用于燃燒曲線造型的燃油噴射策略由多次小噴油量噴射組成，為使柴油機在進一步降低燃油耗的同時降低原始排放提供了很大的潛力。為了實現(xiàn)該方案，德國FEV公司與亞琛工業(yè)大學共同合作開發(fā)了一種自動標定方法。

1調(diào)節(jié)燃燒的動機

燃油耗、有害物排放和噪聲優(yōu)化是目前柴油機開發(fā)的關(guān)注焦點，這對燃油噴射的控制也起著極其重要的作用，因為所選擇的燃燒過程策略具有決定性的影響。

在過去幾十年中所作出的努力已有力推動了共軌燃油噴射系統(tǒng)（CR-KES）的發(fā)展，并將其用于當今轎車柴油機的現(xiàn)代燃油噴射系統(tǒng)，在降低高壓燃油泵摩擦損失的同時，其噴射壓力已高達250 MPa，目前新型的燃油噴射的每個工作循環(huán)能以較短的噴射間隔和較小的噴油量進行噴射。

但是，為了充分開發(fā)現(xiàn)代燃油噴射系統(tǒng)的潛力，僅采用傳統(tǒng)的控制方法是無法滿足的。當前的噴射策略大多采用單次或雙次預噴射，以及單次主噴射和單次后噴射，通常不采用多于4次噴射的噴油策略，以此限制標定過程的費用。此外，經(jīng)優(yōu)化處理的高壓燃油泵即使在中等負荷工況點也能應用高噴射壓力而不會使燃油耗惡化，但就目前而言，僅在高負荷運行工況點才會采用高噴射壓力。通過提高噴射壓力能有效改善廢氣再循環(huán)（EGR）的相容性，從而降低碳煙排放，但在傳統(tǒng)的噴射策略影響下，由于會同時提高燃燒噪聲并在燃油中摻入機油油膜而受到限制。

為了能繼續(xù)滿足未來法規(guī)的要求，需要充分利用燃油噴射系統(tǒng)的潛力，這就要采用燃燒速率曲線造型（CRS）方法來實現(xiàn)。

2燃油噴射管理的新方法

CRS的特征是一種經(jīng)擴展的噴射策略，可實現(xiàn)單次小噴油量和增加噴射次數(shù)，從而能在降低燃燒噪聲的同時優(yōu)化碳煙和氮氧化物（NOX）的排放沖突。

實現(xiàn)該噴油策略將面臨更高的標定費用，因為對于傳統(tǒng)的統(tǒng)計學試驗方法而言，增加噴射次數(shù)是巨大的挑戰(zhàn)，為此介紹一種自動化的標定方法。該方法以全面調(diào)節(jié)燃燒方式為基礎(chǔ)，其中整個燃油噴射形態(tài)包括噴射特性、各自的噴油起始點和噴油量，被用于調(diào)節(jié)參數(shù)。將整個燃燒曲線作為調(diào)節(jié)對象，可針對最佳熱力學性能對其特性進行標定。采用該方法就無需對燃油噴射形態(tài)進行標定。

3燃燒速率的管理

調(diào)節(jié)系統(tǒng)如圖1所示。在考慮到與運行工況點相關(guān)的邊界條件下形成的標定燃燒曲線及熱力學參數(shù)，其中要特別重視空氣管路中的狀態(tài)參數(shù)，例如增壓壓力、增壓空氣溫度和EGR率等。借助對所測得的氣缸壓力曲線的分析就能得知燃燒的實時狀況。

圖1 以CRS為基礎(chǔ)的調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)

CRS調(diào)節(jié)器是以物理模型為基礎(chǔ)的曲線造型，可將調(diào)節(jié)器的標定費用減少到最低程度，并達到最佳的可靠性。該調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)包含有一系列的物理子模型（圖2），其核心部分是一個反向的放熱模型，將預先設(shè)定的燃燒曲線轉(zhuǎn)換成液力噴油形態(tài)，而著火滯后模型對噴射起始點的正確識別起著重要的作用，噴油器模型則最后將液力噴油形態(tài)轉(zhuǎn)換成能直接觸發(fā)電控噴油器噴射的脈沖信號。

圖2 CRS調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)

標定燃燒特性可用不同的狀態(tài)曲線（如氣缸壓力、溫度曲線或放熱曲線）來確定，因為不同的狀態(tài)可用熱力學基本方程式推導得出。為了充分利用在熱力學領(lǐng)域的優(yōu)勢，對所需燃燒特性參數(shù)的選擇是非常重要的。最佳的特性參數(shù)（例如燃燒重心位置、峰值壓力或壓力升高率）可通過基于試驗設(shè)計（DoE）的標定方法來確定，并最終合成通過曲軸轉(zhuǎn)角進行分辨的標定燃燒曲線。目前，標定燃燒曲線是通過氣缸壓力曲線與α變化曲線進行合成而得到的（圖3）。

圖3 作為標定燃燒曲線的α變化曲線

壓力升高率（（dp/dα）max）、燃燒始點（SOC）和壓力限值（pmax）是較為重要的特性值，在該方法中必須對其進行標定。目前，所期望的高壓回線的平均指示壓力（IMEPg）在以曲軸轉(zhuǎn)角分辨的氣缸壓力曲線中得以充分考慮。

4熱力學潛力

采用CRS方法，可在寬廣的運行范圍內(nèi)將燃燒噪聲與碳煙排放進行分離。峰值壓力的升高速率與燃燒噪聲密切相關(guān)，因此通過對壓力升高速率的標定就可直接調(diào)節(jié)噪聲水平，同樣噴油壓力也能加以利用，以此可明顯降低碳煙的形成。

與此同時，提高噴油壓力也會導致較高比重的預混合燃燒，從而使燃燒噪聲較大，而采用基于CRS的調(diào)節(jié)方案就能避免此類情況的出現(xiàn)。因為噴油壓力的提高一定程度上會作為干擾因素而影響到燃燒過程，可通過對燃油噴射形態(tài)的適當干預，對此予以補償，從而能緩和噪聲-碳煙的目標沖突圖4示出了在NOX排放水平不變情況下的噴油壓力試驗方案。將90 MPa噴油壓力單次噴射的測量結(jié)果作為比較基準，在高燃燒噪聲的情況下碳煙值較低。在相同的邊界條件下，CRS調(diào)節(jié)器可實現(xiàn)多次噴射，結(jié)果一方面降低了燃燒噪聲，而另一方面卻使碳煙值有所增加。為了使碳煙值回復到最初的較低數(shù)值，在保持原氣缸壓力曲線不變的情況下就要提高噴油壓力，因而CRS調(diào)節(jié)器可在降低燃燒噪聲的情況下顯著減少碳煙值。

圖4 在壓力升高率不變和應用CRS情況下

噴油壓力試驗方案

為了進一步考察CRS的熱力學潛力，下面討論在單缸試驗發(fā)動機上的兩個穩(wěn)態(tài)運行工況點的性能，其中將其在燃油系統(tǒng)方面所建立的基本標定作為比較基準，而對于CRS運行規(guī)定的氣缸壓力曲線則在NOX排放水平不變的情況下使燃油耗和燃燒噪聲以及碳氫化合物（HC）、CO和碳煙排放之間達到最佳的折中。

基準試驗的噴油策略呈現(xiàn)0.6 MPa/°kW的急劇壓力升高率，從而導致較高的燃燒噪聲（圖5）。該現(xiàn)象歸因于較高的EGR率，可使滯燃期延長，并出現(xiàn)較大比重的預混合燃燒。為了限制峰值壓力升高率，CRS調(diào)節(jié)器自動將首次噴油量增加到5.4 mm3以縮短滯燃期，從而使燃燒噪聲比基準標定時降低4.5 dB(A)。

圖5 基于DoE的CRS方法標定結(jié)果與

符合歐6標準NOx排放水平情況下

低負荷運行工況點基準標定的比較

基準標定的燃燒重心位置（αX50）位于上止點后8.9°kW。燃燒向較早的方向調(diào)整能改善燃油耗，但是也會使燃燒噪聲進一步增大，而借助于CRS調(diào)節(jié)器能獲得上止點后7.3°kW較早的燃燒重心位置，可以限制燃燒噪聲，并能獲得比基準標定時低2.5%的燃油耗優(yōu)勢。

生成HC排放的典型機理即為猝冷熄火效應，該效應描述了在燃燒室壁面附近因溫度較低而使火焰熄滅的現(xiàn)象以及在燃燒極限內(nèi)較為稀薄的混合氣，例如在具有較高EGR率的低負荷運行工況點，可觀察到著火滯后現(xiàn)象加劇猝冷熄火效應的出現(xiàn)。與此相反，CRS調(diào)節(jié)器因增加了預噴射油量而獲得了較短的著火滯后。

降低HC排放的另一種方式是采用后氧化。在燃燒階段期間HC分子可能會擴散返回到燃燒氣體中，此處溫度較高，在有氧可利用的情況下就會出現(xiàn)后氧化。目前在燃燒階段CO和碳煙也會相應減少。圖5中所示出的CRS結(jié)果就包括了這兩種效應，在這個例子中與基準標定相比 HC排放降低了30.1%，CO排放降低了13.5%。

圖6示出了部分負荷運行工況點的試驗結(jié)果，其中應用CRS調(diào)節(jié)器的噴油壓力比基準標定提高了27%。該項措施因改善了混合氣而使碳煙減少了44%，同時CO排放降低了46.6%。雖然顯著提高了噴油壓力，但是CRS調(diào)節(jié)器卻因產(chǎn)生了更多的小油量噴射而降低了氣缸峰值壓力的升高速率，從而使燃燒噪聲水平降低了1.0 dB(A)。同樣，CRS方法也使著火滯后縮短，從而減少了猝冷熄火效應造成的影響。

圖6 基于DoE的CRS方法標定結(jié)果與

符合歐6標準NOx排放水平情況下

部分負荷運行工況點基準標定的比較

此外，較長的燃油噴束有利于形成HC排放，因為燃油噴束極有可能潤濕壁面，因此為了獲得所期望的扭矩，與基準標定相比CRS調(diào)節(jié)器可優(yōu)先產(chǎn)生更小的燃油噴束。正如之前所提到的低負荷工況點，燃燒階段由CRS調(diào)節(jié)器通過推遲噴射以增加噴油量，有助于后氧化的實現(xiàn)。與基準標定相比，可觀測到HC排放降低達64%的巨大潛力。

最后，為了評估CRS方法在認證試驗循環(huán)中的優(yōu)勢，將各種不同穩(wěn)態(tài)運行工況點的試驗結(jié)果用于試驗質(zhì)量為1 590kg車輛的全球統(tǒng)一的輕型載貨車試驗規(guī)范（WLTP）循環(huán)，為此在一臺4缸1.6 L柴油機上進行測量。標準循環(huán)試驗結(jié)果示于圖7，其中基準標定仍作為比較的基準。所選用的燃燒速率調(diào)節(jié)方法使得在NOX原始排放相當?shù)那闆r下，燃燒特性得以全面改善。

圖7 用于搭載4缸1.6 L柴油機的

1 590 kg車輛外推法WLTP認證

試驗循環(huán)的CRS方案與燃油系統(tǒng)常規(guī)標定的

熱力學試驗結(jié)果的比較

5燃燒速率調(diào)節(jié)的批量應用

為了沒有氣缸壓力信息的情況下，也能將CRS方法應用于量產(chǎn)發(fā)動機電控單元（ECU），下面介紹一種新型的標定方法（圖8）。該標定方法的第一步是采取基于DoE的標定方法以識別最佳的氣缸壓力曲線，根據(jù)DoE參數(shù)（燃燒始點、壓力升高率和峰值壓力限制）的系統(tǒng)變化確定發(fā)動機的最佳熱力學性能。對空氣系統(tǒng)具有重要意義的參數(shù)，如增壓壓力和EGR率的變化，將由CRS調(diào)節(jié)器作為干擾參數(shù)來考慮和補償，從而開啟對空氣和燃油系統(tǒng)進行平行標定的可能性。在試驗臺試驗階段期間，在快速控制樣機（RCP）系統(tǒng)中通過至ECU的一個旁路實施CRS算法。所屬的噴油形態(tài)由CRS調(diào)節(jié)器來識別，并最終儲存在ECU中與運行工況點的特性曲線場內(nèi)。

圖8 在試驗臺自動化系統(tǒng)中借助于

RCP方法對CRS調(diào)節(jié)器支持的

批產(chǎn)發(fā)動機電控單元燃油系統(tǒng)的標定程序

與常規(guī)方法相比，基于CRS的標定方法的另一個優(yōu)點是減少了標定費用。CRS方法可采集包括噴油壓力在內(nèi)的4個DoE參數(shù)，而常規(guī)標定方法則需要許多對噴射系統(tǒng)具有重要意義的參數(shù)，可根據(jù)所選擇的噴油形態(tài)的復雜性來度量。為了限制其復雜性，噴油次數(shù)往往被限制在3次（預噴射、主噴射和后噴射），為此還需要7個DoE參數(shù)。如圖9所示，標定過程的試驗費用隨著DoE參數(shù)數(shù)量呈指數(shù)增加。

圖9 燃油系統(tǒng)標定階段期間的試驗費用與

DoE參數(shù)數(shù)量和

DoE模型復雜性的關(guān)系

此外，相關(guān)費用還與由模型復雜性決定的模型等級有關(guān)，因此除了減少DoE參數(shù)數(shù)量之外，降低DoE模型復雜性是減少試驗費用的另一種方式。由于應用CRS方法中的DoE物理參數(shù)，使得模型的復雜性大幅降低。

6結(jié)論

CRS方法提供了一種優(yōu)化發(fā)動機熱力學性能的途徑。通常，采用CRS方法的目的是開發(fā)由多次小噴油量噴射組成的最佳噴油策略，以此可在寬廣的運行范圍內(nèi)提高噴油壓力而不會過度增大噪聲，從而緩和碳煙和噪聲之間的矛盾性。除此之外，由于在聲學性能方面的優(yōu)勢，還能優(yōu)化燃燒重心位置，因而可獲得相應的節(jié)油效果。同時由于在碳煙排放方面同樣具備優(yōu)勢，還可提高EGR相容性，從而獲得降低NOX原始排放的潛力。

但是，對CRS具有重要意義的噴油策略是較為復雜的，因而傳統(tǒng)的標定方法并不適用。為了解決此類沖突，采用CRS調(diào)節(jié)器對目標進行自動化標定，最終由CRS調(diào)節(jié)器所產(chǎn)生的噴油形態(tài)為批量生產(chǎn)電控單元的特性曲線場提供數(shù)據(jù)，因此CRS調(diào)節(jié)器僅在發(fā)動機標定期間用于試驗臺自動化系統(tǒng)，因而在批量生產(chǎn)中可不采用附加的氣缸壓力傳感器，仍繼續(xù)使用基于特性曲線場的ECU軟件結(jié)構(gòu)，以此僅需通過優(yōu)化燃油系統(tǒng)標定，充分利用現(xiàn)有燃油噴射系統(tǒng)的潛力，就可不增加成本而充分改善發(fā)動機的熱力學性能。