英语原文共 8 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

---

利用缸内压力进行柴油机闭环控制的优势

德克·希夫 IAV汽车工程有限公司

拉尔夫·曼纽尔 IAV有限公司

韦斯利·纳尔多尼 ETAS有限公司

1摘要

排放法规，汽车自诊断能力和在汽车设计方面的其他要求的增加导致了越来越复杂的发动机控制系统。为了更好的满足这些要求，缸内燃烧控制系统因运而生，对柴油机而言，缸内燃烧控制系统更加重要。柴油机燃烧很大程度上依赖于自燃过程。因此对自燃过程的准确控制对柴油机是十分重要的，而且，对于均质压燃发动机而言，这将显得更为重要。

本文讨论了柴油机为了利用缸内燃烧进行控制所需要的配置，它也描述了缸内压力信号的数字化评价和进行合适的燃烧分析所必需的物理参数的计算，还描述了一些利用已经计算了的燃烧参数进行发动机控制的方法。

本文介绍了利用缸内压力信息进行电子发动机控制的一些优点。同时本文也指出了发动机控制在未来的一些挑战。

2简介

许多标定工程师利用燃烧分析来改善排放，燃油消耗率和发动机标定性能。发动机电控在优化发动机燃烧中发挥着重要的作用，空气温度和升压比这些发动机参数最终影响着缸内压力和燃烧。为了标定发动机参数去实现发动机的性能，标定工具是必需的。基于发动机的气缸压力管理，需要在每一个气缸上安装一个准确的，耐用的，便宜的气缸压力传感器。

3利用缸内燃烧进行控制的理由

利用缸内燃烧进行控制可以提供必要的手段来使得现代的内燃机达到更高的排放标准和性能要求，复杂的发动机控制系统使用气缸压力传感器所提供的燃烧数据保持发动机在最佳操作条件运转。

3.1优点

利用理论进行评估时，闭环控制的优点多于缺点，这些在下面有详细描述。

3.1.1准确的诊断

通过直接监测每一个气缸中的燃烧压力，得到的气缸压力的评价信息能够对燃烧过程进行准确的评价。气缸压力数据能够为在整个发动机的操作过程内进行准确的失火检测提供必要的信息。燃烧过程的直接测量能够尽早发现发动机的损伤并且避免随着时间的流逝而使发动机的损伤更加严重。发动机控制系统利用缸内压力信息来使得发动机在安全的条件下运行。而且，我们有可能使用这些燃烧参数作为排放模型（例如神经网络）的输入值，来得到模型的输出值，这些输出值可用于计算燃油消耗率和排放恶化程度。

3.1.2更低的排放

更快和更准确的燃烧控制能减少发动机的排放。燃烧参数的闭环控制减少了缸内压力的循环变动。尽管没有反应时间，准确的空燃比调整也是可能的，反应时间通常与氧传感器相关。与以前相比，气缸的压力数据使我们能利用更准确的排放模型成为可能，从而更好地控制排气后处理系统。

3.1.3更高的舒适度

气缸压力信息能够考虑到合适的气缸平衡，它能够平衡各缸之间的扭矩输出，从而减少发动机的振动。其他的像利用发动机的转速波动来保持气缸平衡的方法并不是那么的有效。

3.1.4准确的转矩接口

通过缸内压力数据能够直接计算发动机平均指示压力，利用这可以很容易的配置给发动机一个扭矩接口。利用发动机模型，根据发动机转速，平均有效压力可以计算出来。然后平均机械损失压力就可以计算出来，它是平均指示压力与平均有效压力之差。

3.1.5代替原来的传感器

通过气缸压力传感器监测得到的数据，我们得到的不仅仅是压力的信息，还有其他的信息，这些信息可以用来代替当前的一些传统发动机传感器：

凸轮轴传感器

爆震传感器

进气压力传感器

环境压力传感器

空气温度传感器

氧传感器

空气质量流量传感器

废气温度传感器

3.1.6更快的发动机标定

因为发动机标定是基于热力学模型的，所以当使用气缸压力信息进行标定时，发动机标定时间就减少了。因为我们知道的是关于气缸压力的数据，所以我们只需要较少的标定脉谱图就能补偿燃烧事件。

3.1.7改善燃油经济性

喷射系统的闭环控制可以更加准确的控制供油量，从而保证了发动机运行的可靠性。目前，柴油机燃油系统使用开环控制算法来控制供油量。因此，这些系统依赖于喷油开始的时刻。但是，闭环控制则可以弥补由于喷油延迟和点火延迟而导致的供油量不准确。

3.1.8降低噪声

燃烧噪声是由于气缸压力过高导致的，降低最高压力升高率能够使气缸内燃烧得更加安静。制造商结合气缸内的压力数据和一个可调的控制算法可以将燃烧噪声调节成他们所想要的结果。

3.1.9其他的优点

利用气缸压力信息对发动机进行管理也能够减小燃料变化的影响。通过调整已燃质量分数为50%的位置，使用气缸压力数据的控制算法可以补偿燃料变化（例如不同的点火延迟）。

3.2缺点

3.2.1气缸压力传感器的要求

正如之前所提及的，气缸压力传感器是利用缸内燃烧进行控制的关键因素。损坏了的传感器和没有校准的传感器会导致不准确的数据，传感器的关键要求是：

准确性

耐用性

低成本

3.2.2计算能力

实时气缸压力分析需要大功率的计算机和复杂的分析程序。

3.3其他的控制方法

还有其他的几种方法能够量化燃烧事件，这些方法列举如下：

离子传感

发动机转速分析

振动分析

非侵入式气缸压力测量

目前，直接测量气缸压力能够提供关于每个燃烧事件最准确的信息。相比于其他的方法，直接测量缸内压力的优点列举如下。

3.3.1相比于离子传感的优点

将利用离子传感对燃烧进行量化的方法与直接测量气缸压力数据的方法进行比较，直接测量气缸压力数据的方法有一些优点。测量实时的离子依赖于燃料性质（添加剂），电子电路设计，电热塞设计，空燃比（废气再循环利用率）和传感器位置。由于依赖于上面所提及的这些参数使其很困难去准确地量化燃烧。这些参数也使这个离子传感系统很难与其他的发动机概念联系起来。通过离子传感的信号，我们很难得到我们感兴趣的一些信息，例如最大压力的位置。通过测量的离子来进行空燃比的调整和放热计算也不一定是足够正确的。虽然把传感器整合到了电热塞中，但传感和发光不能同时进行。冷启动之后，余辉时间最多有3分钟，在这个重要的时期内，闭环控制燃烧过程是不允许的。

3.3.2相比于发动机转速分析的优点

可以用来提取燃烧信息的另一种方法是发动机转速评价方法。当前的分析表明，在发动机低负荷和高转速时，很难用这种方法进行准确的失火检测。与直接测量气缸压力得到的信号相比，从发动机转速信号中所得到的计算信号有一个更低的信噪比。

4数字缸压分析仪

数字缸压分析仪实时地从缸压传感器所监测到的瞬态数据中进行抽样。这些数据被用来计算峰值压力，峰值压力的位置和已燃质量分数为50%的位置等参数。通过CAN总线，数字缸压分析仪将燃烧信息发送到发动机控制单元。通过在软件中定义的算法，发动机控制单元使用燃烧信息对每一个燃烧事件进行闭环控制。

图1 数字缸压分析仪

4.1数字缸压分析仪的系统设置

图2 系统设置

气缸压力传感器与角度编码器都与数字缸压分析仪相连。根据这些信息，数字缸压分析仪正在计算所有的燃烧参数。发动机控制器与数字缸压分析仪之间通过CAN总线交换信息。

4.2数字缸压分析仪的系统概述

图3 系统框架图

一个数字缸压分析仪的功能概述图如图3所示，下面描述的是数字缸压分析仪的一些主要部件。

4.2.1信号调节器和A/D转换器

这个系统最多允许16个模拟输入通道。带有14位分辨率和高采样率的八个通道预留给气缸压力输入。在OPTRAND气缸压力传感器中，这个特别的单元设计了一个与光纤相连的前端。它可以控制压力传感器的发光二极管。其他的模拟输入通道有8位分辨率，它们在以后有一些特殊的用途。这些其他的模拟输入通道用于连接到一个感应式发动机转速传感器（曲柄轴），两个霍尔效应式发动机转速传感器（曲柄轴和凸轮轴）或者角度编码器。

4.2.2数字信号处理

将得到的气缸压力信号和曲柄转角信号进行采样，然后将采样后的信号传递到数字信号处理器的高速接口。燃烧的数据就在数字信号处理器中进行计算和处理。

4.2.3边缘部件

DZA-2的闪存部件中存储着程序的代码，并且用电脑应用能够更新这个程序。与外部世界进行沟通的物理通道是通过一个CAN连接来进行工作的，这个CAN连接被一个内置的CAN控制器所控制。

4.3气缸压力的采样

图4 气缸压力信号的采样

气缸压力信号的采样仪一个恒定的采样速率进行。我们要在某个恒定曲柄转角间隔内，计算平均的气缸压力。在一个恒定的曲柄转角间隔内，当发动机的以一个很低的转速运行时，将会有更多的采样标本被用来计算平均的气缸压力。在一定的曲柄转角间隔内取样就相当于队气压信号进行数字过滤。

4.4计算燃烧参数

通过数字缸压分析仪我们能实时计算下面的一些燃烧参数：

燃烧参数

峰值压力 峰值压力的位置 最大压力升高率 最大压力升高率的位置 平均指示压力 增压压力 燃烧始点 已燃质量分数为5%，50%和95%的位置 最大放热量

表1 数字缸压分析仪能够计算的燃烧参数

图5 示功图

图6 燃烧放热规律图

5燃烧参数的闭环控制

当前正在发展的一个控制算法是利用燃烧参数进行反馈控制。IAV的发动机控制单元使用的软件产品ASCET-SD的算法也在不断的发展。该算法在发展过程中的一个焦点问题是一个重型八缸柴油机的喷射时机的闭环控制。

5.1喷射时机的闭环控制

柴油机喷射系统的要求正在急剧地增加。例如，喷射系统需要知道一个小的和精确的喷射起始点。目前市场上，基本上所有的燃油喷射系统，都采用的是喷射时机的开环控制系统。线圈喷油器或者压力喷油器都是被发动机控制单元所驱动。开环控制的这种方法忽视了两个方面的因素，一个因素是循环变动和气缸差异，另一个因素是点火延迟和喷射延迟。零件设计中的公差和喷油器的磨损都会导致喷射延迟。这里也有几个原因会导致点火延迟，柴油机使用的原料的变化，每个气缸的进气温度的变化和每个气缸的压缩比的变化这些因素都会导致点火延迟。喷射时机的闭环控制可以弥补喷射延迟和点火延迟。闭环控制系统可以使用已燃质量分数为50%的位置作为一个反馈信号，来改变喷射起始点。将已燃质量分数为50%的位置作为每个发动机的操作点。通过控制喷射的时机来使已燃质量分数为50%的位置是我们所预想的位置。这个操作方法可以帮助我们减少并联气缸之间的不均匀。例如，我们可以调整并联的气缸中各个气缸已燃质量分数为50%的位置来解决由于进气空气的不均匀分布和进气温度的不均匀分布所造成的气缸之间的不均匀。

来自于每一个燃烧事件的反馈信号通过不断发展的算法使发动机的自诊断更加的准确。例如，当喷油器已经开始喷射了，柴油机的控制系统就要努力地探测此时燃烧是否已经发生。

上面所述的仅仅是一个利用缸压进行闭环控制从而更好地对柴油机进行控制的例子。

6结论

为了使柴油机有更好的燃油经济性，更低的排放，更顺畅的操作性，柴油机所需要满足的要求也在急剧地增加。因此柴油机控制系统也变得更加的复杂和精确。将从缸压数据中所提取出的燃烧信息与控制算法相结合从而来优化发动机的性能是可能的。利用缸压数据来减少发动机的标定时间也是可能的。燃烧过程的控制需要控制系统有非常高的精确性，而缸压信息的反馈控制则具有巨大的潜力能满足这个要求。

利用缸内压力信息进行控制的控制算法仍然在不断的发展。当前的关键是在燃烧阶段的控制和喷射时机的控制。

算法开发这项工作仍然在不断的前进着，下面是算法开发过

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

---

资料编号：[150496]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word