基于扭矩的高压共轨柴油机急加/减速控制策略的研究*

廖亮宇 徐劲松 申立中 毕玉华

（昆明理工大学交通工程学院云南昆明650500）

·研究·开发·

基于扭矩的高压共轨柴油机急加/减速控制策略的研究*

廖亮宇 徐劲松 申立中 毕玉华

（昆明理工大学交通工程学院云南昆明650500）

以高压共轨柴油机为对象，针对急加速和急减速过程的特殊性，结合基于扭矩的控制算法，提出了急加速和急减速过程的扭矩计算扭矩/油量转换和轨压控制策略。利用ETAS公司的INCA 5.4标定软件对该控制策略在发动机试验台架上进行了实时监测和标定。结果表明：该控制策略的应用保证了对柴油机急加速和急减速过程的平稳控制，改善了柴油机的响应性能。

高压共轨柴油机急加速急减速控制策略

引言

车辆在行驶过程中，驾驶员经常需要进行急加速和急减速操作，以提高车辆速度或进行制动。在城市道路中，急加速和急减速过程则更加频繁地出现。为保证柴油机转速的平稳过渡，提升柴油机的操纵性，对急加速和急减速过程控制的重要性日益凸显。

柴油机高压共轨控制技术因其对喷油量和喷油压力的灵活控制，对改善柴油机性能有着传统机械式柴油机无法比拟的优势。高压共轨柴油机对喷油量的控制从基于油量的控制逐步发展到基于扭矩的控制，基于扭矩的喷油量控制算法首先通过计算发动机需求扭矩，再由扭矩/油量转换MAP插值得到喷油量。该算法由J.Gerhardt于1997年最先提出，随后由于其逻辑清晰、构造方便及自由度高等特点，在现代发动机管理系统开发中得到了广泛的应用[1，2]。

急加速和急减速过程是通过给发动机控制系统输入近似于阶跃信号的油门踏板开度，使发动机在两个稳态工况之间实现过渡的瞬态工况。由于油门踏板开度信号输入的突变，导致柴油机控制系统的扭矩、喷油量等参数产生剧烈变化。随着废气涡轮增压柴油机的普及，涡轮增压器在这两个过程中的惯性引起进气量供给滞后，进而导致在急加速过程中空燃比过小，燃烧恶化，使得柴油机响应缓慢，污染物排放增加[3]；而在急减速过程中空燃比则偏大，加之喷油量的减小使得雾化效果不理想，导致燃烧不稳定，排放也随之恶化[4]。

作者采用基于扭矩的高压共轨控制策略，分析了从输入油门踏板开度信号到燃油喷射过程中的扭矩计算、扭矩/油量转换和轨压控制的控制策略，通过控制喷油量和喷油压力改善柴油机的急加速和急减速性能。

1 扭矩计算

车用柴油机的扭矩计算一般采用倒推法，即从驱动车辆前进的扭矩经过一系列的计算，最终倒推出发动机的指示扭矩。急加速和急减速扭矩的具体计算过程如图1所示。

图1 急加速和急减速扭矩计算逻辑

柴油机急加速和急减速工况的控制通过踩下或放开油门踏板来实现。产生的油门踏板电压信号需经过线性化以转换成百分比的油门踏板开度值，随后还需对其进行PT1过滤和合理性检查，以保证油门踏板对发动机的平稳控制。

油门踏板开度到扭矩的转换通过基于油门踏板开度和发动机转速的驾驶员需求扭矩MAP中插值出推进扭矩实现，推进扭矩再加上传动系最小扭矩得到驾驶员需求扭矩，该扭矩不能大于传动系最大扭矩。传动系最小扭矩是发动机摩擦扭矩和高压油泵需求扭矩组成的发动机最小扭矩与交流发电机、空调以及伺服泵等附件消耗的扭矩之和，为负值。传动系最大扭矩是根据发动机转速从发动机外特性关系曲线中插值出来的发动机最大扭矩与发动机附件消耗的扭矩之和，为正值。

当有制动需求时，制动选择模块根据制动需求类型进行扭矩切换，以实现急减速断油。制动选择模块输出的传动系输入扭矩是发动机曲轴输出的扭矩，该扭矩减去负值的发动机最小扭矩就得到了发动机的内部扭矩。由于发动机产生的扭矩不能为负值，所以应与0取大。当不踩下油门踏板时，内部扭矩被限制为0，发动机进入怠速工况，此时低怠速管理模块被激活，计算出低怠速需求扭矩以保证发动机在最小运转转速下运行，在限制扭矩不小于0后，得到发动机指示扭矩，进入到扭矩/油量转换模块。

该扭矩计算方法通过采用模块化设计，思路清晰，结构简单，操作性强，相比于传统的机械式柴油机有利于提高对发动机控制的灵活性和可靠性。

1.1 需求扭矩控制策略

评价急加速和急减速过程控制优劣的指标主要有3个：1）响应时间短；2）燃油经济性好；3）排放少。对喷油量的控制是急加速和急减速过程控制的主要方面，在基于扭矩的高压共轨系统中，喷油量是通过计算扭矩再经转换得到的，因此对需求扭矩的控制是控制急加速和急减速过程的重点。

在急加速过程中，需要加大喷油量，然而由于涡轮增压器的惯性使得柴油机在急加速过程早期处于近似于自然吸气的状态，喷油量的增加远远快于进气量，导致空燃比过小，燃烧恶化。因此在驾驶员踩下油门踏板后应尽快增大发动机需求扭矩，让发动机转速迅速上升到目标转速，缩短发动机的加速时间，满足驾驶员的加速意图，但在油门踏板开度稳定后，随着转速的上升，应逐渐减小需求扭矩，以避免发动机飞车和燃烧继续恶化，从而实现对加速过程的平稳控制。

在急减速过程中，随着油门踏板开度的减小，应迅速减小需求扭矩，以使转速迅速地下降到目标转速，在油门踏板开度稳定后，随着转速的下降应逐渐增大需求扭矩以避免发动机熄火。

1.2 减速断油控制策略

在急减速过程中，突然关闭油门时，如果不切断燃油供给，由于喷油量小导致雾化效果不好，将导致在此情况下发动机的燃烧和排放恶化，且不利于车辆的迅速制动。所以当发动机高速运转过程中油门踏板被完全放开时，应进行减速断油，暂时停止燃油喷射，直到油门踏板再次被踩下时切换到正常喷油量，或等到发动机转速下降到某一设定值（900 r/min）后切换到怠速油量。

图2所示为减速断油控制逻辑图。当完全放开油门即油门踏板开度为0，且驾驶员需求转速不大于低怠速转速下限（800 r/min），同时制动模式预选择标志位等于3时，则判定为需进行减速断油，制动状态标志位置1，此时发动机扭矩从油门踏板开度计算出来的驾驶员需求扭矩切换到最小制动扭矩。驾驶员需求转速由油门踏板开度从驾驶员需求转速曲线插值得到，与油门踏板开度成正比。制动模式预选择信号来自CAN或硬件PIN脚，标志位3表示低怠速预选择，即驾驶员意图使发动机进入低怠速工况。

最小制动扭矩为发动机从高转速迅速制动到低转速时所需的最小摩擦扭矩，为负值。最小制动扭矩由从基于发动机转速的制动扭矩曲线插值加上发动机最小扭矩，并减去交流发电机、空调及伺服泵等附件的需求扭矩得到。

图2 减速断油控制逻辑图

2 扭矩/油量转换

图3所示为扭矩/油量转换策略示意图。扭矩/油量转换通过发动机转速和发动机指示扭矩从扭矩/油量转换MAP中经过线性插值实现。扭矩/油量转换MAP是在不同发动机转速下所对应的一组转换曲线族，需要在发动机台架上试验标定得出。线性插值方法为：先将发动机指示扭矩和发动机转速输入到扭矩/油量转换MAP中，以发动机转速为指针，从三维的扭矩/油量转换MAP中插值出扭矩/油量转换曲线，再根据曲线插值出指示扭矩所对应的基本油量点。基本油量还须除以当前扭矩/油量转换效率修正因子，得到设定喷油量，最后再加上轨压限制修正油量，以防止在急加速和急减速等过程中油量急剧变化导致轨压产生较大的波动，从而得到最终的喷射油量。

图3 扭矩/油量转换策略示意图

3 轨压控制策略

柴油机急加速和急减速过程都属于瞬态工况，轨压变化幅度往往较大。在急加速过程中，喷油量急剧增加，需要快速建立轨压，而由于泵油系统的滞后，导致在轨压上升后期带来轨压超调，即目标轨压与实际轨压之间产生较大的负偏差。而在急减速时，喷油量快速下降，需降低轨压，然而同样由于泵油系统的惯性，导致在轨压下降后期目标轨压与实际轨压之间产生较大的正偏差。轨压控制的目的是根据喷油量和发动机转速计算出当前的目标轨压，通过轨压控制器的调节使轨压能够实时地随喷油量的变化而做出相应的改变[5]。

3.1 目标轨压计算

为精确控制轨压，需先计算当前所需的目标轨压，作为轨压控制的目标基准值，即轨压的最终调节目标。随后根据目标轨压与实际轨压之间的偏差通过控制器的调节来减小偏差。

目标轨压的计算流程如图4所示。针对不同工况的需求，应先根据发动机转速和总喷油量从基础目标轨压MAP中插值出基础目标轨压。此外，由于外界环境的变化会对柴油机系统产生较大的影响，此时轨压自身和喷射系统对轨压的需求会产生相应的变化，因此需根据水温、大气压力、进气温度和燃油温度对目标轨压进行修正。由于开启高压油泵电磁阀的能量由蓄电池提供，蓄电池供电能量不足将影响轨压的控制，因此目标轨压应经过蓄电池轨压最小值的限制。此外，为防止目标轨压出现大幅度的阶跃性的变化，需对目标轨压的变化步长进行限制。

图4 目标轨压计算流程图

3.2 轨压闭环控制策略

为保证对柴油机急加速和急减速过程的平稳控制，轨压控制系统不但要确保轨压控制的稳定性和稳态精度，即稳态性能；更要确保轨压控制的跟随性和跟随精度，即动态性能，因此应采用闭环控制。

图5所示为轨压闭环控制逻辑图。轨压闭环控制以PID控制为核心，通过给定目标轨压与实际轨压的偏差Δp，将Δp的比例（P）、积分（I）和微分（D）经过线性组合构成控制量，对高压油泵的供油量进行调整，以减小Δp。比例模块的作用是即时成比例地反映偏差，一旦产生偏差，立即产生控制作用。积分模块的作用是不断累加偏差，加大对偏差的控制力度，以消除静差，提高系统的无差度，但如果积分的调节作用太强会引起系统振荡，此时需通过积分冻结器分离积分作用。微分延迟模块的作用是反映Δp的变化趋势，减小超调量，改善系统的动态响应，同时提高轨压控制系统的高频抗干扰能力。由于工况的不同对轨压的需求也不同，固定PID参数不能满足对轨压的控制要求，因此需通过PID参数选择器针对不同的工况选择合适的PID参数，以改善轨压控制效果。

图5 轨压闭环控制逻辑图

PID的调整流量加上轨压预控制模块输出的轨压预控制流量得到油量计量单元流量。轨压预控制模块的作用是通过考虑共轨管中燃油的泄漏量、发动机转速、总喷油量和多次喷射等因素对轨压的影响，计算出一个轨压预控制流量，以减小轨压控制系统的延迟时间，并使偏差保持在较小的范围内。

4 试验结果

为测试上述控制策略对急加速和急减速过程的控制效果，在一台3.0 L 4缸高压共轨柴油机上进行了柴油机急加速和急减速台架试验，并通过ETAS公司的INCA5.4标定软件对柴油机电控ECU进行实时在线监测与标定。

在急加速和急减速过程中，油门踏板给柴油机控制系统的输入信号近似于阶跃信号，因此可运用自动控制理论，通过考察柴油机控制系统在典型信号输入下的动态性能和稳态性能来评价该控制系统的性能[6]。

图6所示为高压共轨柴油机急加速过程台架试验控制效果。

图6 急加速试验

从图6可以看出，柴油机转速在1240 r/min时，开始输入从9%到24%的近似于阶跃信号的油门踏板开度，为尽快达到目标转速，柴油机扭矩在出现90%的超调后迅速下降到68.5 N·m的最终稳定值，上升时间为0.4 s，调节时间为3 s。转速的上升则稍滞后于油门踏板开度，在3s后转速从1240r/min上升到2240r/min。由前文分析可知，循环喷油量与发动机扭矩之间存在对应关系，它们的变化趋势是一致的。由图中轨压变化趋势可以看出，不论目标轨压还是实际轨压都保持了很好的稳态性能和动态性能。由以上分析可见，上述急加速过程的控制策略可使高压共轨柴油机控制系统在急加速过程中，响应迅速，控制稳定，具有理想的动态性能和稳态性能。

图7所示为高压共轨柴油机急减速过程台架试验控制效果。

图7 急减速试验

从图7可以看出，柴油机开始以2020r/min的转速正常运转，当油门踏板开度突降为0，ECU判断此时柴油机满足执行减速断油策略的条件，柴油机指示扭矩立即被限制为0，使得循环喷油量也减小为0，柴油机停止喷油，轨压也随之下降，但仍保持一定的轨压。随着发动机转速下降到900 r/min以下，开始由低怠速管理模块控制发动机，柴油机扭矩切换为低怠速需求扭矩，循环油量切换到怠速油量，ECU恢复喷油，柴油机转速最终下降至目标怠速。由于供油泵系统的惯性，导致实际轨压过渡到低怠速工况下的目标轨压时出现了较大的偏差，但随着恢复喷油，两者又很快保持了一致。由以上分析可见，上述针对急减速过程的减速断油控制策略实现了柴油机从高速运转工况到低怠速工况的平稳过渡，改善了柴油机急减速性能。

5 结论

1）采用基于扭矩的柴油机急加速和急减速控制策略可有效改善柴油机的急加速和急减速性能，实现转速和工况的平稳过渡。

2）在急减速过程中，当油门踏板开度突降为0时，采用减速断油控制策略可改善柴油机的制动响应，使柴油机转速快速平稳地进入目标怠速。

3）在急加速和急减速过程中采用轨压闭环控制策略使得轨压控制具有良好的稳态性能和动态性能。

1肖文雍，冒晓建，杨林，等.GD-1高压共轨电控柴油机急减速控制策略研究的研究[J].车用发动机，2005（2）：35～37

2边晓婷.高压共轨柴油机控制策略的研究[D].山东：山东大学，2012

3Constantine D.Rakopoulos，Evangelos G.Giakoumis.Diesel engine transient operation-Principles of operation and simulation analysis[M].Springer，2009

4王延岭，欧阳明高，卢青春，等.车用电控柴油机瞬态过程控制研究[J].汽车工程，1999，21（6）：338～343

5徐劲松，申立中，王贵勇，等.高压共轨柴油机轨压复合控制策略的研究[J].内燃机工程，2012，33（2）：54～59

6胡寿松.自动控制原理简明教程第二版[M].北京：科学出版社，2008

Study on Control Strategy of Torque Based Abrupt Acceleration and Abrupt Deceleration Process for High Pressure Common Rail Diesel Engine

Liao Liangyu，Xu Jinsong，Shen Lizhong，Bi Yuhua
Faculty of Transportation Engineering，Kunming University of Science and Technology（Kunming，Yunnan，650500，China）

In view of the particularity of abrupt acceleration and abrupt deceleration process，on the high pressure common rail diesel engine，combined torque based control algorithm，torque calculation，torque/fuel conversion and rail pressure control strategy of abrupt acceleration and abrupt deceleration process was proposed.The control strategy was real-time monitored and calibrated by engine test bed using the INCA 5.4 calibration software of ETAS.The test results show that this control strategy can control abrupt acceleration and abrupt deceleration process smoothly，and improve the response performance of the diesel engine.

High pressure common rail diesel engine，Abrupt acceleration，Abrupt deceleration，Control strategy

TK421

A

2095-8234（2014）04-0001-05

2014-05-14）

国家自然科学基金资助项目（61263026）。

廖亮宇（1991-），男，硕士研究生，主要研究方向为柴油机电控技术。