曾偉，顧欣，馬濤

(1.凱龍高科技有限公司，無錫 214000；2.上海柴油機股份有限公司產(chǎn)品研發(fā)中心，上海 200438)

0 引言

隨著機動車排放標準的日趨嚴格和不斷升級，GDI發(fā)動機需要采用更加先進而復雜的噴射模式和控制策略才能滿足其要求。而先進的噴射模式和控制策略則需要控制GDI噴油器在其原來很少用到的小油量區(qū)域內(nèi)(0.5 mg～3 mg的范圍)進行噴射。但是在小油量區(qū)域，噴油器特性曲線都是極其非線性的，且各噴油器特性曲線之間的離散性很大，噴油器油量偏差往往過大，油量一致性很差，很難控制各噴油器進行準確的油量噴射，因此必須要想辦法提高小油量噴射的一致性。

如果從機械設計或加工工藝上提高小油量噴射的一致性，則難度很大且成本很高，因此國外的相關研究都是希望通過對小油量進行軟件算法補償?shù)姆绞絹硖岣咝∮土繃娚涞囊恢滦?，這種方案具有不需要改進原噴油器結(jié)構、或進行少許改動、且整體成本低、實施方便的優(yōu)點。

針對上述問題和需求，提出了一種基于軌壓降的小油量補償策略。此策略并不是針對影響小油量的具體因素進行補償，而是基于GDI噴油器沒有回油的結(jié)構特點，且根據(jù)油量噴射前后的軌壓降與噴油量之間的特定關系(一般是線性關系)，通過測量小油量噴射前后的軌壓降特征值，來估算實際噴射的油量大小，并通過統(tǒng)計平均的方法[1]來保障估算油量的準確性。通過實時計算各噴油器的估算油量，在線重構各噴油器在小油量區(qū)域的噴油規(guī)律(即各軌壓下噴油量和噴射脈寬的關系)，進而各噴油器依據(jù)所重構的噴油規(guī)律來實施噴射，從而獲得比較高的小油量一致性[2]。

1 GDI噴油器小油量一致性研究

圖1試驗結(jié)果表明：當處于非線性區(qū)域(200～400 μs噴射脈寬)時，各噴油器的油量基本特性曲線差異較大，一致性較差。相對于噴油器油量均值，在非線性區(qū)域，有很多工況的油量偏差在20%以上，甚至有些工況點的油量偏差達到50%之間。而在大油量線性區(qū)域，特性曲線線性度與噴射一致性則很好，油量偏差一般都小于5%，滿足了使用要求。為了滿足更高的排放要求，先進的噴射模式需要進行多次小油量先導噴射(如0.5 mg～3 mg之間)，以滿足清潔燃燒需求，因此對小油量的一致性也有較高的要求，一般要求小油量偏差在20%以內(nèi)。

圖1GDI噴油器非線性區(qū)域油量特性曲線

從實驗結(jié)果可得出結(jié)論：由于GDI噴油器在小油量區(qū)域的噴射油量一致性比較差，很多工況的油量偏差都已經(jīng)在20%以上，甚至還有某些大于50%的。因此就需要開發(fā)一種小油量補償算法，來對小油量噴射進行補償，提高小油量噴射的油量一致性，以滿足更高排放的要求。

2 GDI燃油系統(tǒng)噴油量與軌壓降關系特性試驗

2.1 軌壓降特征值提取試驗

對于軌壓降的特征值進行探索性提取試驗，在單次噴射的前提下，對待測噴油器進行5次噴射(每個循環(huán)只噴射一次)后，進行軌壓降計算。

試驗在不同軌壓下，關閉泵油和除待測缸以外的其它噴油器，使待測噴油器連續(xù)噴射5個循環(huán)，記錄其噴射前與噴射后軌壓(記錄時間各為3個循環(huán))并測量噴射的實際油量。如圖2所示，單次噴射采集軌壓降的檢測經(jīng)歷了11個循環(huán)(時間為2 s)噴射前后的軌壓基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，波動很小。圖2中，噴射前軌壓為5.1164 MPa，噴射后軌壓為4.8234 MPa，計算得5次噴射的平均軌壓降為0.0586 MPa。

圖2多次噴射軌壓降提取

2.2 軌壓降與噴油量的關系特性試驗

在不同軌壓與噴射脈寬下重復2.2節(jié)的工作，可獲得待測噴油器各軌壓下的油量特性與軌壓降特性曲線數(shù)據(jù)，對其進行相關性分析。以噴油脈寬為橫坐標，噴油量和軌壓降分別為縱坐標，畫出的1～4號GDI噴油器非線性區(qū)域的軌壓降特性曲線與油量特性曲線如圖3所示。

圖3非線性區(qū)域噴射油量與軌壓降特性曲線

試驗發(fā)現(xiàn)各個噴油器的噴射油量與軌壓降皆成經(jīng)過零點的線性正相關，且不同噴油器的擬合曲線基本重合。四條線性擬合趨勢線的斜率平均值為5.432，如圖4所示。

圖4各噴油器油量與軌壓降關系

基于軌壓降與油量相關性，設計開發(fā)了燃油噴嘴小油量非線性區(qū)補償算法架構。如圖5所示，算法主要分為5大主模塊與13個子模塊，具體模塊如下：

圖5燃油噴嘴小油量非線性區(qū)補償算法

3 燃油噴嘴小油量補償策略實現(xiàn)

3.1 自學習狀態(tài)控制模塊

該模塊負責小油量補償算法的狀態(tài)標志設置與切換工作。控制模塊把油量補償算法分為三種狀態(tài)：

a)當未進行軌壓降估算油量時，狀態(tài)位設置為未學習狀態(tài)，此時根據(jù)油量到脈寬的轉(zhuǎn)換表格，查表求取噴射脈寬；

b)當完成軌壓降估算油量自學習后，狀態(tài)位設置為已學習狀態(tài)，此時根據(jù)各噴油器的估算油量學習表格進行油量到脈寬的轉(zhuǎn)換；

c)當狀態(tài)為未學習狀態(tài)，或是狀為已學習狀態(tài)，但需要進行噴油器老化補償時，置位軌壓降估算油量需求標志(如0代表為學習，1代表自學習，2代表已學習)，并判斷是否可使小油量軌壓降估算開啟自學習功能。如滿足軌壓穩(wěn)定要求(軌壓波動范圍小于閾值且穩(wěn)定一段時間以上)，則開啟油量自學習功能，此時狀態(tài)位設置為自學習狀態(tài)。

3.2 未學習狀態(tài)控制模塊

未學習的油量到脈寬轉(zhuǎn)換模塊：當處于未學習狀態(tài)時，根據(jù)軌壓與油量來查Q2T(油量到脈寬轉(zhuǎn)換)表格獲得未學習時的噴射脈寬1。

3.3 已學習狀態(tài)控制模塊

已學習的油量到脈寬轉(zhuǎn)換模塊：當處于已學習狀態(tài)時，根據(jù)學習獲得的各噴油器各自的估算油量學習表格來獲取已學習噴射脈寬?？墒褂门c各噴油器對應的學習表來求反函數(shù)，以此獲取各噴油器的噴射脈寬，即Linj=Map-1(P， Q估計)，并控制各噴油器的噴射，以在小油量非線性區(qū)域獲得較好的一致性。

3.4 自學習狀態(tài)控制模塊

當開啟自學習功能后，進入自學習模塊。此模塊分為9個子模塊，完成軌壓降估算油量的自學習更新功能。

a)自學習噴射模式及參數(shù)設置模塊：

在計算估算油量前，需要確認自學習模式與油量補償?shù)膮?shù)。

b)噴油泵油使能控制模塊：

c)噴油前軌壓采集模塊：

該模塊執(zhí)行噴油器噴油前軌壓采集、濾波與合理性判斷功能。

d)噴油器噴射管理模塊：

該模塊執(zhí)行噴油器噴射時的管理控制，設定合適的噴射次數(shù)與噴射脈寬2，以完成待測噴射器的噴射驅(qū)動。

e)噴油后軌壓采集模塊：

該模塊執(zhí)行噴油器噴油后軌壓采集、濾波與合理性判斷功能，并調(diào)用軌壓降計算模塊來獲得高精度的軌壓降。

f)軌壓降計算模塊：

史書描述溫瑞塘河的開鑿是在西晉武帝太康年間（公元280—289年），“橫陽周凱率眾治理永寧、安固、橫陽三江（今甌江、飛云江、鰲江）及瀕海地，疏鑿河道，引水入?！薄！盀l海地”是指溫瑞平原，即溫州周凱帶領民眾治理甌江、飛云江、鰲江及溫瑞平原，疏浚河道，開鑿塘河，引水到大海。溢流堰壩應在西晉武帝太康年間與溫瑞塘河同時建造，距今約1 730年。為防止潮水倒灌、咸水入河造成農(nóng)業(yè)減產(chǎn)甚至絕收，后人在堰壩上再修建陡門用于擋潮。

此模塊根據(jù)噴射前后壓力差，計算單次噴射的軌壓降并判斷其合理性，如滿足合理性要求，則存儲入MAP表中。當存儲了足夠多的軌壓降測量值后，計算軌壓降的平均值。

g)相關系數(shù)計算模塊：

此模塊根據(jù)輸入的軌壓查表獲取相關系數(shù)，以作為計算估算油量的前提。

h)油量估算模塊：

根據(jù)計算得到的軌壓降均值以及相關系數(shù)，來求取當前工況下的估算油量。

i)自學習油量更新模塊：

當處于自學習狀態(tài)時，此模塊對脈寬、軌壓進行自學習設置；并把各軌壓、脈寬下學習到的估算油量自動填寫入各噴油器對應的學習表中，以在學習完成后使用各噴油器對應的學習表來獲取噴射脈寬3。

3.5 噴油脈寬協(xié)調(diào)模塊

負責噴油器脈寬的協(xié)調(diào)工作，對輸入的未學習噴射脈寬1、自學習噴射脈寬2、已學習噴射脈寬3進行協(xié)調(diào)并輸出最終的噴射脈寬。

在未學習狀態(tài)時，使用給定的基本表格，進行查表求取噴油脈寬，并在合適的情況下開啟軌壓降估算油量學習功能。

在自學習狀態(tài)時，是指當前正處于小油量的自學習階段，需要進行不同軌壓、不同脈寬下小油量的學習；采集各噴油器不同軌壓和不同脈寬下的軌壓降，然后根據(jù)軌壓降與噴油量的相關系數(shù)來計算估算油量，并把計算到的估算油量值填入到各個噴油器對應的小油量學習表中；一般在發(fā)動機或整車出廠前，需要對裝在發(fā)動機上的各噴油器小油量進行自學習。當噴油器老化后，也需要在合適的情況下重新開啟小油量自學習功能，以改善老化后噴油器的小油量一致性。

在已學習狀態(tài)時，使用與各噴油器對應的學習表求反函數(shù)來獲取各噴油器的噴射脈寬，以在小油量非線性區(qū)域獲得較好的一致性。

4 燃油噴嘴小油量補償策略驗證

為了驗證小油量補償策略的有效性，將集成測試后的補償算法在GDI噴油器上進行驗證，以確補償算法的有效性與補償效果。

4.1 噴油器非線性區(qū)域油量與軌壓降相關系數(shù)確定

在不同軌壓下，對待測型號噴油器非線性區(qū)域的軌壓降與噴油量的特性曲線相關性進行分析并計算其相關系數(shù)，把獲得的相關系數(shù)制作成插值表。

對各軌壓下的軌壓降與油量每隔1 Mpar進行軌壓降與油量測量，并對其關系曲線進行線性擬合，經(jīng)過處理后，獲取各軌壓下的相關系數(shù)曲線如圖6所示。

圖6噴油器非線性區(qū)域油量與軌壓降相關系數(shù)

驗證試驗表明，當軌壓相同時，各噴油器的噴射油量與軌壓降皆成過零點的線性正相關，且不同噴油器的擬合曲線基本重合；因此，軌壓降與噴油量呈線性強相關性。通過對各軌壓下的軌壓降油量關系曲線進行擬合計算，可獲得相關系數(shù)曲線。

4.2 小油量補償策略估算油量與實際油量對比

使用補償算法對各軌壓下的油量進行估算，在獲得待測噴油器各軌壓下根據(jù)軌壓降估算的油量特性曲線后，將其與使用高精度天平稱量的實際油量構成的特性曲線進行比較，比較結(jié)果如圖7所示，實測油量與估算油量二者的偏差小于10%。

圖7各軌壓估算(實際)油量特性曲線對比

4.3 補償算法效果驗證

當關閉(開啟)油量補償算法時，在不同軌壓下，GDI噴油器以不同脈寬進行噴射。描繪軌壓降補償算法前后各噴油器不同軌壓下的非線性區(qū)域油量特性曲線，并分析各自油量偏差，如圖8～圖9所示。

圖8補償算法關閉下油量特性曲線

圖9補償算法開啟時的油量特性曲線

對多次噴射模式下油量補償前后油量特性曲線及油量偏差進行分析，發(fā)現(xiàn)使用算法補償后，各軌壓下噴油器小油量非線性區(qū)域的油量特性曲線更加趨向一致，小油量一致性得到明顯改善；噴油器間的實測油量最大偏差從70%左右下降為小于20%，滿足了小油量噴射控制要求。

5 量杯累計油量對比驗證

為了驗證算法的可靠性，挑選不同軌壓，不同脈寬下的小油量試驗點(試驗分別在5 MPa、10 MPa、15 MPa軌壓下進行，針對每個軌壓下挑選一個非線性區(qū)域小油量點，使用量杯接取未使用與使用補償算法后各噴油器噴射的油量，來對油量補償策略進行宏觀上的補償效果驗證。

對未使用補償策略與使用補償策略下分別獲得的量杯累積油量，進行目測，如圖10所示，觀察其補償后噴油量一致性是否好于補償前。

圖10非線性區(qū)域補償前后油量試管目測

試驗結(jié)果表明非線性區(qū)域補償前后的油量一致性有較大改善；在線性區(qū)域，補償前油量偏差較小，補償后的油量偏差有小幅改善。

6 結(jié)論

對GDI噴油器的小油量補償原理和方法進行了深入的試驗研究，成功開發(fā)和實施了GDI噴油器小油量補償策略，并在博世和馬瑞利的GDI噴射器上進行了補償效果的驗證，取得了較好的驗證效果。

需要指出的是，如果此補償策略后續(xù)應用到量產(chǎn)項目上，需要針對應用到車上的各種具體細節(jié)問題進行深入研究和開發(fā)。同時針對具體噴油器的小油量特性和需要達到的指標要求，需要在算法自學習效率與油量一致性目標方面進行一個平衡，即在達到指標要求的情況下盡量減少油量自學習的工況點數(shù)，以提高自學習速度和算法效率。