2_0T高压共轨柴油机起动怠速控制策略

I 摘 要 压共轨柴油机起动怠速控制策略 2013 年春季连续的雾霾天气一次次的笼罩着全国，恶劣天气影响到每一个人的生活、生存。空气污染 日渐 成为社会舆论关注的热点与焦点，加强对大气污染的主要来源之一汽车排放污染的控制的呼声 也 越来越高。低能耗、低排放的绿色汽车成为人们追逐的对象，高压共轨柴油机因其轨压建立独立 于 发动机转速、喷油规律柔性可调、经济性好、动力强、排放低、是当前柴油机发展的方向之一。 相比欧美发达国家，我国高压共轨柴油机起步晚，基础技术研究底子薄，关键技术基本靠引进。起动、怠速工况是发动机工作的常用工况，其工作过程 的 优劣关系着整车排放、车辆的经济性和驾驶舒适性。 结合 课题组 压共轨柴油机 新型 燃烧系统开发的项目， 在 司 基础上 ， 本文制定 了 轨 柴油机 的起动 、 怠速控制 策略 ， 并 通过 试验 优化 改善 了 样机 的 起动 、 怠速性能。 首先 ， 从 整体上对柴油机的工作状态进行划分， 明确 起动怠速在整机控制策略中的位置 。 然后， 定义 了 起动 、 怠速 喷油量 计算流程 ，给出 了起动 、 怠速 需求扭矩计算方式 ， 扭矩转换 为 喷油量的 方法 。 最后 ， 考虑到 喷射 方式 的控制 是 起动 、怠速控制策略不可或缺的一部分 ， 本文 也 给出了其 控制 流程。 依据 起动 控制 策略 完成 了 起动 试验 。 制定 了起动需求扭矩 进行 了 起动过程的喷射次数 、 起喷 转速 、 起动 f(n)函数的 常数值 等 的对比性试验 ，进行 了三次喷射不同 起动 喷油比例对起动性能的对比性试验 和起动 喷射时间的正交试验等。 依据怠速控制策略 完成 了怠速 试验。比较 不同喷射方式 、 不同怠速目标转速对怠速性能的影响 ； 进行 了三次喷射不同 起动 喷油比例对 怠速 性能的对比性试验 、怠速 喷射时间的正交试验 和不同 数对 怠速 稳定性的 对比性 试验 。 通过 研究发现，采用三次喷射（两次预喷、一次主喷）有利于缩短起动时间、降低起动 过程 放、减少起动过程转速的周期波动性，并能提高怠速的稳定性、改善怠速的经济性；起喷转速越高起动性能越好，但是受制于蓄电池和起动马达的性能； 通过 进行 三次喷射不同喷油量比例的对比性 试验 发现， 不同的喷油比例影响起动的快慢，怠速转速的稳定性和经济性（差别可达 17%左右），在 用喷油比例为 20%60%时，起动怠速性能都最佳；通过三次喷射喷射正时的正交 试验 发现，预喷 2 和主喷之间的 间隔 时间 起动时间和怠速稳定性、经济性影响最大，主喷提前角其次，预喷 1 和预喷 2 之间的 间隔 时间 小；通过怠速 数的对比性 试验 发现，合理 选用 数 有利于提高怠速稳定性，但对怠速经济性影响不大。 关键词： 高压共轨 ， 直喷 柴油机 ， 起动 性 ， 怠速 性 ， 控制策略 n 013， of s by to s to is of its of of in we a it to to as s to a s to s is on of to of in on of of of it is to is on of of is of IV of is on In to is by on of of I a is in of C, CO s to of It of of of up to 7%) by 0% it it on of ki to on V 目 录 第 1 章 绪论 . 1 油机发展现状与未来 . 1 动怠速控制意义 . 3 放法规的要求 . 3 动控制的意义 . 3 速控制的意义 . 4 动怠速研究现状 . 5 动研究现状 . 5 速研究现状 . 7 文的研究内容 . 9 第 2 章 试验条件与设备 . 11 试验台架 . 11 验用发动机 . 12 验用的测试设备 . 14 电控标定系统 . 15 定目的 . 15 定软件 . 15 定流程 . 16 章小结 . 16 第 3 章 起动怠速控制策略 . 17 机工作状态的划分 . 17 动机待机状态 . 18 行状态 . 18 机整理状态 . 19 动喷油量计算 . 20 动转换为怠速的判定 . 20 起动喷油量的计算 . 21 速喷油量计算 . 27 速目标转速 确定 . 27 速扭矩 算 . 30 速油量 算 . 31 射方式的控制 . 33 射系统喷油量 获取 . 33 射规 律的确定 . 34 章小结 . 35 第 4 章 起动控制策略的试验研究 . 37 动控制参数的确定 . 37 动基础扭矩 起动怠速分割线的确定 . 37 同喷射次数对起动性的影响 . 38 喷转速（轨压建立转速） . 40 f(n)函数矫正扭矩的常数项 同时 . 41 同轨压对比 . 43 次喷射不同喷油比例对起动性能的影响 . 45 验方案与条件 . 45 验结果与分析 . 45 动喷射时间的正交试验 . 51 验方案与条件 . 51 验结果与分析 . 53 章小结 . 57 第 5 章 怠速控制策略的试验研究 . 59 速喷射次数和怠速目标转速的确定 . 59 速喷 射次数确定 . 59 速目标转速的试验 . 60 次喷射时不同喷油比例对怠速性能的影响试验 . 62 试验方案与条件 . 62 验结果与分析 . 62 速喷射正时的正交试验 . 66 验结果 . 66 交试验结果分析 . 68 I 系数对怠速稳定性 的影响试验 . 70 验方案与试验条件 . 70 验结果与分析 . 70 章小结 . 75 第 6 章 全文总结与展望 . 77 文总结 . 77 作展望 . 79 参考文献 . 81 作者简介及科研成果 . 87 致 谢 . 89 第 1 章 绪论 1 第 1 章 绪论 在过去的 2012 年，我国的汽车产销量双双突破 1900 万辆，其中商用车产销分别达到了 辆和 辆 1，在汽车市场快速增长的拉动下，国内发动机市场近几年 也 呈现出蓬勃发展之势。作为汽车核心的发动机是目前人类所能掌握的热效率最高的移动动力机械，具有优良的动力性、经济性、环保性和可靠性，可以满足了各种配套机械的需要，其发展对各种配套主机的市场发展具有重大影响。在未来 很长的 一段时期 内 ，在道路和非道路作业机械领域，内燃机作为主流动力机械的地位仍然不可动摇 2。 同时，随着环境变化、能源危机，发展以“低能耗、低排放、低污染”为基础的“低碳经济”成为各国共识，其实质是提高能源 使用 效率和 改善 清洁能源结构，目标是减缓 气候变化和促进人类可持续发展 3。 为此， 全球主要国家在 1997年 12 月在日本京都达成了京都议定书，对温室气体排放量进行管制。作为缔约方之一，我国在党的十八大报告 中 提出 了 “推进绿色发展、循环发展、低碳发展”“建设美丽中国” 4。 作为 国民经济 发展 支柱性产业 汽车 ， 对 低碳 、绿色 、环保 发动机 的需求 也越来越高。 油机 发展现状与未来 发动机是 石油能源的主要消费 者 ，其 排放 污染物 也 是 大家 所 熟知的大气 污染之一， 如何降低发动机 的燃油耗和排放水平是 人们 长期以来关注的焦点和热点。 相 比 汽油机 ， 现代 清洁 柴油机 压 缩 比大、热效率高，燃油消耗率低 30%；升功率 大 并在 不断 提 升中 ，单机马力大；低速时的加速性能 和 舒适性 也在 不断改善 ；同时 放低，能 降低 20% 25%的 气排放 5。 在我国 ， 2010 年国产汽车上柴油机的采用率仅为 且主要集中在商用车上， 国产柴油 轿车只有 1% 左右 6。 据专家预测，如果 2020 年我国轿车柴油化率从目前的 1%发展到 30%，当年可节约原油近 3000 万 吨 ，减少汽油机用油、降低石油进口依存度均在 10%以上。 因此，在节能 减排上， 柴油机是 未来低碳绿吉林大学 硕士学位论文 2 色发动机的一个重要选择 。 在这方面，欧美走在了前列 。 在欧洲有一种流行的 看法 ：只有柴油车才是高级车 7。以 德国为例，其 柴油机运用非常广泛，几乎全部的商用车、 九成 的出租车， 一半的 家用 轿车都在使用柴油机 8。 当 然 ， 柴油机 的发展也面临着 技术 和政策上 的 制约 。 能源与环境危机迫使各国制定了越来越严格的柴油机排放法规 ， 欧洲 主要国家 将 在 2013 年实行欧 排放标准，相比欧， 主要排放物 制分别下降 了 75%和 50%。我国由于汽车工业起步较晚，排放法规落后 于 发达国家， 在 标准 上 紧随欧洲，当前大部分地区执行国标准，国标准计划于今年 7 月 1 日开始实施，各 排放物在原有基础上下降 50%左右 。 如图 为 第二类 汽车 基准质量 12501700排放物在 各阶段排放的限定值， 其中国 对 放没有 单独 的 限定 值 。 图 1. 1 国 各排放值对比 当前 ， 我国柴油机 发展面临 着 以下几个方面的问题 制约 ： 高压共轨技术、涡轮增压技术、燃油电喷技术等仍掌握在外资手中，国内自主企业进展缓慢。 9。 油机舒适性差，噪声大；排放性能上，微粒与氮氧化物排放的折衷关系在柴油机上亟待圆满解决；新的排放法规在大力消减碳烟和 放的同时， O 也需进一步降低 10。 第 1 章 绪论 3 动怠速控制 意义 放 法规 的 要求 汽车行业井喷式的发展 ， 相对 汽车保有量的上升，市内交通 改善 缓慢，使得市区 汽车 更多 的时候处于 起动 、怠速工况 11。据统计 ， 发动机工作的前一分钟内， 柴油机 50%80%的 放在此过程中产生 1215；到第三分钟时， 试验 排放稍有 改观， 16%， 放占 20%。同时 ， 冷起动期间，废气排放量要远远大于暖机过程 16。 在 排放 法规上 ，各国政府也越来越重视 对 起动怠速的 排放 控制。 欧洲 从 欧 排放法规开始， 去掉原有发动机起动后允许的 40s 暖机时间，测试真正冷机起动时的各种排放限值。同时污染物 放分别单独测量。 我国排放 法规紧随欧洲， 国 、 排放法规 也 加入了 冷机起动测试循环。 型汽车污染物排放限值及测量方法 (中国第、阶段 ) 规定的 型试验过程中 ， 起动 、 怠速 是 一个非常重要的工况 。 整个型排放试验共计持续 1180 秒 ， 在 1 部 (市区运转循环 )中包括四个相同的循环单元 ，每个循环单元占 195 秒 ， 共 780 秒 ， 2 部 (市郊运转循环 )共计 400 秒 。 在 1 部的四个循环单元中每个循环单元共计 15 个工况点 ， 而怠速工况就占了 4 个 。 从时间上来说 ， 一个循环单元共计 195 秒 ， 而怠速工况就占了 60 秒 ， 四个循环就是 240 秒 ， 占 1 部总时间的 就比例来说占的比例最大 17。 动 控制 的 意义 柴油机起动过程是一个极不稳定的瞬态工作模式。整个过程包括马达倒拖、着 火和加速运转到稳定怠速的过程。其工作的转速范围宽泛、整个过程的物理化学过程复杂，燃油雾化、着火和燃烧即使在常温起动时也没有完全研究透彻，在冷起动时的测试和分解就更加困难 18。 对 工作介质柴油来说，压燃需要的最低着火温度约为 250 19。没有辅助系统的情况下，完全由压缩行程产生的高温来实现 正常起动 ，这个温度在低温、低吉林大学 硕士学位论文 4 气压等恶劣条件下也必须达到。环境温度越低，柴油机起动越困难， 放越恶劣，柴油机的超低排放目标的 越难实现 20。 造成 柴油机冷 起动困难 的 主要原因是由于： 1. 发动机转速过低，降低了压缩终了时 缸内 的压力和温度。发动机开始工作时 燃烧室表面区域热量损失 大 ， 活塞环 处 没有形成 完整 的 油膜，使得通过活塞环缝隙泄露的气体损失 量 加大； 2. 低温影响 着 柴油的蒸发、 缸内 可燃混合气的形成、着火反应，乃至整个燃烧过程 ； 3. 低温下，发动机机油黏性较大，内部摩擦 阻 力比正常运行时大很多； 4. 低温时 ， 蓄 电池电压也会降低，使得电动机转速显著下降 ， 发动机倒拖转速低 。 因此 ，研究 如何 改善起动过程 尤其 是冷起动 性 具有 重要的 意义 。 速 控制 的 意义 在 市内交通中，车辆的 怠速 运行 工况 占比 重 非常大，很大一部分燃油消耗 、放集中 在 此过程中 。同时， 怠速运行的不稳 、过渡 工况平顺性差、 车辆喘振等 21， 也影响着怠速运转时的 车辆 的耐久性和驾驶舒适性。 柴油机 怠速 过程中， 主要 存在以下 几方面的 问题： 1. 气缸内存在 一定的漏气量，缸内热力学 损失 较大，压 缩 温度、压力也不高，燃油的雾化不均匀，燃烧 过程 不稳定 22； 2. 内部摩擦阻力随 温度 的变化而改变， 附件 的负荷 （ 空调、变速器等） 状态不确定等 造成怠速需求扭矩具有随机性； 3. 怠速喷油量较 少 ，多缸机各 缸喷油器存在不均匀性 ，采用 多次喷射时，最小喷油量受喷油器硬件条件限制等 23。 因此 ， 采用 合适的怠速控制方式，降低怠速的目标转速， 改善 怠速转速的稳定性 等 方面 有重要 的意义 。 第 1 章 绪论 5 动怠速研究现状 动研究现状 起动 过程是一个瞬态的 过渡 过程， 国内外研究者主要从 试验方面 ， 获取起动的时间、 起动 示功图 、 排放物等 对起动过程进行了研究。 目前， 起动 过程的研究主要 从着火条件，着火后能否自持，改善因素等方面 入手 ，得到了柴油机起动过程着火、燃烧 稳定性 和 改进措施 的一些规律。 1. 起动着火条件 （ 1）混合气的量和缸内温度 24等人研究发现，柴油在缸内着火必备的条件是： 1）可燃混合气体达到足够的量； 2）缸内具有一定的压力和温度。同时， 5等人利用热力学的经验公式对一台压缩比 c=17 的单缸柴油机进行热力学计算，从不同的环境温度出发计算压缩终了的温度。计算结果表明，初始温度对压缩终了的温度影响明显。 , 等人 26通过在一台单缸机上得到了相同的结论。 （ 2）滞燃期的影响 在上世纪六十年代， 人 27研究发现滞燃期是影响起动与否的一个重要因素。 人 2829修正了 燃期计算公式，在公式中加入了活塞运动产生的缸内容积变化的因素，并研究了不同喷射时刻对起动的影响。 （ 3） 燃料自身特性 人 30发现燃料十六烷值和挥发性对冷起动过程也有重要的影响，主要是通过影响滞燃期来影响起动性能。当十六烷值处于 50 以下时 ，混合气的滞燃期随十六烷值的减小而迅速加长，而当其 5060 之间时，影响相对较小 31。 2. 燃烧稳定性 , 等人 32通过在单缸四冲程柴油机上的冷起动 试验 发现，发动机的着火形式为每循环一次、两循环一次或三循环一次，甚至会不能起动。 吉林大学的苏岩、刘忠长 33等人在一台直喷单缸柴油机上的冷起动 试验 发现，吉林大学 硕士学位论文 6 环境温度相对较高时（ 30 摄氏度左右），起动时，着火循环前仍然会存在不着火的喷射循环，着火循环后，发动机的燃烧稳定性也不太好。 3. 改善因素方面 为了改善柴油机的冷起动性能，前人做了不少的工作，着重点也是在于改善起动着火条件。主要集中以下几个方面： 1）提高压缩比 压缩比越大，压缩终了时缸内压力温度也就越高，有利于燃油和空气的混合，增加燃油蒸发量，减少燃油附壁量，改善雾化特性，温度升高也有利于缩短滞燃期，改善起动燃烧着火 性 ， 人 34通过 试验 验证了这一点。 2）提高马达的倒拖转速 冷起动时，倒拖转速越高，在一定程度上能提升缸内的压力、温度，加速了缸内的气流运动，增加了雾化质量，同时改善混合气的着火条件中的几个因素。当转速过低时， 因机体、冷却液温度较低，传热损失较大，同时起动时缸壁上油膜建立不完全，转速低时漏气量较大，综合作用延长了滞燃期，使得起动时着火困难，甚至无法着火 35。 同时 ， 也有研究发现 ， 倒拖转速不宜过大。当转速增大时，相同的曲轴转角对应的时间减小，这样就缩短了起动时压缩上止点附近高温、高压区域出现的时间，将影响焰前反应的过程。 人 3638发现，倒拖转速过大时，混合气焰前反应时间缩短的负面作用大于由此带来的压力、温度升高的正向作用；同时，滞燃期延 长 到上止点之后，燃烧重心远离上止 点，可能会导致下循环出现失火现象。 3）喷油策略的优化改进 单次喷射时过大的喷油量，使燃油的贯穿距离变长，燃油附壁量增加，雾化质量差，起动困难， 放也高 39。 高压共轨系统的出现，多次喷射成为可能，不同的喷射正时和喷油量分配影响着冷起动的着火和燃烧 40。不同的喷射正时影响燃油的雾化效果，对着火性能有重要的影响。吉林大学的于秀敏、张斌等人 41研究发现冷起动时， 采用 两次喷射时， 适当的预喷可以缩短发动机的起动时间，降低 放等。 第 1 章 绪论 7 4）起动时加 海交通大学的彭康永、邓康耀等 42研究 发现， 起动时引入内、外部 能有助于提高起动过程初始着火循环的着火燃烧性能。 5）外加辅助装置 同时，国内外一些学者对外加辅助装置来提高柴油机起动性能进行了相应的研究 ， 如加装电热塞 43、进气加热、进排气节流 44、加辅助燃料 45、轨式引燃塞 46或电火花点火装置 等 。 速研究现状 目前，柴油机怠速控制的研究主要集中在 采用 何种控制方法 上 ，以 提高 怠速过渡过程的 平顺 性 ， 减小 怠速 过程 的 转速波动 ， 降低 怠速振动和噪声，降低怠速时的油耗和排放 。 当前 的主要 控制方法有： 制 制器，进入实用化已有七十多年的，依旧是当前工业中运用最广泛的自动控制器，柴油机电控系统中绝大多数采用的是 制 47，在日本柴油机控制系统中 用率达到八成。 制包含三个控制单元：比例（ P）、积分（ I）、微分（ D），运用时除了比例单元（ P）外其他两个都是可选的，运用时主要整定 优点是：运用范围广泛，对于非线性或时变工业过程通过简化也可利用 控制；参数易于整定，在没有完全掌握受控对象的数学模型的条件下，依据经验可以在线实时调整。当然 制也存在一些问题：对于连续自整定的模型，其控制抗扰动能力不强。 模糊控制器是在 展出模糊数学之后，在上世纪 70 年代开发完成的，相对与 制更适合控制复杂或不能精确描述的系统 ， 即便当发动机工作 环境和运行工况发生突变，依然可以保证 良好 的控制 效果 。 同时 ， 模糊 控制正在向着多元化方向发展，如模糊 预测 控制，模糊多变量控制、模糊变结构控制以及 模糊制 等 。 吉林大学 硕士学位论文 8 上世纪九十年代初意大利菲亚特公司成功的将其运用到发动机的怠速控制系统中；九十年代中期，三菱公司的 用其来控制怠速稳定和空燃比 48，控制流程如 图 1示；在国内，哈尔滨工程大学宋恩哲、刘国栋等人 49设计开发 了 一款模糊自校正 制器，在柴油机上进行相关的 试验 ，能很好的满足柴油机的运行要求。 图 1. 2 模糊控制的控制流程 控制 它是 上世纪 80 年代末期发展起来的自动控制领域的前沿学科之一。为解决复杂的非线性、不确定、不确知系统的控制问题开辟了新途径 ，主要 有 神经预测控制、神经逆系统控制等 50。 在 怠速 的实际 运用上 比较少，主要停留 仿真 设计，理论计算方面。 制方法 当前怠速 运用的其他的控制方法，主要有 专家控制 51、预测控制 52等， 但 基本都不太成熟 5354。 在 今后 相当长的一段时间内，对怠速的控制仍以 主 。 第 1 章 绪论 9 文 的 研究内容 本文 基于 司 开发了 压共轨柴油机 起动 、 怠速控制策略 ； 并在 试验 台架 上进行相关 的 起动 、 怠速 试验 ， 通过 对 试验 结果 进行 分析 处理 ，确定了 影响起动 、 怠速 性能 的主要因素， 并 依此 优化改善相关控制策略，为未来国产化起动怠速控制系统提供一些参考。本文主要的研究内容： （ 1） 通过 阅读大量 柴油机 起动 、 怠速相关文献，整理当前国内外研究现状 ，起动、怠速所面临的的问题 ； 以 学习 司 制策略 为 基础 ， 开发 制定 了 压共轨 柴油机的 起动 、怠速 控制策略 。 （ 2） 依据 起动控制策略， 在 试验 台架 上 进行了起动试验。 确定 起动过程 中的相关参数 和 选取三次喷射（两次预喷 、 一次主喷 ） 作为 试验 的 喷射 条件 ；改变 三次喷射时各次喷射的喷油比例 ， 进行了 对比性试验， 由此 确定 了 三次喷射的喷油比例； 喷射比例 确定 后 ， 对 主喷提前 角、预喷提前时间 进行了正交试验，获取 各因素的影响大小， 并 提出了优化方向。 （ 3）进行怠速试验， 确定 怠速喷射次数， 怠速 目标 转速 ；对三次 喷射， 改变不同喷油 量 比例 ，对比 其对怠速 过渡 性能 、 稳定性 和 经济性的影响 ；通过 正交 试验 ，确定 主喷提前 角、预喷提前时间 等 各因素 对怠速性能影响的大小 ， 并选择最优值 ； 改变 不同 数 ， 分析 其 对怠速稳定性的影响。 10第 2 章 试验条件 与设备 11 第 2 章 试验 条件 与 设备 本论文研究 的 主要 内容 是围绕着本课题组和吉奥汽车合作开发的 压共轨柴油机新型燃烧系统的开发与标定项目展开的。在前期 ， 在厂家提供的两款燃烧室的基础上，利用 行计算，设计出四款不同的燃烧室 ； 中期 ， 搭建 了试验台架， 通过 试验 对燃烧室，喷油器、喷油器垫片厚度、普通增压器等进行了匹配性 试验 ，选取 最优 的组合 ；后期， 进行了 压 共轨柴油机 外特性、负荷特性、 制 策略的开发和 标定工作。 起动、怠速控制 策略的制定和 试验是在上述工作 基础 上 进行的。 本章 介绍 发动机的台架布置，发动机参数 、测试 设备 和 试验 用 的电控标定系统 等 。 试验台架 图 发动机 试验 台架，包括 试验 用发动机，测功机， 试验 测试设备等 。图 试验 台架与测试设备 连接 布置图 。发动机 后端连接测功机， 标定 用 发动机 相连 ，另一端和 接口模块 连 ,标定 用计算机通过通信接口 连接 行标定 、 在线实