CN104454189A - 一种高压共轨燃油喷射系统双燃料控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高压共轨燃油喷射系统双燃料控制方法，能够根据原始柴油喷射信号、共轨压力信号、油门踏板信号、空气流量信号或者进气压力信号等判定发动机运行状态，通过标定合理设定掺烧比，在保证发动机动力性能的前提下，降低柴油消耗和废气排放。本发明涉及的高压共轨燃油喷射系统双燃料控制方法，包括：模拟信号减油控制方法、燃气喷射量计算方法、掺烧状态控制方法和故障诊断管理功能。本发明性能稳定可靠，改装简单，易于市场推广。

Description

一种高压共轨燃油喷射系统双燃料控制方法

技术领域

本发明涉及发动机控制系统，具体涉及一种高压共轨燃油喷射系统双燃料控制方法。

背景技术

当前，能源危机和环境污染问题日益严峻。为了节约能源减少汽车运营成本，同时降低汽车尾气对环境的污染，使用天然气作为掺烧能源的混合动力汽车发展迅速。天然气具有良好的燃烧性能，也是公认的清洁燃料，且燃料成本相较汽油与柴油更为低廉，是一种理想的替代燃料。近年来天然气汽车产业虽然发展很快，但主要是对汽油车进行改装，柴油天然气双燃料汽车却一直没有得到有效的推广。究其原因，主要还是现有的技术在实际应用中都存在一定的弊端，要么是系统太复杂，改装成本过高，要么就是系统可靠性不够。

随着国四排放标准的实施，采用电控高压共轨技术的柴油机越来越多。对高压共轨柴油机进行天然气掺烧改装的关键是，在保证原机控制单元OBD诊断不报错的前提下，如何实现对原机燃油喷射的减油控制，在保证稳定燃烧的前提下并尽可能地减少柴油喷射量，从而增大燃气喷射量，提高燃气掺烧替代率。现有技术中，有的用模拟器替代喷油器，欺骗原机控制单元，而双燃料控制单元直接驱动喷油器，这样做较难规避原机OBD诊断报错，且硬件复杂，功耗大，故障率高；有的为了实现期望的控制精度，在控制系统中设计了较多标定参数和表格，这样做实际上不利于市场推广，因为每匹配一台发动机都要做大量的标定工作。

发明内容

针对上述情况，为了克服现有技术的缺陷，本发明之目的就是提供一种高压共轨燃油喷射系统双燃料控制方法，有效解决减少柴油喷射量和计算燃气喷射量的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

步骤1：双燃料控制单元采集柴油喷射信息以及传感器信息，并根据柴油喷射信息计算出引擎转速，其中柴油喷射信息包括喷油正时信息和喷射脉宽信息，传感器信息包括分别由共轨压力传感器、油门踏板传感器、空气流量计、进气压力传感器、冷却水温度传感器、排气温度传感器、气瓶压力传感器、气轨压力传感器和气轨温度传感器采集的信息。

步骤2：根据步骤1中获得的引擎转速以及步骤1采集到的各种信息计算系统的掺烧状态，判断是否允许掺烧，若允许掺烧则转入步骤4，若不允许掺烧则进行步骤3的处理。具体地，在判断过程中还需结合驾驶员是否提出掺烧请求进行判断。

步骤3：关闭燃气高低压控制阀，切断燃气供应，同时将共轨压力传感器采集的轨压信息、油门踏板传感器采集的油门踏板信息、空气流量计采集的空气流量信息和/或进气压力传感器采集的进气压力信息经双燃料控制单元直接传递给柴油控制单元，进入纯柴油工作模式。

步骤4：双燃料控制单元开启燃气高低压控制阀，双燃料控制单元分别将共轨压力传感器采集的轨压信息、油门踏板传感器采集的油门踏板信息、空气流量计采集的空气流量信息和/或进气压力传感器采集的进气压力信息根据不同的掺烧状态及该状态下的减油、替代率的需求生成对应的模拟控制信号，并传递给柴油控制单元。所述模拟控制信号包括双燃料控制单元转换得到的模拟轨压信号、模拟油门踏板信号、模拟空气流量信号和/或模拟进气压力信号。

步骤5：柴油控制单元根据获得的各模拟信号控制减少柴油喷射量。

步骤6：双燃料控制单元计算燃气喷射脉宽。依据“喷孔处喷油平均流速与平均有效喷油压力的1/2次方成正比”的原理，基于轨压信息和柴油喷射脉宽，直接列式计算燃气需求量，再根据燃气喷嘴流量特性转换成燃气喷射脉宽。

步骤7：双燃料控制单元发出控制信号触发燃气喷射。

为了更好地实施本发明，本方法还包括故障诊断管理步骤：对系统中各部件的输入和输出信号进行检查，输入和输出信号的检查室通过硬件故障电路检测和软件计算相结合的监控算法实现的，对整个系统进行失效和故障诊断，如在运行过程中某个部件发现出现故障，立即对与该部件相关的功能及策略进行抑制处理，并将故障存储在双燃料ECU中。

本发明在原机燃油系统不改变的前提下，加装柴油天然气双燃料控制系统和燃气喷射系统，进行减油、喷气控制，实现天然气与柴油的混合燃烧。系统具有纯柴油和双燃料掺烧两种工作模式，可以通过硬件选择开关或者软件条件判断是工作在纯柴油模式还是双燃料掺烧模式。纯柴油模式下，仅以柴油为燃料，由发动机ECU控制原机燃油系统工作；在掺烧模式下，同时燃用柴油与天然气两种燃料，由发动机压缩柴油着火，再引燃喷入的天然气，在保证动力性能基本不变的前提下，减小柴油喷射量，增加燃气喷射量，以实现期望的替代率要求。

本发明用于高压共轨双燃料柴油机上，有效解决了减少柴油喷射量和计算燃气喷射量的问题，结构简单，无需改变原有的柴油系统，性能稳定可靠，掺烧替代率高，安装使用方便，利于市场推广，有良好的经济和社会效益。

附图说明

图1为本发明的系统原理示意图；

图2为本发明的控制方法流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。

由图1所示，本发明包括原机高压共轨电控系统（图1中柴油ECU）、双燃料控制系统（图1中双燃料ECU）和燃气系统。柴油喷油器仍然由原机高压共轨电控系统控制，双燃料控制单元采集柴油喷射信号信息，并通过硬件电路处理和软件计算，得到原机喷射相位及喷射脉宽。共轨压力信号、油门踏板信号、空气流量信号或者进气压力信号经过双燃料控制单元的电路及软件处理后再传递给原机高压共轨电控系统。如果系统工作在纯柴油模式，则上述各路原始信号不做软件算法处理，通过硬件选择开关直接传递给原机高压共轨电控系统。如果系统工作在掺烧模式，则将基于各路原始信号生成的模拟信号传递给原机高压共轨电控系统。双燃料控制单元采集冷却水温度信号和排气温度信号等以实现保护控制。燃气系统完全由双燃料控制单元控制，完成信号检测、监控和燃气喷射计算驱动。

本发明提供一种高压共轨燃油喷射系统双燃料控制方法，流程如图2所示，包括：

步骤1：采集柴油喷射信息，包括喷油正时信息和喷射脉宽信息。基于柴油喷射正时信息，通过软件算法确定柴油的多次喷射及主喷脉宽，再根据主喷射频率计算出引擎转速，并根据发动机工况及掺烧状态在合适的时刻触发燃气喷射，具体燃气喷射时刻通过软件查询相应MAP实现，并利用配气相位信息进行修正。柴油喷射信息采集策略是基于无后喷的情况设计的，每循环的最后一次喷射即为主喷。采用中断的方式处理各缸柴油喷射信号。只有喷射脉宽大于一定阈值，才认为是正常信号，并处理，否则为干扰信号，不做处理。在当前缸中断处理函数中，读取前一缸的主喷脉宽。传感器信息采集包括共轨压力传感器，油门踏板传感器，空气流量计，进气压力传感器，冷却水温度传感器，排气温度传感器，气瓶压力传感器，气轨压力和温度传感器等。在采集各个传感器信号的同时进行信号范围检测和合理性判断，生成故障诊断信息。采集到的各传感器信息和基于喷油信号计算得到的转速信息一起传递给下一步骤进行相关计算。

步骤2：综合步骤1采集到的相关信息，计算系统自身禁止掺烧状态。只有引擎成功启动，且引擎转速、冷却水温度和排气温度均在允许掺烧范围内，气瓶压力足够，气轨压力和温度也在允许掺烧范围内；且无故障的条件下，才将系统自身禁止掺烧状态置0，表示系统自身允许掺烧。然后再结合驾驶员的掺烧请求状态，判断出系统当前的工作状态。如果驾驶员禁止掺烧，则为禁止掺烧状态，掺烧状态指示灯熄灭；如果驾驶员请求掺烧，但是系统禁止，则为禁止掺烧状态，掺烧状态指示灯闪烁；如果驾驶员请求掺烧，且系统也不禁止，则为掺烧状态，掺烧状态指示灯点亮。

步骤3：如果步骤2计算得到的掺烧状态信息指示当前禁止掺烧，则关闭燃气高低压控制阀，切断燃气供应，同时真实的轨压信号、油门踏板信号、空气流量信号或者进气压力信号经双燃料控制单元通过硬件选择开关直接传递给柴油ECU，不对信号做任何处理。系统工作在纯柴油模式。

步骤4：如果步骤2计算得到的掺烧状态信息指示当前为掺烧状态，双燃料ECU则开启燃气高低压控制阀，同时将基于真实轨压信号、油门踏板信号、空气流量信号或者进气压力信号通过掺烧控制策略计算后生成的模拟信号传递给柴油ECU，系统工作在掺烧模式。

步骤5：系统工作在掺烧模式，此时要减少柴油喷射量，实施燃气掺烧。本发明减少柴油喷射量的方法，是以模拟共轨压力减油为主，模拟油门和模拟空气流量(或者进气压力)减油为辅。其实现原理描述如下：

高压共轨系统的共轨压力是闭环控制的，正常情况下，轨压跟随发动机ECU内部轨压设定值而变。掺烧模式时，发动机ECU采集到的是模拟轨压而非真实轨压。模拟轨压基于实时真实轨压生成，反映真实轨压变化情况，但是与真实轨压之间存在一个差异，通常模拟轨压比真实轨压大。模拟轨压与真实轨压之间的具体关系由采用的算法确定。当发动机ECU检测到轨压(模拟轨压)大于轨压设定值时，将通过内部闭环控制做出降低轨压的控制参数调整，这将使得真实轨压下降。当发动机ECU检测到的轨压(模拟轨压)接近轨压设定值时，实际上真实轨压已经小于此时发动机ECU内部轨压设定值，而共轨发动机ECU计算柴油喷射量主要是根据实时共轨压力计算喷射脉宽，通过增大虚拟轨压，这使得实际的喷油量将小于设定喷油量，达到欺骗原柴油ECU不报错，并能减小柴油喷射量的目的。

柴油ECU基于模拟油门踏板信号进行喷油量计算，因为模拟油门踏板信号小于真实油门踏板信号，使得喷油量小于实际需求量，起到辅助减少柴油喷射量的作用。模拟进气流量信号(或者模拟进气压力信号)也起辅助减油作用，主要是利用柴油ECU控制时需要采集进气流量信息（或根据进气压力和温度计算进气流量信息），以此作为喷油限制，当采集到的模拟信号使得柴油ECU认为进气流量不够，可能会使发动机冒烟，柴油ECU便降低燃油喷射，从而达到欺骗原柴油ECU不报错，并能减小柴油喷射量的目的。

步骤6：步骤5的实施，使得喷入气缸内的实际燃油量减少，此时需要喷入一定量的燃气参与燃烧，以保证发动机动力性能基本不变。燃气喷射量主要依据减少的柴油喷射量确定，本发明中柴油喷射量的减少主要来源于模拟轨压信号，因此根据模拟轨压信号减少的柴油喷射量增加相应等值热量的天然气喷射量，并通过修正系数修正通过油门及进气流量辅助减少的那部分柴油喷射量。根据流量与压差关系式Q=μ*A*(2*P/ρ)^0.5，可得减少的柴油喷射量dQ_油1与柴油喷射脉宽Eti和模拟轨压与实际压力之差dP的1/2次方两者之间成正比关系，简化公式为：dQ_油1=k1*Eti*dP^0.5。基于模拟油门踏板信号和模拟进气流量信息而减少的柴油（设分别为dQ_油2和dQ_油3）均与原油量成比例关系，比例系数分别为k2和k3。总柴油喷射量减少量记为dQ_油=dQ_油1+dQ_油2+dQ_油3=（k1+k2+k3）*Eti*dP^0.5。根据掺烧后原机性能基本不变得思路，则需要喷入的天然气量与减少的燃气喷射量热量等值换算，设换算系数为k4,则燃气需求量dQ_气=k4*（k1+k2+k3）*Eti*dP^0.5，再根据燃气喷嘴流量特性转换成燃气喷射脉宽。实际计算时，可设定一个统一的标定参数k(k=k4*（k1+k2+k3）),dQ_气=k*Eti*dP^0.5，这样在实车标定中柴油喷射脉宽由燃气ECU采集，只需要标定参数k和虚拟轨压与实际设定轨压差dP这两个参数即可。这种方法的优点是当发动机或者燃油系统改变时，软件需要重新标定的参数较少，通用性强，实际推广较为容易。

步骤7：燃气喷射触发是在柴油喷射脉宽采集中断处理函数中实现的。为了同时适用于燃气单点喷射和多点顺序喷射的情况，基于柴油喷射时序设计柴油喷射脉宽中断处理函数。以四缸机为例，假设柴油喷射顺序为1-3-4-2，在当前缸(1缸)柴油脉宽采集中断处理函数中，读取前一缸(2缸)的柴油主喷脉宽，复位下一缸(3缸)柴油喷射脉宽采集标志，触发下一缸燃气(4缸)喷射。

Claims (5)

1. 一种高压共轨燃油喷射系统双燃料控制方法，其特征在于，包括：

步骤1：双燃料控制单元采集柴油喷射信息以及传感器信息，并根据柴油喷射信息计算出引擎转速，其中柴油喷射信息包括喷油正时信息和喷射脉宽信息，传感器信息包括分别由共轨压力传感器、油门踏板传感器、空气流量计、进气压力传感器、冷却水温度传感器、排气温度传感器、气瓶压力传感器、气轨压力传感器和气轨温度传感器采集的信息；

步骤2：根据步骤1中获得的引擎转速以及步骤1采集到的各种信息计算系统的掺烧状态，判断是否允许掺烧，若允许掺烧则转入步骤4，若不允许掺烧则进行步骤3的处理；

步骤3：关闭燃气高低压控制阀，切断燃气供应，同时将共轨压力传感器采集的轨压信息、油门踏板传感器采集的油门踏板信息、空气流量计采集的空气流量信息和/或进气压力传感器采集的进气压力信息经双燃料控制单元直接传递给柴油控制单元，进入纯柴油工作模式；

步骤4：双燃料控制单元开启燃气高低压控制阀，双燃料控制单元分别将共轨压力传感器采集的轨压信息、油门踏板传感器采集的油门踏板信息、空气流量计采集的空气流量信息和/或进气压力传感器采集的进气压力信息生成模拟控制信号，并传递给柴油控制单元；

步骤5：柴油控制单元根据获得的各模拟信号控制减少柴油喷射量；

步骤6：双燃料控制单元计算燃气喷射脉宽；

步骤7：双燃料控制单元发出控制信号触发燃气喷射。

2.根据权利要求1所述一种高压共轨燃油喷射系统双燃料控制方法，其特征在于：所述步骤2中判断是否允许掺烧时，还需结合驾驶员是否提出掺烧请求进行判断。

3.根据权利要求1所述一种高压共轨燃油喷射系统双燃料控制方法，其特征在于：所述步骤6计算燃气喷射脉宽的方法为：依据“喷孔处喷油平均流速与平均有效喷油压力的1/2次方成正比”的原理，基于轨压信息和柴油喷射脉宽，计算燃气需求量，再根据燃气喷嘴流量特性转换成燃气喷射脉宽。

4.根据权利要求1所述一种高压共轨燃油喷射系统双燃料控制方法，其特征在于：所述步骤5中柴油控制单元减少柴油喷射量时，主要依据双燃料控制单元根据共轨压力传感器采集的轨压信息转换得到的模拟轨压信号，双燃料控制单元转换得到的模拟油门踏板信号和模拟空气流量信号或模拟进气压力信号作为辅助。

5.根据权利要求1到4任一项所述一种高压共轨燃油喷射系统双燃料控制方法，其特征在于：还包括故障诊断管理步骤：对系统中各部件的输入和输出信号进行检查，对整个系统进行失效和故障诊断，如在运行过程中某个部件发现出现故障，立即对与该部件相关的功能进行抑制处理，并将故障存储在双燃料ECU中。