CN102588134A - 一种柴油机喷油控制方法及应用该控制方法的电控柴油机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种柴油发动机喷油控制方法，在电控喷油过程的同时执行以下步骤：a.根据喷油实际开始时刻的曲轴转角CA₀和喷油实际持续期对应的曲轴转角CA，确定喷油实际结束时刻的曲轴转角CA_end；并根据缸内活塞自上止点至喷油油束处于碰撞活塞顶面的临界状态的下移距离H和发动机活塞连杆比λ，确定喷油油束碰撞活塞顶面的临界曲轴转角；b.以喷油实际结束时刻的曲轴转角CA_end大于或等于临界曲轴转角为条件，获得存在喷油油束碰撞活塞顶面危险的判断结果；c.根据存在喷油油束碰撞活塞顶面危险的判断结果，输出防止喷油油束碰撞活塞顶面的控制信号。该方法能够有效防止喷油油束碰撞活塞顶面。在此基础上，本发明还提供一种应用该喷油控制方法的柴油发动机。

Description

一种柴油机喷油控制方法及应用该控制方法的电控柴油机

技术领域

本发明涉及柴油机喷油控制技术，具体涉及一种柴油机喷油控制方法及应用该控制方法的电控柴油机。

背景技术

柴油机采用喷油器将柴油直接喷入气缸内燃烧做功以提供能量，实际工作过程中，喷油器接受ECU送来的喷油脉冲信号，以精确的控制燃油喷射量及喷射时间。众所周知，如果喷油器喷射的柴油油束碰撞活塞顶面，会造成燃烧恶化、性能下降，还可能导致活塞烧顶等一系列的可靠性问题，影响柴油机的正常使用。

上述柴油油束碰撞活塞顶面现象的出现往往与柴油机喷油时间周期直接相关。现有技术中，电控柴油机喷油控制策略以喷油器开启电信号开始时刻作为实际喷油开始时刻，以喷油器开启电信号持续时间作为喷油实际持续时间，并以该数据为基础确定喷油结束时刻对应的曲轴转角。这种控制方法同实际差异较大，并未得到广泛应用。

具体如图1所示，该图示出了现有电控柴油机喷油器实际喷油规律与喷油电信号之间差异的试验数据图表。由图可见，由于喷油器机械和液力结构的响应特性导致实际喷油开始时刻T₀同喷油器开启电信号开始时刻t₀存在时间延时，同时喷油器喷油实际持续时间T同喷油器开启电信号持续时间t也存在差异；显然，根据喷油器开启的电信号开始时刻和持续时间进行喷油策略控制与实际过程存在很大的差异，该差异将直接导致柴油油束碰撞活塞顶面现象的发生。

有鉴于此，亟待另辟蹊径针对现有电控柴油机喷油控制策略进行优化设计，以有效规避柴油油束碰撞活塞顶面带来的上述缺陷。

发明内容

针对上述缺陷，本发明解决的技术问题在于提供一种柴油发动机喷油控制方法，该方法能够在电控喷油过程中防止电控柴油机喷油油束碰撞活塞顶面，从而确保柴油发动机的可靠运行。在此基础上，本发明还提供一种应用该喷油控制方法的柴油发动机。

本发明提供的柴油发动机喷油控制方法，在电控喷油过程的同时，执行以下步骤：

a.根据喷油实际开始时刻的曲轴转角CA₀和喷油实际持续期对应的曲轴转角CA，确定喷油实际结束时刻的曲轴转角CA_end；并根据缸内活塞自上止点至喷油油束处于碰撞活塞顶面的临界状态的下移距离H和发动机活塞连杆比λ，确定喷油油束碰撞活塞顶面的临界曲轴转角；

b.以喷油实际结束时刻的曲轴转角CA_end大于或等于临界曲轴转角为条件，获得存在喷油油束碰撞活塞顶面危险的判断结果；

c.根据存在喷油油束碰撞活塞顶面危险的判断结果，输出防止喷油油束碰撞活塞顶面的控制信号。

优选地，步骤c中，所述防止喷油油束碰撞活塞顶面的控制信号具体为：减少电控喷油过程的喷油量和/或将电控喷油的喷油时刻提前的控制指令。

优选地，步骤a中，所述喷油实际开始时刻的曲轴转角CA₀按照下述公式获得：CA₀＝T₀/(n/60*360)；所述喷油实际持续期对应的曲轴转角CA可以按照下述公式获得：CA＝T/(n/60*360)；式中

T₀-喷油实际开始时刻；T-喷油实际持续时间；n-发动机转速。

优选地，步骤a中，所述喷油油束碰撞活塞顶面的临界曲轴转角θ₀按照下述公式获得：

$H=\frac{d}{\tan \frac{\mathrm{\θ}}{2}}+h_1-h_0;$

${\mathrm{\θ}}_0=a\cos \left(\frac{-1+\sqrt{1-\mathrm{\λ}*(4*\frac{H}{L}-\mathrm{\λ}-2)}}{\mathrm{\λ}}\right);$ 式中

H-缸内活塞自上止点至喷油油束处于碰撞活塞顶面的临界状态的下移距离；θ₀-喷油油束碰撞活塞顶面的临界曲轴转角；d-活塞凹坑半径；Φ-喷油器油束夹角；h_i-喷油器喷孔相对气缸盖下表面的突出量；h₀-发动机上止点时刻的压缩余隙；L-发动机行程；λ-发动机的活塞连杆比。

优选地，步骤b中，所述临界曲轴转角为按照下述公式获得的修订临界曲轴转角θ_i：

θ_i＝θ₀-Δθ；式中

d-活塞凹坑半径；Φ-喷油器油束夹角；p_j-喷油器喷射压力；ρ_b-柴油密度；n-发动机转速。

优选地，所述喷油实际开始时刻T₀为在ECU标定数据中的喷油器开启电信号开始时刻后延喷油器设计响应时间的时刻。

优选地，所述喷油实际持续时间T按照下述公式获得：

式中

p_j-ECU标定数据中的喷油器喷射压力；t-喷油器开启电信号持续时间；a₀₀、a₁₀、a₂₀、a₀₁、a₁₁、a₂₁-通过试验获取的常数项。

优选地，利用喷油器流量试验台测量得到喷油器在不同喷射压力和电信号持续时间下的喷油实际持续时间；并分别在电信号持续时间大于1ms和小于等于1ms条件下进行喷油实际持续时间同喷射压力和电信号持续时间关系的一次函数拟合，进而得到常数a₀₀、a₁₀、a₂₀、a₀₁、a₁₁、a₂₁。

本发明提供的柴油发动机采用如前所述的柴油发动机喷油控制方法进行喷油控制。

基于现有电控柴油机电控过程，本发明进行了优化设计。首先根据喷油实际开始时刻的曲轴转角CA₀和喷油实际持续期对应的曲轴转角CA，确定喷油实际结束时刻的曲轴转角CA_end；同时根据缸内活塞自上止点至喷油油束处于碰撞活塞顶面的临界状态的下移距离H和发动机活塞连杆比λ，确定喷油油束碰撞活塞顶面的临界曲轴转角；并以喷油实际结束时刻的曲轴转角CA_end大于或等于临界曲轴转角为条件，获得存在喷油油束碰撞活塞顶面危险的判断结果；如果该判断结果表征存在危险，则输出防止喷油油束碰撞活塞顶面的控制信号。例如，可以通过减少喷油量或将喷油时刻提前的方法来防止电控柴油机的喷油油束碰撞活塞顶面。反之则表征没有喷油油束碰撞活塞顶面危险，无需进行控制。也就是说，根据柴油机燃烧室尺寸参数和柴油机运行状态参数，计算得到喷油结束时刻油束碰撞活塞顶面的可能性，当存在油束碰撞活塞顶面危险时采取控制措施。

本发明提供的柴油发动机喷油控制方法通过整合柴油机的几何参数和已有的电控信号数据，易于在电控策略中加以实现，可有效规避喷油油束碰撞活塞顶面导致的缺陷，为柴油发动机的可靠运行提供了可靠保障。

附图说明

图1为上止点时刻的柴油机喷油状态示意图；

图2为喷油油束碰撞活塞顶面临界位置时刻的柴油机喷油状态示意图；

图3示出了电控柴油机喷油过程中当中喷油器实际喷油规律与电信号之间的差异试验数据；

图4示出了本实施方式所述柴油发动机喷油控制方法的工作流程图；

图5为在喷油器流量试验台上进行试验获得的多组数据显示的喷油实际持续时间分布示意图；

图6为具体实施方式所述柴油发动机喷油控制方法的计算流程图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种柴油发动机喷油控制方法，通过整合柴油机的几何参数和已有的电控信号数据，易于在电控策略中加以实现。该方法可有效规避喷油油束碰撞活塞顶面导致的缺陷，为柴油发动机的可靠运行提供了可靠保障，下面结合说明书附图具体说明本实施方式。

请参见图1和图2，其中，图1为上止点时刻的柴油机喷油状态示意图，图2为喷油油束碰撞活塞顶面临界位置时刻的柴油机喷油状态示意图。

如图1所示，上止点时，活塞1距离气缸盖2底面距离最小，随着曲轴转动，活塞1向下移动；如图2所示，当活塞1下移距离等于图中的H时，喷油油束处于碰撞活塞顶面的临界状态。也就是说，当活塞1下移距离大于等于图中的H时，喷油油束将碰撞活塞顶面。

在电控喷油过程当中，基于喷油器机械和液力结构的响应特性影响，电控柴油机喷油器实际喷油规律同电信号之间存在一定的差异，具体请参见图3。该图示出了电控柴油机喷油过程中当中喷油器实际喷油规律与电信号之间的差异试验数据，图中，实线显示为喷油器实际喷油规律，虚线显示为电控电信号。

由图可见，喷油实际开始时刻T₀与喷油器开启电信号开始时刻t₀之间存在时间延时，同时，喷油器喷油实际持续时间T与喷油器开启电信号持续时间t之间也存在显著的差异。由此可以确定，上述差异正是导致喷油油束碰撞活塞顶面的根本原因，本实施方式进而提供一种柴油发动机喷油控制方法，具体请参见图4，该图示出了本实施方式所述柴油发动机喷油控制方法的工作流程图。

在电控喷油过程的同时，该柴油发动机喷油控制方法按照下述步骤执行：

a.根据喷油实际开始时刻的曲轴转角CA₀和喷油实际持续期对应的曲轴转角CA，确定喷油实际结束时刻的曲轴转角CA_end；并根据缸内活塞自上止点至喷油油束处于碰撞活塞顶面的临界状态的下移距离H和发动机活塞连杆比λ，确定喷油油束碰撞活塞顶面的临界曲轴转角；

b.以喷油实际结束时刻的曲轴转角CA_end大于或等于临界曲轴转角为条件，获得存在喷油油束碰撞活塞顶面危险的判断结果；

c.根据存在喷油油束碰撞活塞顶面危险的判断结果，输出防止喷油油束碰撞活塞顶面的控制信号。例如，可以通过减少喷油量或将喷油时刻提前的方法来防止电控柴油机的喷油油束碰撞活塞顶面，也可以通过声、光报警方式输出警示信号提醒用户人工干预。反之，则表征没有喷油油束碰撞活塞顶面危险，无需进行控制。

根据不同配置的柴油发动机、喷油器，以及具体电控柴油机控制参数，具体量化数值会有所不同。当然，其核心原理为基于喷油实际结束时刻的曲轴转角与临界曲轴转角作为基础比较参量，如果喷油实际结束时刻的曲轴转角CA_end大于或等于临界曲轴转角，则输出前述防止喷油油束碰撞活塞的控制信号。

其中，步骤a中所涉及的喷油实际开始时刻的曲轴转角CA₀和喷油实际持续期对应的曲轴转角CA，即可以采用专用传感器采集，也可以根据曲轴转角计算公式获得。基于曲轴转角计算公式可知，曲轴转角与具体时刻及当前发动机转速相关，因此，喷油实际开始时刻的曲轴转角CA₀和喷油实际持续期对应的曲轴转角CA可以分别根据确定的喷油实际开始时刻T₀和喷油实际持续时间T计算获得，具体计算公式如下：

CA₀＝T₀/(n/60*360)；

CA＝T/(n/60*360)；式中

T₀-喷油实际开始时刻；T-喷油实际持续时间；n-发动机转速。

需要说明的是，喷油实际开始时刻T₀可以通过传感器进行采集，当然也可以根据试验数据确定。根据对多组电控柴油机喷油器进行试验发现，试验测量获得的喷油器实际喷油开始时刻与ECU标定数据中的喷油器开启电信号开始时刻的时间滞后近似等于制造商产品说明书中提供的喷油器响应时间常数。因此，可基于ECU标定数据中的喷油器开启电信号开始时刻t₀与喷油器设计响应时间Δt，也就是说，喷油实际开始时刻T₀为在ECU标定数据中的喷油器开启电信号开始时刻后延喷油器设计响应时间的时刻。同样地，喷油实际持续时间T的确定可以根据试验获得，也可以根据传感器采集获得。例如，在喷油器上加装针阀升程传感器得到实际的喷油结束时刻，但传感器价格较为昂贵，且安装困难。显然，根据试验数据确定喷油实际持续时间T，能够有效控制柴油机的制造成本。

本实施方式优选利用喷油器流量试验台进行试验，确定该喷油实际持续时间T按照下述公式获得：

式中

p_j-ECU标定数据中的喷油器喷射压力；t-喷油器开启电信号持续时间；a₀₀、a₁₀、a₂₀、a₀₁、a₁₁、a₂₁-通过试验获取的常数项。

以某型电控柴油机的喷油器为例，利用喷油器流量试验台测量得到喷油器在不同喷射压力和电信号持续时间下的喷油实际持续时间的多组数据，请一并参见图5，该图以喷射压力为x坐标、以电信号持续时间为y坐标绘制，显示了多组试验获得数据的喷油实际持续时间分布示意图。

如图5所示，喷油实际持续时间随喷射压力和电信号持续时间的变化关系满足一次函数；并且，电信号持续时间大于1ms时，喷油实际持续时间随喷射压力增加而线性增加，而电信号持续时间小于1ms时，喷油实际持续时间随喷射压力增加而线性减小。因此，可以采用上述公式所示的分段函数形式表征喷油实际持续时间随喷射压力和电信号持续时间的变化关系。进一步地，分别在电信号持续时间大于1ms和小于等于1ms条件下进行喷油实际持续时间同喷射压力和电信号持续时间关系的一次函数拟合，进而得到常数a₀₀、a₁₀、a₂₀、a₀₁、a₁₁、a₂₁。

特别说明的是，经过更多的试验数据表明，上述常数仅与喷油器采用的技术方案有关，同喷油器的具体型号无关。

优选地，基于柴油发动机转速n、喷油器喷射压力p_j、喷油器开启电信号开始时刻t₀和持续时间t，确定喷油器的喷油实际开始时刻T₀、持续时间T、喷油结束时刻对应曲轴转角的方法计算流程如图6所示。

柴油机电控系统进行喷油油束是否碰撞活塞顶面的判断，理论上要求判断依据尽可能的简单以保证该方法在电控策略中能够易于实现。基于现有技术，喷油油束碰撞活塞顶面的临界曲轴转角的确定可以形成不同实现方式，然而，柴油机喷油油束的运动过程由于受到缸内强烈的湍流和涡流影响而非常复杂。为此，本发明对喷油的物理过程进行简化，忽略油束在缸内的复杂的雾化、破碎、旋转过程，而提供一种确定喷油油束碰撞活塞顶面的临界曲轴转角的优选方案。经大量试验证明：喷油油束是否会碰撞活塞顶面主要由喷油油束运动速度和活塞凹坑、喷油器的几何参数共同决定，也就是说，本方案忽略了部分喷油器设计参数，例如，喷油器喷孔相对喷油器轴线的距离d₀显著小于活塞凹坑半径d，故忽略其影响。

具体地，喷油油束碰撞活塞顶面的临界曲轴转角θ₀按照下述公式获得：

$H=\frac{d}{\tan \frac{\mathrm{\θ}}{2}}+h_1-h_0;$

${\mathrm{\θ}}_0=a\cos \left(\frac{-1+\sqrt{1-\mathrm{\λ}*(4*\frac{H}{L}-\mathrm{\λ}-2)}}{\mathrm{\λ}}\right);$ 式中

H-缸内活塞自上止点至喷油油束处于碰撞活塞顶面的临界状态的下移距离；d-活塞凹坑半径；Φ-喷油器油束夹角；h_i-喷油器喷孔相对气缸盖下表面的突出量；h₀-发动机上止点时刻的压缩余隙；L-发动机行程；λ-发动机的活塞连杆比。

为了提高本方案的控制精度，可以进一步考虑柴油油束由喷油器出口运动到活塞壁面需要消耗时间，对喷油油束在缸内的运动过程进行简化后确定，设喷油油束由喷油器运动到活塞壁面需要消耗时间对应的曲轴转角度数为Δθ，其可以按照下式获得：

式中

d-活塞凹坑半径；Φ-喷油器油束夹角；p_j-喷油器喷射压力；ρ_b-柴油密度；n-发动机转速；Δθ-喷油油束自喷油器至活塞壁面所消耗时间对应的曲轴转角度数。

基于此，步骤b中所述临界曲轴转角为按照下述公式获得的修订临界曲轴转角θ_i：θ_i＝θ₀-Δθ。如此设计，通过对柴油机喷雾过程进行简化，根据柴油机燃烧室尺寸参数和柴油机运行状态参数，计算得到喷油结束时刻油束碰撞活塞顶面的可能性，以便于出现喷油油束碰撞活塞顶面危险时采取控制措施。

除前述柴油发动机喷油控制方法之外，本实施方式还提供一种应用该喷油控制方法进行喷油控制的柴油发动机。需要说明的是，该柴油发动机的主体构成及工作原理与现有技术相同，例如，喷油器一般布置在活塞燃烧室的中心位置等等；由于本领域技术人员基于现有技术完全可以实现，故本文不再赘述。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.柴油发动机喷油控制方法，其特征在于，在电控喷油过程的同时，执行以下步骤：

a.根据喷油实际开始时刻的曲轴转角CA₀和喷油实际持续期对应的曲轴转角CA，确定喷油实际结束时刻的曲轴转角CA_end；并根据缸内活塞自上止点至喷油油束处于碰撞活塞顶面的临界状态的下移距离H和发动机活塞连杆比λ，确定喷油油束碰撞活塞顶面的临界曲轴转角；

b.以喷油实际结束时刻的曲轴转角CA_end大于或等于临界曲轴转角为条件，获得存在喷油油束碰撞活塞顶面危险的判断结果；

c.根据存在喷油油束碰撞活塞顶面危险的判断结果，输出防止喷油油束碰撞活塞顶面的控制信号。

2.根据权利要求1所述的柴油发动机喷油控制方法，其特征在于，步骤c中，所述防止喷油油束碰撞活塞顶面的控制信号具体为：减少电控喷油过程的喷油量和/或将电控喷油的喷油时刻提前的控制指令。

3.根据权利要求1所述的柴油发动机喷油控制方法，其特征在于，步骤a中，

所述喷油实际开始时刻的曲轴转角CA₀按照下述公式获得：

CA₀＝T₀/(n/60*360)；

所述喷油实际持续期对应的曲轴转角CA可以按照下述公式获得：

CA＝T/(n/60*360)；式中

T₀-喷油实际开始时刻；T-喷油实际持续时间；n-发动机转速。

4.根据权利要求1所述的柴油发动机喷油控制方法，其特征在于，步骤a中，所述喷油油束碰撞活塞顶面的临界曲轴转角θ₀按照下述公式获得：

$H=\frac{d}{\tan \frac{\mathrm{\θ}}{2}}+h_1-h_0;$

${\mathrm{\θ}}_0=a\cos \left(\frac{-1+\sqrt{1-\mathrm{\λ}*(4*\frac{H}{L}-\mathrm{\λ}-2)}}{\mathrm{\λ}}\right);$ 式中

H-缸内活塞自上止点至喷油油束处于碰撞活塞顶面的临界状态的下移距离；θ₀-喷油油束碰撞活塞顶面的临界曲轴转角；d-活塞凹坑半径；Φ-喷油器油束夹角；h_i-喷油器喷孔相对气缸盖下表面的突出量；h₀-发动机上止点时刻的压缩余隙；L-发动机行程；λ-发动机的活塞连杆比。

5.根据权利要求4所述的柴油发动机喷油控制方法，其特征在于，步骤b中，所述临界曲轴转角为按照下述公式获得的修订临界曲轴转角θ_i：

θ_i＝θ₀-Δθ；式中

d-活塞凹坑半径；Φ-喷油器油束夹角；p_j-喷油器喷射压力；ρ_b-柴油密度；n-发动机转速。

6.根据权利要求3所述的柴油发动机喷油控制方法，其特征在于，所述喷油实际开始时刻T₀为在ECU标定数据中的喷油器开启电信号开始时刻后延喷油器设计响应时间的时刻。

7.根据权利要求6所述的柴油发动机喷油控制方法，其特征在于，所述喷油实际持续时间T按照下述公式获得：

式中

p_j-ECU标定数据中的喷油器喷射压力；t-喷油器开启电信号持续时间；a₀₀、a₁₀、a₂₀、a₀₁、a₁₁、a₂₁-通过试验获取的常数项。

8.根据权利要求7所述的柴油发动机喷油控制方法，其特征在于，利用喷油器流量试验台测量得到喷油器在不同喷射压力和电信号持续时间下的喷油实际持续时间；并分别在电信号持续时间大于1ms和小于等于1ms条件下进行喷油实际持续时间同喷射压力和电信号持续时间关系的一次函数拟合，进而得到常数a₀₀、a₁₀、a₂₀、a₀₁、a₁₁、a₂₁。

9.柴油发动机，其特征在于，所述柴油发动机采用权利要求1至8中任一项所述柴油发动机喷油控制方法进行喷油控制。

Images