高壓共軌電控柴油機起動過程及油量研究_圖文

1、第1期(總第129期現(xiàn)代車用動力No11(serialNo11292008年2月MODERN VEH I C LE P OW ERFeb12008文章編號:1671-5446(200801-0030-04高壓共軌電控柴油機起動過程及油量研究3程婷婷,申立中,張學文,王貴勇,王金虎,江軍(昆明理工大學交通工程學院,云南昆明650224摘要:在對傳統(tǒng)柴油機起動特性的研究基礎上,分析了電控柴油機的起動控制需求,結(jié)合高壓共軌電控單元(EC U,制定了電控柴油機的起動控制邏輯,采用MAP插值法計算起動油量,并運用斜坡函數(shù)模塊實現(xiàn)對起動油量的調(diào)整。最終設計了一套高壓共軌電控柴油機控制系統(tǒng)中的起動控制模塊。

2、關鍵詞:電控;柴油機;MAP;起動;斜坡函數(shù)中圖分類號:TK421文獻標識碼:AAna lysis of St arti n g Process and Fuel Qua lity of a D i esel Eng i n e Usi n gElectron i ca lly-con trolled a H i gh Pressure Com m on-Ra il System CHE NG Ting2ting,SHE N L i2zhong,Z HANG Xue2wen,WANG Gui2yong,WANG J in2hu,J IANG Jun (Science and Technol o

3、gy University of Kun m ing Traffic Engineering College,Kun m ing650224,China Abstract:Based on starting characteristic of traditi onal diesel engine,the starting de mands of electr onic contr olled diesel engine are analyzed.The starting contr ol l ogic in the electr onic contr olled diesel engine i

4、s established with the hel p of electr onic contr ol u2 nit in high p ressure co mmon rail.The fuel quality supp lied during starting p r ocess is calculated byMAP method,and its adjust m ent is made with the ra mp functi on.Finally,the starting contr ol syste m in high p ressure co mmon rail diesel

5、 engine is designed.Key words:electr onic contr ol;diesel engine;MAP;starting;ra mp functi on引言隨著國民經(jīng)濟的增長和工業(yè)的發(fā)展,人們對動力機械的需求越來越大。車輛和發(fā)動機降低排放,提高動力性、經(jīng)濟性和安全可靠性,減小振動和噪音,提高舒適性能等等1也日益為人們所重視。柴油機以其卓越的經(jīng)濟性和動力性越來越多地成為車用發(fā)動機的首選動力,但是由于柴油機在低溫起動時不宜起動、起動后排氣冒濃煙、排放量較高以及工作較為粗暴等特性使得轎車用柴油機的推廣不如汽油機,而且隨著排放法規(guī)的逐步提高,改善柴油機起動性能越來越多

6、地成為急需解決的問題。高壓共軌電控系統(tǒng)的引入,使得柴油機起動控制成為柔性可控,在一定程度上降低了柴油機起動時HC,CO等的排放量。1電控柴油機起動過程控制1.1柴油機起動特性分析柴油機在起動過程中,特別是冷起動時,缸內(nèi)壓縮始點溫度與氣缸壁傳熱大,由于起動轉(zhuǎn)速低而引起的漏氣量增加,從而使壓縮終點的溫度和壓力也下降。在低溫時,燃料黏性增大加之起動轉(zhuǎn)速低,使燃料的蒸發(fā)和霧化均惡化,影響混合氣的形成,這些因素嚴重制約了常規(guī)柴油機的冷起動能力和排放性。3收稿日期:2007-10-20作者簡介:程婷婷(1982-,女,河南方城縣人,碩士研究生,主要研究方向為電控柴油機起動及怠速控制。為了保證可靠的冷起動,

7、必須提高起動油壓和促進混和氣的形成2。為了加速混合氣的形成,可以采用預熱的措施來提高燃燒室溫度,給混合氣加熱,也可以采用預噴射的方法來解決這一問題。在高壓共軌電控柴油機中還可以通過快速建立高壓軌的軌道壓力來改善柴油機的冷起動性能。1.2起動過程描述柴油由其低壓易燃性決定了柴油機采用壓燃式工作方式,因此也較易起動,起動時間很短。傳統(tǒng)的柴油機在起動機的拖動下逐漸開始自行運轉(zhuǎn),起動成功,而電控柴油機在這個過程中還要檢測轉(zhuǎn)速、溫度等信號,并根據(jù)不同的工況,采用不同的噴油量,下面為電控柴油機起動過程的描述。首先發(fā)動機在起動機的倒拖作用下轉(zhuǎn)動起來,進而帶動燃油供給單元、進排氣系統(tǒng)等開始工作,ECU根據(jù)電控

8、柴油機曲軸信號盤與凸輪軸信號盤的相位關系判斷柴油機是否同步以判斷1缸點火上止點,并計算柴油機轉(zhuǎn)速,然后根據(jù)轉(zhuǎn)速、冷卻液溫度、大氣壓力以及附加信息等從起動扭矩MAP中讀出需要的起動扭矩值,然后進行大氣壓力修正以及電可擦除只讀存儲器(閃存即EE2 PROM自修正。確定起動扭矩后要進行扭矩到油量的轉(zhuǎn)換,然后檢測軌道壓力是否滿足當前工況下的起動軌道壓力要求,如果滿足,噴油電磁閥打開開始噴油,一旦檢測到發(fā)動機轉(zhuǎn)速大于0,計時器就要開始計時。不同工況下通過MAP及其他方法計算出的起動油量可能并不是最恰當?shù)?此時可以通過斜坡函數(shù)來調(diào)整,最終保證在規(guī)定的時間內(nèi)柴油機可靠、順利、盡量降低排放和油耗的情況下起動起

9、來。當轉(zhuǎn)速在規(guī)定的時間內(nèi)超過了當前工況下的起動成功轉(zhuǎn)速值時就可以認為起動成功3。起動必須在規(guī)定的時間內(nèi)完成,如果超出了這個時間,發(fā)動機轉(zhuǎn)速仍然沒有達到設定轉(zhuǎn)速以上,則可以判定此次起動失敗,需要停止之后重新起動;如果在這一個過程中起動機或蓄電池出現(xiàn)故障,那么就關閉起動電機,重新起動4。最多可以允許3次起動,若起動3次還不能成功,則說明系統(tǒng)有故障,需要觀察故障燈的明暗并調(diào)出故障碼進行診斷。圖1是本研究課題所設計的高壓共軌電控柴油機起動過程控制邏輯圖 :圖1起動流程圖起動過程中,為了保證預噴,需要快速建立軌道壓力,高壓軌的存在解決了這一問題。高壓油泵源源不斷地給軌輸送燃油,軌道容積不變,隨著燃油量的

10、增多,燃油密度增大,溫度升高,燃油壓強必定上升,這就為噴油準備了較高壓力的燃油,高壓燃油噴入氣缸,可以使燃油迅速的和進入氣缸的空氣混合,此時的燃油溫度也較高,有利于燃油的霧化。這對改善柴油機工作首循環(huán)非常有幫助。圖2為起動過程中,轉(zhuǎn)速和軌道壓力隨時間的變化關系 :圖2成功起動的示意圖1.3起動工況判斷起動成功與否主要由起動時間和發(fā)動機轉(zhuǎn)速確定,如果發(fā)動機轉(zhuǎn)速在允許的起動時間內(nèi)已經(jīng)132008年第1期程婷婷,等:高壓共軌電控柴油機起動過程及油量研究達到了設定轉(zhuǎn)速,則可判斷起動成功,否則可以判定此次起動失敗。起動機通電拖動發(fā)動機,氣缸內(nèi)著火工作,轉(zhuǎn)速升高,為了保護起動電機,必須盡早斷電,通電時間(

11、起動時間不得超過15s,發(fā)動機能自行運轉(zhuǎn)10s以上不熄火,則認為起動成功。若起動失敗,在3m in中繼續(xù)進行下一次起動,低溫起動時需待冷卻液、潤滑油及電解液達到規(guī)定的環(huán)境溫度,方可進行下一次起動。若3次起動失敗,則終止起動。不同的工況下,起動時間和起動轉(zhuǎn)速也有不同的要求,一般來說,溫度越低,可允許的起動時間也越長。一般可以分為低溫起動、暖機起動和熱機起動3種情況。低溫起動是在環(huán)境溫度為263K的情況下;暖機起動是在40%80%額定轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn),待冷卻液溫度達到361±5K后,怠速10s,停機120m in,環(huán)境溫度不限的情況下,即可開始中溫起動;熱機起動前,在40%80%額定轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn)

12、,待冷卻液溫度達到361±5K后,怠速10s,停機10m in,環(huán)境溫度不限的情況下,即可開始熱車起動。一般在低溫起動時間以最大不能超過6s為佳,暖機和熱機則是不能超過3s。但作為電控高壓共軌柴油機系統(tǒng),起動時間應該盡量比國家標準時間要小一些為佳,因為隨著車輛的使用,部件的老化,性能可能會降低,因此,可以把它們定在比較小的合適的值,以提高柴油機的起動性能。2起動油量計算及控制早期,人們?yōu)榱吮ＷC可靠的起動性能,起動油量一般都設在一個比較高的值,發(fā)動機自行運轉(zhuǎn)后,隨著轉(zhuǎn)速的升高逐漸減低噴油量。但是隨著汽車保有量的增加,環(huán)境污染越來越嚴重,因此,為了降低起動工況下的排放量,現(xiàn)代車用高壓共軌

13、電控柴油機的起動油量又有了新的計算策略。即把基本起動油量設定的比相同工況下傳統(tǒng)起動油量低一些,隨著發(fā)動機開始自行運轉(zhuǎn),逐漸增加起動油量,保證快速起動。這樣能夠在保證起動的情況下盡量降低排放。減油還是加油則通過斜坡函數(shù)來實現(xiàn)。2.1起動油量計算一定工況下發(fā)動機所需要的噴油量與發(fā)動機溫度和發(fā)動機平均轉(zhuǎn)速有關5,因此起動油量主要通過由發(fā)動機溫度和發(fā)動機平均轉(zhuǎn)速確定的MAP中插值確定。起動油量由發(fā)動機溫度和發(fā)動機平均轉(zhuǎn)速確定的MAP中插值出的基本的噴油量,根據(jù)發(fā)動機溫度和發(fā)動機平均轉(zhuǎn)速確定的附加起動油量加上大氣壓力修正作用所得的附加修正油量和EEP2 ROM(電可擦除只讀存儲器(閃存中存儲的調(diào)整油量3

14、個部分組成。冷卻液溫度較低時,使著火滯后期增長,很容易導致失火或不完全燃燒現(xiàn)象,生成較高的HC 排放6。提高冷卻液溫度可以降低起動油耗和排放。剛打開起動電機時,起動油量初始化為0,判缸成功后,根據(jù)轉(zhuǎn)速和水溫信號計算出的起動油量即為基本起動油量,然后再根據(jù)大氣壓力進行修正,并根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速占最大起動轉(zhuǎn)速的比例通過EEPROM進行調(diào)整。起動基本油量的確定需要考慮可靠起動和降低排放、油耗兩個方面的因素。如果把起動油量定得過高,能夠保證冷起動,但是會造成排放和油耗過高,反之如果為了降低排放和油耗把起動基本油量定的低一些,有可能由于混合氣過稀不能保證可靠的起動。因此,為了保證這兩個方面的需求可以引入斜坡

15、函數(shù)對起動油量進行調(diào)整來實現(xiàn)可靠的、低排放的起動柴油機。圖3是本研究課題所設計的起動油量的確定模塊 :圖3起動油量的確定2.2斜坡函數(shù)斜坡函數(shù)相當于一個比例環(huán)節(jié),與比例環(huán)節(jié)不同的是斜坡函數(shù)的輸出值是隨時間而變化的。斜坡函數(shù)有正的斜率也有負的斜率,當實際的控制量高于目標量時,采用負斜率,逐漸降低控制量,以消除誤差;反之,則采用正斜率,增加控制量,消除控制偏差。當偏差較大時,為了快速補償偏差,需要采用大斜率,但是偏差過大,易導致系23現(xiàn)代車用動力2008年第1期 統(tǒng)的震蕩;反之,偏差較小時,則需要采用小斜率調(diào)節(jié),防止斜率過大造成過調(diào)節(jié),引起控制量的發(fā)散震蕩7,8。在這里如果采用小起動基本油量,那么

16、為了保證順利起動就必須使用正斜坡斜率增加起動油量以實現(xiàn)柴油機的快速起動,隨著轉(zhuǎn)速的升高,發(fā)動機溫度也會增高,當發(fā)動轉(zhuǎn)速接近起動成功轉(zhuǎn)速時,就要凍結(jié)斜坡增油作用,防止起動油量過高造成起動轉(zhuǎn)速過高,以及發(fā)動機油耗和排放問題的嚴重;當選用較高的起動基本油量時,發(fā)動機起動成功后就必須通過負斜率來減少噴油量,從而降低排放和油耗。對于智能調(diào)節(jié)系統(tǒng),可以正負斜率都使用。當轉(zhuǎn)速升高過快時采用負斜率減油,反之則采用正斜率加油,這樣既能保證順利起動,又能降低排放和油耗。3結(jié)束語從以上分析可以得出:a .高壓共軌電控柴油機起動控制系統(tǒng)中,采用轉(zhuǎn)速加起動時間的監(jiān)控方式來判定起動狀態(tài),優(yōu)于傳統(tǒng)的機械式柴油機中客戶根據(jù)自

17、身對發(fā)動機運轉(zhuǎn)的感覺來判斷起動性能和起動狀態(tài)。目前對起動機的監(jiān)控還是一個比較復雜的工作,需要進一步去研究。b .起動系統(tǒng)中起動油量的計算很關鍵,過大或過小都不利于柴油機正常工作,采用MAP 插值法能夠使起動油量盡量接近理想起動油量;根據(jù)大氣壓力的高低對起動油量進行修正,能夠彌補由于氣壓的差異帶來的影響;再通過EEPROM 中的調(diào)整油量對其進行調(diào)整,能夠根據(jù)實際工作情況的不同對起動油量進行優(yōu)化。這些策略都是優(yōu)化了柴油機的起動工作性能的重要方法。c .在起動油量的確定中,引入斜坡函數(shù)模塊一方面能夠增加起動油量保證快速起動,另一方面又防止了起動油量過大而引起的油耗和排放升高問題。對改善柴油機的起動性

18、能也很有幫助。自動控制和計算機的知識應用引入到傳統(tǒng)的發(fā)動機領域中,促進了發(fā)動機現(xiàn)代化和數(shù)字化的發(fā)展。d .高壓共軌電控柴油機由于高壓軌的存在,高壓油泵源源不斷地給高壓軌輸送燃油,保證能夠達到較高的噴油壓力,混和氣的形成更有利于發(fā)動機首次運轉(zhuǎn),優(yōu)化柴油機起動過程。參考文獻:1居鈺生,金興才1我國燃油噴射系統(tǒng)行業(yè)現(xiàn)狀和面臨的任務與對策J .現(xiàn)代車用動力,2007,(3:1.2黃毅,肖文雍,唐永良,等.G D 1高壓共軌電控柴油機起動控制的試驗研究J .車用發(fā)動機,2004,(2:2422713黃寧,段家修,堯命發(fā),等.車用柴油機起動性能研究J .小型內(nèi)燃機與摩托車,2003,32(6:1622014肖文雍,冒校建,王好戰(zhàn),等.G D -1高壓共軌式電控柴油機的起動控制策略研究J .內(nèi)燃機學報,2003,(2:97210015張幽彤