韓曉梅,林學(xué)東,李德剛

(吉林大學(xué),汽車仿真與控制國家重點實驗室,長春 130022)

輕型柴油機起動過程瞬態(tài)噴油量控制策略研究*

韓曉梅,林學(xué)東,李德剛

(吉林大學(xué),汽車仿真與控制國家重點實驗室,長春 130022)

為一高壓共軌輕型柴油機提出了基于目標(biāo)轉(zhuǎn)速變化規(guī)律的起動過程瞬態(tài)噴油量的控制策略和確定方法,并與定油量和油量MAP控制方式進行了對比。結(jié)果表明:油量MAP控制方式在起動過程中雖NOx排放低,過渡轉(zhuǎn)速波動小,但平均燃燒效率較低,HC和CO排放高;而定油量控制方式平均燃燒效率較高,HC和CO排放低,但NOx和CO2排放高,且過渡轉(zhuǎn)速波動大。新的控制策略可根據(jù)起動過程瞬態(tài)轉(zhuǎn)速變化特性精確控制噴油量,使各瞬態(tài)燃燒效率高,有效降低CO2,HC,CO和NOx排放,且起動到怠速可實現(xiàn)圓滑過渡。

高壓共軌柴油機;起動性能;目標(biāo)轉(zhuǎn)速;瞬態(tài)噴油量;控制策略;轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性

前言

隨著汽車低碳化的發(fā)展,柴油機因熱效率高、CO2排放少且可靠耐久等優(yōu)點,不僅在中重型貨車上廣泛應(yīng)用,而且在輕型車和混合動力車領(lǐng)域也已成為發(fā)展趨勢。但常在市區(qū)內(nèi)行駛的車輛,由于受到交通條件的限制而頻繁地起停和怠速。據(jù)統(tǒng)計,起動和怠速工況約占整個行駛工況的30% ～40%左右,而車用柴油機50%～80%的HC和CO排放是在起動和怠速過程中產(chǎn)生的,其中冷起動的排放尤甚。

從歐Ⅲ排放標(biāo)準(zhǔn)開始增加了冷起動過程中HC和CO排放的檢測和車載診斷系統(tǒng)的檢測要求以來,對車用柴油機起動怠速過程的經(jīng)濟性、排放性和過渡轉(zhuǎn)速的平穩(wěn)性等一直倍受關(guān)注[1]。因此起動性能越來越引起重視。

為改善車用發(fā)動機的起動特性,國內(nèi)外在實車上深入研究了起動過渡到怠速過程中CO和HC排放特性及其主要影響因素[2-3],并通過噴射系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化或采用廢氣再循環(huán)等手段有效地改善了柴油機冷起動時的著火與燃燒特性[4-5]。但由于迄今柴油車上采用的電控高壓共軌噴射系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)主要掌握在BOSCH、德爾福等幾個外資企業(yè),不僅對控制策略嚴(yán)加保密,且起動過程噴油量控制策略方面的研究報道甚少,嚴(yán)重阻礙關(guān)鍵技術(shù)國產(chǎn)化的進程,所以很有必要開發(fā)自主產(chǎn)品。

傳統(tǒng)車用柴油機的起動控制方法基本上都是采用定噴油量的方法,而BOSCH的第二代高壓共軌噴射系統(tǒng)采用基于轉(zhuǎn)矩的噴油量控制策略,并使之轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)速-冷卻水溫-噴油量的MAP圖(稱為MAP圖控制方式)來進行控制。前者根據(jù)設(shè)定的噴油量使起動過程中轉(zhuǎn)速隨機變化,導(dǎo)致起動過渡到怠速時轉(zhuǎn)速超調(diào)現(xiàn)象嚴(yán)重,不僅造成車輛振動噪聲增加,而且不利于改善起動過程的節(jié)能和排放特性;而基于轉(zhuǎn)矩的噴油量MAP圖控制方法雖實現(xiàn)了對噴油量的精確控制,但沒有明確的起動過程控制的目標(biāo)函數(shù),因此各瞬態(tài)工況的變化特性和燃燒效率并非最佳,不僅不利于經(jīng)濟性,且標(biāo)定工作繁雜,HC和CO排放也偏高。

本文中基于國產(chǎn)HT5型開放式高壓共軌電控平臺,提出了一種根據(jù)目標(biāo)起動轉(zhuǎn)速變化特性來確定需求轉(zhuǎn)矩的起動過程瞬態(tài)噴油量的控制策略,并在2.8T型高壓共軌直噴柴油機上進行了試驗研究,同時將控制效果與其他方式進行了對比,結(jié)果表明,這種新的控制策略控制效果明顯,很好地改善了起動性。

1 試驗方法與條件

樣機的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。發(fā)動機采用基于國產(chǎn)的開放式控制單元(ECU)自主開發(fā)的HT5型高壓共軌電控噴射系統(tǒng)。它提供了高壓共軌噴射系統(tǒng)控制所必要的硬件系統(tǒng)和基礎(chǔ)軟件。在此基礎(chǔ)上針對本研究的目的,對曲軸轉(zhuǎn)角位置傳感器等信號處理方式進行了相應(yīng)的改進,并根據(jù)所提出的起動過程噴油量的控制策略進行了應(yīng)用層控制軟件的二次開發(fā)。試驗過程中采用與ECU配套的標(biāo)定軟件HT-Link進行實時標(biāo)定和監(jiān)測。

表1 試驗樣機技術(shù)參數(shù)

試驗過程中所采用的主要測試儀器設(shè)備見表2。在每次起動試驗過程中冷卻液溫度維持在26°C左右,并根據(jù)前期研究結(jié)果,采用二次噴射方式,主噴提前角為2°CA,預(yù)噴與主噴之間間隔為12°CA,初始預(yù)噴量為21mg左右,約占總噴油量的10%,軌壓設(shè)定為40MPa。所有試驗重復(fù)5次,然后取平均值作為最終試驗結(jié)果進行分析。

表2 試驗測試設(shè)備

2 基于目標(biāo)轉(zhuǎn)速變化特性的起動瞬態(tài)噴油量的控制策略

2.1 目標(biāo)轉(zhuǎn)速變化特性的確定

本控制策略的特點是,首先設(shè)定合理的起動過渡過程的目標(biāo)瞬態(tài)轉(zhuǎn)速變化特性,或目標(biāo)曲軸角加速度曲線,并以此為基礎(chǔ)確定實現(xiàn)該目標(biāo)轉(zhuǎn)速變化特性所需求的起動過程瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩,然后根據(jù)質(zhì)調(diào)節(jié)式發(fā)動機的特點,將需求轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換為噴油量。

根據(jù)發(fā)動機起動過程中轉(zhuǎn)速先加速后逐漸過渡到怠速的實際轉(zhuǎn)速變化特性,設(shè)計了在設(shè)定時間內(nèi)的目標(biāo)起動轉(zhuǎn)速變化特性,如圖1所示。為便于控制,將對應(yīng)的角加速度變化特性設(shè)計成兩段間斷式,并通過邊界條件的合理設(shè)定使發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化曲線在角加速度間斷點處連續(xù)。

在國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12535《汽車起動性能試驗方法》[6]中明確規(guī)定了不同環(huán)境溫度下冷起動時起動機拖動時間的限定值,而首噴后到怠速的過渡過程的時間沒有具體規(guī)定。本控制策略主要研究首噴到怠速的過渡過程中瞬態(tài)噴油量的控制方法,不考慮起動機的拖動過程。因此,從首噴開始到首次達到怠速轉(zhuǎn)速的時間區(qū)間可定義為[t0,tI],對應(yīng)的轉(zhuǎn)速變化范圍定義為[n0,nI],并根據(jù)目標(biāo)轉(zhuǎn)速變化特性,將對應(yīng)的角加速度變化曲線設(shè)定為兩段,即設(shè)定[t0,t1]時間段的目標(biāo)轉(zhuǎn)速和對應(yīng)的角加速度方程如式(1)所示,其中k為調(diào)整常數(shù),通過調(diào)節(jié)k值,可實現(xiàn)不同的加速過程;而在[t1,tI]時間段的目標(biāo)轉(zhuǎn)速和對應(yīng)的角加速度方程如式(2)所示,由此在進入怠速工況時,角加速度逐漸降低到0,從而使起動過渡到怠速過程中發(fā)動機轉(zhuǎn)速能圓滑地過渡。這里,在試驗環(huán)境溫度下一旦首噴完成,則首噴(t0=0)到怠速所經(jīng)歷的時間tI隨起動條件變化不大,起動環(huán)境溫度主要影響起動拖動時間和首噴轉(zhuǎn)速n0,實際應(yīng)用時可根據(jù)具體條件通過設(shè)定MAP的方法進行修正。在本次研究中根據(jù)前期的實際試驗研究結(jié)果,將tI設(shè)定在2～3s范圍內(nèi),并取t1=tI/2,根據(jù)前期研究結(jié)果,在常溫條件下取n0=200r/min。在實際控制時在實時中斷模塊中設(shè)定計數(shù)器t,從噴油時刻開始計時。

圖1 起動過程目標(biāo)轉(zhuǎn)速和加速特性

式中:a*為起動過程中目標(biāo)角加速度,rad/s2;n*為目標(biāo)轉(zhuǎn)速,r·min-1;n0為起噴轉(zhuǎn)速;nI為起動成功轉(zhuǎn)速;tI為起噴時刻開始到達到起動成功轉(zhuǎn)速所經(jīng)歷的時間,s;Dt1為快速加速時間;Dt2為慢加速時間。定義t=0時刻為起噴時刻,n1為t1時刻對應(yīng)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速。

由于起動過程中轉(zhuǎn)速變化的隨機性,當(dāng)實際轉(zhuǎn)速偏離目標(biāo)值時,需要及時進行調(diào)整。因此在控制策略中設(shè)定了如下的轉(zhuǎn)速調(diào)整方案:

(1)當(dāng)t＜t1且n≥n1時,將t1值賦給t,使目標(biāo)函數(shù)進入慢加速階段;

(2)當(dāng)t≥t1且n≤n1時,使t減小0.5s,使函數(shù)返回快加速階段,保證轉(zhuǎn)速快速達到目標(biāo)值;

(3)當(dāng)t＞tI且n＜nI時,使t減小0.5s,繼續(xù)緩慢加速,在轉(zhuǎn)速變化不超調(diào)的前提下使轉(zhuǎn)速緩慢達到起動成功轉(zhuǎn)速。

2.2 起動過程瞬態(tài)噴油量的確定

如前所述,起動過程的目標(biāo)轉(zhuǎn)速的設(shè)定,實際上就是確定了目標(biāo)起動過程瞬態(tài)工況的變化特性。根據(jù)質(zhì)調(diào)節(jié)式發(fā)動機不同工況下噴油量與該工況下的指示轉(zhuǎn)矩(或指示功)成正比的特點,以及基于上述起動過程中目標(biāo)轉(zhuǎn)速和目標(biāo)角加速度的變化特性,將目標(biāo)起動過程瞬態(tài)工況需求的指示轉(zhuǎn)矩分為起動阻力矩Ttqr和起動加速轉(zhuǎn)矩Ttqa兩部分,即

其中,起動阻力轉(zhuǎn)矩Ttqr為起動過程中發(fā)動機內(nèi)部摩擦轉(zhuǎn)矩Ttqf和驅(qū)動附件所需轉(zhuǎn)矩Ttqd之和。其主要影響因素是發(fā)動機轉(zhuǎn)速n和冷卻水溫度tw,可通過發(fā)動機臺架倒拖試驗制取(如圖2)。

圖2 冷起動阻力轉(zhuǎn)矩MAP圖

起動加速轉(zhuǎn)矩Ttqa是指發(fā)動機在起動過程中從起噴時刻轉(zhuǎn)速n0開始按目標(biāo)轉(zhuǎn)速變化特性進行加速運轉(zhuǎn)過程中克服慣性阻力矩所需的轉(zhuǎn)矩。根據(jù)發(fā)動機從起噴轉(zhuǎn)速過渡到怠速的過程中先加速后圓滑過渡到怠速的目標(biāo)轉(zhuǎn)速變化特性(圖1),當(dāng)發(fā)動機的轉(zhuǎn)動慣量為I時的起動加速轉(zhuǎn)矩按兩個時段分開計算,即

根據(jù)在ECU內(nèi)部對曲軸轉(zhuǎn)角位置傳感器信息的離散化處理方式,將起動過程中加速轉(zhuǎn)矩的計算也按各缸工作次序進行了離散化處理。將各離散點的加速轉(zhuǎn)矩表示為(j=1,2,…,m,m為氣缸數(shù)目),即在起動過程中各氣缸每做功一次,加速轉(zhuǎn)矩Ttqa值就更新一次。因此,從起噴時刻起到第j次缸做功結(jié)束時刻tj時離散化的起動加速轉(zhuǎn)矩可表示為

圖3為根據(jù)目標(biāo)起動轉(zhuǎn)速變化特性計算起動過程所需求轉(zhuǎn)矩的邏輯框圖,由此確定起動過程的瞬態(tài)噴油量。

圖3 起動需求轉(zhuǎn)矩的計算邏輯圖

2.3 不同起動噴油量控制方式的對比

圖4為3種不同噴油量控制方式對起動過程轉(zhuǎn)速變化特性的影響。當(dāng)采用定油量起動控制方式時,起動首循環(huán)起燃成功后轉(zhuǎn)速迅速增加,從而改善了混合氣的形成條件和燃燒過程,因此起動過程中各循環(huán)的燃燒效率較高,如圖5所示。由圖可見,當(dāng)轉(zhuǎn)速超過740r/min以后,進入怠速噴油量的控制階段,此時由于定油量控制方式的噴油量在起動過程中恒定不變,所以起動過渡到怠速工況時轉(zhuǎn)速波動較大,使整機振動噪聲增加,同時為修正轉(zhuǎn)速波動而調(diào)整的噴油量也較多。當(dāng)采用BOSCH的油量MAP起動控制方式時,雖然通過起動噴油量MAP的標(biāo)定,明顯改善起動過渡到怠速過程中轉(zhuǎn)速的超調(diào)現(xiàn)象,但是這種控制方式?jīng)]有明確的起動過渡工況的控制目標(biāo)函數(shù),只是隨機設(shè)定了幾個轉(zhuǎn)速來標(biāo)定需求轉(zhuǎn)矩,因此所設(shè)定的噴油量并不適應(yīng)起動過程中的最佳工況。由圖5可見,從第3個循環(huán)開始,燃燒效率普遍降低,而基于轉(zhuǎn)速特性的控制策略的燃燒效率基本上與定油量控制接近。

圖4 不同起動控制方式對起動特性的影響

圖5 不同起動控制方式對燃燒效率的影響

圖6表示不同起動噴油量控制方式對起動過程排放特性的影響。這里起動過程中的排放物是將首循環(huán)開始到首次達到怠速工況的各循環(huán)尾氣收集于采樣袋中進行測量的結(jié)果,是起動到怠速各循環(huán)排放的平均值,是在3種不同起動噴油量控制方式下分別進行5次測量平均而得。它表示3種不同噴射方式下的CO,CO2和HC排放相對NOx排放水平的變化特性。結(jié)果表明,恒定油量控制方式在起動過程中雖然HC和CO排放較低,但NOx和CO2排放高,而且過渡到怠速時轉(zhuǎn)速超調(diào)量大;當(dāng)采用油量MAP的控制方式時,起動過程中NOx排放量明顯減少,但HC和CO排放增加,說明這種控制方式的燃燒效率差;而基于目標(biāo)起動轉(zhuǎn)速特性的瞬態(tài)噴油量的控制方法,起動過程產(chǎn)生的HC比恒定噴油量控制方法稍高,NOx介于另兩種控制方法之間,但CO2和CO排放最少,尤其是CO2排放,它比恒定油量控制方式和油量MAP控制方式分別降低29.6%和9.5%。

圖6 不同起動控制方式排放特性的比較

3 結(jié)論

提出了基于目標(biāo)轉(zhuǎn)速特性的起動過程瞬態(tài)噴油量的控制策略,它不僅保證起動過程圓滑地過渡到怠速狀態(tài),避免了過渡過程中轉(zhuǎn)速的波動現(xiàn)象,而且起動過程各瞬態(tài)燃燒效率不受影響,平均仍可保持在50%～60%的水平,并有效降低了HC和CO排放。與油量MAP控制方式相比較,除NOx排放較高外,可使 HC,CO和 CO2排放分別降低 19.4%, 81.8%和10.5%。

[1] ROBERTS A,BROOKS R,SHIPWAY P.Internal combustion engine cold-start efficiency:A review of the problem,causes and potential solutions[J].Energy Conversion and Management,2014, 82:327-350.

[2] JAYNE W,GEMMA B,PHILIPPA U,et al.Real world cold start emissions from a diesel vehicle[C].SAE Paper 2012-01-1075.

[3] BROATCH A,LUJAN J M,RUIZ S,et al.Measurement of hydrocarbon and carbon monoxide emissions during the starting of automotive DI diesel engines[J].International Journal of Automotive Technology,2008,9(2):129-140.

[4] CUI Yi,PENG Haiyong,DENG Kangyao,et al.The effects of unburned hydrocarbon recirculation on ignition and combustion during diesel engine cold starts[J].Energy,2014,64:323-329.

[5] DESANTES J M,GARCíA-OLIVER J M,PASTOR J M,et al. Influence of nozzle geometry on ignition and combustion for highspeed direct injection diesel engines under cold start conditions [J].Fuel,2011,90(11):3359-3368.

[6] GB/T 12535—2007汽車起動性能試驗方法[S].2007.

A Study on the Control Strategy for the Transient Fuel Injection Quantity in Starting Process of a Light Diesel Engine

Han Xiaomei,Lin Xuedong&Li Degang
Jilin University,State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control,Changchun 130022

A control strategy for and the determination method of transient fuel injection quantity in starting process based on the changing rule of target speed is proposed for a high-pressure common-rail light diesel engine, which is then compared with constant fuel quantity control and fuel quantity MAP control.The results show that with MAP control mode,although the NOxemission in starting process is low and the speed fluctuation in transition period is small,but its average combustion efficiency is low and the emissions of HC and CO are higher;With constant fuel quantity control mode,the average combustion efficiency is higher,the emissions of HC and CO are lower,but NOxand CO2emissions are higher and the speed fluctuation in transition period is increased;While the new control strategy can accurately control fuel injection quantity according to the characteristics of the transient speed in starting process,resulting in higher transient combustion efficiency,lower emissions of CO2,HC,CO and NOxand smoother transition from starting to idling.

high-pressure common-rail diesel engine;starting performance;target speed;transient fuel injection quantity;control strategy;speed stability

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.01.004

*吉林省科技發(fā)展計劃項目(20150101032JC)資助。

原稿收到日期為2015年7月31日。

林學(xué)東,教授,E-mail:xdlin@jlu.edu.cn。