轻型车用柴油机起动怠速过渡过程瞬态喷油量控制

引用本文

韩晓梅, 林学东, 李德刚, 李闯. 轻型车用柴油机起动怠速过渡过程瞬态喷油量控制.吉林大学学报:工学版, 2016, 46(4): 1103-1108
HAN Xiao-mei, LIN Xue-dong, LI De-gang, LI Chuang. Injection quantity control strategy for starting to idling transition of light duty diesel engine. Journal of Jilin University Engineering and Technology Edition, 2016, 46(4): 1103-1108 复制到剪切板

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轻型车用柴油机起动怠速过渡过程瞬态喷油量控制

韩晓梅¹, 林学东¹, 李德刚¹, 李闯²

1.吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室,长春 130022

2.联合汽车电子有限公司,上海201206

李德刚(1976-),男,讲师,博士.研究方向:内燃机工作过程优化及电控技术.E-mail:ldg@jlu.edu.cn

作者简介:韩晓梅(1988-),女,博士研究生.研究方向:内燃机工作过程优化及电控技术.E-mail:wulisg0729@163.com

基金:吉林省发改委产业技术研究与开发项目(2014Y093); 中国博士后科学基金项目(2013M541295)

摘要

提出了一种基于目标转矩的起动过程瞬态喷油量控制方法,并在2.8 T型高压共轨直喷柴油机上与恒定油量控制方法以及油量MAP式控制方法进行了对比试验。结果表明:基于MAP式控制方法在起动过程中虽然NO _x排放少,但燃烧效率也低,HC和CO排放较高;恒定油量控制方法在起动过程中能保持较高的燃烧效率,HC和CO排放较低,但NO排放多,而且起动过渡到怠速时转速波动较大;本文控制策略可根据起动过程中转速的变化精确控制瞬态喷油量,因此起动过程中燃油消耗量最少、燃烧效率高、CO₂排放最低,在HC和CO以及NO _x排放水平较低的前提下,可以实现起动过程平稳地过渡到怠速状态。

关键词: 动力机械工程; 直喷柴油机; 高压共轨; 起动性能; 目标转矩; 控制策略

中图分类号:TK421.2 文献标志码:A 文章编号:1671-5497(2016)04-1103-06

Injection quantity control strategy for starting to idling transition of light duty diesel engine

HAN Xiao-mei¹, LIN Xue-dong¹, LI De-gang¹, LI Chuang²

1.State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control,Jilin University,Changchun 130022,China

2.United Automotive Electronic Systems Co, Ltd,Shanghai 201206,China

Abstract

A target torque based injection quantity control strategy for diesel engine starting is presented, which is compared with constant fuel quantity control method and MAP based control method by experiments on a 2.8 T high pressure common rail diesel engine. The results show that, with the MAP based control, the NO _x emission is lower but the HC and CO emissions are higher and the combustion efficiency is lower. The combustion efficiency of the constant fuel quantity control is higher and the HC and CO emissions are lower, but the NO _x emission is higher and the speed fluctuation is serious during the transition from start to idle. With the proposed control strategy, the injection quantity is accurately controlled according to the instantaneous torque demand, so the fuel consumption is lower and the combustion efficiency is higher, meanwhile, the CO, HC and NO _x emissions are lower, the transition from start to idle is smooth.

Keyword: power machinery engineering; DI diesel engine; high pressure common-rail; starting performance; target torque; control strategy

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0 引言

车用柴油机基于电控高压喷射技术以及可变增压中冷等技术使其热效率进一步得到提高, 并配合后处理技术有效地改善了排放特性, 很好地适应了汽车低碳化的发展要求。但是, 柴油机起动性能差以及NO_x和微粒排放依然是其所面临的主要问题。

常在市区内行驶的车辆, 由于受到交通条件的限制而频繁地起动、停机和怠速, 这种运行状态约占整个行驶工况的30%~40%。因此起动怠速工况的经济性、排放特性及过渡转速的平稳性一直受到广泛的关注^{[1, 2]}。据统计车用柴油机50%~80%的HC和CO排放是在起动和怠速过程中产生的, 而且冷起动期间有害废气物的排放量远大于怠速暖机过程。因此国内外就如何改善车用柴油机起动工况的燃烧特性^{[3, 4, 5, 6]}以及起动怠速过程的排放特性^{[7, 8, 9]}进行了深入研究。但对起动过程中如何精确地控制瞬态喷油量方面的研究报道很少。

传统内燃机的起动过程采用直接设定喷油量的控制方法, 即在起动过程中喷油量保持恒定, 因此喷油量往往大于实际需求, 不仅过渡过程中转速波动严重, 而且不利于节能减排。目前广泛应用的起动需求转矩MAP控制方法的特点是:对起动过程中设定的特定转速与冷却液温度进行大量的标定试验来确定对应条件下的需求转矩, 由此计算喷油量。这种方法并没有根据目标起动性能来确定需求转矩, 不仅标定过程工作量大, 且对MAP点以外的瞬态工况采用线性插值法获取的喷油量未必是最佳。Huang等^[10]通过缸压反馈的方式确定起动过程需求转矩, 由此改善起动性能。就目前研究发展趋势可知, 合理确定起动过程需求转矩是改善起动性能的关键。

针对这些问题, 本文基于国产HT5型开放式高压共轨电控平台, 提出了一种基于目标转矩的起动过程瞬态喷油量的控制方法。首先设定起动过程中目标加速度特性曲线, 由此确定起动过程中的目标瞬态转矩的变化特性。在2.8 T型高压共轨直喷柴油机上进行了试验研究, 并将控制效果与传统的起动喷油量控制方法进行了对比, 结果表明本文方法控制效果明显, 很好地改善了起动性能。

1 试验方法及条件

图1为样机的试验台架布置图, 在试验过程中发动机的控制单元(ECU)采用基于国产开放式电控单元HT5型平台而自制的高压共轨电控喷射系统。HT5型平台可提供高压共轨喷射系统控制所必要的硬件系统和基础软件系统。在此基础上针对本文研究目的, 对曲轴转角位置传感器等信号处理方式进行了相应的改进, 并根据所提出的起动过程喷油量控制方法进行了应用层控制软件的二次开发。试验过程中实时标定和监测过程是通过与ECU配套的标定软件HT-Link实现的。

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	图1 试验台架布置图Fig.1 Test bench setup

样机采用GW2.8 T C型4缸增压高压共轨直喷柴油机, 型式为直列、四冲程、水冷、EGR、涡轮增压, 4缸, 总排量为2.771 L, 工作顺序为1-3-4-2, 采用Bosch第二代高压共轨系统燃油喷射系统。

在每次起动试验过程中冷却液温度维持在30° C左右, 根据前期研究结果, 采用二次喷射、主喷提前角为2° CA、预喷与主喷之间的间隔为12° CA、初始喷油量均为21 mg左右、预喷量占总喷油量的10%、轨压均设定为40 MPa。所有试验重复做5次, 取平均值作为最终试验结果。

2 传统起动控制存在的问题及分析

图2为传统的起动喷油量控制方法对起动转速变化特性的影响, 恒定油量控制和油量MAP控制参数均经优化后进行试验。当采用恒定油量的起动控制方法时, 起动首循环起燃成功后转速迅速增加, 有效改善了混合气的形成条件和燃烧, 所以起动过程中各循环的燃烧效率较高(见图3)。这里燃烧效率定义为各循环的实际放热量与该循环实际喷油量完全燃烧时所释放的热量之比。

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	图2 不同起动控制方法对起动特性的影响Fig.2 Influence of starting control methods on starting performance

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	图3 不同起动控制方法对循环燃烧效率的影响Fig.3 Influence of starting control methods on cycle combustion efficiency

当转速超过740 r/min以后, 虽然开始进入怠速喷油量的控制阶段, 但由于起动过程中喷油量恒定不变, 导致过渡到怠速时的转速波动严重, 使整机振动噪声增加, 同时为修正转速波动而调整的喷油量较多。为了改善这种转速超调现象采用如图4所示的基于MAP的起动控制方法, 通过起动需求转矩MAP的标定来改善起动过程过渡到怠速过程中转速的超调现象, 但是由于喷油量并不是根据起动过程中转速变化的实际需求来控制的, 所以所设定的喷油量与起动过程中实际瞬态转速的变化特性并不相适应, 造成燃烧不够充分, 所以从第3循环开始, 燃烧效率普遍较低(见图3)。

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	图4 起动油量MAP图Fig.4 Injection quantity MAP under start condition

图5为不同起动控制方法对起动过程排放特性的影响。这里, 将从起动首循环开始直到进入怠速状态为止(判定转速首次大于800 r/min后首次小于800 r/min停止采集)的各循环排出的尾气统一收集于采样袋中, 然后测量其平均值作为评价指标。重复进行5次测量取其平均值为排放测量值。由此可知, 基于MAP控制方法, 不仅降低了起动过渡到怠速过程中转速的波动性, 同时大幅度地降低NO_x排放, 但是由于燃烧效率较低, 导致HC排放恶化, 而且CO排放也有所增加; 而恒定油量的控制方法虽在起动过程中保持高的燃烧效率, 但平均燃料消耗量多, 所以不仅CO₂和NO_x排放高, 而且转速波动较大。针对传统的起动控制方式存在的这些问题, 提出了以下的基于目标转矩的起动过程瞬态喷油量的控制方法。

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	图5 不同起动控制方法对排放特性的影响Fig.5 Influence of starting control methods on emission performance

3 基于目标转矩的起动喷油量控制

3.1 基本思想

基于目标转矩的起动过程控制方法, 关键在于精确地确定起动过程中所需求的瞬态指示转矩。结合前期研究结果和内燃机动力学分析, 这里将起动过程中所需求的指示转矩分为起动拖动转矩、起动加速阻力矩和起动补偿转矩3部分。因此, 这种基于目标转矩的起动过程喷油量的控制方法, 不同于基于需求转矩MAP的起动控制方法, 首先根据发动机起动过程中目标转速(加速度)变化特性计算出瞬态目标转矩, 然后根据不同燃烧条件的指示效率将起动所需的指示转矩换算成对应的喷油量, 最终实现对起动过程瞬态喷油量的精确控制。

3.2 起动指示转矩的计算

根据上述基于目标转矩的起动过程喷油量控制方法的基本思想, 将起动过程中所需求的指示转矩由式(1)表示, 即:

$\begin{matrix} Tr q_{i} = Tr q_{1} + Tr q_{2} + Tr q_{3} (1) \end{matrix}$

式中: $\begin{matrix} Tr q_{1} \end{matrix}$ 为起动拖动转矩; $\begin{matrix} Tr q_{2} \end{matrix}$ 为起动加速阻力矩; $\begin{matrix} Tr q_{3} \end{matrix}$ 为起动补偿转矩。

$\begin{matrix} Tr q_{i} \end{matrix}$ 定义为起动过程中发动机内部摩擦转矩Trq_f和驱动附件所需转矩Trq_a之和n。其主要影响因素是发动机转速和冷却水温度T_W。拖动转矩可在发动机台架上通过拖动试验获得。图6为在前期科研中由企业提供的对样机在不同冷却液温度T_W下制取的实际起动拖动转矩图。由于起动过程中转速普遍较低, 所以可以认为拖动转矩随转速变化基本保持不变, 但冷却液温度越低, 润滑油黏性越大, 阻力矩就越大, 所以拖动转矩增加。

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	图6 起动拖动转矩MAP图Fig.6 Dragging torque MAP under starting condition

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	图7 理想起动转速及加速度变化特性Fig.7 Ideal starting speed and acceleration curve

起动加速阻力矩 $(Tr q_{2}) \begin{matrix} 是指发动机在起动过程中, 由起喷时刻转速 n_{1} 加速到需求转速 (如怠速目标转速 n_{I, up}) \end{matrix}$ 的过程中产生的惯性阻力矩。

根据发动机从起动过渡到怠速过程中实际转速的变化特性, 理想的加速过程为先加速, 然后逐渐降低角加速度, 最后平稳地过渡到目标怠速转速。如图7所示, 结合起动试验过程中实测的实际转速随时间的变化特性, 将理想的起动角加速度随时间的变化曲线设为如式(2)所示的随时间递减的二次函数, 相应地起动转速随时间变化的关系设定为如式(3)所示的三次函数。本次研究中起喷转速(n₁)设定为200 r/min)。

$\begin{matrix} \begin{matrix} α^{*} = \frac{π (n_{I, up} - 200) t^{2}}{10 t_{idle}^{3}} - \frac{π (n_{I, up} - 200) t}{5 t_{idle}^{2}} + \\ \frac{π (n_{I, up} - 200)}{10 t_{idle}} = \\ \frac{π (n_{I, up} - 200)}{10 t_{idle}} (\frac{t^{2}}{t_{idle}^{2}} + 2 \frac{t}{t_{idle}} + 1) (2) \\ n^{*} = \frac{(n_{I, up} - 200) t^{3}}{t_{idle}^{3}} - \frac{3 (n_{I, up} - 200) t^{2}}{t_{idle}^{2}} + \\ \frac{3 (n_{I, up} - 200) t}{t_{idle}} + 200 (3) \end{matrix} \end{matrix}$

式中: $\begin{matrix} n^{*} \end{matrix}$ 为目标起动转速, r/min; $\begin{matrix} α^{*} \end{matrix}$ 为起动过程中目标角加速度, rad/s²; t_idle为从起喷时刻开始至达到目标怠速转速所经历的时间, s, 且定义 $\begin{matrix} t = 0 \end{matrix}$ 时刻为起喷时刻; $\begin{matrix} n_{I, up} \end{matrix}$ 为目标怠速转速。

综上, 起动加速阻力矩为:

$\begin{matrix} Tr q_{2} = I a^{*} = \frac{πI (n_{I, up} - n_{1})}{10 t_{idle}} (\frac{t^{2}}{t_{idle}^{2}} - 2 \frac{t}{t_{idle}} + 1) (4) \end{matrix}$

在实际控制过程中, 转速 $\begin{matrix} n \end{matrix}$ 为主要控制对象, 故将式(4)化简为:

$\begin{matrix} Tr q_{2} = \frac{πI (n_{I, up} - n)}{10 (t_{s} - t)} (5) \end{matrix}$

式中: $\begin{matrix} t_{s} 为从实际起喷时刻至转速进入到目标怠速转速所经历的时间, 可根据需求人为设定; n 为从 n_{1} ~ n_{I, up} \end{matrix}$ 的起动过程中的瞬时转速。

根据在ECU内部对曲轴转角位置传感器信息的离散化处理方式, 将起动过程中转速的变化也进行离散化处理。相应的各离散化处理点上的转速表示为n_j即在起动过程中气缸每做功一次,转速n值就更新一次。因此从起喷时刻起到第j次气缸做功结束所对应的时刻t_j的离散化的起动加速阻力矩可表示为:

$\begin{matrix} Tr q_{2}^{j} = \frac{πI (n_{I, up} - n_{j})}{10 (t_{s} - t_{j})} j = 1, 2, \dots, m (6) \end{matrix}$

式中: $\begin{matrix} n_{j} 为 t_{j} 时刻 (即从起喷开始到第 j \end{matrix}$ 次气缸做功结束)对应的转速。

补偿转矩 $\begin{matrix} (Tr q_{3}) \end{matrix}$ 是为了保证发动机在异常条件下(如高原地区)仍能正常起动而补偿的增量转矩。当发动机在设定的起动循环内没有起动成功时, 补偿转矩就被激活, 其计算公式为:

$\begin{matrix} Tr q_{3} = K_{comp} \times t_{comp} (7) \end{matrix}$

式中:K_comp为补偿系数, N· m/s; t_comp为补偿时间, 从补偿转矩激活后开始计时; 本次研究中取Trq₃=0。

将以上3个转矩叠加处理后可获得起动过程中目标瞬态指示转矩。并通过ECU按如图8所示的控制逻辑图进行演算处理, 最后确定对应的瞬态喷油量。

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	图8 起动转矩的计算逻辑图Fig.8 Schematic diagram of starting torque logic

3.3 目标转矩与喷油量的换算

根据指示效率和平均指示压力的定义以及平均指示压力与指示转矩之间的关系有:

$\begin{matrix} \{\begin{matrix} η_{i} = \frac{W_{i}}{Q_{1}} = \frac{W_{i}}{q_{f} H_{u}} \\ Tr q_{i} = 79.58 i V_{s} p_{mi} = 79.58 W_{i} \end{matrix} (8) \end{matrix}$

在标准试验条件下起动时的循环喷油量为:

$\begin{matrix} q_{f_{0}} = \frac{Tr q_{i}}{79.58 η_{i} H_{u}} = k_{0} \frac{Tr q_{i}}{η_{i 0}} (9) \end{matrix}$

式中: $\begin{matrix} η_{i 0} 为标准起动条件下样机的指示效率; H_{u} 为燃料的低热值; k_{0} 为常数, k_{0} = 1 / (79.85 H_{u}) 。 \end{matrix}$

令 $\begin{matrix} k \end{matrix}$ 为实际起动条件下与标准试验条件不同引起指示效率变化而造成的喷油量的修正系数, 则实际起动喷油量为

$\begin{matrix} q_{f} = k q_{f_{0}} = (1 + Δk) q_{f_{0}} = q_{f_{0}} + Δ q_{f_{0}} (10) \end{matrix}$

式中: $\begin{matrix} k = 1 + Δk, Δk < 1; Δ q_{f_{0}} \end{matrix}$ 为对应的喷油量修正值, 即:

$\begin{matrix} Δ q_{f_{0}} = Δk q_{f_{0}} = \frac{Δk k_{0}}{η_{i 0}} Tr q_{i} (11) \end{matrix}$

3.4 基于目标转矩的起动喷油量控制效果

由图2可知, 与恒定油量和基于MAP控制方法相比较, 由于基于目标转矩的起动喷油量控制方式可根据起动过程中需求的转矩实时地调整瞬态喷油量, 所以在起动过程中只供给转速变化所必要的喷油量, 可实现起动工况到怠速工况平稳过渡; 而且当起动转速超过740 r/min以后开始进入怠速控制, 此时需求转矩中只包含拖动转矩(Trq₁), 没有必要用额外的喷油量来修正转速的波动, 所以平均喷油量最少。

图9为不同起动喷油量控制方法对起动过程各瞬态示功图的影响。由于3种不同控制方法的首循环喷油量、喷射方式以及起动条件均相同, 所以首循环燃烧效率基本相同; 同时从起动开始到第10个循环以后, 3种不同控制方法都进入怠速状态。因此不同起动控制方法主要影响第2个循环至第10个循环的示功图。由图9可见, 基于转矩的喷油量控制方法适应起动过程中转速的变化, 很好地控制了示功图(气缸压力的变化规律), 而恒油量控制方法的示功图随起动过程变化大且比较随机, 第4个循环时气缸爆发压力迅速升高, 随之发动机转速也迅速增加, 当n> 740 r/min后, 即使进入怠速控制阶段, 转速波动大, 相应地修正所需的喷油量也较多; 相比之下基于MAP控制方法, 通过标定特定转速下需求喷油量的方法从一定程度上限定了起动过程中转速的变化, 可有效地改善起动过程中转速的波动现象, 而且各循环示功图(最高气缸压力)相对稳定, 但燃烧效率较低, 不利于HC排放和节能。

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	图9 不同起动控制方法对起动过程瞬态示功图的影响Fig.9 Influence of starting control mode on indicator diagram

如图3所示, 本文控制方法在起动过程中使各循环(瞬态)的燃烧效率保持在50%~60%的高水平, 并有效地改善了HC、CO和CO₂排放(见图5)。与基于MAP的控制方法相比, HC、CO和CO₂排放分别降低了19.4%、81.8%和10.5%。

4 结论

(1)提出了基于目标转矩的起动喷油量控制策法, 根据起动过程中转速的变化特性可精确地控制瞬态喷油量, 使起动过程平稳地过渡到怠速状态, 降低了过程中转速波动幅度, 有利于降低整机的起动怠速时的振动噪声。

(2)由于本文方法根据起动过程中转速变化的特性精确地提供所必要的喷油量, 因此在保证起动过程中各循环燃烧效率均达到50%~60%的前提下, 有效降低了HC、CO和CO₂的排放, 同时使NO_x排放也控制在较低的水平。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

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. 2010, :-

Study on combustion and emissions of DI diesel engine during starting with EGR

EGR对柴油机起动过程燃烧排放性能影响的研究

Peng Hai-yong.

彭海勇

随着排放法规的日趋严格,除了排放限值不断降低以外,测试循环的改进对起动工况的排放也提出了严格的要求。而柴油机在起动过程,尤其是在冷机条件下的起动过程,由于压缩压力和压缩温度相对较低,存在倒拖时间较长、着火燃烧过程不稳定、排放恶化等问题。此外,起动问题也是高增压大功率柴油机进一步强化所面临的一个关键问题。因此,对柴油机起动过程进行研究具有非常重要的现实意义。　　 EGR技术是目前柴油机降低NOx排放普遍采用的一种有效有段。在正常工况下,EGR中引入CO2等惰性气体组分有效抑制NOx的生成。但在起动工况,由于发动机转速较低,缸内混...

... 因此起动怠速工况的经济性、排放特性及过渡转速的平稳性一直受到广泛的关注^[1,2] ...

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