柴油机低温预混合燃烧稳定性控制方法

方 成，杨福源，陈 林，李 进

（1.清华大学汽车安全与节能国家重点实验室，北京 100084；2.上海汽车集团股份有限公司技术中心，上海 201206；3.常州易控汽车电子有限公司，江苏 常 州 213164）

随着环境污染和能源危机的加剧，节能减排成为发动机行业的迫切任务。柴油机低温燃烧既能保持柴油机效率高的优点，又能产生较低的排放，它可以通过燃料早喷、小锥角喷油器喷油和上止点附近燃料晚喷等方式来实现。上止点附近晚喷的技术特点是在上止点附近高压喷射燃油，配合使用较大的EGR率。燃油晚喷和EGR的应用使得燃烧滞燃期延长，燃油和空气的混合时间更长，使用较高的燃油喷射压力也会促进油气均匀混合［1－5］。上止点附近晚喷的燃烧模式也称为低温预混合燃烧（PCCI）。PCCI燃烧需要有1次预喷射稳定燃烧，燃烧放热主要在压缩上止点后进行。PCCI由于空燃比小（EGR率较大），放热偏后，燃烧不稳定［6］，需要对燃烧稳定性进行控制。

常用的燃烧反馈信息包括曲轴转速信号、爆震信号、离子电流信号和缸压信号。缸压信号是目前最直接、包含燃烧信息最丰富的反馈信号，广泛用于燃烧控制研究中［7－10］。

本研究在基于缸压信息的燃烧闭环控制基础上，提出了燃烧状态稳定性指标、燃烧状态不稳定判据和分阶段的燃烧状态稳定性控制方法，并在1台2.5L高压共轨柴油机的台架试验中对控制效果进行了验证。

1 系统说明

1.1 发动机及台架

本研究所用发动机为直列四冲程、直喷、水冷、增压、中冷、2.5L高压共轨柴油机，对原机进行改造，加装了VNT系统和EGR系统。发动机部分参数见表1。

表1 发动机参数

研究所用设备有HT350交流电力测功机、MEXA－7100DEGR排放分析仪、AVL439不透光烟度计和AVL472颗粒分析仪等（见图1）。

1.2 发动机控制系统

原发动机使用的电控单元（ECU）是Bosch EDC16，本研究基于自主ECU进行。该ECU使用Freescale MPC5634M32位高性能单片机，单片机CPU频率达到80MHz［11］。该ECU支持6～32V宽电压输入，可以处理32路模拟信号、20路开关信号、4路PWM信号和2路转速信号，能够驱动20路开关型负载、8路PMW负载、1路直流电机负载和8个喷油器。

1.3 缸压信号分析单元

发动机每缸都配置1个压阻式缸压传感器，用于实时反馈各缸缸内压力。自主设计的缸压信号分析单元（iCAT）用于缸压信号采集与分析。iCAT基于曲轴转速信号在压缩冲程和做功冲程每0.2°曲轴转角采集1次缸压信号，在排气冲程和进气冲程每1°采集1次缸压信号；然后根据采集到的缸压信息，计算各缸的pi（平均指示压力），θCA50（累计放热50%的曲轴转角）等燃烧状态指标，并通过CAN总线发送给ECU。

pi按照式（1）进行计算：

式中：Vs为单缸排量；pk为当前角度采集的缸压；pk－1为上一角度采集的缸压；Vk为当前角度气体容积；Vk－1为上一角度气体容积。k从进气冲程开始计数，整个循环取值范围为1～2 520。

各个曲轴转角对应的气体容积按照式（2）计算：

式中：θk为当前采样对应的角度；Vc为气缸剩余体积；D为活塞直径；r为曲柄半径；l为连杆长度。

按照热力学第一定律，并忽略缸壁传热，可得到离散化的瞬时放热率计算方法：

式中：γ为绝热指数，取1.4进行计算（忽略气体组分变化和温度的影响）。

累计放热率QA表征在某个曲轴转角位置已累计放出的总热量，可以通过瞬时放热率累加得到：

式中：QA为当前角度累计放热率，Qk－1为上一角度累计放热率；θk为当前角度；θk－1为上一角度。

得到累计放热率后可以得到放热总量，通过扫描比较即可得到累计放热50%的曲轴位置即θCA50的值。

1.4 燃烧闭环控制系统

在ECU控制策略中，通过pi和θCA50的双闭环PID控制器对晚喷定时和晚喷油量分别进行控制，实现燃烧闭环控制（见图2）。

利用iCAT解析出上一循环的pi和θCA50，对各缸当前循环的喷油定时和喷油脉宽进行独立控制。燃烧闭环控制能够提高燃烧的均衡性和稳定性［12］，但是，由于燃烧是空气系统、燃油系统和润滑系统等的综合作用，特别是在PCCI燃烧下，燃烧对环境的变化特别敏感，所以即使采用燃烧闭环控制，仍然会出现不稳定现象。

2 燃烧状态稳定性评价指标

从燃烧状态指标中快速、有效地获得燃烧状态稳定性评价指标是进行燃烧状态稳定性控制的基础。常用的燃烧状态稳定性评价指标是最大燃烧压力在一定时间窗口期内的方差，该指标计算量小，且较为直观地反映了燃烧动力输出的循环波动。但该指标对PCCI燃烧不一定适用，因为在燃油晚喷方式下，最大缸压不一定由燃烧导致，而可能由活塞压缩产生。

在本研究中，为了能更好地反映PCCI－CI组合燃烧下燃烧状态稳定性，使用θCA50在一定时间窗口的方差σ2CA50作为燃烧循环波动的评价指标：

对标准差进行归一化，定义θCA50波动率ηCA50为燃烧状态稳定性评价指标：

当ηCA50＞1时，燃烧状态稳定性波动超出限值。但式（5）中标准差的计算方法耗费大量储存空间和计算负荷，特别在处理多缸数据时。本研究使用改进的标准差计算方法［13］：

对波动率计算进行仿真，假设状态量由小幅值正弦波（模拟高频的正常循环波动）、大幅值正弦波（模拟高频的不正常循环波动）和1个通过一阶PT1滤波的阶跃信号（模拟中低频变化，例如发动机的瞬态工况）叠加而成。使用改进的方差计算方法得到波动率1，使用标准的方差计算方法得到波动率2。

在第100次采样处，状态量出现大幅值高频波动，改进算法和标准算法都指示了该波动；在第200次采样处，状态量出现低频波动，改进算法和标准算法也都指示出了该波动（见图3）。可见，使用改进的标准差计算方法，能够指示出状态量的高频波动和低频波动。

但是，发动机低频波动是由于发动机瞬态工况变化引起的，并不是燃烧不稳定引起的，所以需要通过分析燃烧稳定性影响因素，把该低频波动过滤掉。

3 燃烧状态稳定性影响因素分析

在柴油机控制中，主要通过燃油系统和空气系统的协调来控制燃烧。

3.1 燃油系统的影响

燃油系统对PCCI燃烧状态稳定性的影响主要包括3个方面：

1）轨压 轨压越高，循环喷油量的波动越大，喷油量的不稳定导致燃烧状态的不稳定。由图4a可见，轨压引起的燃烧稳定性波动在限值之内。

2）预喷与晚喷间隔 PCCI燃烧中，需要将少量燃油通过预喷射喷入气缸内，引起的轨压波动和压力波会导致主喷油量的变化，从而影响燃烧稳定性，该影响随着预喷与晚喷间隔的减小而增大。

3）晚喷定时 PCCI燃烧中，晚喷定时与θCA50的平均值直接相关，晚喷使得燃烧在活塞下行过程中进行，燃烧的循环波动随着θCA50的推后而增大。图4b示出1 800r／min，120N·m的稳定工况下，燃烧状态稳定性指标随θCA50的变化。当θCA50超过上止点后24°曲轴转角后，ηCA50大于限值1，燃烧变得不稳定。

对于燃油系统，由晚喷定时决定的θCA50对于燃烧稳定性影响较大；轨压和预喷定时对燃烧状态稳定性的影响较小。

3.2 空气系统的影响

空气系统对燃烧稳定性的影响因素主要有：

1）新鲜空气流量 新鲜空气流量可以通过EGR率调节，当EGR率较大时，燃烧处于缺氧状态，则可能导致燃烧状态不稳定；

2）进气波动 进气波动包括进气压力波动和各缸进气量波动，这种波动来源于涡轮增压系统和EGR系统的循环脉冲工作特性以及进气管内压力波的传播特性。

因此，当燃油系统和空气系统对燃烧稳定性的主要影响因素都在稳定状态，而ηCA50＞1，才可判定燃烧状态不稳定。

4 燃烧状态稳定性控制方法

根据燃油系统和空气系统对燃烧状态稳定性的影响能力和响应时间，提出自适应的燃烧状态稳定性控制方法（见图5）。

1）当第i缸燃烧不稳定判据满足时（触发条件1），首先将第i缸的θCA50目标值提前，使之偏向压缩上止点，同时增加对应缸的预喷和晚喷的喷射定时间隔，此时第i缸的炭烟排放值可能受到θCA50提前的影响而增大；

2）经过n1个燃烧循环后，如果第i缸燃烧仍然不稳定（触发条件2），则增加新鲜空气流量（降低EGR率），其他3缸的燃烧也会受到新鲜空气量增加的影响，可能导致整机NOx排放的增加；

3）当再经过n2个燃烧循环后，如果第i缸燃烧仍然不稳定（触发条件3），则发动机燃烧模式强制切换为CI燃烧，则整机NOx和炭烟排放就无法受益于PCCI燃烧的控制效果。

5 试验验证

在发动机台架上对燃烧状态稳定性控制方法进行了验证，结果见图6。

在1 800r／min，120N·m的稳定工况下，手动调节θCA50目标值接近上止点后20°曲轴转角时，第2缸实际θCA50值的循环波动较大，在约165s时波动率超过限值，激活燃烧状态稳定性控制，将第2缸θCA50目标值提前2°曲轴转角，第2缸的晚喷提前角从上止点后2°提前到上止点1°曲轴转角附近。在θCA50实际值稳定在新目标值之前，由于控制器超调，总炭烟排放短时迅速升高，之后随着θCA50的稳定，炭烟排放下降，回归稳定，但总排放幅值仍较未控制前略有提升，θCA50的波动率在受控后下降到限值以内。

6 结束语

利用自主开发的缸压信号分析单元，采集缸压信号，计算pi和θCA50等燃烧状态指标，建立了燃烧闭环控制系统。提出了θCA50波动率表征的燃烧状态稳定性评价指标，并使用改进的标准差计算方法对指标进行计算。在分析燃油系统控制参数和空气系统控制参数对燃烧状态稳定性影响的基础上，提出了燃烧状态不稳定判据。设计了自适应的燃烧稳定性控制方法，分阶段通过θCA50目标值、新鲜空气流量和燃烧模式的调整来降低燃烧的不稳定性。通过发动机台架试验，验证了燃烧状态稳定性控制算法的可行性。本研究为后续多燃料自适应的研究提供了基础。

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［3］ Tomohiro Kanda，Takazo Hakozaki，Tatsuya Uchimoto，et al.PCCI Operation with Early Injection of Conventional Diesel Fuel［C］.SAE Paper 2005－01－0378.

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