柴油机起动过程瞬态喷油量的控制策略

混合动力技术和发动机启停技术得到了广泛地应用，同时也增加了柴油机的起动过程。日益严格的排放法规对柴油机冷起动过程提出了排放检测要求，并且冷起动过程的排放在法规测试循环中占很大比例。因而起动工况的燃烧优化和排放控制对实现柴油机超低排放目标至关重要。本期推文笔者研究不同恒定喷油量对柴油机起动性能的影响，提出基于柴油机瞬时转速的起动油量斜坡控制策略，分析策略中关键参数的确定方法，并通过试验为斜坡策略确定关键参数。通过与恒定喷油量起动过程对比，以期验证斜坡策略的可行性以及斜坡策略对起动性能的影响，为柴油机起动油量的优化控制提供参考。

1、试验设备及方案

试验用柴油机为一台4缸高压共轨、增压中冷柴油机，图1为发动机试验台架示意，表1为发动机主要技术参数。为了评价起动性能的优劣，使用 HC 排放和起动时间作为起动过程的评价指标。参考控制系统动态性能的评价方法定义了起动过程的上升时间t1和调节时间t2，如图2所示。


图1 发动机试验台架示意

表1 发动机主要技术参数



图2 起动时间定义

2、结果分析

2.1 恒定喷油量起动试验

起动油量对柴油机起动过程有重要的影响，笔者在不同恒定喷油量下分别进行了5次起动试验。图3为不同喷油量起动过程的瞬时转速。喷油量越大，起动过程转速上升越快，起动结束时转速上冲越严重，过渡阶段的转速波动越大。


图3 不同恒定喷油量起动过程的发动机转速

图4为不同喷油量5次试验的平均起动时间、转速上冲量和HC体积分数。图4a中，转速上冲量为起动过程的峰值转速与怠速转速之差。随着喷油量增加，上升时间t1和调节时间t2越短，但转速上冲量越大。转速上冲量过大时调节时间反而增加。图4b中，喷油量越大，起动初期的HC体积分数越高，HC体积分数升高的速度也越快。


图4 不同恒定喷油量起动过程的起动时间、转速上冲量和HC体积分数

图5为不同喷油量起动过程前5 s内的HC累积质量排放，结果为5次起动试验的平均值。喷油量越大，起动过程相同时间内的HC质量排放越大。因此，在保证柴油机顺利起动的前提下，尽量减小起动过程的喷油量，可以降低起动过程的整体HC排放水平。


图5 不同恒定喷油量起动过程的 HC质量排放

2.2 起动油量斜坡策略

设计了基于柴油机瞬时转速的起动油量斜坡控制算法：



式中：n为发动机瞬时转速；n1为斜坡起始转速；n2为过渡转速；n3为怠速转速；q为喷油量；q1为初始喷油量；q2为怠速稳定喷油量；q3为目标喷油量；q4为过渡喷油量。

图6为斜坡算法控制的喷油量随转速变化，起动油量是根据柴油机转速变化实时计算的，无需为斜坡算法确定斜率，因而油量计算不受时间的影响。基于转速的斜坡算法对转速具有极好的跟随性，如果发动机转速呈非线性变化，计算得到的油量也是非线性变化的。因而斜坡算法具有较强的收敛性和实时性，能够精确实现起动过程期望的喷油量特性。


图6 斜坡策略的喷油量特性

初始油量决定了起动初期的排放水平，为了确定一个合适的初始喷油量，进行了喷油量为10～15 mg/cyc的恒定喷油量起动试验。图7为各喷油量下5 次起动试验的平均HC体积分数。喷油量为10、11、12和13 mg/cyc时起动初期的HC体积分数较高，原因是喷油量过小，形成的混合气过稀，不完全燃烧增加。喷油量为14 mg/cyc和15 mg/cyc条件下起动初期的HC体积分数最小，但是随后喷油量为15 mg/cyc时的HC体积分数较高，因而初始油量q1确定为14 mg/cyc。


图7 喷油量为10～15 mg/cyc时起动过程的HC体积分数

目标油量决定了起动过程的快慢及排放水平，在恒定喷油量起动试验中(图4)，喷油量为30 mg/cyc条件下起动时间最短，并且HC体积分数比喷油量为40 mg/cyc和50 mg/cyc条件下起动过程低，因而目标油量q3确定为30 mg/cyc。另外，试验条件下发动机稳定运行在怠速时的喷油量为11 mg/cyc左右，因而怠速稳定油量q2确定为11 mg/cyc。斜坡起始转速n1决定着斜坡增加油量的开始时刻，由斜坡策略内部的一个标定量确定。起动电机的拖动转速能够瞬时达到250 r/min以上，为了在起动开始后立即斜坡增加油量，试验中n1设为180 r/min。


图8 不同过渡转速下起动过程的发动机转速及喷油量

起动策略试验验证详细内容请参阅原文[1]，验证结果如图9所示，展示了喷油量为27 mg/cyc试验和斜坡策略10次起动试验的平均起动时间、起动油量以及HC质量排放。HC质量排放为起动开始后5 s内的HC累积质量排放，起动油量为调节时间内的总喷油量。斜坡策略起动与喷油量为27 mg/cyc试验的起动过程相比，起动时间减少0.39 s，缩短22%；起动油量减少134 mg，减小26%；HC质量排放减少14 mg，降低29%。


图9 验证结果


文献来源

[1]王正江,申立中,万明定,等.柴油机起动过程瞬态喷油量的控制策略[J].内燃机学报,2021,(04):320-325.