喷射油量计算：基于转矩协调的方法

柴油机主要通过燃油的燃烧做功向外输出转矩，随着现代柴油机系统越来越复杂，所带的附属部件也越来越多，这些附件也需要转矩驱动，而且除了向外输出动力转矩外，其本身需要消耗的转矩也越来越多。柴油机需要输出的转矩越多，需要喷射的燃油量就越多，因此，对柴油机循环喷油量的计算可以通过柴油机输出转矩来计算。输出转矩则可以通过各种转矩的需求之和来计算，包括各种附属部件所需要消耗的转矩，以及需要动力输出的转矩。对各附属部件所需要的转矩可根据各部件的物理特性单独计算，动力输出转矩可通过加速踏板的位置来确定。因此，柴油机的最终的输出转矩就可通过各种需求转矩的求和来确定。而各个部分需求转矩的独立性很强，如果更换某部件或附件，只要重新计算该部件的需求转矩即可，若新增部件，只需把该部件工作时的需求转矩加到总的需求转矩上就可以了，这样整个柴油机的需求转矩的计算方法的扩展性就比较强。针对柴油机的不同运行工况，只需要计算该运行工况下特别需要的转矩即可。

基于转矩协调的喷射油量计算策略如图8-42所示。整个柴油机输出的转矩，主要包括四个方面：

图8-42 基于转矩的喷油量计算策略框图

①内部工况转矩：主要是针对发动机的不同工况所需要消耗的转矩，如为起动发动机所需要的起动转矩，为维持发动机怠速运转的怠速转矩，以及当发动机出现故障、过热保护以及限制发动机烟度所做的限制转矩等；

②平滑转矩：主要为了防止发动机转速或需求转矩波动过大而引入的修正转矩，以保证发动机平稳运转；

③各种附件的驱动转矩：如发电机、空调、齿轮泵、高压油泵等附件所要消耗的发动机转矩；

④输出动力转矩：驾驶人通过加速踏板的位置来控制发动机向外输出的转矩。

上述四项相加得到最后的需求总转矩，然后依据发动机的燃油经济性，通过转矩转换喷油量模块计算出柴油机每缸需要的循环喷油量。下面重点论述一下内部工况中起动、怠速以及正常工况下的转矩计算。

1.起动转矩的计算

从发动机点火钥匙转到起动位置，起动机拖动发动机运转，一直到发动机转速大于设定的起动转速阈值，在这段时间内，发动机均处于起动工况。起动转矩计算策略如图8-43所示。首先，因发动机冷机与热机起动所需转矩完全不同，因此，查取依据发动机转速与发动机温度决定的脉谱图，获取发动机的起动基本转矩。然后，依据进气压力不同，对起动基本转矩进行修正。因为新的汽车排放法规中，发动机起动过程中的排放也要计算在内，因此为了保证可靠的冷起动，又避免出现因喷油过多，燃烧不充分而形成排放超标。因此，起动基本转矩设置比较小，根据发动机当时的起动状况，适度地增加转矩。若在一定的时间内，发动机转速小于设定的阈值，则采用爬坡函数对基本转矩进行递增。等待的时间与爬坡函数的梯度通常采用与发动机温度相关的值，即在发动机冷机与热机下采用不同的值。最后，得到的起动转矩应小于一定的设定值。

图8-43 起动转矩计算策略框图

2.低怠速转矩计算

低怠速转矩是指在没有外部动力转矩需求，仅为维持发动机稳定的运转的情况下，为克服摩擦阻力等所需要的转矩。为保证发动机怠速运转的稳定性，采用PID控制方式来计算低怠速转矩，低怠速转矩计算策略如图8-44所示

首先依据发动机冷却液的温度，通过查取脉谱图，获取在某一时刻维持发动机怠速运转的基本转矩T_B（k），其次，通过目标怠速转速设定值n_d-s与该时刻发动机实际转速n_d-shi（k）的差值e（k），作为PID控制器的输入量，差值e（k）的计算如式（8-74）所示

e（k）=n_d-s-n_d-shi（k） （8-74）

则通过PID控制器得到的怠速转矩如式（8-75）所示

式中 k_p，k_i，k_d——PID控制器的三个系数，其值的确定由当前发动机的工况来决定；

τ——采样周期；(www.xing528.com)

k——采样序号，k=1，2，…；

e（k-l）和e（k）——分别为第（k-l）和第k时刻所得的发动机转速偏差。

再次，得到的怠速转矩应小于怠速的最大转矩，若发动机出现故障，则怠速转矩输出为0。最后，将得到的输出怠速转矩通过一阶比例延迟进行平滑处理，以防止怠速转矩的突变，引起发动机怠速波动。

图8-44 低怠速转矩计算策略框图

3.加速踏板转矩计算

加速踏板开度体现着驾驶人的驾驶意愿，当需要输出大转矩时，通过增加加速踏板开度来实现。为了保证采集到的加速踏板信号的准确性和可靠性，首先，要对其进行可靠性验证。如图8-45所示，加速踏板信号采用双电压模式，其电压比值为2∶1，可靠性验证要满足三个条件：

图8-45 加速踏板转矩计算策略框图

①两路电压值均要小于各自的阈值。

②第2路电压值乘以2后两路电压值的差值要小于一定的电压波动范围。

③加速踏板信号不能与制动信号发生冲突，即制动踏板与加速踏板被踩下的间隔时间不能太短，否则为保证车辆安全，采集到制动踏板信号时，加速踏板转矩输出为0。

其次，依据加速踏板的特性，将采集到的电压值转换成加速踏板的开度，同时结合当前发动机的转速，通过查询经标定的脉谱图，得到当前转速下该加速踏板开度所对应的加速踏板转矩。

最后，若加速踏板信号有效，将加速踏板转矩输出，否则将加速踏板转矩输出为0。

4.转矩转换油量计算

通过转矩协调处理，可以计算出发动机当前工况下需要输出的转矩，为此需要控制发动机的电控喷油系统调节其每缸的循环喷油量来控制其输出转矩大小。因此，要将当前需要输出的转矩，依据发动机的特性，转换成发动机当前需要的循环喷油量。

因为在发动机起动时，转速较低，燃油燃烧不充分，燃油经济性较差，对其转矩转换油量采用一个固定的转换因子来计算。在正常工况下，对柴油机来说，在不同转速下，其燃油经济性也是不同的，因此，结合发动机的转速，查取依据发动机特性而标定的脉谱图，获取在不同转速下需求转矩所对应的循环喷油量，其转换过程如图8-46所示。

图8-46 转矩转换为循环喷油量的计算策略框图