车载高压共轨柴油机燃油喷射系统控制策略分析(下)

◆文/江苏 高惠民

(接上期)

(6)预喷射

通过在压缩行程期间少量燃油(约1mg)的燃烧提高主喷射开始时刻汽缸内的压力和温度，能够缩短主喷射的着火滞后期，这能降低燃烧产生的噪声。但是，因为减少了预混合燃烧的燃油份额，同时增加了扩散燃烧的燃油量，以及提高了汽缸中的温度，会使炭烟颗粒和NOx排放有所增加。另一方面，冷启动和低负荷范围内，较高的燃烧室温度对稳定燃烧，降低HC和CO排放是有利的。通过预喷射与主喷射之间间隔时间和预喷射油量的匹配，有利于根据运行工况点调整燃烧噪声与NOx排放之间较好的折中。

(7)早后喷射

在共轨喷油系统中，后喷射能够直接紧跟在主喷射后面实现连续的燃烧，使炭烟颗粒以这种方式后续燃烧，从而能使碳烟颗粒排放减少20%～70%。

(8)晚后喷射

晚后喷射的燃油并不参与燃烧，而是靠废气中的余热汽化。这种后喷射位于主喷射之后的做功行程，或直至上止点后(OT后)200°KW(KW曲轴缩略语)的排气行程，将精确计量的燃油喷入废气中，这种废气—燃油混合气在排气期间通过排气门被输往废气后处理装置中。

晚后喷射主要为碳氢化合物在催化转换器中的氧化反应提高废气温度。这种措施用于连接废气后处理系统(颗粒捕集器或存储式NOx催化转换器)的再生。

因为这种晚后喷射会导致发动机机油被柴油稀释，因此它们必须由发动机制造商来进行程序调整。

四、高压共轨柴油发动机燃油喷射系统的过量空气系数λ调节

以上所述的高压共轨柴油发动机喷油量控制，除了怠速转速有转速反馈，使发动机转速稳定在目标怠速上的闭环调节外，其余工况都是根据传感器输入信号，查MAP图得到喷油器可执行的喷油脉宽。这种喷油量的确定和调节只是属于开环控制。但是随着车载柴油发动机排放法规的限值越来越严厉，特别是轿车用的高压共轨柴油发动机，除了优化发动机燃烧之外，对废气排放具有重要意义的反馈控制功能变得越来越重要，其中实施过量空气系数λ调节为柴油发动机减小排放提供了有效措施。

图12 轿车柴油发动机λ调节系统图

应用λ调节的喷油闭环控制，是采用安装在排气管道中的宽带式氧传感器(图12)，测量废气中的氧浓度，此氧浓度与进气系统中新鲜空气氧浓度(约21%)比较得到一个偏差值，用这个偏差值使发动机学习到在每个工况点的空燃比(过量空气系数λ)修正值，并且应用到喷油量平均值的调节过程中，控制发动机燃烧达到目标空燃比，这就是利用氧传感器的信号调节喷油量平均值的自适应功能。

1.基于λ调节的废气再循环

从柴油发动机燃烧分析，是属于过量空气下的高速、高温、高压燃烧。而且混合气λ值要比汽油机大，增压柴油发动机全负荷时的λ=1.15～2.0，怠速和空负荷运行时提高到10。因此，混合气燃烧时过量空气中的氮在高温下氧化生成NOx，成为柴油发动机的主要排放物之一。通过废气再循环(EGR)系统将废气回引到进气管中与新鲜进气混合后充入汽缸, 可以降低进气中的氧浓度, 并且由于混合气的比热容增大使缸内燃烧的峰值温度降低, 从而可以有效抑制NOx生成。

喷油量平均值自适应功能为对废气调节回路中的EGR率形成提供一个精确的喷油量信号。而且EGR的修正对废气排放具有重大影响。喷油量平均值自适应功能在低速部分负荷范围内工作，它查明对所有汽缸平均的喷油量偏差。图13示出了喷油量平均值自适应功能的基本原理。

图13 喷油量平均值自适应功能的基本流程原理图

用氧传感器和空气流量计信号计算实际喷油质量，并与喷油量额定值进行比较，两者的差值被存储在自适应特性曲线场中规定的“学习点”上，从而确保发动机即使在动态运行工况变化的情况下也能确定运行工况点特有的喷油修正量。这些修正量被存储在ECU的EEPROM中，在发动机启动时立即就可提供使用。

2.全负荷烟度限制

图14示出了采用氧传感器限制全负荷烟度功能的调节流程原理图。该功能的目标是控制不超过所规定碳烟颗粒排放值的最大喷油量。

图14 λ调节限制全负荷烟度的基本流程原理图

用空气流量计和发动机转速传感器的信号计算出整个烟度极限值特性曲线场中的λ额定值(λsoll)。再用该值与实时进气流量一起计算出最大喷油量的预调值。λ调节作用就是由λ额定值(λsoll)与λ实际值(λist)的差值计算出一个修正喷油量，预调喷油量与修正喷油量之和就是精确的全负荷最大喷油量。这种通过预调节再叠加λ调节，可以改善调节精度，达到良好的动态性能。

3.非正常燃烧的识别

借助氧传感器信号能在汽车行驶中识别非正常燃烧，即当氧传感器的信号低于规定的计算阈值时，发动机ECU判断为非正常燃烧，这时通过关闭节气门和EGR阀而停机。这种非正常燃烧的识别是发动机的一种附加安全保护功能。

4.λ调节的影响

应用这种基于λ调节的废气再循环，能大大降低因制造误差或部件老化而使功能变化造成汽车废气排放的离散度，为此应用喷油量平均值的自适应功能。

此外，使用λ闭环调节能精确控制全负荷的碳烟颗粒排放，并能检测到发动机非正常燃烧。除此之外，氧传感器高精度的信号，使得λ调节应用在NOx催化转化器再生过程中。

五、故障案例

1.故障现象

一辆2007款丰田考斯特轻型客车，车型XZB53L，装备N04C共轨带涡轮增压柴油发动机，客户报修车辆最高车速只能达到110km/h，而其公司同型车辆能达到120km/h以上。经销店对车辆进行检查，并未发现明显异常，推测为供油泵故障，更换供油泵总成后，但故障未排除，故请求笔者技术支援。

2.故障诊断

笔者接车后，试车确认故障。该车在高速公路上以5挡行驶中，将油门踏板踩到底，最高车速只能达到110km/h(车速表显示的车速)。而该车在110km以下行驶无加速不良以及行驶异响等异常现象，排气管不冒黑烟。用故障诊断仪检测，无故障代码储存。将故障车电控燃油喷射系统数据流(图15)与正常车电控燃油喷射系统数据流(图16)对比进行分析，发现两点异常。

图15 故障车电控燃油喷射动态数据流

图16 正常车电控燃油喷射动态数据流

(1)将油门踩到底以5挡行驶时，故障车车速最高只能达到108km/h，发动机最高转速3 142r/min。正常车车速最高可以达到120km/h，发动机最高转速可达到3 400r/min。

(2)将油门踩到底以5挡行驶时，故障车进气压力(MAP)先上升到200kPa，约36秒后降到142kPa。而正常车进气压力(MAP)也是先上升到200 kPa，随后降到182kPa便保持住了。

根据检查的动态数据流分析，推测故障车在高速运行时发动机进气压力无法维持，判断可能有以下原因，并进行了相关检查：

①参照维修手册检查涡轮增压压力，停车状态下，油门踩到底，发动机转速3 600r/min时，涡轮增压力瞬间上升到70kPa，随后立即下降，正常。

②使用SST检查涡轮增压旁通阀作动状态，在施加114kPa时，旁通阀推杆移动，正常。

③检查空气滤清芯是否堵塞或吸瘪，未发现异常。

④检查涡轮增压器到进气歧管之间的进气管(高压侧管路)无漏气。

⑤检查空气滤清器到涡轮增压器之间的进气管(低压侧管路)，发动机转速达到3 100r/min以上时，低压侧进气管的前端部(橡胶部)发生凹陷(图17)。3 100r/min以下没有问题。

⑥拔掉进气管路试，该车能轻松加速到120km/h以上。

通过以上检查可以判断，该车由于低压侧进气管的前端橡胶材料不良，导致发动机高负荷状态运转时被吸瘪，阻碍了吸入空气的流量，从而导致发动机加速不良。

图17 进气管被吸瘪的状态

3.故障排除

更换进气管(图18)后试车，该车加速一切正常，故障排除。

图18 故障车进气管

六、结论

高压共轨电控柴油发动机的负荷调节采用“质”调节，基本喷油量是发动机转速和油门踏板位置开度信号的函数，而为限制全负荷碳烟颗粒排放超标，发动机的最大喷油量是依靠发动机吸入的空气质量或进气压力等信号进行校正。

在高压共轨燃油喷射系统中，除了燃油喷射系统之外，影响汽缸充量(即进气门关闭后汽缸中的混合气，它由吸入的新鲜空气和上个循环燃烧的残余废气组成)的进气系统同样也具有特别重要意义。它的作用起到净化吸入的空气，保障汽缸充量的运动、密度和成分，是决定发动机输出转矩和功率以及废气成分的重要参数。上述的丰田考斯特轻型客车最高车速受到限制的故障就是一个进气管道受到阻碍，造成进气压力下降而达不到目标喷油量的影响。

（全文完）