高压共轨电控柴油机起动控制策略研究

高压共轨电控柴油机起动控制策略研究

高压共轨电控燃油喷射技术对柴油系统可靠性的影响由于良好的油耗经济性、动力性、可靠性和耐用性，发动机在各经济领域得到了广泛应用。然而,近年来在世界范围内的能源危机与环境污染对柴油机的经济性和排放提出了更加严格的要求。由于柴油机电控技术,尤其是高压共轨电控燃油喷射技术具有灵活控制喷油量、喷油压力、喷射正时与喷油速率的优点,可以有效降低燃油消耗与温室气体的排放,从而受到了柴油机制造商的青睐。柴油机起动性能是柴油机综合性能中的一个重要组成部分,而高压共轨电控燃油喷射技术对改善柴油机起动性能具有较大的优势。作者基于GD-1高压共轨电控柴油机,设计了一套起动控制策略,通过提高喷射压力、采用预喷射等措施改善燃烧过程,保证柴油机的迅速起动。1高压共轨电控燃油系统以及预喷射系统能起动过程是否迅速是柴油机的一个重要性能指标,直接影响柴油机的工作可靠性和使用寿命。在柴油机起动过程中,特别是冷起动过程中,气缸壁与燃烧室的温度较低,混合气与气缸壁间的传热增大,而且起动转速很低,漏气量增加,使压缩终点的温度与压力均较低。另外,低温时燃油粘性增大,使燃油的蒸发与雾化恶化,影响了混合气的形成。以上原因导致了柴油机起动困难。要使柴油机顺利起动,必须形成易于着火的混合气。提高喷射压力、采用预喷射可促进混合气的形成。提高燃油的喷射压力可使燃油雾化后的喷雾粒度更小、更均匀,加速燃油与空气的混合,改善燃烧的效果十分明显。高压共轨电控燃油系统在柴油机起动运转仅2转时,就使喷射压力提高到40MPa以上,大于常规燃油系统的平均喷射压力,可以有效促进混合气的形成。预喷射所产生的冷焰反应可提高主喷射前的燃烧室温度,从而显著改善柴油机的起动性能。在冷态的直喷式柴油机起动过程中,在主喷射前进行预喷射,利用其产生的冷焰反应可使燃烧室内的温度升高,当主喷油量喷入其中后,经过很短的延迟后就着火,减少了着火极限喷油量,放热规律得到了明显改善。采用预喷射后,冷起动时间较常规柴油机大为缩短,柴油机的起动性能得到了极大改善。2高压油泵喷油脉宽的工作原理基于以上分析,作者针对GD-1高压共轨电控柴油机设计了起动控制策略。根据柴油机起动时的状态参数,如转速、冷却水温度等,查相应的脉谱、曲线求出相应的喷油量,在不冒白烟与黑烟的前提下保证柴油机顺利起动。同时,根据高压油泵的结构特点,采用多种模式驱动高压油泵压力控制电磁阀(VPAV)向共轨管供油,以迅速建立起动所必需的喷油压力。最后,在满足喷射的条件下,主要根据喷油量、转速与冷却水温度等查相应的脉谱、曲线计算主喷射与预喷射的喷射正时与喷油持续期。喷油持续期即是喷油器电磁阀的驱动脉宽,本文简称喷油脉宽。图1是起动控制策略的总流程图。2.1gfig的逻辑图ECU通电后,将起动标志位Flag_Start初始化为1,然后根据柴油机转速NENG判断是否进入起动工况。图2是起动标志位Flag_Start的逻辑图。当转速NENG低于起动判断最低转速NMIN时,标志位Flag_Start重新置1,ECU此时判断为起动状态;当转速NENG高于由水温TW确定的起动成功转速NSUC时,标志位Flag_Start置0,ECU此时判断起动成功,并向怠速过渡;当柴油机运行于NMIN与NSUC的转速范围内的时间T大于起动最大允许时间TMAX时,认为柴油机起动失败,停止喷油,以防止溢油。2.2转速neng函数起动油量Q由基本油量QBASIC与低速加浓油量QCMP组成,计算流程见图3。基本油量QBASIC是冷却水温度TW与柴油机转速NENG的函数。根据起动基本油量脉谱通过二维线性插值求出QBASIC。ECU根据冷却水温度TW判断柴油机的冷热状态:冷机时增大喷油量使燃油蒸发、雾化的数量增大,以改善起动性能;热机时适当减小喷油量以避免冒黑烟。低速加浓油量QCMP是转速NENG的函数,根据优化的加浓曲线通过线性插值求出QCMP。低速加浓也是为增大燃油蒸发与雾化的数量,促进混合气的形成。2.3喷射压力和控制方式为了促进起动过程中燃油的雾化,必须有较高的喷射压力。高压共轨燃油系统的喷射压力可灵活控制,在极低的转速下也可建立较高的压力。目标喷射压力一般定为40MPa。GD-1高压共轨电控柴油机的供油泵采用双柱塞、三作用型凸轮,由电磁阀VPAV调整供油量。每个柱塞每次的泵油行程对应60°CAM,凸轮轴旋转1周,两电磁阀分别交替工作3次,共向共轨管供油6次。为了迅速建立喷射压力,在起动过程中对建立共轨油压采用2种开环控制方式。而在实现起动目标油压后,则采用闭环控制方式维持油压。起动结束后,向怠速油压控制模式过渡。2.3.1vpav2泵油行程柴油机起动初期,ECU没有检测到判缸信号时,不能判断出柴油机的精确相位。此时,不能按与转速同步的方法驱动电磁阀VPAV向共轨管供油,但可根据曲轴转速计算出相应的时间来驱动VPAV1与VPAV2交替工作。根据转速信号求出瞬态转速,计算柱塞泵油行程的一半,即30°CAM所对应的时间,驱动VPAV1与VPAV2分别交替工作。图4显示了模式1的泵油原理。VPAV工作4次中就有2次有效供油,有效泵油行程是可利用泵油行程的1/2。不难发现,无论VPAV的最初工作始点对应什么凸轮相位,有效泵油行程始终是可利用泵油行程的1/2。当VPAV连续工作4次后,若ECU仍没有检测到判缸信号,应按照新的曲轴转速计算VPAV的工作时间。模式1可在ECU控制时序建立前就驱动油泵向共轨管泵油,促进了起动过程中目标油压的建立。2.3.2系统的泵油原理在ECU检测到判缸信号、建立控制时序后,在起动目标油压尚未达到之前,驱动VPAV利用高压油泵凸轮的整个上升段供油,以迅速建立起动目标油压。模式2是按照与转速同步得方式驱动VPAV工作,其泵油原理见图5。ECU建立控制时序后,若按模式1正在工作的一个VPAV恰好对应其供油凸轮相位,则应继续按模式2工作。否则,在此VPAV工作完成后,应等待一段时间,以依据供油凸轮相位驱动相应的VPAV按模式2工作。2.3.3模式3在起动过程尚未结束前,以闭环方式维持起动目标油压。2.4预喷射控制策略在柴油机起动过程中,喷射控制主要包括最小油压的判断、预喷射的控制与主喷射的控制。首先应判断最小喷油压力。在柴油机起动过程中,共轨油压必须高于最低油压pMIN时才可以进行主喷射,否则雾化不良,燃烧恶化。pMIN是冷却水温度的函数,其最低值为6MPa左右。主喷射的控制包括喷射正时与喷射脉宽的计算。在有转速信号、起动标志位Flag_Start置1且共轨油压高于pMIN时,主喷射标志位Flag_Main置1,此时方可进行主喷射。主喷正时、主喷脉宽均是喷油量、转速与冷却水温度的函数。预喷射的控制包括预喷射使能条件的判断、预喷射正时的计算与预喷射脉宽的计算。在主喷射标志位Flag_Main置1且共轨油压达到目标油压时,预喷射标志位Flag_Pilot才置1,方可进行预喷射。喷射脉宽是喷油量与共轨油压的函数,其计算过程如图6所示。当Flag_Pilot置1时,首先根据起动油量Q与转速NENG求出预喷射油量的基本量,再通过冷却水温度修正得出预喷射油量QPilot。此时主喷射油量QMain是Q与QPilot的差值。主喷射脉宽PMain与预喷射脉宽PPilot可以分别通过相应的脉谱求得。Flag_Pilot置0时,仅根据起动油量与共轨油压计算主喷射脉宽。喷射正时是起动油量、转速与冷却水温度的函数,计算过程见图7。预喷射正时TPILOT是主喷射正时TMAIN、预喷射脉宽PPilot与主预喷间隔TDLT的和。预喷射使能标志位Flag_Pilot改变时,主喷射正时计算所用的脉谱、曲线要做相应的改变。3燃油喷射模式控制图8与图9显示了基于GD-1高压共轨电控柴油机的起动试验结果。柴油机拖转约0.2s后,ECU仅检测到曲轴转速信号。首先采用模式1驱动VPAV供油,pCR迅速提高到10MPa以上。ECU检测到判缸信号后,由模式1转变到模式2驱动VPAV供油,再经过0.4s就实现了起动目标油压,随后转入模式3供油。当柴油机转速高于成功转速后,起动过程结束(参见图8)。图9显示燃油喷射方式随共轨油压的变化。ECU检测到pCR高于最小油压后,第5缸喷油器首先开始喷射。由于pCR较低,各喷油器轮流主喷射。当建立目标油压后,第1缸首先开始预喷射。应用此起动控制策略,柴油机在1s内共轨油压pCR就提高到40MPa以上,仅用约1.6