高臻臻

摘 要：對(duì)于柴油機(jī)的控制研究中，起動(dòng)控制是最為重要的部分之一。起動(dòng)控制對(duì)柴油機(jī)的磨損和排放均有重要影響。通過(guò)有效的起動(dòng)控制，能夠有效減少柴油機(jī)轉(zhuǎn)速突變帶來(lái)的磨損問(wèn)題?；诖?，本文對(duì)柴油機(jī)起動(dòng)控制展開(kāi)了詳細(xì)的研究，再分析了環(huán)境條、速度、噴油情況等影響柴油機(jī)起動(dòng)因素之后，提出了起動(dòng)控制策略，并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：電控單體泵柴油機(jī) 起動(dòng)過(guò)程 控制策略 仿真驗(yàn)證

中圖分類號(hào)：TK42 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）12（b）-00-02

在針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)控制的研究中，起動(dòng)控制一直是核心研究?jī)?nèi)容，起動(dòng)過(guò)程是一種瞬時(shí)狀態(tài)，從起動(dòng)開(kāi)始直到怠速穩(wěn)定工作的全過(guò)程都是起動(dòng)過(guò)程。在柴油機(jī)起動(dòng)中受到多方面因素的影響，使得起動(dòng)過(guò)程所處的工作條件是柴油機(jī)面臨的最惡劣的工作條件，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的磨損有著諸多影響。因此，為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，延長(zhǎng)柴油機(jī)的壽命，必須要采取一定的控制措施，對(duì)柴油機(jī)起動(dòng)實(shí)施優(yōu)化。

1 單體泵系統(tǒng)及起動(dòng)過(guò)程

單體泵系統(tǒng)包括噴油器、組合泵、傳感器以及高壓油管等部分。單體泵的工作原理為：系統(tǒng)通電之后，傳感器會(huì)對(duì)溫度、壓力以及轉(zhuǎn)速等重要信號(hào)展開(kāi)收集，方便ECU對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工況，包括起動(dòng)、停機(jī)、加速、怠速，展開(kāi)有效判斷，了解駕駛?cè)藛T的目的。通過(guò)操作單體泵電磁閥，對(duì)執(zhí)行器狀態(tài)展開(kāi)控制，能夠?qū)?nèi)缸高壓燃油供給實(shí)施控制，從而讓發(fā)動(dòng)機(jī)工況得到改善或者維持。柴油機(jī)起動(dòng)是從倒拖開(kāi)始的，經(jīng)常使用電機(jī)或者是壓縮空氣實(shí)現(xiàn)。隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸達(dá)到最低轉(zhuǎn)速水平，控制器會(huì)展開(kāi)起動(dòng)控制。隨著轉(zhuǎn)速的升高，在達(dá)到怠速穩(wěn)定之后，起動(dòng)過(guò)程也結(jié)束。

2 影響柴油機(jī)起動(dòng)過(guò)程的因素

在柴油機(jī)起動(dòng)的過(guò)程中，內(nèi)缸燃燒的情況會(huì)受到壓縮溫度和壓力、燃油噴射以及特性等影響。為了讓發(fā)動(dòng)機(jī)可以穩(wěn)定起動(dòng)，在開(kāi)始起動(dòng)的時(shí)候氣缸內(nèi)部需要具備一定溫度和壓力的要求。需要給氣缸提供混合氣濃度，保證具備一定的起動(dòng)速度，這些條件都會(huì)影響到起動(dòng)過(guò)程。

2.1 環(huán)境條件因素

對(duì)于柴油機(jī)起動(dòng)而言，環(huán)境條件帶來(lái)的影響十分明顯，隨著環(huán)境溫度逐漸降低，發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)阻力也會(huì)隨之增加。如果環(huán)境溫度比較低，發(fā)動(dòng)機(jī)也就具有更高的成功起動(dòng)概率。在低溫環(huán)境中，由于燃油密度和粘度增大，使得燃油流動(dòng)性變差，容易出現(xiàn)霧化、蒸發(fā)等情況，讓混合氣形成受到影響。在起動(dòng)扭矩固定的時(shí)候，隨著環(huán)境溫度逐漸降低，起動(dòng)轉(zhuǎn)速也會(huì)隨之降低，這種情況下，極容易造成起動(dòng)失火。

2.2 起動(dòng)速度因素

發(fā)動(dòng)機(jī)著火的實(shí)現(xiàn)，很大程度上是由缸內(nèi)溫度決定的，起動(dòng)轉(zhuǎn)速會(huì)直接影響到氣缸工作介質(zhì)自身的壓力和溫度，尤其是低轉(zhuǎn)速情況下能夠產(chǎn)生十分明顯的影響。如果起動(dòng)轉(zhuǎn)速相對(duì)較低，那么將會(huì)造成嚴(yán)重的傳熱損失以及泄露損失，這也會(huì)造成壓縮結(jié)束的時(shí)候工作介質(zhì)的壓力以及溫度條件低，無(wú)法保證發(fā)動(dòng)起動(dòng)著火。因此保證發(fā)動(dòng)機(jī)可以保持穩(wěn)定著火，在發(fā)動(dòng)機(jī)自身參數(shù)的基礎(chǔ)上，讓其起動(dòng)轉(zhuǎn)速要稍大于特定轉(zhuǎn)速。

2.3 起動(dòng)噴油情況

起動(dòng)噴油對(duì)起動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生影響主要包括噴油量大小、噴油壓力大小、噴油時(shí)間等因素。在起動(dòng)的時(shí)候，由于氣缸內(nèi)部溫度仍然比較低，燃油蒸發(fā)的速度相對(duì)比較慢，少部分燃油只能在滯燃期內(nèi)出現(xiàn)蒸發(fā)。如果發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速仍然比較低，噴油壓力比較低，噴油霧化的質(zhì)量必然不高，讓混合氣的形成受到影響。一般情況下，起動(dòng)階段對(duì)氣缸噴燃油，將會(huì)造成混合氣空燃的情況，并不能達(dá)到著火的實(shí)際要求。但是由于噴入過(guò)量的燃油，必然會(huì)導(dǎo)致起動(dòng)出現(xiàn)冒黑煙以及超調(diào)怠速的問(wèn)題。

3 電控單體泵柴油機(jī)起動(dòng)過(guò)程控制策略

3.1 控制策略

對(duì)電控單體泵柴油機(jī)展開(kāi)控制，設(shè)計(jì)起動(dòng)狀態(tài)的計(jì)算模塊，能夠?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)工況進(jìn)行清晰的判斷。設(shè)計(jì)怠速控制模塊能夠?qū)Φ∷俎D(zhuǎn)速點(diǎn)以及怠速狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算，對(duì)怠速PID展開(kāi)控制。設(shè)計(jì)扭矩協(xié)調(diào)模塊，在發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)和工況基礎(chǔ)上，對(duì)需求扭矩進(jìn)行協(xié)調(diào)，考慮到保護(hù)限制以及補(bǔ)償，最終計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)需求扭矩，從而計(jì)算出噴油期和提前角。起動(dòng)控制策略需要依靠計(jì)算起動(dòng)狀態(tài)、計(jì)算起動(dòng)扭矩以及Ramp控制3個(gè)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.1.1 計(jì)算起動(dòng)狀態(tài)

在起動(dòng)馬達(dá)通電以后，發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)進(jìn)入到起動(dòng)狀態(tài)中，控制狀態(tài)也就變成了起動(dòng)狀態(tài)，如果發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速超過(guò)了噴射轉(zhuǎn)速的最小值，那么計(jì)時(shí)器使能。在計(jì)時(shí)器輸出的時(shí)間超過(guò)了起動(dòng)扭矩持續(xù)時(shí)間，那么Ramp狀態(tài)將會(huì)置位，這個(gè)時(shí)候計(jì)時(shí)器要停止工作。如果檢測(cè)出發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速已經(jīng)超過(guò)了起動(dòng)轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)速，那么觸發(fā)器使能，且怠速狀態(tài)將會(huì)置位，這個(gè)時(shí)候計(jì)時(shí)器將會(huì)復(fù)位。

3.1.2 計(jì)算起動(dòng)扭矩

首先根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速以及冷卻液溫度，從而可以獲得原本起動(dòng)扭矩，由于在起動(dòng)初始時(shí)刻氣缸的溫度相對(duì)較低，需要增加扭矩補(bǔ)償模塊，在較低速度下通過(guò)燃油噴入量的增加，可以讓起動(dòng)成功率得到提升。為了能夠讓起動(dòng)冒煙和怠速超調(diào)大的問(wèn)題得到控制，要通過(guò)反比例函數(shù)，也就是扭矩補(bǔ)償函數(shù)，即發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸增加，補(bǔ)償扭矩逐漸趨近于0。如果發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸超過(guò)基礎(chǔ)扭矩限制轉(zhuǎn)速，那么補(bǔ)償值為0。

3.1.3 Ramp控制

使用Ramp控制策略，在起動(dòng)過(guò)程中控制轉(zhuǎn)速提高，讓超調(diào)量得到減少，從而減輕磨損情況，讓發(fā)動(dòng)機(jī)的工作壽命得以延長(zhǎng)。如果Ramp的狀態(tài)置位之后，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速處于怠速轉(zhuǎn)速最高值和噴射轉(zhuǎn)速最小值之間，同時(shí)基礎(chǔ)起動(dòng)轉(zhuǎn)速未超過(guò)限制扭矩，能夠展開(kāi)Ramp控制，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩斜坡出現(xiàn)升高，斜率則需要根據(jù)冷卻水溫展開(kāi)調(diào)整。若起動(dòng)扭矩升高到限制扭矩值，需要保持該扭矩值。在Ramp控制策略中，通過(guò)最大扭矩的設(shè)置，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)展開(kāi)保護(hù)，設(shè)計(jì)了停止供油的功能。

3.2 策略驗(yàn)證

3.2.1 建立仿真模型，驗(yàn)證起動(dòng)工作

為了保證控制效果，需要對(duì)控制策略進(jìn)行驗(yàn)證。在臺(tái)架試驗(yàn)之前首先要對(duì)起動(dòng)控制展開(kāi)驗(yàn)證。以某電控單體泵柴油機(jī)為例，使用柴油機(jī)臺(tái)架的數(shù)據(jù)建立發(fā)動(dòng)機(jī)模型以及ECU模型，展開(kāi)仿真實(shí)驗(yàn)。在仿真模型中，設(shè)置扭矩持續(xù)時(shí)間、怠速點(diǎn)以及補(bǔ)償扭矩，對(duì)起動(dòng)之后扭矩、基礎(chǔ)扭矩、噴油量、Ramp狀態(tài)、轉(zhuǎn)速以及提前角等情況的變化展開(kāi)觀測(cè)。如當(dāng)基礎(chǔ)扭矩的維持時(shí)長(zhǎng)為5ms，怠速點(diǎn)的值為600r/min、補(bǔ)償扭矩的值為100Nm的時(shí)候，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行處理，可以發(fā)現(xiàn)隨著轉(zhuǎn)速的增加，基礎(chǔ)起動(dòng)扭矩可以獲得補(bǔ)償，維持一段時(shí)間之后，將會(huì)出現(xiàn)Ramp控制使能，而起動(dòng)扭矩會(huì)逐漸增加，系統(tǒng)可以進(jìn)入到怠速控制的狀態(tài)中。

3.2.2 開(kāi)展臺(tái)架試驗(yàn)，驗(yàn)證起動(dòng)工作

臺(tái)架試驗(yàn)也要在不同控制參數(shù)的柴油機(jī)上進(jìn)行，從而驗(yàn)證起動(dòng)策略。經(jīng)過(guò)對(duì)不同參數(shù)柴油機(jī)試驗(yàn)之后，發(fā)現(xiàn)起動(dòng)控制策略可以有效地控制起動(dòng)過(guò)程，對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，能夠明顯地改善起動(dòng)過(guò)程。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文先是研究了影響到柴油起動(dòng)的主要因素，包括環(huán)境條件因素、轉(zhuǎn)速以及噴油量這3種影響因素。其次本文提出了控制策略，需要通過(guò)計(jì)算起動(dòng)狀態(tài)、計(jì)算起動(dòng)扭矩以及Ramp控制的設(shè)計(jì)，達(dá)到滿足柴油機(jī)起動(dòng)需求的基礎(chǔ)上，讓發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)得到更好的控制。最后本文通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)的分析，對(duì)控制策略進(jìn)行了驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)使用控制策略，能夠起到良好的控制效果。不僅能夠讓轉(zhuǎn)速超調(diào)問(wèn)題得到控制，能夠更好地應(yīng)對(duì)轉(zhuǎn)速突變等情況，從而延長(zhǎng)柴油機(jī)的使用壽命。

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