降低柴油机瞬态工况烟度的控制系统及控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于内燃机瞬态工况排放控制技术，具体涉及一种可实现降低柴油机瞬态 工况烟度的控制系统，及以烟度和CA50(柴油燃烧50%质量分数所对应的曲轴转角）为控 制目标的控制方法。
【背景技术】
[0002] 由于柴油机具有动力性强、可靠性好及热效率高等优势，在车用发动机市场的份 额越来越大，前景可观。但是在实际工作的过程中，车用柴油机大部分时间处于瞬态工况， 尤其在城市路面运行时，转速和负荷变化频繁，大部分排放物即在短期的速度或转矩急剧 变化的瞬态过程产生。随着能源与环境问题的日益严峻及排放法规的日益严苛，有效降低 柴油机瞬态工况下的排放已经成为国内外内燃机工作者亟需解决的科学与工程问题。
[0003] 国内外大量的研宄结果表明：柴油机瞬态工况下，扭矩、CA10及CA50等核心参数 均发生不同程度的滞后，排放特性特别是烟度及CO排放发生恶化的主要原因是供油、供气 和缸内热力状态等参数响应速率不一致从而导致燃烧边界条件失衡。
[0004] 解决瞬态工况以上问题主要是通过合理的加载模式、喷油定时或EGR等控制方法 来有效改善转矩响应和排放。目前应用最广泛的直线加载策略在提高转矩响应的同时不可 避免的会造成烟度及CO等的恶化，两者不能兼顾。这是因为瞬态工况下采用直线加载策 略，进气延迟以及缸内温度上升缓慢，而且随着瞬变率的增大，滞后程度越严重，导致燃油 雾化及混合质量差，燃烧与排放性能发生恶化。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是为克服目前柴油机瞬态工况下扭矩响应滞后和烟度恶化的缺点， 提出一种降低柴油机瞬态工况烟度的控制系统，并给出一种基于该控制系统下，以烟度和 CA50为控制目标，同时实现降低柴油机瞬态工况烟度和提高发动机扭矩响应性的闭环控制 方法。
[0006] 本发明降低柴油机瞬态工况烟度的控制系统，包括发动机、空气滤清器、压气机、 与压气机同轴相连的涡轮机、进气中冷器、设置在输出轴上的高响应转速传感器和高响应 扭矩传感器、设置在气缸体上的缸压传感器，ECU电控单元、电荷放大器、设有CA50计算程 序的单片机、设置在发动机飞轮上的曲轴位置传感器；
[0007] 所述的空气滤清器依次通过压气机、进气中冷器与发动机上的进气总管管路连 通，所述的涡轮机与发动机上的排气总管管路连通；
[0008] 所述的高响应转速传感器和高响应扭矩传感器分别与ECU电控单元通讯连接；
[0009] 所述的缸压传感器和曲轴位置传感器分别通过电荷放大器与设有CA50计算程序 的单片机通讯连接，设有CA50计算程序的单片机与ECU电控单元通讯连接；ECU电控单元 与发动机的油量调节机构控制连接。
[0010] 本控制系统的工作机理是：
[0011] 缸压传感器采集的缸压信号和曲轴位置传感器采集的曲轴位置信号通过电荷放 大器进行处理传入到单片机中，单片机实时计算发动机的CA50并将其传入到ECU电控单元 中。
[0012] ECU电控单元既可以通过高响应转速传感器、高响应扭矩传感器采集的转速和扭 矩信号来判断发动机所处工况，又可以判断烟度、CA50的目标值与瞬时值的差值，进而通过 设定方案调整发动机瞬态供油速率。
[0013] -种基于本发明控制系统的闭环控制方法，是以烟度和CA50(柴油燃烧50%质量 分数所对应的曲轴转角）为控制目标，采用三段折线加载策略调整供油速率实现加载率的 变化，包括以下步骤：
[0014] 1)、首先根据发动机开发需求，在ECU电控单元中设置烟度目标值和各工况CA50 目标值；
[0015] 2)、ECU电控单元通过高响应扭矩传感器采集发动机扭矩信号，并根据加载率计算 公式（1)计算发动机的初始加载率，并以此加载率对发动机进行第一段加载，
【主权项】
1. 一种降低柴油机瞬态工况烟度的控制系统，包括发动机（1)、空气滤清器（2)、压气 机（3)、与压气机（3)同轴相连的涡轮机（7)、进气中冷器（4)、设置在输出轴上的高响应转 速传感器（8)和高响应扭矩传感器（9)、设置在气缸体上的缸压传感器（10)，ECU电控单元 (11)、电荷放大器（12)、设有CA50计算程序的单片机（13)、设置在发动机飞轮上的曲轴位 置传感器（14);其特征在于： 所述的空气滤清器（2)依次通过压气机（3)、进气中冷器（4)与发动机（1)上的进气总 管（5)管路连通，所述的涡轮机（7)与发动机（1)上的排气总管（6)管路连通； 所述的高响应转速传感器（8)和高响应扭矩传感器（9)分别与ECU电控单元（11)通 讯连接； 所述的缸压传感器（10)和曲轴位置传感器（14)分别通过电荷放大器（12)与设有CA50计算程序的单片机（13)通讯连接，设有CA50计算程序的单片机（13)与ECU电控单元 (11) 通讯连接；ECU电控单元（11)与发动机⑴的油量调节机构控制连接。
2. -种基于权利要求1所述控制系统的闭环控制方法，是以烟度和CA50为控制目标， 采用三段折线加载策略调整供油速率实现加载率的变化，包括以下步骤： 1) 、首先根据发动机开发需求，在ECU电控单元（11)中设置烟度目标值和各工况CA50 目标值； 2) 、ECU电控单元（11)通过高响应扭矩传感器（9)采集发动机扭矩信号，并根据加载 率计算公式（1)计算发动机的初始加载率，并以此加载率对发动机进行第一段加载，
式中：ATtqS加载过程中扭矩的变化值，At为加载过程所用时间； 3) 、ECU电控单元（11)采集发动机排气中的瞬时烟度并与设定的烟度目标值进行对 比，若瞬时烟度值未超过烟度目标值，则ECU电控单元（11)控制供油速率保持不变，进而保 持加载率不变，并执行步骤4);若瞬时烟度值超过烟度目标值，则执行步骤5); 4) 、ECU电控单元（11)通过高响应转速传感器（8)和高响应扭矩传感器（9)采集转速 信号和扭矩信号，判断发动机所处工况是否为50%负荷工况，若未到达50 %负荷工况，则 重新执行步骤3)，直到达到50 %负荷为止；若到达50 %负荷工况，则执行步骤6)，进入第二 段加载； 5) 、ECU电控单元（11)通过改变供油速率将加载率减小10%，并将此加载率赋值为初 始加载率，等待l〇ms后，重新执行步骤3)，直到瞬时烟度未超过目标值为止； 6) 、在第二段加载过程中，ECU电控单元（11)通过改变供油速率将加载率降为0,缸压 传感器（10)采集的缸压信号和曲轴位置传感器（14)采集的曲轴位置信号通过电荷放大器 (12) 进行处理传入到单片机（13)中，由单片机（13)中的CA50计算程序实时计算发动机的 CA50并将其传入到E⑶电控单元（11)中，E⑶电控单元（11)将瞬时CA50和目标CA50进 行对比，若CA50瞬时值与目标值的差值为0,则执行步骤7)，进入第三段加载；若CA50瞬时 值与目标值的差值不为零，重复执行步骤6); 7) 、在第三段加载过程中，ECU电控单元（11)改变供油速率，将发动机加载率调为初始 加载率； 8) 、ECU电控单元（11)采集发动机排气中的瞬时烟度并与烟度目标值进行对比，若烟 度值超过烟度目标值，则ECU电控单元（11)通过改变供油速率将加载率减小10%，并将此 加载率赋值为初始加载率，等待l〇ms后，再将瞬时烟度与烟度目标值对比，直至瞬时烟度 值未超过烟度目标值为止； 9)、若瞬时烟度值未超过烟度目标值，则ECU电控单元（11)控制供油速率保持不变，即 加载率保持不变直至第三段加载过程结束。
【专利摘要】本发明属于内燃机瞬态工况排放控制技术，具体涉及一种降低柴油机瞬态工况烟度的控制系统及控制方法。它由发动机、空气滤清器、压气机、与压气机同轴相连的涡轮机、进气中冷器、设置在输出轴上的高响应转速传感器和高响应扭矩传感器、设置在气缸体上的缸压传感器，ECU电控单元、电荷放大器、设有CA50计算程序的单片机、设置在发动机飞轮上的曲轴位置传感器组成；基于该系统，以烟度和CA50(柴油燃烧50％质量分数所对应的曲轴转角)为控制目标，采用三段折线加载策略调整供油速率实现加载率的变化，同时实现降低柴油机瞬态工况烟度和提高发动机扭矩响应性，克服了现有技术两者不可兼顾的缺点。
【IPC分类】F02D41-30, F02D41-14
【公开号】CN104775925
【申请号】CN201510172200
【发明人】刘忠长, 丁云龙, 田径, 许允, 张龙平, 韩恒, 牛吉祥, 亓升林
【申请人】吉林大学
【公开日】2015年7月15日
【申请日】2015年4月13日