记载了多种不同的燃油喷射方案。在提前喷射方法中（通常被称为均质压燃HCCI），燃油在上止点之前被喷入气缸，是为了利用了喷射和燃烧之间的时间提高燃油的混合程度。正确的燃油喷雾形状，最佳的喷射正时以及采用多次喷射可以在中低负荷范围内降低排放水平，燃烧噪声和润滑油稀释。然而，发动机可达到的最大负荷被强烈的燃烧噪声，气缸内压力梯度和使用EGR时极低的氧气浓度所限制。在采用提前喷射方法时，各种喷油正时的控制是不确定的，喷油提前角越大，喷油正时和燃烧相位的关系越难确定。因此，EGR是控制燃烧相位并且避免过早燃烧，过高的燃烧噪音以及爆震的最有效的方法。在这种情况下，需要较高的EGR率，因此提高了对发动机空气系统的要求。使用推迟喷射的方法是，燃油在上止点之后被喷入气缸，可以利用延迟燃烧提高混合气的均匀程度。和提前喷油相比，延迟喷油的特点是，在喷油开始时的缸内温度更高，而燃烧开始时混合气均匀程度较低。正确匹配EGR率，喷油正时和缸内扩散运动可以使得混合气形成，正确的放热过程相位和减少燃烧噪声达到平衡。在延迟喷射的方法中，良好的控制燃烧过程的方法可以通过调整喷油正时获得，因为喷油正时和燃烧过程的关系更加确定。但是，延迟燃烧对氧化过程的边界条件十分敏感（例如，着火温度，氧气浓度等），使得在每种工况下都达到稳定燃烧十分困难。在实车上使用LTC柴油机面临许多挑战。正如上文所述，扩展可能的最大负荷是一个重要课题。为了解决这个问题，通常在中高负荷范围内采用复合喷射策略，而在引擎映射达到全负荷之前的其他部分采用常规燃烧策略。另一个重大挑战是发动机快速动态的管理（速度/负荷的瞬时变化）。这个问题来源于两个方面的组合：LTC燃烧边界条件的灵敏度；控制进气和供油相适应时，时间常数特性的不同。现在已经对EGR率和增压压力等影响LTC燃烧灵敏度的空气系统主要动态参数进行研究。结果显示，LTC只有当EGR率和增压压力在一个小范围内变化时能保持稳定，在这个范围以外特别是发动机负荷增加时，燃烧变得不稳定并且氮氧化物排放加剧。由于燃油供给系统和空气系统的控制相应时间常数特性不同（前者变化比后者更快）有可能导致空气系统和燃油供给系统的设置值无法匹配，发动机通常在台架试验时保持稳定工况进行优化，所以这个问题在发动机高速动态运转时变得更加严峻。无效LTC控制，特别是在传统LTC控制和相反燃烧模型间转换而没有增加适合的引擎控制策略的结果如[21-25]所示。燃烧稳定性的恶化（转矩震荡，不良点火）以及燃烧噪声直接影响车辆的驾驶稳定性，这将给LTC的实践带来或多或少的挑战。目前最有效的解决方案是闭环燃烧控制，特别是基于缸内压力信号的控制。这个信号经过后处理，可以逐个循环给出每个气缸内燃烧发展过程的直接信息。这个信号可以用于对每个循环的发动机设置进行校正，从而控制燃烧过程。由于这样的技术，闭环燃烧控制几乎可以肯定是一个强制性技术来保证LTC技术在实车上运用。当然，重要的是选择变量s表现燃烧特性，并对此进行观察。燃烧相位被认为是最重要的柴油机燃烧变量之一，无论在传统柴油机上还是LTC柴油机，这个信号可以用来进行闭环燃烧控制。对燃烧相位进行的闭环控制完全决定了发动机在额定运行工况下最大可能的燃油经济性和排放恶化水平。此外，燃烧相位的控制可以在发动机动态运行过程中纠正LTC的异常燃烧行为并且平衡各缸之间的差异（EGR率，压缩比，喷嘴喷雾特性），从而帮助发动机稳定运行。在文章中，使用MFB50来测量传统燃烧控制和LTC燃烧控制的重要参数。Hülser等[33]和Bürgler等[34]开发了一种LTC概念演示车，使用了基于缸内压力信号进行闭环控制的系统。由于延迟喷射控制策略的使用，MFB50可以使用基于喷射正时的强力的闭环控制策略。在台架上对汽车运行工况的试验结果表明，LTC燃烧结合闭环燃烧控制可以有效的提升汽车的驾驶表现：MFB50参数稳定优化，缸内压力梯度达到最大并且在发动机动态运行时可以获得真实的有效平均压力。在一项由Kumar等开发的燃烧控制方法中[18],LTC控制策略通过在中高负荷范围内根据发动机负荷采用变化的喷射策略来实现。这项自适应的的控制策略由以下两项组成：（1）燃烧相位闭环控制，利用曲轴转角对应的最高压力导数作为观测变量，喷油正时作为控制参数；（2）燃烧噪声控制通过改变预喷燃烧燃烧喷射和调整喷射量来限制压力导数的最大值实现；有效平均压力的损失由调整总喷射量来补偿；通过调整延迟喷射喷射量控制有效平均压力的瞬间上升。实验结果表明使用这种铰接式控制，发动机持续在LTC模式下运行时，发动机的排放平衡没有随着发动机转速，负荷和压力梯度的上升而恶化。当该功能被关闭时，可以清晰地观察到发动机强烈的震动和过高的压力导数，出现燃烧噪声过大。有效平均压力的瞬变控制可以非常有效地稳定瞬时变化的缸内负载：当该功能被关闭并保持延迟喷射时，可以明显观测到有效平均压力值得跃变。当调整后喷喷射量补偿有效平均压力变化时，气缸负荷轨迹在发动机发生动态瞬变时几乎保持不变。这篇文章研究开发了一项符合欧6排放标准的基于缸内压力的LTC车用发动机闭环控制原型系统。这项研究的主要挑战源自于，在发动机动态工况下对LTC燃烧进行控制将会直接影响发动机和车辆的性能，需要对细节进行分析。为了克服这项技术最大的缺点，课题组设计了一种新的控制算法集成到基础的闭环控制系统中，并在发动机台架和实车上进行了实验。2、实验设计用于实验的发动机是一台基于戴姆勒OM646进行特别设计的原型机。这系列发动机针对LTC控制策略的需求进行了改装。发动机的主要技术参数见表1。表1发动机进行了一些改进。实验中用一个两级涡轮代替了原来的单级涡轮，这样可以在实验中在发动机大多数迈普区间使用较高的EGR率。一个新开发的喷嘴（最高燃油喷射压力180bar）替换了原来的，这样油气混合速率加快，提高喷射深度。通过改变活塞凹坑的设计降低压缩比，可以扩展LTC使用的负荷范围。重新设计原型EGR冷却装置，提高热交换效率（采用高EGR率的同时降低进气温度）。发动机由博世EDC17ECU进行控制，同时安装了ETAS接口模块，用于计算机观测和校准。这个接口也用于快速展现新的ECU算法原型：利用专用的软件平台设计算法，将算法集成到基础ECU软件中并测试它的性能。整个实验的控制和监测完全通过基于电脑的接口AVLPumaOpen1.2和专用试验控制台EMCON实现。发动机废气的浓度由HORIBAMexa7200废气分析仪进行测量。此外，采用AVL415S烟度计对发动机废气的颗粒进行测量。在实验中开发的一项保证LTC运转的技术是基于缸内压力信号的闭环燃烧控制。为了这个目的，发动机装备了4个水冷压电式缸内压力传感器（Kistler型，6043A），安装在气缸盖上钻出的孔中。传感器采集信号，通过电荷放大器（AVLMicroIFEMPiezo模块）调整处理和修正转变为电压曲线。之后这些信号可以提供给ECU和台架显示系统（AVLIndiSetAdvanced/AVLIndiCom）。这个双显示系统可以用来监控实时缸内压力和ECU信号采集和后处理的性能。ECU软件中的基于压力信号的控制系统是一个标准的闭环控制器，采用比例积分调节器（每缸一个）。实际的MFB50测量值是通过放热率曲线计算获得实时的缸内压力信号，和ECU迈普中的每循环设置点的值进行比较。比例积分调节器利用这个偏差对每个缸生成一个校正转交加入ECU迈普的主喷正时中。控制的行为是以实时的每循环为基础的。此外，每个比例积分调节器中执行一个常用的防重置的末尾特征（[19]中描述的例子），这样就可以避免控制器在控制参数饱和时（主喷时刻）获得不可预知的超调量或者负脉冲信号的MFB50参数。如上文所述，LTC系统的性能在安装了原型发动机的梅赛德斯E级220CDI上进行实车实验。为了获得新系统可能遭遇到的所有动态情况，完整的缸内压力测量链被安装在车上，同时还安装了所有动态测试需要的硬件和软件工具。3、分析在这部分，记录了对基于缸内压力的闭环控制的分析，特别关注了LTC的运行。首先，着重分析了发动机的稳态运行工况：3.1描述了LTC的基准和燃烧的主要特征。3.2分析了动态运行工况下的性能，LTC的主要挑战得到改善。在3.3中描述和讨论了基础闭环控制系统在一种新的控制进程的帮助下改善了LTC运行的性能。图1LTC校准的概述：主喷正时[°CABTDC]和EGR率（质量分数）[%]随发动机转速和负荷的函数3.1.LTC运转时发动机性能：稳定工况为了使发动机的基准LTC模式符合欧6排放的目标，发动机在台架上进行稳定工况的测试。经过优化的发动机设置可使发动机的氮氧化物、微粒、HC和一氧化碳排放水平达到最佳比例，使是发动机燃油经济性和燃烧噪声达到最佳。主喷时刻和EGR率的设定值如图1所示：图中的参数LTC校准模式的临界值。首先，选择单次喷射的策略。在发动机低负荷区间（制动平均有效压力0-3bar），主喷时刻在发动机上止点之前（单次提早喷油策略）的提前时刻在整个转速区间较为恒定，为上止点前15-25°曲轴转角；EGR设定为可能的最大值（55-60%质量分数）。在高负荷区间（制动平均压力6-10bar），选择单次延迟喷射的策略，目的是在LTC模式下增大发动机的最大输出转矩。在这种情况下，喷射时刻为上止点前5-0°曲轴转角，同时EGR率保持较低水平，为30-45%。在低负荷区间使用提前喷射，即使运用了较高的EGR率，依然受到过早点火，燃烧噪声，爆震的限制。相反的，在高负荷区间使用延迟喷射会由于燃烧不稳定和局部熄火（缸内温度过低）造成困难，这同样会导致排放水平升高。在中负荷区间（制动平均压力3-6bar）过渡的方法是尽可能多的选择平滑的主喷时刻和EGR率变化迈普。对燃烧控制方案进行分析的第一步是通过研究实验数据找出观测参数和控制参数之间的关系，例如主喷时刻（主喷开始信号对应的曲轴转角）和MFB50示值。图2表示不同的主喷开始信号对应的曲轴转角（phi_MI）对发动机缸内压力和放热率的影响。如图2（a）所示，phi_MI是在发动机低负荷区间运用典型的均质燃烧的提前喷射策略，就如图1已经显示的那样；相反地，图2（b）是典型的LTC模式下延迟喷射的phi_MI，可以在高负荷区间运用。在所有的图中，MFB50的示值与不同phi_MI相关。这些数据表明，无论是提前喷射还是延迟喷射，phi_MI增大会导致MFB50的数值单调增大。但是可以从图中得知，MFB50的灵敏度在两种情况下有所不同，延迟喷射时MFB50的灵敏度更高。这样的性能可以通过文献[8,9]得知。LTC燃烧相位实