高压共轨柴油机起动特性试验研究

高压共轨柴油机起动特性试验研究

0高压共轨柴油击穿试验工况优化通过高压喷射，汽油车的耗散射能提高汽油车的耗散气质量，促进空气阻力的形成，但也存在着引导过程不稳定性和排放差的问题。因此，有必要合理控制高压共轴机枪的启动过程。以往研究表明,影响高压共轨柴油机起动特性和排放的因素主要包括起动结束标志转速、喷射控制参数和外界环境因素等几个方面。如果通过试验掌握这些参数对高压共轨柴油机起动特性和排放的影响规律,就可以对柴油机起动过程进行综合优化控制,使其在满足排放法规的要求下,在比较恶劣的条件下也能顺利起动。本文针对大连柴油机厂生产的4DC型高压共轨柴油机,通过试验研究了喷射控制参数中的共轨油压对高压共轨柴油机起动特性的影响规律。1高压共轨试验控制系统1.1燃油系统及dg-lc排放试验台架布置如图1所示。试验用机为大连柴油机厂生产的4DC型高压共轨柴油机,缸径为98mm,行程为105mm,排量为3168mL,压缩比为18,标定功率88kW(3200r/min),标定扭矩为320N·m(2000r/min),燃油系统采用Bosch的第二代高压共轨系统,由汽车起动电源代替蓄电池向起动机提供起动电压,利用AVLDiCom4000型废气分析仪测量HC排放。1.2高压共轨柴油系统试验台测控系统以Bosch第二代高压共轨燃油喷射系统的管理系统为基础。电控系统和管理系统由+12V稳压电源供电。其中电控单元为Bosch公司生产的EDC16-P4。在发动机运转过程中,电控单元实时检测电控高压共轨柴油机的运转参数,按照事先编制的控制策略,对发动机的执行器,主要对喷油器电磁阀、燃油计量单元的比例电磁阀进行控制,从而实现对喷油正时、喷油量和轨压的控制。ETK为ECU的内存单元,与控制单元集成一体,其上带有FlashEPROM和RAM,可以进行标定修改。MAC2为ETAS公司生产的测量及应用模块单元,作为测量和标定数据的缓冲区,可以控制数据的传输,与微机并口连接。上位机采用的标定软件是与Bosch高压共轨燃油喷射系统的管理系统相配套的INCA,它是ETAS公司的产品。INCA属于在线标定软件,它不仅能够实时显示发动机的运行参数和进行实时标定,还能对所得到的数据进行数据处理,以便对发动机的运行状态进行分析。2启动测试2.1撞击过程排放评价起动特性的指标有很多,通常有起动时间、着火时间、稳定工作时间、起动次数、有害物的排放等。本文对柴油机起动性能的评价指标主要是起动过程的起动时间和起动过程的排放。起动过程排放的主要评价指标是HC排放。柴油机起动时是在无外界负荷的情况下进行的,并非碳烟等微粒产生的工况;由于起动过程中,外界及发动机机体的温度较低、活塞环与气缸壁之间的密封油膜还未形成而造成的压缩混合气泄漏、润滑油粘度大而造成的起动机倒拖转速较低、气缸内混合气雾化不良等因素,使得起动机倒拖时压缩终点的气缸内温度低,起动过程中气缸内燃气的温度低,因而不是NOx的产生工况;由于上述原因使气缸内的可燃混合气不能燃烧或燃烧不充分,产生大量的HC。2.2运转阶段的转速峰值点图2为外界温度10℃、大气压力100kPa、起动结束标志转速n1为800r/min、起动油量30mg/cyc、主喷油提前角为上止点前10°CA、共轨油压40MPa、预喷量2mg/cyc、预喷时间为2000μs时起动过程的转速(n)-时间(t)、HC排放-时间(t)、轨压(prail)-时间(t)和循环喷油量(gb)-时间(t)曲线。从图2可以看出:原点0为起动阶段的始点;A点为起动阶段结束点,同时也是稳定运转阶段的始点;B点是起动结束标志转速点,同时也是起动油量作用的终点;C点是稳定运转阶段的转速峰值点;D点是稳定运转阶段的终点,同时也是暖机阶段的始点。下面对以上3个阶段加以分析:(1)起动油量的作用始点到起动结束的0-B阶段。气缸内的燃烧条件非常恶劣,为了保证发动机的迅速起动,供油量约为暖机阶段供油量的2倍以上;较大的供油量加上起动初期气缸内恶劣的燃烧条件等因素,使得HC的排放浓度大幅度增加接近峰值;A点是发动机脱离起动机自行运转的始点,从起动阶段的始点到达A点所经历的时间为起动时间。(2)稳定运转阶段供油量的始点B点,经过转速峰值点C直至该阶段的供油量作用终点D。这个阶段供油量的调节是通过控制策略来实现的,调节的目的是使发动机能够迅速、平滑地过渡到暖机阶段并尽可能降低排放。由图2可以看出:经过起动阶段大供油量作用的B点后,稳定运转阶段的供油量已经降到最低点,但发动机的转速仍然持续上升直至最高点C点,这是因为起动阶段供油量对发动机的作用有一个延迟时间。由于该阶段气缸内的燃烧条件还没有得到很好的改善,因此失火现象时有发生,使得柴油机转速变化幅度相对较大。这个阶段的供油量是根据柴油机转速自动调节的,所以供油量也会有较大幅度的升降。供油量由于自动调节作用而大幅度升降,同时燃烧条件不好,使得由于混合气未燃及未充分燃烧造成这个阶段的初始HC排放仍然维持在较高水平,直至随着时间的增加,气缸内的燃烧条件改善HC排放逐渐降低。(3)从D点开始发动机进入暖机阶段,这个阶段供油量的调节也是通过控制算法来实现的。可以看出这时的作用油量已经趋于平稳,相应的发动机转速也趋于平稳,HC排放维持在一个几乎不变的水平。所以,起动过程中HC排放的峰值产生在起动拖动阶段和稳定运转阶段内的转速峰值区;暖机阶段的HC排放变化很小,这是因为暖机阶段的供油量控制是通过控制算法来实现的,与起动阶段供油量的大小无关。2.3撞击动能试验试验时外界气温11℃、大气压力100kPa。图3为起动结束标志转速n1为800r/min、起动油量30mg/cyc、主喷射提前角为上止点前10°CA、预喷量2mg/cyc、预喷时间2000μs、共轨油压分别为20、30、35、40、45、50、60MPa时起动试验的发动机n-t曲线。首先对起动过程中轨压的变化过程进行分析。图4为目标轨压为30MPa时的n-t和prail-t曲线。由图4可见:在起动过程中,油轨压力首先迅速上升,在超过目标轨压约10MPa时达到峰值,然后再逐渐向目标设定轨压变化,当发动机着火稳定运转后,油轨压力再逐渐向暖机轨压过渡。图5为起动过程中不同的目标轨压下的prail-t曲线;图6为该试验的起动时间t1-prail曲线;图7为该试验的HC-prail曲线。由图3和图5可看出:当设定的轨压小于45MPa时,随着起动设定的轨压值的升高,轨压首先跃升达到的峰值也越高,但其超调的轨压量在10MPa左右;而当设定的轨压值为50MPa和60MPa时,轨压的超调量变小,基本上是直接达到目标轨压,然后在目标值上下波动;在起动机的拖动阶段,轨压的波动比较大,而当进入怠速暖机过程后,其轨压波动就小了很多,这主要是因为起动阶段转速比较低并且波动较大,因此不利于轨压的稳定,所以出现轨压波动的现象。由图6可看出:不同目标轨压下的起动时间随着轨压的增大先是逐渐减小,在30MPa时达到最小值,然后随着轨压的增大起动时间又逐渐增大,尤其是当轨压大于40MPa后,起动时间发生比较明显的增大,并且20、30、35、40MPa的起动时间相差并不大。这主要是因为设定的目标轨压越大时,起动阶段的平均轨压越高,燃油流出的初速度就越大,在喷孔中燃油扰动程度和流出喷孔后所受到的介质阻力就越大,从而使雾化的细度和均匀度就越高,燃油雾化越好;燃油的轨压越大,燃油的贯穿度越大,贯穿距离就越长,并且此时发动机转速比较低,缸内的气流运动比较弱,这样就会有较多的燃油喷射在燃烧室的壁面上,又由于此时燃烧室壁面的温度比较低,喷射到壁面上的燃油不易蒸发,不利于混合气的形成。随着轨压的增大,起动时间出现先增大后减小的现象,而当起动轨压大于40MPa后,喷射在燃烧室壁面的燃油量越大,需要更长的时间才能将更多蓄电池的电能转化成缸内气体的热能,用以提高缸内温度,同时也使燃烧室壁面温度升高,使得缸内可燃混合气增多,达到自燃所需要的浓度和温度。由图7可看出:随着起动目标轨压的增大,HC的排放先逐渐减小,在30MPa时达到最低值,然后再随着起动目标轨压的增大,HC排放又逐渐增大,这和起动时间随起动目标轨压的变化趋势相似。这主要是因为在起动油量相同的条件下,起动时间越长,大的起动油量作用的时间也就越长,HC排放也就越高。所以,起动过程中存在一个最佳目标轨压值,起动轨压过大或者过小都会使起动时间增加和HC排放