混合動力技術(shù)和發(fā)動機啟停技術(shù)得到了廣泛地應(yīng)用，同時也增加了柴油機的起動過程。日益嚴格的排放法規(guī)對柴油機冷起動過程提出了排放檢測要求，并且冷起動過程的排放在法規(guī)測試循環(huán)中占很大比例。因而起動工況的燃燒優(yōu)化和排放控制對實現(xiàn)柴油機超低排放目標至關(guān)重要。本期推文筆者研究不同恒定噴油量對柴油機起動性能的影響，提出基于柴油機瞬時轉(zhuǎn)速的起動油量斜坡控制策略，分析策略中關(guān)鍵參數(shù)的確定方法，并通過試驗為斜坡策略確定關(guān)鍵參數(shù)。通過與恒定噴油量起動過程對比，以期驗證斜坡策略的可行性以及斜坡策略對起動性能的影響，為柴油機起動油量的優(yōu)化控制提供參考。

1、試驗設(shè)備及方案

試驗用柴油機為一臺4缸高壓共軌、增壓中冷柴油機，圖1為發(fā)動機試驗臺架示意，表1為發(fā)動機主要技術(shù)參數(shù)。為了評價起動性能的優(yōu)劣，使用 HC 排放和起動時間作為起動過程的評價指標。參考控制系統(tǒng)動態(tài)性能的評價方法定義了起動過程的上升時間t1和調(diào)節(jié)時間t2，如圖2所示。


圖1 發(fā)動機試驗臺架示意

表1 發(fā)動機主要技術(shù)參數(shù)



圖2 起動時間定義

2、結(jié)果分析

2.1 恒定噴油量起動試驗

起動油量對柴油機起動過程有重要的影響，筆者在不同恒定噴油量下分別進行了5次起動試驗。圖3為不同噴油量起動過程的瞬時轉(zhuǎn)速。噴油量越大，起動過程轉(zhuǎn)速上升越快，起動結(jié)束時轉(zhuǎn)速上沖越嚴重，過渡階段的轉(zhuǎn)速波動越大。


圖3 不同恒定噴油量起動過程的發(fā)動機轉(zhuǎn)速

圖4為不同噴油量5次試驗的平均起動時間、轉(zhuǎn)速上沖量和HC體積分數(shù)。圖4a中，轉(zhuǎn)速上沖量為起動過程的峰值轉(zhuǎn)速與怠速轉(zhuǎn)速之差。隨著噴油量增加，上升時間t1和調(diào)節(jié)時間t2越短，但轉(zhuǎn)速上沖量越大。轉(zhuǎn)速上沖量過大時調(diào)節(jié)時間反而增加。圖4b中，噴油量越大，起動初期的HC體積分數(shù)越高，HC體積分數(shù)升高的速度也越快。


圖4 不同恒定噴油量起動過程的起動時間、轉(zhuǎn)速上沖量和HC體積分數(shù)

圖5為不同噴油量起動過程前5 s內(nèi)的HC累積質(zhì)量排放，結(jié)果為5次起動試驗的平均值。噴油量越大，起動過程相同時間內(nèi)的HC質(zhì)量排放越大。因此，在保證柴油機順利起動的前提下，盡量減小起動過程的噴油量，可以降低起動過程的整體HC排放水平。


圖5 不同恒定噴油量起動過程的 HC質(zhì)量排放

2.2 起動油量斜坡策略

設(shè)計了基于柴油機瞬時轉(zhuǎn)速的起動油量斜坡控制算法：



式中：n為發(fā)動機瞬時轉(zhuǎn)速；n1為斜坡起始轉(zhuǎn)速；n2為過渡轉(zhuǎn)速；n3為怠速轉(zhuǎn)速；q為噴油量；q1為初始噴油量；q2為怠速穩(wěn)定噴油量；q3為目標噴油量；q4為過渡噴油量。

圖6為斜坡算法控制的噴油量隨轉(zhuǎn)速變化，起動油量是根據(jù)柴油機轉(zhuǎn)速變化實時計算的，無需為斜坡算法確定斜率，因而油量計算不受時間的影響。基于轉(zhuǎn)速的斜坡算法對轉(zhuǎn)速具有極好的跟隨性，如果發(fā)動機轉(zhuǎn)速呈非線性變化，計算得到的油量也是非線性變化的。因而斜坡算法具有較強的收斂性和實時性，能夠精確實現(xiàn)起動過程期望的噴油量特性。


圖6 斜坡策略的噴油量特性

初始油量決定了起動初期的排放水平，為了確定一個合適的初始噴油量，進行了噴油量為10～15 mg/cyc的恒定噴油量起動試驗。圖7為各噴油量下5 次起動試驗的平均HC體積分數(shù)。噴油量為10、11、12和13 mg/cyc時起動初期的HC體積分數(shù)較高，原因是噴油量過小，形成的混合氣過稀，不完全燃燒增加。噴油量為14 mg/cyc和15 mg/cyc條件下起動初期的HC體積分數(shù)最小，但是隨后噴油量為15 mg/cyc時的HC體積分數(shù)較高，因而初始油量q1確定為14 mg/cyc。


圖7 噴油量為10～15 mg/cyc時起動過程的HC體積分數(shù)

目標油量決定了起動過程的快慢及排放水平，在恒定噴油量起動試驗中(圖4)，噴油量為30 mg/cyc條件下起動時間最短，并且HC體積分數(shù)比噴油量為40 mg/cyc和50 mg/cyc條件下起動過程低，因而目標油量q3確定為30 mg/cyc。另外，試驗條件下發(fā)動機穩(wěn)定運行在怠速時的噴油量為11 mg/cyc左右，因而怠速穩(wěn)定油量q2確定為11 mg/cyc。斜坡起始轉(zhuǎn)速n1決定著斜坡增加油量的開始時刻，由斜坡策略內(nèi)部的一個標定量確定。起動電機的拖動轉(zhuǎn)速能夠瞬時達到250 r/min以上，為了在起動開始后立即斜坡增加油量，試驗中n1設(shè)為180 r/min。


圖8 不同過渡轉(zhuǎn)速下起動過程的發(fā)動機轉(zhuǎn)速及噴油量

起動策略試驗驗證詳細內(nèi)容請參閱原文[1]，驗證結(jié)果如圖9所示，展示了噴油量為27 mg/cyc試驗和斜坡策略10次起動試驗的平均起動時間、起動油量以及HC質(zhì)量排放。HC質(zhì)量排放為起動開始后5 s內(nèi)的HC累積質(zhì)量排放，起動油量為調(diào)節(jié)時間內(nèi)的總噴油量。斜坡策略起動與噴油量為27 mg/cyc試驗的起動過程相比，起動時間減少0.39 s，縮短22%；起動油量減少134 mg，減小26%；HC質(zhì)量排放減少14 mg，降低29%。


圖9 驗證結(jié)果


文獻來源

[1]王正江,申立中,萬明定,等.柴油機起動過程瞬態(tài)噴油量的控制策略[J].內(nèi)燃機學(xué)報,2021,(04):320-325.