（车辆工程专业论文）电控高压共轨柴油机冷起动性能试验研究.pdf

l s t u d yw i t ht e s to n c o l ds t a r te l e c t r o n i cc o n t r o l l e dh i g h p r e s s u r ec o mm o nr a i l d i e s e le n g i n e b y y uk u i b e ( b e i ji n gj i a o t o n gu n i v e r s i t y ) 2 0 0 4 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g a u t o m o t i v ee n g i n e e r i n g i n t h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rw a n g w e n g e a p r i l ，2 0 11 ， 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得 的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者躲食t 吼l 侔箩月，矽日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在_ 年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 储躲公量 翩签一 铭角静 日期：1 年岁月夕e 1 日期【晖r 月以日 电控高压共轨柴油机冷起动性能试验研究 摘要 随着能源危机的到来及公众环保意识的逐渐增强，柴油机越来越为人们所重 视。为减少柴油机冷起动过程未完全燃烧物质的排放对环境造成的污染，从而满 足日趋严格的排放法规要求：同时为有效缩短柴油机冷起动过程所需时间，减少 对发动机的损伤，对于柴油机冷起动性能的改善是目前一大亟待解决的难题。本 文便是以电控高压共轨柴油机冷起动性能作为研究课题。 柴油机可靠起动必须具备三个基本条件：喷入气缸内的燃油与进入气缸内的 空气形成一定浓度的可燃混合气；该可燃混合气要达到一定的温度；该温度的保 持时间必须足够长。本文利用德国e t a s 公司生产的i n c a 6 0 标定系统，对配置 某厂新开发的c p n 2 2 + 电控高压喷油泵柴油机的重型卡车在黑河进行低温冷起动 试验。研究了起动机、蓄电池、冷却液温度、机油品种等对电控高压共轨柴油机 冷起动性能的影响，并且对起动机等硬件设备进行了优化匹配。试验了不同预喷 提前角和喷油量、起动喷油量、进气加热时间以及轨压下的冷起动时间及h c 和 烟雾排放，对预喷提前角和喷油量、起动基本转矩脉谱以及迸气预热脉谱等进行 了优化，得出了使柴油机在低温下快速平稳起动的相关参数。 试验结果表明：润滑油( 机油) 对于柴油机冷起动性能影响最大，温度越低， 起动难度越大；蓄电池的容量在低温情况下使用效率较为重要，并且在低温下连 续大电流放电的能力对起动影响较大；选用品质优良的燃油也至关重要，低温下 保证燃油不结蜡从而堵塞燃油管路是保证发动机顺利起动的先决条件；存在一柴 油机最佳的最低起动转速，从而兼顾最低起动消耗功率及起动平顺性；预喷射能 使燃烧室内的温度升高，主喷经过短暂延迟即可着火，从而有效改善柴油机的冷 起动能力；使用进气预热器对进入气缸的空气进行预热能有效的改善起动性能及 起动阶段的h c 排放；通过调整起动基础转矩及起动过渡转矩，可以更加顺利起 动，同时可以降低燃油消耗及未充分燃烧物的排放。 通过本文试验及相关参数的调整，解决了原先冷起动时间较长、h c 排放超 标以及黑烟严重的问题，提高了车辆起动的可靠性。 关键词：电控柴油机；冷起动；高压共轨；排放 u a b s t r a c t w i t ht h ea d v e n to ft h ee n e r g yc r i s i sa n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nc o n s c i o u s n e s s s t r e n g t h e n e db y t h ep u b l i c ，d i e s e le n g i n ei sp a i dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nb yp e o p l e t o r e d u c et h ei n c o m p l e t ec o m b u s t i o ne m i s s i o np o l l u t i o nt oe n v i r o m e n td u r i n gc o l ds t a r t ， a n dt om e e ti n c r e a s i n g l ys t r i n g e n te m i s s i o nr e g u l a t i o n s ，a tt h es a m et i m et od e c r e a s e t h ed i e s e le n g i n ec o l ds t a r tc r a n k i n gt i m e ，t oi m p r o v et h ec o l ds t a r tr e l i a b i l i t y , a n dr e d - u c et h ed a m a g ef o re n g i n e t h ed i e s e le n g i n ec o l ds t a r t sr e s e a r c ha n di m p r o v e m e n ti s as u c hu r g e n rp r o b l e m t h er e s e a r c ho ft h i sp a p e ri st os t u d yt h ec o l ds t a r tr e l i a b i l i t y o ft h ee l e c t r o n i c c o n t r o l l dh i g h p r e s s u r ec o m m o n r a i le n g i n e s t a r t i n gd i e s e le n g i n e t ob er e l i a b l em u s th a v et h ef o l l o w i n gt h r e eb a s i c c o n d i t i o n s ：t h ef u e la n dt h ea i ri n t ot h ec o m b u s t i o nc h a m b e rm u s tb em i x e di n t o c e r t a i np r o p o r t i o nc o m b u s t i b l eg a s ；t h em i x e dg a sm u s tr e a c hc e r t a i nt e m p e r a t u r e ；t h e c e r t a i nt e m p e r a t u r ec a nb eh o l dl o n ge n o u g h t h i sp a p e r i l l u s t r a t e st h el o w t e m p e r a t u r ec o l ds t a r tt e s tf o ra v e h i c l ew h i c hm o u n t e dan e wd e v e l o p e dd i e s e le n g i n e w i t hc p n 2 2 + e l e c t r o n i c c o n t r o l l e dh i g h - p r e s s u r ep u m pi nh e i h ec i t yh e i l o n g ji a n g p r o v i n c e ，u s i n gi n c a 6 0c a l i b r a t i o ns y s t e mw h i c hm a d eb ye t a sc o ，i ng e r m a n y h a v ed o n es o m er e s e a r c hf o r t h ec o l ds t a r ti n f l u e n c ee l e m e n t so ft h i s e l e c t r o n i c c o n t r o l l e dh i g h p r e s s u r ec o m m o nr a i ld i e s e le n g i n e ，i n c l u d i n gb a t t e r i e s ， s t a r t e r ，s t a r t i n gf u e lq u a n t i t y , c o o l a n tt e m p e r a t u r ea n do i lc h a r a c t e r i s t i c o p t i m i z e dt h e s t a r ts y s t e ml i k es t a r t e ra n de t c ；t e s t e dt h ec r a n k i n gt i m ea n dt h ee m i s s i o no fh ca n d s m o k ei nd i f e r e n tp i l o ti n j e c t i o na d v a n c e da n g l ea n di n j e c t i o nq u a n t i t y , s t a r t i n gf u e l i n j e c t i o nq u a n t i t y ，p r e h e a t i n gt i m e a n dr a i l p r e s s u r e o p t i m i z e dt h em a p s o fp i l o t i n je c t i o n a d v a n c e da n g l ea n di n je c t i o n q u a n t i t y ，c o l d s t a r tb a s i c _ t o r q u e a n d p r e h e a t i n gt i m ea l s o c o n c l u d e dr e l a t e dp a r a m e t e r so f s t a b l ea n dq u i c ks t a r tf o r d i e s e le n g i n ei nl o wt e m p e r a t u r e r e l a t e de x p e r i m e n t ss h o w ：o i li st h em o s ti n f l u e n c i n gf a c t o rt ot h ec o l ds t a r t p e r f o r m a n c e ，t h eh i g h e rt e m p e r a t u r et h em o r ed i f f i c u l tt oc o l ds t a r t ；b a t t e r yc a p a c i t y s u s i n ge f f i c i e n c yi sm o r ei m p o r t a n ti n l o wt e m p e r a t u r e ，a n di nt h i sc o n d i t i o nb i g c o n t i n u o u se l e c t r o n i c sd i s c h a r g ea b i l i t ya l s oa f f e c t sc o l ds t a r t ；c h o o s i n gg o o df u e li s a l s ov e r yi m p o r t a n t ，t oe n s u r et h ef u e li sn o tw a xa n ds oi t c a n tb l o c kp i p e ，t h i si st h e p r e r e q u i s i t e sf o r t h ee n g i n e s t a r t i n gs m o o t h l y ；t h e r ei sam i n n u ma n dt h eb e s ts t a r t s p e e d ，t h u s i tc a nb a l a n c et h em i n n u ms t a r tp o w e ra n dt h em i n n u ms p e e d ；p i l o t i i i i n j e c t i o nc a nr i s ec o m b u s t i o nc h a m b e rt e m p e r a t u r e ，m a i ni n j e c t i o nc a n f i r ea f t e rb r i e f d e l a y , s oi tc a ni m p r o v ed i e s e le n g i n ec o l ds t a r t ，p r e h e a t i n gi n t a k ea i rb yp r e h e a t e r c a i l i m p r o v ee f f e c t i v l ys t a r t i n gp e r f o r m a n c ea n dt h eh ce m i s s i o n s ；s t a r tc a nb em o r e s m o o t h ，f u e lc o n s u m p t i o na n di n c o m p l e t ee m i s s i o nc a nb er e d u c e db ya d ju s t i n gt h e s t a r tb a s et o r q u ea n dt h es t a r tt r a n s i t i o nt o r q u e b a s e do nt h ec o l d s t a r tt e s ta n dt h ep a r a m e t e r sa d j u s t e d ，s o l v e dt h ep r o b l e m so f l o n gc r a n k i n gt i m e ，h i g h h ce m i s s i o na n db l a c ks m o k i n g ，i m p r o v e dt h ev e h i c l e s t a r t i n gc h a r a c t e r i s t i c s k e yw o r d s ：e l e c t r o n i c - c o n t r o l l e de n g i n e ；c o l ds t a r t ；h i g h 。p r e s s u r ec o m m o n r a i l ； e m i s s i o n i v 工程硕士学位论文 目录 学位论文原创性声明和版权使用授权书i 摘要i 王 d l b s t r a c t i i i 插图索引v i i 插表索引i x 第1 章绪论1 1 1 课题研究背景及意义1 1 1 1 课题研究背景1 1 1 2 课题研究意义1 1 2 柴油机冷起动技术国内外研究现状3 1 3 本文的研究内容4 1 4 论文结构一5 第2 章电控高压共轨柴油机冷起动技术6 2 1 柴油机电控喷油系统控制原理6 2 2b o s c h 电控高压共轨系统6 2 2 1 电喷系统控制器及供油系统6 2 2 2 燃油系统传感器1 0 2 2 3 电控高压共轨控制系统1 2 2 3 柴油机冷起动性能分析1 5 2 4 本章小结1 8 第3 章冷起动试验系统构建19 3 1 冷起动试验系统原理1 9 3 2 冷起动系统硬件选型1 9 3 3 辅助起动系统2 3 3 4 本章小结2 3 第4 章电控高压共轨柴油机的冷起动试验研究2 4 4 1 冷起动试验研究内容一2 4 4 2 试验准备一2 6 4 2 1 试验温度选定2 6 4 2 2 发动机冷起动性能复测2 7 4 2 3 整车和测试设备的安装及检查3 l v 电控高压共轨柴油机冷起动性能试验研究 4 3 预喷对冷起动过程影响试验研究3 7 4 3 1 预喷提前角及喷油量对冷起动的影响3 7 4 3 2 预喷油油量及提前角参数的确定4 2 4 4 起动喷油量对冷起动过程影响试验研究4 5 4 5 其他因素对冷起动影响试验研究4 8 4 6 本章小结。5 2 第5 章总结与展望5 3 参考文献5 4 致谢5 7 v i 工程硕士学位论文 插图索引 图2 1 电控喷油系统控制原理图7 图2 2b o s c h 电控高压共轨结构示意图、8 图2 3 电喷系统e c u 9 图2 4 共轨模型图9 图2 5b o s c h 高压油泵c p n 2 2 + 1 0 图2 6 曲轴位置传感器安装示意图1 l 图2 7 冷却液温度传感器图1 1 图2 8b o s c h 电控高压共轨控制系统组成示意图1 2 图2 9 起动基本转矩需求逻辑控制图1 3 图2 1 0 数据监测相关工作界面1 4 图2 1 1 标定工作界面1 5 图2 1 2m d a 工作界面1 5 图2 1 3 柴油机起动过程示意图1 6 图2 1 4 机油粘度与温度关系1 7 图2 1 5 不同温度下蓄电池电容量与起动电机起动力矩关系1 8 图3 1 冷起动试验系统原理图2 0 图3 2h x f 9 5 l 2 4 v 起动机性能曲线图2 0 图3 3 进气预热器外形图2 3 图4 1 - 2 5 时冷起动1 1 t ，h c t 图2 7 图4 2 1 5 时冷起动n t ，h c t 图2 7 图4 3 试验期间黑河最低温度统计2 7 图4 4 1 5 发动机台架冷起动试验结果2 9 图4 5 1 5 发动机台架冷起动试验结果3 0 图4 6 3 0 发动机台架起动试验结果3 l 图4 7 3 0 发动机台架起动试验结果3 2 图4 8 试验用整车3 2 图4 9 测试用传感器布置3 3 图4 1 0 控制与检测硬件连接图3 3 图4 1 1 进气预热相关参数图3 5 图4 1 2 进气预热预加热阶段加热时间参数图3 5 图4 1 3 进气预热的预热等待阶段时间参数图3 6 v i i ， 电控高压共轨柴油机冷起动性能试验研究 图4 1 4 进气预热的起动预热时间参数图3 6 图4 1 5 进气预热的后加热热时间参数图3 7 图4 1 6 无预喷时起动情况3 8 图4 1 7 有预喷时起动情况3 8 图4 1 8 预喷量为0 5 m g h u b 时的起动情况3 9 图4 1 9 预喷量为2 r a g h u b 时的起动情况4 0 图4 2 0 预喷量过大时起动黑烟4 0 图4 2 1 过大预喷提前角参数图4 1 图4 2 2 不同预喷提前角下h c 排放值4 1 图4 2 3 预喷提前角过大时起动情况4 2 图4 2 4 预喷油量参数图4 3 图4 2 5 预喷提前角参数图4 3 图4 2 6 预喷释放状态4 4 图4 2 7 预喷油量喷射状态4 4 图4 2 8 2 5 发动机起动状态4 5 图4 2 9 2 5 起动阶段碳氢排放图4 6 图4 3 0 不同起动转矩下发动机转速曲轴转角图4 6 图4 3l 不同起动转矩下发动机冷起动碳氢排放4 7 图4 3 芝起动转矩较小的起动转矩参数图4 7 图4 3 3 起动转矩优化后的起动转矩参数图4 8 图4 3 4 不同起动转矩的起动情况4 9 图4 3 5 不同起动转矩的起动情况下的碳氢排放4 9 图4 3 6k d = 2 时快加速情况下轨压情况5 0 图4 3 7k d = 3 时快加速情况下轨压情况5 1 图4 3 8k d = 4 时快加速情况下轨压情况5 1 v l i i 工程硕士学位论文 插表索引 表1 1 重型车用发动机污染物e s c 和e l r 试验限值2 表1 2 重型车用发动机污染物e t c 试验限值2 表4 1 试验所用发动机基本参数2 7 表4 2 台架试验使用主要设备及基础条件2 8 表4 3e c u 诊断系统故障指示表3 4 i x 工程硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及意义 随着经济的高速发展，2 1 世纪的今天，汽车是人类不可缺少的交通工具。2 0 1 0 年，全世界的汽车保有量已超过8 亿辆，并且还在以每年3 0 0 0 万辆的速度增长， 平均每千人拥有汽车超过1 3 0 辆。截至2 0 0 8 年底，我国机动车保有量累计1 6 9 8 9 万辆，同比增长1 0 1 1 万辆。2 0 0 7 年，我国的私人汽车保有量3 5 3 3 万辆，2 0 0 8 年上升到4 1 7 3 万辆，增加了6 4 0 万。 1 1 1 课题研究背景 汽车作为现代化交通工具，给人们的生产与生活带来便利的同时，也给我们 带来了不得不面对的主要污染源一尾气。我国城市大气污染中，汽车尾气排放所占 比例已超过7 0 ，而且随着汽车保有量的增加，我国汽车污染物排放总量也日趋上 升，汽车排放造成的大气污染严重影响了人们的生活和身心健康【l 】。我国某城市对 该市的机动车辆尾气污染程度作了如下初步调查：该市目前拥有机动车辆1 3 万 辆，并以年增率1 5 的速度增加。机动车年排放一氧化碳4 4 万吨，相当于该市 工业企业一氧化碳排放量的4 6 倍。市区主要交通道路中心点一氧化碳超标2 倍以 上的达6 5 ，在车流量高峰之际，有的监测点一氧化碳浓度高达每立方米7 0 m g ， 超标6 倍。在车流量比较集中的火车站，氮氧化合物测点平均值为每立方米 0 0 5 9 m g ，超标准o 1 8 倍。由此可见，汽车尾气污染日趋严重，现代城市大气污染主 要来源于汽车尾气【2 5 】。 面对日益严重的空气污染形势，我国己建立了较为完善的机动车污染防治标 准体系。先后发布了机动车污染防治技术政策、摩托车污染防治技术政策、 柴油车污染防治技术政策；颁布和修订了3 4 个排气污染物和噪声排放标准， 形成了包括汽车、摩托车、农用运输车和发动机在内的较为完备的排放标准体系。 国家环保总局批准颁布了国i 标准，并已于2 0 0 8 年7 月1 日起开始在全国范围内 实施。下表1 1 ，1 2 分别为g b l 7 6 9 1 2 0 0 5 车用压燃式、气体燃料点燃式发动机 与汽车排气污染物排放限值及测量方法( 中国i i i 、i v 、v 阶段) 所规定的排放污 染限制【6 3 】。 1 1 2 课题研究意义 柴油机以其良好的经济性和较高的热效率一直是中型以上卡车的主要动力。 电控高压共轨柴油机冷起动性能试验研究 ( 1 ) 对每缸排量低于0 7 5 d m 3 及额定功率转速超过3 0 0 0 r m i n 的发动机。 国i 国 国v e e v 5 4 5 4 o 4 0 3 0 o 7 8 0 5 5 0 5 5 0 4 0 1 6 1 1 1 1 0 6 5 0 1 6 0 0 3 o 0 3 0 0 2 ( 1 ) 仅对n g 发动机 ( 2 ) 不适用于第、和v 阶段的燃气发动机 ( 3 ) 对每缸排量低于0 7 5 d m 3 及额定功率转速超过3 0 0 0 r m i n 的发动机。 研究结果表明：直喷式柴油机在低温冷起动过程中与汽油机相比，在节油和h c 、 c o 、c 0 2 排放等方面都具有明显的优势。因此，目前美国、日本、欧洲等发达国 家在中重型载重汽车中已全部柴油机化，而且近年来在轻型车和轿车上，柴油机 的应用比例也呈逐年递增的趋势。越来越多的轿车和轻型卡车选择安装柴油机， 在欧洲许多国家其轿车柴油机的产量已占轿车总产量的3 0 以上。一些国家如法 国，该比例甚至高达4 0 。1 9 8 8 年欧洲柴油机轿车的销售量占轿车销售总量的 1 5 ，到1 9 9 8 年已经上升到2 5 ，2 0 0 3 年已经超过3 2 ，2 0 0 4 年已经达到4 6 ， 2 0 10 年已超过7 0 。因此说，未来汽车的发展呈柴油机化的趋势日趋明朗。柴油 机快速发展，为减少石油燃料的消耗起到重要的作用，但柴油机的排放也给城市 的空气质量带来一些不利的影响。目前已经清楚，柴油机排出烟雾的主要成分是 n o x 、微粒和h c 等未燃烃类物质【9 ”】。h c 等未燃烃类物质是由一些未燃尽的燃 油和一些醛类等燃烧过程的中间产物组成的。烟雾的排放一方面浪费了石油燃料， 另一方面对周围环境造成污染。 2 8 5 5 h o 0 o o 0 0 o 0 v 酊酊酣阻 0 5 0 o 5 3 2 2 )1 ，( i2o 工程硕士学位论文 电控高压共轨柴油机系统是目前面对柴油机应用问题的最新解决方案。电控 燃油喷射系统能够带来更大的功率、更少的黑烟排放、更小的噪音和更佳的经济 性【1 6 1 引。国内各大发动机制造商在排放法规由国二升级到国三后，所制造的具备 国际先进水平的电控高压共轨技术的柴油发动机均采用了欧美柴油机的最新核心 技术，其性能明显优于传统增压柴油机。它比传统增压柴油机燃烧效率提高8 、 二氧化碳排放低l o 、噪音下降1 5 ，彻底改变了柴油机在人们心目中“噪音大、 冒黑烟”的形象。 但与汽油机相比，柴油机的低温冷起动困难是一个世界性的公认难题。我国幅 员辽阔，由于地理位置及自然条件原因，气候随地域和季节的差别很大。在3 0 多个省、市中，1 月份平均气温在0 以下的省、市有2 0 个，1 0 以下的省、市 有13 个，2 0 以下的省、市有4 个。而低温时期一般为2 4 个月，个别地区可 长达6 7 个月。这样的严寒条件给柴油机在上述地区的工作带来了很大的困难。 柴油机在低温下不能顺利起动不仅会降低生产效率，而且在起动过程中由于润滑 油粘度增加等原因，进入摩擦零件表面的润滑油量减少，不可避免地会出现半干 摩擦或局部干摩擦现象。众多文献认为：发动机在起动过程中及起动后的暖机过 程中，其摩擦引起的磨损比例是发动机总使用磨损的5 0 - 7 5 ，因而使发动机 磨损增加、寿命降低、经济性下降。并且柴油机冷起动排放污染大约占柴油机的 总排放污染的5 0 7 0 【1 9 2 。所以，柴油机的冷起动性能不但关系到柴油机整机 的工作效率和使用寿命，而且影响排放和油耗。因此，柴油机冷起动的研究具有 十分重要的现实意义。 1 2 柴油机冷起动技术国内外研究现状 柴油机的起动性能是评价其性能优劣的重要指标之一，国内外开展了大量的 研究工作以改善其起动过程。早期的研究侧重于增加辅助装置。近些年，随着排 放法规的日益严格，才开始对起动着火、燃烧过程及其相关影响因素进行深入研 究，以达到降低排放的目的。 这些研究包括：柴油机起动工况燃烧初始条件对燃烧稳定性的影响规律；采 用一些辅助措施改变柴油机起动过程的热氛围，以改善其起动过程的燃烧边界条 件；采用数值模拟以及用现代电控共轨技术实现柴油机起动过程的燃烧优化等。 如g f s c h m i d t 等人的研究发现柴油机中燃油的及时着火和燃烧，必须具备 两个基本条件：一是燃油与空气混合成一定数量的可燃混合气，二是可燃混合气 达到一定的温度，即具有一定的混合状态和热状态【2 2 1 。a e a u s t e n 和w t l y n 通过试验指出影响着火的第三个因素：着火准备时间，即准备着火的时间愈长愈 容易着火。这个结论能够用来解释为什么很高的起动转速也不是无条件地能使发 动机着火。如果提高发动机转速带来压缩温度的升高不能补偿以角度计算的着火 电控高压共轨柴油机冷起动性能试验研究 温度保持时间的缩短，就会出现不着火的现象【2 3 1 。波兰b i e l a c z y cpm e r k i s zj p i e l e c h aj 等人的研究结果表明：起动阶段的排放主要来源于燃烧滞后和燃烧延 迟引起的不完全燃烧或极个别情况下出现的着火不良而导致的不完全燃烧【2 引。并 提出了一种分阶段供油的起动策略。p i o t r b i e l a c z y c 和j e r z ym e r k i s z 等人认为， 在起动阶段，应该重视通过各种途径增强柴油机环境及机体的热氛围，改善燃料 的雾化，促进起动和暖机阶段燃料一空气的良好混合【2 5 1 。日本北海道大学的 k h a n d o k e ra b ur a i h a n 和f u m i t ot a k i m o t o 采用自行设计的气体取样系统配合气 相色谱对起动及暖机阶段的供油量、供油时间、冷却水温度、气缸壁温度等因素 对h c 排放的影响进行了分析，并提出了相应的降低h c 排放的方法。同时他们还 对起动工况h c 的组成成分进行了进一步的分析1 2 酬。g e r h a r df s c h m i d t 通过试验 发现如果首次着火成功，则工质与燃烧室温度得以提高，那么喷油时刻( 相对于刚 开始起动时的喷油时间) 有必要提前【27 。i s a oo s u k a 、m a s a h i k om i y a k i 、 j r n e e d h a m 等人利用高压电控共轨技术，通过采用预喷射，实现了缩短起动时 间和降低起动过程白烟【2 引。提出在采用合适的预喷燃油情况下，喷油定时可只考 虑获得最小n o ，排放和最小燃油耗率进行调整而不必再顾及在冷态运行期间产生 白烟的问题，从而能够更自由的对柴油机性能进行优化。国内学者肖文雍、冒晓 建等基于高压共轨电控燃油喷射系统设计了柴油机起动过程的控制策略，分别对 喷油量、喷射压力与燃油喷射正时进行控制，有效改善了柴油机起动性能【2 引。国 内学者李德桃等对柴油机起动的不稳定性进行了深入的研究，建立了系统的起动 过程非稳态燃烧放热理论模型，并撰写了相关的著作【3 叫。天津大学的姚春德、高 雪飞等研究了柴油机暖机阶段h c 排放的影响因素，并提出了相应的控制策略【3 。 1 3 本文的研究内容 本文以电控高压共轨柴油机冷起动性能为研究对象，结合极寒条件的应用要 求，在吸取目前国内外柴油机冷起动性能研究成果的基础上，了解柴油机冷起动 性能影响因素和解决办法。通过在极寒条件下的实地试验，针对电控高压共轨柴 油机冷起动性能的特殊要求，提出一种针对电控高压共轨柴油机冷起动性能的优 化方案。具体内容为： ( 1 ) 分析电控高压共轨柴油机性能特点及其优势所在。电控发动机最大的优 势在于能够快速控制发动机轨压、喷油量及喷油提前角。通过调整起动基本转矩、 过度转矩以及空燃比等脉谱图能改善喷油量的控制；通过调整喷油提前角来改善 起动性能及起动平顺性；高压喷射在提高燃油雾化质量、促进可燃混合气生成的 同时，也会带来起动过程的不稳定性及排放恶劣的问题，因此需要对起动过程中 的轨压进行合理控制。 ( 2 ) 分析影响柴油机冷起动性能的相关因素，通过理论分析及实际试验得出 4 工程硕士学位论文 影响柴油机冷起动性能的相关因素，包含发动机冷却液、燃油、蓄电池及起动机 扫蟹 号手0 ( 3 ) 分析电控高压共轨柴油机的冷起动性能特点。 ( 4 ) 分析本文研究对象的应用条件，并根据应用条件，合理选择试验地点， 搭建试验平台。 ( 5 ) 通过在极寒条件下的实地试验，验证各种因素对电控高压共轨柴油机冷 起动性能影响并得出其优化方案。 1 4 论文结构 在第一章绪论中，首先介绍了课题的研究背景、研究目的，介绍了电控高压 共轨柴油机冷起动研究现状，再对本文的主要研究内容及论文结构作了简单介绍。 在第二章中，首先介绍了电控高压共轨系统的发展历程，特别介绍了第三代电控 高压共轨系统的组成及简单的工作原理，并分析了影响其冷起动性能的相关因素， 为后续工作提供理论基础。第三章介绍了本文试验系统的构建，并对起动系统的 组成硬件进行了选型。第四章主要是电控高压共轨柴油机冷起动性能的试验研究， 通过极寒条件试验得到我们需要的控制方案及相关控制参数。第五章总结和展望 主要是对试验的总结和其应用的展望。 电控高压共轨柴油机冷起动性能试验研究 第2 章电控高压共轨柴油机冷起动技术 共轨系统是指由电喷系统控制器e c u ( e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ) 、高压油泵及 共轨等组成的喷油系统。目前柴油机共轨系统已开发了三代：分别为第一代位置 控制系统，其共轨高压泵总是保持在最高压力，导致能量的浪费和很高的燃油温 度。第二代时间控制系统，其根据发动机需求而改变输出压力，并具有预喷射和 后喷射功能。第三代时间一压力控制系统，也称电控高压共轨系统【3 引，其压电执 行器代替了电磁阀，从而提高了喷射控制的精度；同时压力可在2 0 0 , - 一2 0 0 0 b a r 间弹性调节，最小喷射量可控制在0 5 m m 3 ，减小了烟度和n o x 的排放。然而由 于柴油机在冷起动方面的缺陷，起动性能一直仍是困扰其发展的重要因素。 本章以b o s c h 最新的第三代高压共轨控制系统为基础分析了其冷起动性能 的影响因素，为下文试验系统的构建提供理论基础。 2 1 柴油机电控喷油系统控制原理 电控喷油系统由三大系统组成，包含各种传感器、执行器以及电控单元。图 2 1 为柴油机电控喷油系统控制原理图【33 1 。传感器包括进气压力温度传感器、机 油压力温度传感器、曲轴转速传感器、凸轮轴转速传感器、轨压传感器等；执行 器包括喷油器电磁阀、进气预热电磁阀、预热指示灯等；电控单元( e c u ) 根据 各种传感器实时检测到的运转参数，与电控单元预先储存的相应参数值或脉谱图 进行比较，按其最佳值或计算后的目标值，将指令传送到执行器。执行器根据电 控单元的指令来控制喷油量、喷油定时的开关等。此外，柴油喷射系统通过数据 总线( c a nb u s ) ，同整车其它系统进行通讯，以实现对整车的协调控制。 2 2b o s c h 电控高压共轨系统 b o s c h 电控高压共轨系统主要有6 大部分组成，即c p n 2 2 + 高压油泵、c r i n 2 喷油器、e d c l 7 系统e c u 、l w r n 2 高压共轨管、各种传感器部件及控制系统， 该系统具有控制方式灵活、诊断系统完善等优点，图2 2 为b o s c h 电控高压共 轨结构示意图【3 引。 2 2 1 电喷系统控制器及供油系统 ( 1 ) 电喷系统控制器 e c u 即电子控制单元，其为电控发动机的控制中心，通过接收各种传感器传 送过来的发动机运行信息，加以运算处理后控制各执行器动作。e c u 还包含一个 6 工程硕士学位论文 检测模块，用以故障诊断以及出错后的系统保护。b o s c h 最新电喷系统采 凸轮轴转速传感器 加速踏板位置传感器 进气压力 进气温度 前面输入数据 图2 1 电控喷油系统控制原理图 用e d c l 7 版本e c u ，集成了原先后处理独立的s c r 控制器d c u ，简化了系统的 布置，同时也提高了系统的可靠性。图2 3 为e d c l 7 版本e c u 。e d c l 7 系统较 上版e d c 7 系统进行了优化，使得结构更加紧凑，兼容性更好，同时降低了功耗 并且使用了功能更强大的微处理器，从而提高由于排放法规严格及功能增强导致 监控和控制数据增大后的运算能力，对于具体的内部软件控制将在下一章中详细 介绍。 ( 2 ) 共轨管 将供油泵提供的高压燃油经稳压、滤波后，分配到各喷油器中，起蓄压器的 作用。它的容积可削减高压油泵的供油压力波动和每个喷油器由喷油过程引起的 压力震荡，使高压油轨中的压力波动控制在5 m p a 之下。但其容积又不能太大， 以保证共轨有足够的压力响应速度以快速跟踪柴油机工况的变化。图2 4 为共轨 管的模型图，图中为轨压限制阀，当共轨压力超过共轨管所能承受的最高压力 时，轨压限制阀会自动开启，将共轨压力降低到约3 0m p a 。为轨压传感器，为 e c u 提供实时的轨压信号，从而使得e c u 能够进行精确的油量控制同时也能够 保证系统的安全运行。另外在轨的上部有六个