单体泵柴油机起动过程控制策略研究

第3期(总第182期) 2009年6月 车用发动机 VEHICI。EENGINE No．3(SerialNo．182) Jun．2009 单体泵柴油机起动过程控制策略研究 崔 涛，黄 千，刘波澜，张付军 (北京理工大学机械与车辆工程学院．北京 100081) 摘要：为减小柴油机起动过程中的磨损，同时兼顾排放，设计了基于Ramp控制的单体泵柴油机起动控制策 略。试验明，选用合适的初始喷油量、起动Ramp数值和起动供油提前角等起动参数后，可实现单体泵柴油机可 靠起动，烟度可控制在0。5m_1以内。 关键词：柴油机；电控单体泵；起动；烟度；控制策略 中圈分类号：TK423．7文献标志码：B 文章编号：1001—2222(2009)03-0049—04 柴油机起动过程属于瞬态工况，从发动机开始 起动到稳定在怠速转速工作的整个过程都可认为是 起动过程。这一过程分为预动作阶段、起动阶段、稳 定运转阶段和暖机阶段[1]。环境温度低、转速低、喷 油压力低、缸内涡流弱等因素对发动机起动时炭烟 排放和磨损有很大影响。 电控单体泵相比传统机械式喷油泵，可控的自 由度更多，控制策略可以更灵活。因此，制定合适的 起动控制策略，在保证发动机可靠起动的同时降低 污染物排放，具有实际意义。本研究通过对单体泵 柴油机起动过程的试验研究，设计以转速上升率为 控制目标值的起动策略(柴油机转速Ramp控制)， 在保证可靠起动的前提下，减小起动过程的磨损，降 低起动时的烟度。 1 控制策略的制定 1．1 影响起动过程的因素 柴油机起动过程主要受环境温度、压缩终了时 温度和压力、燃油喷射规律和燃油特性等因素影响。 1．1．1 环境温度 环境温度是影响起动过程的最重要因素，环境 温度越低，则发动机起动成功的可能性也越低。环 境温度对起动性能影响有三方面。 ·蓄电池电容量 发动机的起动力矩与蓄电池 电容量呈正比，当电解液温度由20℃下降到 --20℃时，蓄电池的电容量减小了60％，而柴油机 的起动力矩减小了32孵引。 ·起动阻力 发动机起动阻力随着环境温度的 降低而增加，起动阻力增加有两个主要原因：一是由 于机油黏度随着环境温度的降低而增大，起动阻力 随着机油黏度的增大而增加；二是发动机配合零部 件之间不同的膨胀和收缩系数也增加了起动阻 力‘2|。 ·进气温度进气温度影响压缩终了时缸内气 体温度，而压缩终了时燃气能否达到着火温度是保 证柴油机正常起动的主要条件之一。正常起动时压 缩终点温度至少要达到430℃C3]。此外，较低的进 气温度造成着火延迟期变长，不利于扩散燃烧。 1．1．2起动转速 起动转速越低，工作过程泄漏损失和传热损失 越严重，使得压缩终了时工作介质的温度和压力都 较低，不能保证发动机可靠着火[2]。 1．1．3起动供油量 由于起动时缸内温度和压力低、燃油系统喷射 压力不高、缸内涡流弱等因素，起动时需要足够多的 油量。但起动初期失火和不完全燃烧导致HC和 CO排放较高，而增大起动供油量将进一步增加总 排放量。此外，着火时缸内已累积的柴油导致发动 机转速上升过快，而此时润滑相对滞后，造成各摩擦 副的非正常磨损，影响柴油机的使用寿命。 1．1．4起动供油正时 一般取较大的供油提前角以保证油气充分混 合，传统柴油机起动供油提前角在14～15。CAc51。 1．1．5柴油特性 十六烷值影响最低起动温度，低于此温度发动 机将无法运行，一般认为高十六烷值的柴油可改善 收稿日期：2009—03一10；修回日期：2009—05—23 作者简介：崔涛(198l一)，男，在读博士。主要研究方向为柴油机电子控制与故障诊断；bit_cuitao@sohu．COrn。 万方数据 车用发动机 2009年第3期 起动性能[6]。 1．2 电控单体泵柴油机控制原理 1．2．1 油量控制 电控单体泵柴油机供油量控制原理见图l，系 统中PID控制器的输入是发动机实际转速与目标 转速的速差，输出是目标循环供油量；目标循环供油 量与冒烟极限油量相比后取最小值；根据当前发动 机转速和循环供油量查询油泵特性MAP图计算出 实际供油脉宽。 图1 电控单体泵柴油机供油量控制原理 1．2．2提前角控制 电控单体泵柴油机供油提前角控制原理见图 2，系统由供油量和发动机转速得到名义供油提前 角，根据进气压力和冷却液温度修正后得到实际的 供油提前角；在起动阶段供油提前角仅由冷却液温 度决定。 图2 电控单体泵柴油机供油提前角控制原理 1．3基于Ramp控制的单体泵起动过程控制策略 1．3．1起动过程对发动机的影响及Ramp控制 发动机起动时，由于机油泵不能将润滑油及时 送到各运动件摩擦副表面，使气缸壁、主轴承及连杆 轴承等在没有润滑油时就发生了相对运动，处于干 摩擦状态，磨损非常严重。有资料表明，起动时造成 的磨损量约占总磨损量的50％～60％[7]。 Ramp控制的目的就是减小起动阶段和稳定运 转阶段初期的磨损量，减小暖机初始阶段的超调量。 传统柴油机起动控制可视为阶跃响应，即转速闭环 目标值的初始值为怠速转速；当发动机起动成功后， 转速开始闭环调节使其稳定在目标怠速。采用 Ramp控制时，发动机起动转速控制为斜坡响应，转 速闭环控制目标值由以下公式给出： 靠t。rg。t=R×t+行o。 式中，‰唧。为目标转速，R为Ramp值，t为起动时 间，竹。为目标转速初始值。 1．3．2起动过程控制策略 考虑到上述影响起动过程的各种因素，结合电 子调速的控制原理。制定如下的起动控制策略。图 3为基于Ramp控制的单体泵柴油机起动过程示意 图。行。为初始供油转速，是进入起动工况的转速标 记；竹z为Ramp控制标记，也是发动机开始稳定着 火的最低转速，它与环境温度和发动机的结构参数 等因素有关；咒。为怠速目标转速。 Ramp控制H标转速 时间 图3 基于Ramp控制的柴油机起动过程示意图 当起动电机拖转发动机，使其转速咒≥行。时， 则进入起动工况。此时根据发动机当前的冷却水温 度和进气温度确定起动初始最大循环喷油量，由起 动油量和当前发动机转速查询油泵特性MAP即可 获得供油脉宽。由于低转速下的泵特性数据误差较 大，所以低转速时供油脉宽是固定值。 当咒≥卵：时，转速PID控制器进入Ramp转速 闭环控制。控制过程中目标转速以一定的Ramp值 增加，发动机在PID控制器调节作用下紧随目标值 变化。为避免起动过程中供油量过多，当进入闭环 控制后，PID控制器的初始值应小于起动供油量。 Ramp值根据冷却水温度进行修正。 行：表征发动机开始着火，尽早判断出发动机着 火，并进入Ramp控制阶段，对减小开环油量作用时 间，降低起动阶段整体排放量有重要意义。然而n： 受环境影响，由押z并不能准确判断出发动机是否着 火。因此，利用发动机拖转过程中角加速度的变化 万方数据 2009年6月 崔涛，等：单体泵柴油机起动过程控制策略研究 来判断燃烧是否开始更为恰当[8]。 当咒接近，zs时，标志着发动机已经起动成功， 进入怠速工况。此时根据油门踏板的位置判断发动 机处于怠速工况还是进入其他工况。 2试验验证和试验结果 2．1试验仪器和条件 试验平台采用DEUTZl013发动机，其最大输 出功率为177kW，最大功率转速为2300r／min，最 大输出扭矩为850N·m，最大扭矩转速为1400r／ min；测功机采用440kW电涡流测功机；烟度测试 仪采用AVL493消光式烟度计。电控单元以 MC68376为核心，其TPU(定时协处理器)模块可 实现对角加速度突变的检测。所有试验均在水温、 空气温度、机油温度相同的情况下完成。 2．2试验结果分析 图4示出冷却水温度15℃时发动机实际起动 过程。相比传统阶跃式起动方式，发动机起动更为 平顺，进入怠速时无超调。 T ．量 暑 ● 之 幽 辞 图4基于Ramp控制的单体泵柴油机实际起动过程 在Ramp起动过程中，实际转速紧随目标转速 变化，并始终处于目标转速下方。与采用电子调速 器的燃油系统相比，由于单体泵响应较快，Ramp控 制的效果较为明显。 2．2．1起动开环供油量对起动的影响 在起动开环控制阶段供油脉宽对起动初期实际 转速的影响见图5。’起动初期可燃混合气温度低， 故需要缸内混合气累积到一定浓度时才可燃烧。因 T ．曼 三 ● 之 幽 鬈 皋 霄 艇 2 3 4 5 6 时间t／8 此，供油脉宽越大发动机从咒。上升到发动机着火转 速挖：时间越短。 起动初期存在多次失火循环，在最初几次着火 时缸内存有较多燃油，导致起动过程烟度峰值与开 环供油脉宽近乎呈正比变化(见图6)。 T 暑 、 《 彝 垛 裂 瘿 图6不同开环供油脉宽条件下起动烟度峰值变化曲线 2．2．2起动供油提前角对起动的影响 图7示出相同起动温度(冷却水温度15℃)，相 同开环控制油量(供油脉宽5。CA)时，烟度峰值与 供油提前角的关系。从试验的结果看，合适的起动 供油提前角可有效地降低烟度峰值。 T 基 、 ‘× 妊 垛 芸 惩 l‘j ＼ ／ O．I ——————————／ --4 -2 0 2 4 6 8 起动供油提前角／。CA 图7不同起动供油提前角条件下起动烟度峰值变化曲线 2．2．3初始供油转速对起动的影响 从试验的情况看，初始供油转速行，对转速控制 的影响不大，但是对烟度峰值有一定的影响，图8示 出冷却水温度16℃时不同初始供油转速对应的烟 度峰值。由于低转速时喷油压力低，喷入气缸的燃 油以液态的形式存在并逐步积累，在发动机的 第1个着火循环时混合气过浓，烟度峰值变大。但 过高的初始供油袋速要求有更大功率的起动电机， 从烟度排放和对起动电机要求的角度出发，选择初 始供油转速60r／min较为合适。 T 量 、 崔 妊 垛 掣 延 图5 不同开环供油脉宽条件下起动初期实际转速变化 图8不同初始供油转速下的烟度峰值变化曲线 枷 湖 伽 |暑 猢 啪 。 万方数据 车用发动机 2009年第3期 2．2．4Ramp值对起动的影响 图9和图10示出冷却水温度25℃时起动油量 相同(开环供油脉宽5。CA)而Ramp值不同情况下 的转速曲线和烟度峰值曲线。由图9可见，在起动 过程初期，由于最大循环供油量相同，PID控制器没 有参与控制，此时发动机是开环控制，转速上升速率 不受Ramp值的影响；在起动中后期，PID控制器参 与控制，随着Ramp值的减小，转速上升速率减缓且 超调减小。由图10可见，合适的Ramp值可有效地 降低烟度峰值。 图9不同Ramp值下的起动转速 图10不同Ramp值下的烟度峰值 3 结论 a)柴油机起动过程受环境温度影响较大，为保 证可靠起动，降低起动排放，减小发动机磨损，制定 基于Ramp控制的起动控制策略；从试验效果看，采 用Ramp控制后发动机转速变化较为平顺。抑制了 进入怠速前的超调，同时降低了起动烟度峰值； b)起动控制策略中，需对PID控制参数、起动 最大循环喷油量、初始喷油转速、起动成功转速、 Ramp控制时PID控制器初始值和目标转速上升速 率进行标定； c)Ramp值是影响发动机起动转速变化的主要 因素，而烟度峰值主要取决于起动过程中开环供油 量和初始喷油转速。 参考文献： [13李学民，于秀敏，高 跃，等．电控柴油机起动工况的标 定匹配研究[J]．车用发动机。2004(4)：15—19． E23莫玮，鄂加强。赵延明．严寒条件下车辆冷起动性能 研究[J]．内燃机工程，2002，23(5)：65—67． [3]贺吉凡．使柴油机在低温下顺利起动的技术措施[J]． 实用汽车技术，2006(3)：29—31． [4]HanZhiPin．DieselEngineColdStartCombustionIn— stabilityandControlStrategy[D]．Michigan：Wayne StateUniversity，2000． [5-1黄宁，段家修，尧命发，等．车用柴油机起动性能研究 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北京理工大学机械与车辆工程学院,北京,100081 刊名： 车用发动机 英文刊名： VEHICLE ENGINE 年，卷(期)： 2009(3) 被引用次数： 1次 参考文献(8条) 1.王永庭 动力传动装置综合电控系统研究 2006 2.Mahmoud Kassem Yassine Combustion Instability and White Smoke Emissions Under Cold Starting of Diesel Engine 1995 3.黄宁;段家修;尧命发 车用柴油机起动性能研究[期刊]-小型内燃机与摩托车 2003(06) 4.臧绍林;贾志高;温建刚 基于曲轴瞬时加速度分析的发动机着火判定 2003(12) 5.Han ZhiPin Diesel Engine Cold Start Combustion Instability and Control Strategy 2000 6.贺吉凡 使柴油机在低温下顺利起动的技术措施 2006(03) 7.莫玮;鄂加强;赵延明 严寒条件下车辆冷起动性能研究[期刊论文]-内燃机工程 2002(05) 8.李学民;于秀敏;高跃 电控柴油机起动工况的标定匹配研究[期刊论文]-车用发动机 2004(04) 本文读者也读过(10条) 1. 韦雄.朱志伟.祝轲卿.冒晓建.卓斌.WEI Xiong.ZHU Zhi-wei.ZHU Ke-qing.MAO Xiao-jian.ZHUO Bin 电控单体 泵柴油机怠速控制策略的开发[期刊论文]-内燃机工程2009,30(2) 2. 安利强.杨福源.李进.欧阳明高 电控单体泵柴油机关键MAP的匹配与标定[期刊论文]-车用发动机2004(4) 3. 李启发.周明.张科勋.褚全红.刘生旺.LI Qifa.ZHOU Ming.ZHANG Kexun.CHU Quanhong.LIU Shengwang 预喷射 控制算法在电控单体泵柴油机上的应用[期刊论文]-清华大学学报(自然科学版)2006,46(11) 4. 王凤丽 电控单体泵燃油喷射系统耦合仿真[期刊论文]-中国工程机械学报2008,6(2) 5. 刘建成.刘彪.王立德.王苏敬.LIU Jian-cheng.LIU Biao.WANG Li-de.WANG Su-jing 基于DSP的电控单体泵控制 系统设计[期刊论文]-现代车用动力2007(2) 6. 仇滔.刘兴华.QIU Tao.LIU Xing-hua 电控单体泵供油系统仿真研究[期刊论文]-车用发动机2005(2) 7. 王宝臣.张继伟 电控单体泵供油系统的组成及工作原理[期刊论文]-农机使用与维修2010(1) 8. 杨晓峰.于世涛.汪兴.杨林.卓斌.YANG Xiaofeng.YU Shitao.WANG Xing.YANG Lin.ZHUO Bin 电控单体泵柴油机 喷油正时控制策略的研究[期刊论文]-柴油机2006,28(4) 9. 吴长水.卢成委.于世涛.杨时威.冒晓建.杨林.WU Chang-shui.LU Cheng-wei.YU Shi-tao.YANG Shi-wei.MAO Xiao-jian.YANG Lin 电控单体泵电液延迟特性标定[期刊论文]-内燃机工程2007,28(4) 10. 杨时威.刘广军.YANG Shi-wei.LIU Guang-jun 电控单体泵柴油机燃油喷射控制策略[期刊论文]-中国工程机械 学报2010,08(2) 引证文献(1条) 1.李宏键.商海昆.陈立钦.樊丰 电控柴油机冷起动进气加热控制分析[期刊论文]-车用发动机 2010(4) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_cyfdj200903011.aspx