柴油机起动过程控制策略及参数标定

1、柴油机起动过程控制策略及参数标定黄千，黄英，张付军，张吉方(北京理工大学机械与车辆工程学院，北京100081)摘要：起动过程控制策略研究是柴油机控制的核心之-s策略的制定既耍能保证起动过程的可靠性，同时还 要兼顾排放，彼小起动过程的磨损在分析了环境温度、起动转速、起动喷油和柴油特性对起动过程影响的 荃础上.结合盂制匣理，制定了基于ramp控制的柴油机起动控制策略.并对控制策略中的够数进行了优化 标定.关键词：起动过程；控制策賂；参数标定中图分类号：TK42文献标识码：A文章编号:1000-6982 (2007) Z24MM64I4Control Strategy and Parameter c

2、alibration of StartingProcess for Diesel EngineHUANG Qian, HUANG Ying, ZHANG Fu-jun, ZHANG Yan-fang (School of Mechanical and Vehicular Engineering; Beijing Institute of Technology; Beijing 100081) Abstract: Against turbocharged diesel engine cycle simulation program structure and procedures resulti

3、ng from this common problem, the proposed modular structure design ideas, and the modular structure of technical procedures conducted in-deplh research In the first two-way text of graph theory lor turbocharged diesel engine system descriplion applies to the establishment of a turbocharged diesel en

4、gine parameten of the two-way system description fonn, and on that basis, a conesponding to the calculation model symbol system in a flexible, modular structure of the modular system based on the completion of a turbocharged diesel engine cycle simulation software SimDiesel design and development Th

5、e modular structure of the turbo diesel engine has a good process of open and flexible, can be very easy and intuitive to the relevant sub-assembly and demolition for the selection and performance of diesel engines provide a powerful tool.Keywords: starting process, control strategy; parameter calib

6、ration# 0前言起动控制研究一直以来是发动机控制的核心 之一。起动过程属于瞬态丁况，从发动机开始起 动到稳定在怠速转速工作的整个过程都可以认为 是起动过程。这一过程中由于环境温度低.转速 低，喷油压力低，涡流弱等等因索使得它成为发 动机所有工况中工作条件最恶劣的工况。它对发 动机的排放性和磨损有很大彩响。起动控制策咯的制定既要使得发动机起动可 靠，同时起动过程的排放也能达到一个较好的状 态。在制定起动过程的控制策略中，必须尽可能 全面考虑彩响起动过程的各种因索，相对机械式 喷油泵来说，电控发动机具有更多可控自由度， 策略的制定也更加的灵活；控制策略还包括优化 匹配策略中的控制参数。由于影

7、响起动过程的因 素复杂，加之参数之间又相互影响,而且控制品质 很大程度上取决干控制数据的准确性，因此控制 参数的优化比控制策略的制订更具体更复杂，也 更具有实际意义；控制策賂的制定还必须结合 实际的发动机控制原理，所制定的控制策略在程 序上是能够实现的.1控制策略的制定1.1影响起动过程的因素柴油机缸内燃烧过程受到气缸内压缩温度、 压缩压力、燃汕特性和燃油喷射规律等影响。要 使得发动机能够可靠的起动，起动过程屮气缸内 必须达到一定的压力和温度；必须提供给浓度适 当的混合气；发动机有足够筒的起动转速气并 且这些条件是相互影响的。1.1.1环境温度环境温度是形响起动过程最垂要因素，环境 温度越低，

8、则发动机起动成功的可能性也越低。 发动机起动阻力随着环境温度的降低而增加，起 动阻力增加有两个主要原因：一是由于机油粘度 随着环境温度的降低而增大，起动阻力随着机油 粘度的增大而增加；二是发动机配合零部件之间的不同膨胀和收缩系数也增加了起动阻力.因 此，在起动扭矩一定时，发动机起动转速随着环 境温度的降低而降低，这使得起动过程失火的可 能性更大。此夕S较低的环境温度使得燃油粘度 和密度都较大.流动性变差，蒸发、雾化不良， 从而影响混合气的形成。1.1.2 起动转速发动机着火过程很大程度上取决于缸内工质 温度，而起动转速直接影响到压缩上止点附近气 缸工作介质的温度和压力，特别是在低转速时的 影响

9、尤为明显。起动初始冷却水温度较低.且起 动转速亦很低，泄漏损失和传热损失较为严重， 这使得压缩终了时工作介质的温度和压力都较 低，不能保证发动机可靠的着火起动转速形响着火的另外一个因素是上止点 附近的时间。当发动机转速较高时，泄漏损失和 传热损失相应的减少，压缩终了时的缸压和缸温 都比较高，但是此时在上止点附近的最高压力和 温度所持续的时间相应的减少。很显然，为了保 证发动机可集着火，根据发动机的设计参数，起 动转速必须大于某一转速.但至于是否转速越高 越好，这个问恳仍然需要进一步的研究。1.1.3 起动喷油起动喷油包括起动喷油量.喷油压力和唆油 正时等。起动时气缸温度较低，燃油蒸发速度较 慢

10、，只有少部分燃油在滞燃期内蒸发，另外由于 发动机的转速很低，喷油压力低，进气涡流弱， 使啖油的劣化质扯变得很差，彫响了混合气的形 成。一般情况都会在起动初始阶段向气缸喷入过 虽燃油，使得形成的混合气空燃比能过达到肴火 的要求。起动时缸温和缸压低，滞燃期相对于正常工况在 时间上延长了，但所对应的曲轴转角却减小了叫 起动时啖油过早还会应燃油蒸发吸热而使得压缩 温度进一步降低，彩咆着火。最佳喷油提前角因 该是喷油后-部分燃滋能迅速着火，在由燃烧产 生的热棗促进燃油进一步汽化混合，以保证迅速 燃烧。随着喷油技术的发展.预喷等新技术的应用 大大改善了柴油机的起动性能和排放性能。 1.1 4柴油特性柴油最

11、重要的特牲包括十六烷值和挥发性。 十六烷值越大，滞燃烟越短，一般认为髙十六烷 值的柴油可以改善起动性能。研究表明.十六烷 值影响最低起动温度，低于此温度发动机将无法 运行。挥发性也在一定的程度上彩响了柴油机起 动性能，从这一点上可以看出.着火前的雾化、 蒸发和混合等物理过程对柴油机起动影响也是很 重要的。1.2电子调速器的控制原理如图1所示，系统中有两个PID控制器.其 中内环副回路为齿杆位置闭环调节.外环主回路 为发动机转速闭环调节。外环的输入是发动机实 际转速与目标转速的转速差.输出是目标循环供 油Sh根据当前发动机传速和目标循环供油量査 询油泵特性MAP图计算出目标齿杆位置.并将 实际齿

12、杆位置与目标齿杆位置的差值作为内环控 制器的输入虽，内环的输岀是一个PWM信号的 占空比，通过驱动电路控制比例电磁铁到相应的 目标位置。在整个控制系统中.油泵特性是联系 外环和内环的纽带，它是由发动机转速，每循环 喷油髦和油泵齿杆位置组成的三维MAP图，其47 # 1.3基于ramp控制的起动过程控制策略1.3.1起动过程对发动机的彩响及ramp控制 在起动过程中发动机的摩擦磨损较大，根据 资料表明，起动时所造成的磨损量约占总磨损量 的5060%,这是由于发动机起动时，机油泵不 能将润滑油及时压送到各运动件摩擦表面，使气 缸壁、主轴承及连杆轴承等在没有润滑油的时候 就发生了相对运动，这个时候就

13、处于干摩擦状态, 磨损非常严重回。ramp控制的目的就是在起动过程中使得转 速缓慢上升，减小超调蚤，减少磨损，延长发动 机的使用寿命。一般的发动机起动转速控制为阶 越响应转速闭环的目标值初始值即为怠速转速, 当判断发动机起动成功后.转速闭环开始调节使 发动机稳定在目标怠速；采用ramp控制时，发 动机启动转速控制为斜坡响应，转速闭环的控制 目标值由以下公式给出：H + ”0其中如M为目标传速，尸为ramp值，/为时间n0 为目标初始值。1.3.2起动过程控制策略根据以上彩叫起动过程的各种因素，结合电 子调速的控制原理，制定如下的起动控制策略. 图2为一个典型的起动过程，左图为发动机转速 闭环控

14、制过程，右图为齿杆闭环控制过程。刀为发 动机转速；小为初始喷油转速，也是起动工况转 速标记：小为nrnip控制标记，也是发动机的最低 着火转速，它与环境温度和发动机的结构参数等图2 个典型的起动过程当起动马达带动发动机运行，此时电控单元 检测到转速二Mp则立即进入起动工况。在起 动工况中.根据发动机当前的冷却水温和进气温 度以确定起动初始最大循坏喷油乗，由起动油战 和当前发动机转速查询油泵特性MAP即可获得 目标齿杆位置。齿杆位置PID闭环控制器开始调 节，并将转速闭环的目标初值设为刘。由于低转 速下的泵特性数携比较难以获得，查表插值方式 采用了内插的方法.所以低转速时的目标齿杆位 置是固定值

15、。当刃=小时.转速PID控制器进入闭环控制。 为了避免控制程序在计算中不产主突变，转速闭 环PID控制器的积分初始值应等于初始起动油 量.即起动最大循环喷油量，输出最大值不得超 过初始起动油量.目标转速以一定的ramp值增 加 ramp值需根据冷却水温进行修正当">=勿时，标志着发动机已经起动成功，起动成功后，根据油门踏板的位置判断发动机进入怠速工况还是其他任总工况。2控制策略中的参数标定2.1试验仪器和条件试验用发动机最大输出功率为 330kw/2150r*mind ,录大输出扭矩为 1900Nm/1280r*inin-1;测功机为洛阳南峰 440kw 电涡流测功机；烟度测试

16、仪釆用AVL493消光式 烟度计。电控单元、数振釆集系统和标定系统均 为自行开发的。其中标定系统基于串口通讯，数 据采集基于CAN总线。所有试验均在水温、空气温度.机油温度相 同的情况下完成，所以本文的标定属于冷起动工 况标定范畴。2.2参数的标定过去，人们都以某环境温度F对应的起动时 间来评价内燃机的起动性能。随着对内燃机起动 过程研究的深入，评价内燃机起动过程的指标也 越来越多。本文在对起动过程的标定过程中，主 要考虑了转速的上升速率.超调和烟度两个方面。 根据控制原理和制定的控制策略，需要标定的参 数包括PID控制参数、起动最大循环喷油量、初 始喷油转速、起动成功转速和目标转速上升速率

17、ramp 值。2.2.1 P1D参数标定发动机工作过程具有极强的非线性，为满足 转速控制在稳态工况下的稳定性与瞬态工况下的 动态响应速度等控制要求，必须根据发动机工况 对PID参数进行修正。为了保证系统的稳定性， 比例增益在稳态时不易过大，但在动态时必须加 大比例增益以满足动态响应.起动过程实质上是 一个从动态向稳态过渡的过程，因此起动过程为 一个变比例增益的控制过程。如图3所示，左图 为定比例增益起动转速变化过程.右图为比例增 益随着转速和每循环油量的变化而变化的起动转 速变化过程。从图中可以看岀，右图的转速超调 虽和起动时间都明显的减小。2.2.2起动最大循环喷油量的影响在25C怠速工况下

18、.每循环大约20mg喷油 显即可保证发动机稳定工作。但为了保证可靠的 起动.喷入汽缸的燃油量要比怠速工况大的多， 便得燃烧室内能够形成一定浓度、易于看火的混 合气。如图4所示为环境温度、冷却水温度和机 油温度同为25 C时不同起动油宣的起动转速和 烟度峰值曲线。图3比例增益对起动过程的影响图4不同起动沖埼的起动转速和烟度峰值曲线从图中可以看出，随着最大循环供油量的增 加，起动转速的上升速率加快，超调也随Z增加: 烟度值随着循环供油最的增加而増加，在lOOmg 附近烟度值急剧上升。结合起动转速的变化和烟 度，选择了 lOOmg的起动油氐 这样既可以保证 发动机可靠的起动.同时烟度值也不大。2.2

19、.3初始喷油转速山的彩响从试验的悄况看，初始喷油转速心对转速控 制的彫响不大，但是对烟度峰值有一定的影响， 如图5所示为在25t时不同的转速开始喷油时的 烟度峰值。随着初始喷油转速的提高，烟度值逐 步降低。这是由于低转速时喷油压力低，喷入汽 缸的燃油以液态的形式存在并逐步积累，在发动 机的第一个着火循环时混合汽过浓，烟度峰值加 大。但是过高的初始喷油转速使得起动电机拖动 的时间较长，起动平均电流大，这要求更大功率 的起动电机。从烟度井放和对起动电机要求的角 度出发，选择初始喷油转速60r/min较为合适。 2.2.4起动成功转速旳的彩响m为起动控制策略中判定柴油机起动成功的 转速标记，也是ra

20、mp控制目标转速的初始值。如 图6所示为冷却水温为25 'C时不同刘的起动转速 曲线。从图中可以看到，心越大，贝IJPID控制器使 得起动最大循环供油结束的时间越长.从而造成 了转速的超调量也就越大；从烟度峰值的变化情 况来看，刘对起动过程烟度影响不大因此，从转 速的变化情况来看，选择勿=350i7min。图5不同初始喷油转速的烟度峰值曲线图6不同心值的起动挎速和烟度蜂值曲线2.2.5 目标转速上升速率ramp值的影响如图7所示为在25匸时起动油蚩相同而 ramp不同悄况下的转速由线和烟度峰值曲线。在 起动过程初期，由于最大循坏供油虽相同，PID 控制器没有参与控制，此时发动机控制是开

21、环的, 转速上升速率不受ramp值得影响；在起动中后 期，PID控制器参与控谢，随着ramp值得减小， 转速的上升速率减缓且超调减小“amp值对烟度 峰值的彩响不大。从转速的变化情况看，在25 -C 时选择 ramp=3OOr/sc图7：不同Ramp值的起动转速和烟度峰值曲线（下转第5页）49 7设计验证G32系列首先开发的是六缸机。6G32样机在 台架运行了 500小时(其中高负荷运行210小时 作为可靠性考核)之后.按照CCS认可的G32 型柴油机型式试验大纲进行了排放测试、功能 性试验、工作负荷点运行、应急工作运行等全部 项目的性能测试。结果表明：各项性能参数均达 到或优于设计指标，推进

22、特性曲线见图5。ds<£qmd图5推进特性曲线 主要性能实测结果如下： 燃油消耗率：b=185 (g/kWh)； 排气温度：T产330 CC)；最高燃烧压力:P37.5 (MPa)；排放物：NOx=118 (g/kWh)；机械振动烈度：Vs=9.3 (mm/s)；噪声：noisc=103 dB (A)；滑油消耗率：C=0.S (g/kWh)； 扭振性能:按CB*3325-I987评定为A级； 排气烟度：K<0.lbosch (25%以上负荷)；R <0.15Bosch (25%以下负荷)。8总结6G32中速船用柴油机的动力性能、推放性 能、经济性能等方面均达到了设计

23、要求。特别在 排气烟度的控制方面.实现了全工况无可见烟色 的优异性能。6G32柴油机取得了中国船级社颁发 的船用产品型式认可证书，2007年初投放市场。广州柴油机厂已批量生产六缸机并正在继续 开发该系列的八缸和九缸机型.进一步满足市场 的需求。作为国内高强化度的新一代中速柴油机， 其优异的可靠性和良好的综合性能，必将受到广 大客户的欢迎。参考文献1高徳明等 G32系列柴油机的总体设计A.中国内 燃机学会大功率柴油机分会成立二十周年特辑 2001.10|2|顾宏中.MIXPC涡轮坨压系统研究与优化设计.上 海交通大学出版社,2006年5月(上接第49页)3结论柴油机起动过程受到环境温度、起动转速、 起动喷油过程及柴油本身特性的影响。据此，结 合电子调速器控制系统的控制原理