使用缸内压力信息闭环控制的柴油机的优点外文翻译资料
2022-09-27 11:09
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使用缸内压力信息闭环控制的柴油机的优点
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摘要：
日益增加排放法规、诊断功能的要求,和其他要求在车辆细化,导致更加复杂的发动机控制系统的必要性。这些要求已导致缸内燃烧控制,尤其是对柴油发动机。柴油发动机燃烧在很大程度上依赖于自动点火过程。因此这个过程的精确控制是很重要的并且对均质压燃发动机将变得更加重要。
这篇文章论述了柴油发动机的配置对缸内燃烧过程的控制。它描述了数字评估和气缸压力信号所需的物理参数及计算适当的燃烧分析,以及使用什么方法计算燃烧对发动机控制参数。
本文结合缸内压力信息演示了电子控制发动机的优势。这篇文章也指出一些未来的发动机控制的挑战。
引言：
许多校准工程师在校准发动机时使用燃烧分析来改善排放,燃料消耗和性能校准。在燃烧的优化中电子发动机控制是一个重要的角色,发动机的各种参数,如空气温度的提高最终影响缸内压力和燃烧。未来改善这些发动机的性能，用校准工具来修改发动机的参数是必要的。基于气缸压力的引擎管理也需要每个气缸有一个准确的持久和便宜的气缸压力传感器。
对缸内燃烧控制的原因：
为了达到高水准的现代内燃机的性能和排放缸内燃烧过程的控制是必须的，复杂的发动机控制系统使用燃烧缸内压力传感器提供的数据来保持发动机在最佳状态。
优势
闭合回路理论评估的优点要多于缺点，详细描述如下：
准确的诊断
通过对各缸燃烧过程的监视，对缸内压力的分析可以直接评估缸内燃烧过程，气缸压力数据提供的信息准确的对整个发动机工作过程中对发火失败的检测。对燃烧过程的直接测量可以提供发动机损伤的早期检测和警告以防发动机随时间进一步的磨损。发动机控制系统使用这些信息来保持引擎操作在安全范围内。进一步发展则有可能使用燃烧排放模型的参数作为输入(例如神经网络)。这些模型的输出可用于计算发动机油耗和排放恶化。
更低的排放
更快和更准确的燃烧控制用来降低发动机排放，燃烧参数的闭环控制可以减少循环周期汽缸压力的变化波动。在与氧气传感器一般没有响应时间的情况下准确的准确的空气燃料比也是可能的，气缸压力数据可以使排放模式比以前更精确，来控制尾气后处理系统。
高舒适性
汽缸压力信息可以做到适当的气缸平衡,平衡各缸之间的扭矩输出,因此减少发动机振动。而其他缸平衡的方法,如发动机转速波动平衡,并不是那么有效。
精确的扭矩接口
直接计算发动机有效平均压力,从汽缸压力数据很容易配置一个扭矩接口给发动机。平均有效缸内压力可以发动机模型的帮助下,从发动机转速计算。摩擦平均有效压力可以由平均指示缸内压力减去平均有效缸内压力得到。
传感器更换
除了压力之外的的信息都可以来自气缸压力传感器产生的数据。这些信息可以用来替换当前的一些传统发动机传感器。
——凸轮轴传感器
——爆震传感器
——提高压力传感器
——环境压力传感器
——空气温度传感器
——氧传感器
——质量空气流量传感器
——废气温度传感器
发动机快速校准
由于使用基于热力学模型的汽缸压力管理，使得发动机校准的时间减少。而且使得用来补偿燃烧的校正图更少，因为这些信息是来自已知的汽缸压力数据。
提高燃油经济性
由于增加供油量的准确性，所以闭环控制喷射过程使发动机更稳定的工作。目前,柴油机燃油系统采用开环控制算法来控制供油量。因此,这些系统依赖喷射的开始过程。闭环控制可以减少由于注入延迟和点火延迟造成的误差。
减少噪声
燃烧噪声是汽缸压力高的直接结果，限制最大缸内压力上升导致更加安静的燃烧过程。制造商可以结合汽缸压力数据和一个可调控制算法来调整燃烧噪声。
其他优势
基础发动机汽缸压力管理可以看做燃料变化的影响，使用气缸压力数据的控制算法可以弥补燃料变化(如不同的点火延迟)通过调整50%燃烧率的位置。
缺点
气缸压力传感器传感器的要求
正如前面所提到的气缸压力传感器是使用缸内燃烧控制的关键驱动因素。损坏的传感器或传感器的校准压力不准导致不准确的数据。关键要求是:
精度
——耐用性
——低成本
计算能力
实时汽缸压力分析需要大功率计算机和复杂分析程序。
其他表现方法
有几种其他方法量化燃烧事件,下面列出了这些方法。
——离子传感
——发动机转速分析
——振动分析
——非侵入测量气缸压力
目前直接测量气缸压力可以实时提供关于每个燃烧过程的最准确的数据。与其他方法比较显示直接汽缸压力测量的优点。
离子传感器的优势
离子传感器量化燃烧的方法和直接测量气缸压力数据相比，直接测量气缸压力数据显示出直观的几个优点：测量电离电流依赖燃料性质(添加剂),电子电路设计、电热塞设计,空气/燃料比(EGR率)和传感器位置。依赖提到参数很难准确地量化燃烧。这些参数也很难延续系统到其他发动机的概念。很难提取感兴趣的特定信息,如最大压力的位置,从电离信号。电离测量对适当的空燃比值管理和放热计算来说不够准确。同时,传感和发光的功能不能同时离子传感器被执行集成到电热塞。对于闭环控制燃烧这一重要过程来说，余辉时间三分钟的冷启动后是不允许的。
发动机转速分析优势
另一种方法用发动机转速评价方法评估发动机燃烧情况的信息，当前的分析表明,很难在低负载和高转速时候准确执行失火检测。从发动机转速信号计算得到的信号噪声比率低于直接汽缸压力测量方法。
数字液压缸压力分析仪
数字液压缸压力瞬态分析仪样品从气缸压力传感器得到实时数据。这个数据被用来计算燃烧参数，如压力峰值，压力峰值的位置，50%的燃烧率位置等等。数字液压缸压力燃烧分析仪通过局域网总线发送信息到发动机控制单元。发动机控制单元在定义的软件算法中使用这种燃烧信息闭环控制每个燃烧过程。
图1为数字气缸压力分析仪（这里DZA-2实验装置）
数字液压缸压力分析仪的系统设置
图2为系统设置
气缸压力传感器和角度编码器连接到数字液压缸压力分析仪。数字液压缸压力分析仪从得到的信息计算所有燃烧参数。发动机控制器和数字液压缸压力之间的信息交换可以通过局域网总线完成。
数字液压缸压力的分析仪系统概述
图3系统概要
图3所示是数字液压缸压力分析仪的功能概述。数字液压缸压力分析仪的主要组件将在以下小节中描述。
信号调节和模拟数字转换
系统允许多达16个模拟输入通道。8通道与14位分辨率和高采样率用于汽缸压力输入。这种特殊的单元的被设计为一个前端从OPTRAND传感器来的光学气缸压力传感器，这包括当前的引导控制的压力传感器。其他模拟输入8位分辨率并且将来可用于其他特殊用途。额外的输入是一个感应发动机转速传感器(曲轴)和两个霍尔效应发动机转速传感器(凸轮轴和曲轴)或一个角度编码器。
数字信号处理
汽缸压力采样信息和曲柄角计时信息被送到高速数字信号处理器的接口，数字信号处理器进行燃烧数据的处理和计算。
外部设备组件
该dza-2存储程序代码的闪存可基于计算机应用程序更新。向外部世界的物理通信是通过CAN专用通讯线，从而实现了船上的CAN控制。
气缸压力采样
A/D转换器的采样速率是恒定的（大约每秒48000个样本和通道）。
图4为气缸压力采样
采样的气缸压力是在一个恒定的采样率进行。平均气缸压力计算为一个特定的曲柄角度的时间间隔。在缓慢的发动机转速下，更多的样品被用来计算一个曲柄角度区间的平均汽缸压力。其结果是在曲柄转角区间得到一个数字滤波的压力信号。
计算燃烧参数
下面的燃烧参数是由数字缸压力分析仪实时的对每个燃烧事件进行计算的。
燃烧参数
峰值压力
峰值压力位置
最大压力上升
最大压力上升位置
平均指示压力
升压压力
燃烧开始
位置5%，50%和95%燃烧率
最大热释放
表1列出的是数字式气缸压力分析仪计算燃烧参数的清单
图5为计算燃烧参数1
图6计算燃烧参数2
图5和6用图形化的形式描述了燃烧的各种参数。
燃烧参数的闭环控制
目前正在进行中控制的的发展方向是使用燃烧参数的反馈控制，发展开发发动机控制单元是IAV使用ASCET-SD算法执行的。算法开发的一个重点是一个重型八缸柴油机喷油正时的闭环控制。
喷油正时的闭环控制
柴油机燃油喷射系统的要求正在迅速增加。例如，需要一个小而准确的试点注入过程已经出现。几乎所有的燃油喷射系统，目前在市场上，有开环控制的喷油正时。喷油器的线圈或压电驱动由发动机控制单元。这种方法忽视了两个有助于缸的变化和循环变动的因素，喷油延迟和点火延迟。由于组件设计和喷油器磨损导致喷油延迟事件。点火延迟有几个原因：不同的柴油点火延迟不同，单个汽缸的进气温度和各缸的压缩比，喷油延迟和点火延迟的闭环控制。使用50%燃烧速率的位置作为反馈信号，来补偿喷射事件的开始。喷射时间被控制，以达到每个发动机工作点的50%个燃烧速率位置，这是为了使每一个气缸平行地减少气缸的变化。例如，调整50%燃烧率的位置，将引起每一个气缸在平行的气缸缸变化中造成的进气量和空气温度的不均匀分布。
反馈从每个燃烧事件中得到，算法开发人员可根据反馈做更准确的诊断。目前的柴油机控制系统例如正困于怎样检测当小的喷射已经完成是否发生燃烧。
这只是一个例子,如何提高柴油机的控制与闭环控制基于汽缸压力数据。
结论：
对柴油机的要求，燃油经济性，降低排放，和更流畅的操作的要求迅速增加。因此柴油机控制系统的复杂性和准确性都在不断增长。从气缸压力数据与控制算法的燃烧信息，以优化发动机性能是可能的。也可以使用气缸压力数据来减少它需要生成生产校准时间。在气缸压力信息的反馈控制，显示出实现这些控制燃烧过程中的精度提高巨大的潜力。在气缸压力信息的控制算法的发展仍在进行中。目前的重点是燃烧阶段控制，从而控制的喷射定时。
这个项目正在进行中。重点将放在算法开发的以下功能：
bull;转矩控制
bull;气缸平衡
-废气再循环控制
bull;峰值压力监管
bull;凸轮轴位置传感
bull;发动机性能趋势
bull;虚拟发射传感
bull;发动机诊断
鸣谢：lt;
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