CN104775925A - 降低柴油机瞬态工况烟度的控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于内燃机瞬态工况排放控制技术，具体涉及一种降低柴油机瞬态工况烟度的控制系统及控制方法。它由发动机、空气滤清器、压气机、与压气机同轴相连的涡轮机、进气中冷器、设置在输出轴上的高响应转速传感器和高响应扭矩传感器、设置在气缸体上的缸压传感器，ECU电控单元、电荷放大器、设有CA50计算程序的单片机、设置在发动机飞轮上的曲轴位置传感器组成；基于该系统，以烟度和CA50(柴油燃烧50％质量分数所对应的曲轴转角)为控制目标，采用三段折线加载策略调整供油速率实现加载率的变化，同时实现降低柴油机瞬态工况烟度和提高发动机扭矩响应性，克服了现有技术两者不可兼顾的缺点。

Description

降低柴油机瞬态工况烟度的控制系统及控制方法

技术领域

本发明属于内燃机瞬态工况排放控制技术，具体涉及一种可实现降低柴油机瞬态工况烟度的控制系统，及以烟度和CA50(柴油燃烧50％质量分数所对应的曲轴转角)为控制目标的控制方法。

背景技术

由于柴油机具有动力性强、可靠性好及热效率高等优势，在车用发动机市场的份额越来越大，前景可观。但是在实际工作的过程中，车用柴油机大部分时间处于瞬态工况，尤其在城市路面运行时，转速和负荷变化频繁，大部分排放物即在短期的速度或转矩急剧变化的瞬态过程产生。随着能源与环境问题的日益严峻及排放法规的日益严苛，有效降低柴油机瞬态工况下的排放已经成为国内外内燃机工作者亟需解决的科学与工程问题。

国内外大量的研究结果表明：柴油机瞬态工况下，扭矩、CA10及CA50等核心参数均发生不同程度的滞后，排放特性特别是烟度及CO排放发生恶化的主要原因是供油、供气和缸内热力状态等参数响应速率不一致从而导致燃烧边界条件失衡。

解决瞬态工况以上问题主要是通过合理的加载模式、喷油定时或EGR等控制方法来有效改善转矩响应和排放。目前应用最广泛的直线加载策略在提高转矩响应的同时不可避免的会造成烟度及CO等的恶化，两者不能兼顾。这是因为瞬态工况下采用直线加载策略，进气延迟以及缸内温度上升缓慢，而且随着瞬变率的增大，滞后程度越严重，导致燃油雾化及混合质量差，燃烧与排放性能发生恶化。

发明内容

本发明的目的是为克服目前柴油机瞬态工况下扭矩响应滞后和烟度恶化的缺点，提出一种降低柴油机瞬态工况烟度的控制系统，并给出一种基于该控制系统下，以烟度和CA50为控制目标，同时实现降低柴油机瞬态工况烟度和提高发动机扭矩响应性的闭环控制方法。

本发明降低柴油机瞬态工况烟度的控制系统，包括发动机、空气滤清器、压气机、与压气机同轴相连的涡轮机、进气中冷器、设置在输出轴上的高响应转速传感器和高响应扭矩传感器、设置在气缸体上的缸压传感器，ECU电控单元、电荷放大器、设有CA50计算程序的单片机、设置在发动机飞轮上的曲轴位置传感器；

所述的空气滤清器依次通过压气机、进气中冷器与发动机上的进气总管管路连通，所述的涡轮机与发动机上的排气总管管路连通；

所述的高响应转速传感器和高响应扭矩传感器分别与ECU电控单元通讯连接；

所述的缸压传感器和曲轴位置传感器分别通过电荷放大器与设有CA50计算程序的单片机通讯连接，设有CA50计算程序的单片机与ECU电控单元通讯连接；ECU电控单元与发动机的油量调节机构控制连接。

本控制系统的工作机理是：

缸压传感器采集的缸压信号和曲轴位置传感器采集的曲轴位置信号通过电荷放大器进行处理传入到单片机中，单片机实时计算发动机的CA50并将其传入到ECU电控单元中。

ECU电控单元既可以通过高响应转速传感器、高响应扭矩传感器采集的转速和扭矩信号来判断发动机所处工况，又可以判断烟度、CA50的目标值与瞬时值的差值，进而通过设定方案调整发动机瞬态供油速率。

一种基于本发明控制系统的闭环控制方法，是以烟度和CA50(柴油燃烧50％质量分数所对应的曲轴转角)为控制目标，采用三段折线加载策略调整供油速率实现加载率的变化，包括以下步骤：

1)、首先根据发动机开发需求，在ECU电控单元中设置烟度目标值和各工况CA50目标值；

2)、ECU电控单元通过高响应扭矩传感器采集发动机扭矩信号，并根据加载率计算公式(1)计算发动机的初始加载率，并以此加载率对发动机进行第一段加载，

$\mathrm{\δ}=\frac{{\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{tq}}}{\mathrm{\Δt}}---\left(1\right)$

式中：ΔT_tq为加载过程中扭矩的变化值，Δt为加载过程所用时间；

3)、ECU电控单元采集发动机排气中的瞬时烟度并与设定的烟度目标值进行对比，若瞬时烟度值未超过烟度目标值，则ECU电控单元控制供油速率保持不变，进而保持加载率不变，并执行步骤4)；若瞬时烟度值超过烟度目标值，则执行步骤5)；

4)、ECU电控单元通过高响应转速传感器和高响应扭矩传感器采集转速信号和扭矩信号，判断发动机所处工况是否为50％负荷工况(50％负荷工况为发动机扭矩值达到最大扭矩值的50％时所处的工况)，若未到达50％负荷工况，则重新执行步骤3)，直到达到50％负荷为止；若到达50％负荷工况，则执行步骤6)，进入第二段加载；

5)、ECU电控单元通过改变供油速率将加载率减小10％(初始加载率的10％)，并将此加载率赋值为初始加载率，等待10ms后，重新执行步骤3)，直到瞬时烟度未超过目标值为止；

6)、在第二段加载过程中，ECU电控单元通过改变供油速率将加载率降为0，缸压传感器采集的缸压信号和曲轴位置传感器采集的曲轴位置信号通过电荷放大器进行处理传入到单片机中，由单片机中的CA50计算程序实时计算发动机的CA50并将其传入到ECU电控单元中，ECU电控单元将瞬时CA50和目标CA50进行对比，若CA50瞬时值与目标值的差值为0，则执行步骤7)，进入第三段加载；若CA50瞬时值与目标值的差值不为零，重复执行步骤6)；

7)、在第三段加载过程中，ECU电控单元改变供油速率，将发动机加载率调为初始加载率；

8)、ECU电控单元采集发动机排气中的瞬时烟度并与烟度目标值进行对比，若烟度值超过烟度目标值，则ECU电控单元通过改变供油速率将加载率减小10％(初始加载率的10％)，并将此加载率赋值为初始加载率，等待10ms后，再将瞬时烟度与烟度目标值对比，直至瞬时烟度值未超过烟度目标值为止；

9)、若瞬时烟度值未超过烟度目标值，则ECU电控单元控制供油速率保持不变，即加载率保持不变直至第三段加载过程结束。

本发明与现有技术相比具有以下优点和有益效果：

1.以烟度和CA50为控制目标，利用闭环控制反馈系统对柴油机瞬态工况性能进行优化，可以减小由于发动机的制造和装配等差异对发动机造成的影响。

2.进气延迟对于发动机扭矩响应、CA10和CA50等性能参数影响较大，第一段加载过程可以采用较大的加载率，可以提高发动机加速响应性，有效地提高涡轮增压器瞬变初期获得的能量，改善进气延迟程度。

3.缸内热力状态响应滞后对于燃油雾化和混合影响较大，第二段加载过程保持加载速率不变，可以有效提高缸内热力状态，缩小滞后程度，改善发动机的排放。

4.第三段加载过程(即中、高负荷工况)以烟度为控制目标，可以有效的控制发动机的烟度排放峰值；

5.本发明适合各种柴油机，能够实现同时提高发动机的扭矩响应性和降低烟度排放的目的。

附图说明

图1是本发明降低柴油机瞬态工况烟度的控制系统结构示意图；

图2为柴油机瞬态工况加载策略控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1

参照图1，一种降低柴油机瞬态工况烟度的控制系统，包括发动机1、空气滤清器2、压气机3、与压气机3同轴相连的涡轮机7、进气中冷器4、设置在输出轴上的高响应转速传感器8和高响应扭矩传感器9、设置在气缸体上的缸压传感器10，ECU电控单元11、电荷放大器12、设有CA50计算程序的单片机13、设置在发动机飞轮上的曲轴位置传感器14；

所述的空气滤清器2依次通过压气机3、进气中冷器4与发动机1上的进气总管5管路连通，所述的涡轮机7与发动机1上的排气总管6管路连通；

所述的高响应转速传感器8和高响应扭矩传感器9分别与ECU电控单元11通讯连接；

所述的缸压传感器10和曲轴位置传感器14分别通过电荷放大器12与设有CA50计算程序的单片机13通讯连接，设有CA50计算程序的单片机13与ECU电控单元11通讯连接；ECU电控单元11与发动机1的油量调节机构控制连接。

实施例2

一种基于本发明控制系统的闭环控制方法，是以烟度和CA50(柴油燃烧50％质量分数所对应的曲轴转角)为控制目标，采用三段折线加载策略调整供油速率实现加载率(单位时间扭矩变化率)的变化，包括以下步骤：(参照图2)

1)、首先根据发动机开发需求，在ECU电控单元11中设置烟度目标值和各工况CA50目标值；

2)、ECU电控单元11通过高响应扭矩传感器9采集发动机扭矩信号，并根据加载率计算公式(1)计算发动机的初始加载率，并以此加载率对发动机进行第一段加载，

$\mathrm{\δ}=\frac{{\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{tq}}}{\mathrm{\Δt}}---\left(1\right)$

式中：ΔT_tq为加载过程中扭矩的变化值，Δt为加载过程所用时间；

3)、ECU电控单元11采集发动机排气中的瞬时烟度并与设定的烟度目标值进行对比，若瞬时烟度值未超过烟度目标值，则ECU电控单元11控制供油速率保持不变，进而保持加载率不变，并执行步骤4)；若瞬时烟度值超过烟度目标值，则执行步骤5)；

4)、ECU电控单元11通过高响应转速传感器8和高响应扭矩传感器9采集转速信号和扭矩信号，判断发动机所处工况是否为50％负荷工况(50％负荷工况为发动机扭矩值达到最大扭矩值的50％时所处的工况)，若未到达50％负荷工况，则重新执行步骤3)，直到达到50％负荷为止；若到达50％负荷工况，则执行步骤6)，进入第二段加载；

5)、ECU电控单元11通过改变供油速率将加载率减小10％(初始加载率的10％)，并将此加载率赋值为初始加载率，等待10ms后，重新执行步骤3)，直到瞬时烟度未超过目标值为止；

6)、在第二段加载过程中，ECU电控单元11通过改变供油速率将加载率降为0，缸压传感器10采集的缸压信号和曲轴位置传感器14采集的曲轴位置信号通过电荷放大器12进行处理传入到单片机13中，由单片机13中的CA50计算程序实时计算发动机的CA50并将其传入到ECU电控单元11中，ECU电控单元11将瞬时CA50和目标CA50进行对比，若CA50瞬时值与目标值的差值为0，则执行步骤7)，进入第三段加载；若CA50瞬时值与目标值的差值不为零，重复执行步骤6)；

7)、在第三段加载过程中，ECU电控单元11改变供油速率，将发动机加载率调为初始加载率；

8)、ECU电控单元11采集发动机排气中的瞬时烟度并与烟度目标值进行对比，若烟度值超过烟度目标值，则ECU电控单元11通过改变供油速率将加载率减小10％(初始加载率的10％)，并将此加载率赋值为初始加载率，等待10ms后，再将瞬时烟度与烟度目标值对比，直至瞬时烟度值未超过烟度目标值为止；

9)、若瞬时烟度值未超过烟度目标值，则ECU电控单元11控制供油速率保持不变，即加载率保持不变直至第三段加载过程结束。

本发明所述的三段折线加载策略的主要特征是每段加载率不同。加载率由控制系统调节，通过一个闭环反馈控制方法调整供油速率实现加载率的变化。

实施例3

某柴油机以恒定转速增加扭矩(加载)运行，其中恒定转速为1650r/min，扭矩从最大扭矩值的10％增加到100％，也就是从10％负荷增加到100％负荷，加载时间为5s；根据发动机实际需要，烟度目标值为10％。

1.首先根据发动机开发需求，在ECU电控单元中设定烟度目标值为10％并输入各工况CA50值；

2.ECU电控单元通过高响应扭矩传感器采集发动机扭矩信号，并利用加载率计算公式(1)计算发动机的初始加载率为665N·m/s，并以此加载率进行第一段加载。此时ECU电控单元采集发动机瞬时烟度为12％，超过烟度目标值10％，ECU电控单元通过高响应转速传感器和高响应扭矩传感器采集转速信号和扭矩信号，得出发动机为30％负荷工况，未达到50％负荷工况；

3.ECU电控单元通过改变供油速率将初始加载率减小10％，降至598.5N·m/s，并将此值赋值为初始值，等待10ms，ECU电控单元对烟度值再次进行测量，得出瞬时烟度值为9％，发动机所处工况为40％负荷工况，则保持598.5N·m/s的加载率不变直到发动机负荷达到50％负荷工况，第一段加载过程结束；

4.在第二段加载过程中，ECU电控单元判断发动机到达50％负荷工况后，通过改变供油速率将加载率降为0，单片机通过CA50计算程序对电荷放大器处理的缸压信号和曲轴位置信号进行计算，得出实时CA50，ECU电控单元将CA50目标值和瞬时值进行比较，当二者差值为0时，执行第三段加载过程；

5.在第三段加载过程中，ECU电控单元通过改变供油速率将发动机加载率调为665N·m/s，ECU电控单元采集发动机瞬时烟度值为11％，超过烟度控制值10％，则ECU电控单元通过改变供油速率将加载率降为598.5N·m/s，并将此值赋值为初始值，等待10ms，ECU电控单元再次测量瞬时烟度值为10％，未超过烟度控制值10％，则保持供油速率不变使加载率为598.5N·m/s不变，重复上述操作，直至加载过程结束。

Claims (2)

1.一种降低柴油机瞬态工况烟度的控制系统，包括发动机(1)、空气滤清器(2)、压气机(3)、与压气机(3)同轴相连的涡轮机(7)、进气中冷器(4)、设置在输出轴上的高响应转速传感器(8)和高响应扭矩传感器(9)、设置在气缸体上的缸压传感器(10)，ECU电控单元(11)、电荷放大器(12)、设有CA50计算程序的单片机(13)、设置在发动机飞轮上的曲轴位置传感器(14)；其特征在于：

所述的空气滤清器(2)依次通过压气机(3)、进气中冷器(4)与发动机(1)上的进气总管(5)管路连通，所述的涡轮机(7)与发动机(1)上的排气总管(6)管路连通；

所述的高响应转速传感器(8)和高响应扭矩传感器(9)分别与ECU电控单元(11)通讯连接；

所述的缸压传感器(10)和曲轴位置传感器(14)分别通过电荷放大器(12)与设有CA50计算程序的单片机(13)通讯连接，设有CA50计算程序的单片机(13)与ECU电控单元(11)通讯连接；ECU电控单元(11)与发动机(1)的油量调节机构控制连接。

2.一种基于权利要求1所述控制系统的闭环控制方法，是以烟度和CA50为控制目标，采用三段折线加载策略调整供油速率实现加载率的变化，包括以下步骤：

1)、首先根据发动机开发需求，在ECU电控单元(11)中设置烟度目标值和各工况CA50目标值；

2)、ECU电控单元(11)通过高响应扭矩传感器(9)采集发动机扭矩信号，并根据加载率计算公式(1)计算发动机的初始加载率，并以此加载率对发动机进行第一段加载，

$\mathrm{\δ}=\frac{\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{tq}}}{\mathrm{\Δt}}---\left(1\right)$

式中：ΔT_tq为加载过程中扭矩的变化值，Δt为加载过程所用时间；

3)、ECU电控单元(11)采集发动机排气中的瞬时烟度并与设定的烟度目标值进行对比，若瞬时烟度值未超过烟度目标值，则ECU电控单元(11)控制供油速率保持不变，进而保持加载率不变，并执行步骤4)；若瞬时烟度值超过烟度目标值，则执行步骤5)；

4)、ECU电控单元(11)通过高响应转速传感器(8)和高响应扭矩传感器(9)采集转速信号和扭矩信号，判断发动机所处工况是否为50％负荷工况，若未到达50％负荷工况，则重新执行步骤3)，直到达到50％负荷为止；若到达50％负荷工况，则执行步骤6)，进入第二段加载；

5)、ECU电控单元(11)通过改变供油速率将加载率减小10％，并将此加载率赋值为初始加载率，等待10ms后，重新执行步骤3)，直到瞬时烟度未超过目标值为止；

6)、在第二段加载过程中，ECU电控单元(11)通过改变供油速率将加载率降为0，缸压传感器(10)采集的缸压信号和曲轴位置传感器(14)采集的曲轴位置信号通过电荷放大器(12)进行处理传入到单片机(13)中，由单片机(13)中的CA50计算程序实时计算发动机的CA50并将其传入到ECU电控单元(11)中，ECU电控单元(11)将瞬时CA50和目标CA50进行对比，若CA50瞬时值与目标值的差值为0，则执行步骤7)，进入第三段加载；若CA50瞬时值与目标值的差值不为零，重复执行步骤6)；

7)、在第三段加载过程中，ECU电控单元(11)改变供油速率，将发动机加载率调为初始加载率；

8)、ECU电控单元(11)采集发动机排气中的瞬时烟度并与烟度目标值进行对比，若烟度值超过烟度目标值，则ECU电控单元(11)通过改变供油速率将加载率减小10％，并将此加载率赋值为初始加载率，等待10ms后，再将瞬时烟度与烟度目标值对比，直至瞬时烟度值未超过烟度目标值为止；

9)、若瞬时烟度值未超过烟度目标值，则ECU电控单元(11)控制供油速率保持不变，即加载率保持不变直至第三段加载过程结束。