轻型柴油机起动过程瞬态喷油量控制策略研究*

韩晓梅,林学东,李德刚

(吉林大学,汽车仿真与控制国家重点实验室,长春 130022)

轻型柴油机起动过程瞬态喷油量控制策略研究*

韩晓梅,林学东,李德刚

(吉林大学,汽车仿真与控制国家重点实验室,长春 130022)

为一高压共轨轻型柴油机提出了基于目标转速变化规律的起动过程瞬态喷油量的控制策略和确定方法,并与定油量和油量MAP控制方式进行了对比。结果表明:油量MAP控制方式在起动过程中虽NOx排放低,过渡转速波动小,但平均燃烧效率较低,HC和CO排放高;而定油量控制方式平均燃烧效率较高,HC和CO排放低,但NOx和CO2排放高,且过渡转速波动大。新的控制策略可根据起动过程瞬态转速变化特性精确控制喷油量,使各瞬态燃烧效率高,有效降低CO2,HC,CO和NOx排放,且起动到怠速可实现圆滑过渡。

高压共轨柴油机;起动性能;目标转速;瞬态喷油量;控制策略;转速稳定性

前言

随着汽车低碳化的发展,柴油机因热效率高、CO2排放少且可靠耐久等优点,不仅在中重型货车上广泛应用,而且在轻型车和混合动力车领域也已成为发展趋势。但常在市区内行驶的车辆,由于受到交通条件的限制而频繁地起停和怠速。据统计,起动和怠速工况约占整个行驶工况的30% ～40%左右,而车用柴油机50%～80%的HC和CO排放是在起动和怠速过程中产生的,其中冷起动的排放尤甚。

从欧Ⅲ排放标准开始增加了冷起动过程中HC和CO排放的检测和车载诊断系统的检测要求以来,对车用柴油机起动怠速过程的经济性、排放性和过渡转速的平稳性等一直倍受关注[1]。因此起动性能越来越引起重视。

为改善车用发动机的起动特性,国内外在实车上深入研究了起动过渡到怠速过程中CO和HC排放特性及其主要影响因素[2-3],并通过喷射系统参数的优化或采用废气再循环等手段有效地改善了柴油机冷起动时的着火与燃烧特性[4-5]。但由于迄今柴油车上采用的电控高压共轨喷射系统等关键技术主要掌握在BOSCH、德尔福等几个外资企业,不仅对控制策略严加保密,且起动过程喷油量控制策略方面的研究报道甚少,严重阻碍关键技术国产化的进程,所以很有必要开发自主产品。

传统车用柴油机的起动控制方法基本上都是采用定喷油量的方法,而BOSCH的第二代高压共轨喷射系统采用基于转矩的喷油量控制策略,并使之转换为转速-冷却水温-喷油量的MAP图(称为MAP图控制方式)来进行控制。前者根据设定的喷油量使起动过程中转速随机变化,导致起动过渡到怠速时转速超调现象严重,不仅造成车辆振动噪声增加,而且不利于改善起动过程的节能和排放特性;而基于转矩的喷油量MAP图控制方法虽实现了对喷油量的精确控制,但没有明确的起动过程控制的目标函数,因此各瞬态工况的变化特性和燃烧效率并非最佳,不仅不利于经济性,且标定工作繁杂,HC和CO排放也偏高。

本文中基于国产HT5型开放式高压共轨电控平台,提出了一种根据目标起动转速变化特性来确定需求转矩的起动过程瞬态喷油量的控制策略,并在2.8T型高压共轨直喷柴油机上进行了试验研究,同时将控制效果与其他方式进行了对比,结果表明,这种新的控制策略控制效果明显,很好地改善了起动性。

1 试验方法与条件

样机的主要技术参数如表1所示。发动机采用基于国产的开放式控制单元(ECU)自主开发的HT5型高压共轨电控喷射系统。它提供了高压共轨喷射系统控制所必要的硬件系统和基础软件。在此基础上针对本研究的目的,对曲轴转角位置传感器等信号处理方式进行了相应的改进,并根据所提出的起动过程喷油量的控制策略进行了应用层控制软件的二次开发。试验过程中采用与ECU配套的标定软件HT-Link进行实时标定和监测。

表1 试验样机技术参数

试验过程中所采用的主要测试仪器设备见表2。在每次起动试验过程中冷却液温度维持在26°C左右,并根据前期研究结果,采用二次喷射方式,主喷提前角为2°CA,预喷与主喷之间间隔为12°CA,初始预喷量为21mg左右,约占总喷油量的10%,轨压设定为40MPa。所有试验重复5次,然后取平均值作为最终试验结果进行分析。

表2 试验测试设备

2 基于目标转速变化特性的起动瞬态喷油量的控制策略

2.1 目标转速变化特性的确定

本控制策略的特点是,首先设定合理的起动过渡过程的目标瞬态转速变化特性,或目标曲轴角加速度曲线,并以此为基础确定实现该目标转速变化特性所需求的起动过程瞬态转矩,然后根据质调节式发动机的特点,将需求转矩转换为喷油量。

根据发动机起动过程中转速先加速后逐渐过渡到怠速的实际转速变化特性,设计了在设定时间内的目标起动转速变化特性,如图1所示。为便于控制,将对应的角加速度变化特性设计成两段间断式,并通过边界条件的合理设定使发动机转速变化曲线在角加速度间断点处连续。

在国家标准GB/T 12535《汽车起动性能试验方法》[6]中明确规定了不同环境温度下冷起动时起动机拖动时间的限定值,而首喷后到怠速的过渡过程的时间没有具体规定。本控制策略主要研究首喷到怠速的过渡过程中瞬态喷油量的控制方法,不考虑起动机的拖动过程。因此,从首喷开始到首次达到怠速转速的时间区间可定义为[t0,tI],对应的转速变化范围定义为[n0,nI],并根据目标转速变化特性,将对应的角加速度变化曲线设定为两段,即设定[t0,t1]时间段的目标转速和对应的角加速度方程如式(1)所示,其中k为调整常数,通过调节k值,可实现不同的加速过程;而在[t1,tI]时间段的目标转速和对应的角加速度方程如式(2)所示,由此在进入怠速工况时,角加速度逐渐降低到0,从而使起动过渡到怠速过程中发动机转速能圆滑地过渡。这里,在试验环境温度下一旦首喷完成,则首喷(t0=0)到怠速所经历的时间tI随起动条件变化不大,起动环境温度主要影响起动拖动时间和首喷转速n0,实际应用时可根据具体条件通过设定MAP的方法进行修正。在本次研究中根据前期的实际试验研究结果,将tI设定在2～3s范围内,并取t1=tI/2,根据前期研究结果,在常温条件下取n0=200r/min。在实际控制时在实时中断模块中设定计数器t,从喷油时刻开始计时。

图1 起动过程目标转速和加速特性

式中:a*为起动过程中目标角加速度,rad/s2;n*为目标转速,r·min-1;n0为起喷转速;nI为起动成功转速;tI为起喷时刻开始到达到起动成功转速所经历的时间,s;Dt1为快速加速时间;Dt2为慢加速时间。定义t=0时刻为起喷时刻,n1为t1时刻对应的目标转速。

由于起动过程中转速变化的随机性,当实际转速偏离目标值时,需要及时进行调整。因此在控制策略中设定了如下的转速调整方案:

(1)当t＜t1且n≥n1时,将t1值赋给t,使目标函数进入慢加速阶段;

(2)当t≥t1且n≤n1时,使t减小0.5s,使函数返回快加速阶段,保证转速快速达到目标值;

(3)当t＞tI且n＜nI时,使t减小0.5s,继续缓慢加速,在转速变化不超调的前提下使转速缓慢达到起动成功转速。

2.2 起动过程瞬态喷油量的确定

如前所述,起动过程的目标转速的设定,实际上就是确定了目标起动过程瞬态工况的变化特性。根据质调节式发动机不同工况下喷油量与该工况下的指示转矩(或指示功)成正比的特点,以及基于上述起动过程中目标转速和目标角加速度的变化特性,将目标起动过程瞬态工况需求的指示转矩分为起动阻力矩Ttqr和起动加速转矩Ttqa两部分,即

其中,起动阻力转矩Ttqr为起动过程中发动机内部摩擦转矩Ttqf和驱动附件所需转矩Ttqd之和。其主要影响因素是发动机转速n和冷却水温度tw,可通过发动机台架倒拖试验制取(如图2)。

图2 冷起动阻力转矩MAP图

起动加速转矩Ttqa是指发动机在起动过程中从起喷时刻转速n0开始按目标转速变化特性进行加速运转过程中克服惯性阻力矩所需的转矩。根据发动机从起喷转速过渡到怠速的过程中先加速后圆滑过渡到怠速的目标转速变化特性(图1),当发动机的转动惯量为I时的起动加速转矩按两个时段分开计算,即

根据在ECU内部对曲轴转角位置传感器信息的离散化处理方式,将起动过程中加速转矩的计算也按各缸工作次序进行了离散化处理。将各离散点的加速转矩表示为(j=1,2,…,m,m为气缸数目),即在起动过程中各气缸每做功一次,加速转矩Ttqa值就更新一次。因此,从起喷时刻起到第j次缸做功结束时刻tj时离散化的起动加速转矩可表示为

图3为根据目标起动转速变化特性计算起动过程所需求转矩的逻辑框图,由此确定起动过程的瞬态喷油量。

图3 起动需求转矩的计算逻辑图

2.3 不同起动喷油量控制方式的对比

图4为3种不同喷油量控制方式对起动过程转速变化特性的影响。当采用定油量起动控制方式时,起动首循环起燃成功后转速迅速增加,从而改善了混合气的形成条件和燃烧过程,因此起动过程中各循环的燃烧效率较高,如图5所示。由图可见,当转速超过740r/min以后,进入怠速喷油量的控制阶段,此时由于定油量控制方式的喷油量在起动过程中恒定不变,所以起动过渡到怠速工况时转速波动较大,使整机振动噪声增加,同时为修正转速波动而调整的喷油量也较多。当采用BOSCH的油量MAP起动控制方式时,虽然通过起动喷油量MAP的标定,明显改善起动过渡到怠速过程中转速的超调现象,但是这种控制方式没有明确的起动过渡工况的控制目标函数,只是随机设定了几个转速来标定需求转矩,因此所设定的喷油量并不适应起动过程中的最佳工况。由图5可见,从第3个循环开始,燃烧效率普遍降低,而基于转速特性的控制策略的燃烧效率基本上与定油量控制接近。

图4 不同起动控制方式对起动特性的影响

图5 不同起动控制方式对燃烧效率的影响

图6表示不同起动喷油量控制方式对起动过程排放特性的影响。这里起动过程中的排放物是将首循环开始到首次达到怠速工况的各循环尾气收集于采样袋中进行测量的结果,是起动到怠速各循环排放的平均值,是在3种不同起动喷油量控制方式下分别进行5次测量平均而得。它表示3种不同喷射方式下的CO,CO2和HC排放相对NOx排放水平的变化特性。结果表明,恒定油量控制方式在起动过程中虽然HC和CO排放较低,但NOx和CO2排放高,而且过渡到怠速时转速超调量大;当采用油量MAP的控制方式时,起动过程中NOx排放量明显减少,但HC和CO排放增加,说明这种控制方式的燃烧效率差;而基于目标起动转速特性的瞬态喷油量的控制方法,起动过程产生的HC比恒定喷油量控制方法稍高,NOx介于另两种控制方法之间,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控制方式分别降低29.6%和9.5%。

图6 不同起动控制方式排放特性的比较

3 结论

提出了基于目标转速特性的起动过程瞬态喷油量的控制策略,它不仅保证起动过程圆滑地过渡到怠速状态,避免了过渡过程中转速的波动现象,而且起动过程各瞬态燃烧效率不受影响,平均仍可保持在50%～60%的水平,并有效降低了HC和CO排放。与油量MAP控制方式相比较,除NOx排放较高外,可使 HC,CO和 CO2排放分别降低 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汽车起动性能试验方法[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

*吉林省科技发展计划项目(20150101032JC)资助。

原稿收到日期为2015年7月31日。

林学东,教授,E-mail:xdlin@jlu.edu.cn。