試論電控單體泵柴油機起動過程控制策略

高臻臻

摘 要：對于柴油機的控制研究中，起動控制是最為重要的部分之一。起動控制對柴油機的磨損和排放均有重要影響。通過有效的起動控制，能夠有效減少柴油機轉(zhuǎn)速突變帶來的磨損問題。基于此，本文對柴油機起動控制展開了詳細的研究，再分析了環(huán)境條、速度、噴油情況等影響柴油機起動因素之后，提出了起動控制策略，并進行了仿真驗證。

關鍵詞：電控單體泵柴油機 起動過程 控制策略 仿真驗證

中圖分類號：TK42 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）12（b）-00-02

在針對發(fā)動機控制的研究中，起動控制一直是核心研究內(nèi)容，起動過程是一種瞬時狀態(tài)，從起動開始直到怠速穩(wěn)定工作的全過程都是起動過程。在柴油機起動中受到多方面因素的影響，使得起動過程所處的工作條件是柴油機面臨的最惡劣的工作條件，對于發(fā)動機的磨損有著諸多影響。因此，為了保證發(fā)動機穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，延長柴油機的壽命，必須要采取一定的控制措施，對柴油機起動實施優(yōu)化。

1 單體泵系統(tǒng)及起動過程

單體泵系統(tǒng)包括噴油器、組合泵、傳感器以及高壓油管等部分。單體泵的工作原理為：系統(tǒng)通電之后，傳感器會對溫度、壓力以及轉(zhuǎn)速等重要信號展開收集，方便ECU對發(fā)動機工況，包括起動、停機、加速、怠速，展開有效判斷，了解駕駛人員的目的。通過操作單體泵電磁閥，對執(zhí)行器狀態(tài)展開控制，能夠?qū)?nèi)缸高壓燃油供給實施控制，從而讓發(fā)動機工況得到改善或者維持。柴油機起動是從倒拖開始的，經(jīng)常使用電機或者是壓縮空氣實現(xiàn)。隨著柴油機轉(zhuǎn)速逐漸達到最低轉(zhuǎn)速水平，控制器會展開起動控制。隨著轉(zhuǎn)速的升高，在達到怠速穩(wěn)定之后，起動過程也結束。

2 影響柴油機起動過程的因素

在柴油機起動的過程中，內(nèi)缸燃燒的情況會受到壓縮溫度和壓力、燃油噴射以及特性等影響。為了讓發(fā)動機可以穩(wěn)定起動，在開始起動的時候氣缸內(nèi)部需要具備一定溫度和壓力的要求。需要給氣缸提供混合氣濃度，保證具備一定的起動速度，這些條件都會影響到起動過程。

2.1 環(huán)境條件因素

對于柴油機起動而言，環(huán)境條件帶來的影響十分明顯，隨著環(huán)境溫度逐漸降低，發(fā)動機的起動阻力也會隨之增加。如果環(huán)境溫度比較低，發(fā)動機也就具有更高的成功起動概率。在低溫環(huán)境中，由于燃油密度和粘度增大，使得燃油流動性變差，容易出現(xiàn)霧化、蒸發(fā)等情況，讓混合氣形成受到影響。在起動扭矩固定的時候，隨著環(huán)境溫度逐漸降低，起動轉(zhuǎn)速也會隨之降低，這種情況下，極容易造成起動失火。

2.2 起動速度因素

發(fā)動機著火的實現(xiàn)，很大程度上是由缸內(nèi)溫度決定的，起動轉(zhuǎn)速會直接影響到氣缸工作介質(zhì)自身的壓力和溫度，尤其是低轉(zhuǎn)速情況下能夠產(chǎn)生十分明顯的影響。如果起動轉(zhuǎn)速相對較低，那么將會造成嚴重的傳熱損失以及泄露損失，這也會造成壓縮結束的時候工作介質(zhì)的壓力以及溫度條件低，無法保證發(fā)動起動著火。因此保證發(fā)動機可以保持穩(wěn)定著火，在發(fā)動機自身參數(shù)的基礎上，讓其起動轉(zhuǎn)速要稍大于特定轉(zhuǎn)速。

2.3 起動噴油情況

起動噴油對起動過程產(chǎn)生影響主要包括噴油量大小、噴油壓力大小、噴油時間等因素。在起動的時候，由于氣缸內(nèi)部溫度仍然比較低，燃油蒸發(fā)的速度相對比較慢，少部分燃油只能在滯燃期內(nèi)出現(xiàn)蒸發(fā)。如果發(fā)動機轉(zhuǎn)速仍然比較低，噴油壓力比較低，噴油霧化的質(zhì)量必然不高，讓混合氣的形成受到影響。一般情況下，起動階段對氣缸噴燃油，將會造成混合氣空燃的情況，并不能達到著火的實際要求。但是由于噴入過量的燃油，必然會導致起動出現(xiàn)冒黑煙以及超調(diào)怠速的問題。

3 電控單體泵柴油機起動過程控制策略

3.1 控制策略

對電控單體泵柴油機展開控制，設計起動狀態(tài)的計算模塊，能夠?qū)Πl(fā)動機工況進行清晰的判斷。設計怠速控制模塊能夠?qū)Φ∷俎D(zhuǎn)速點以及怠速狀態(tài)進行計算，對怠速PID展開控制。設計扭矩協(xié)調(diào)模塊，在發(fā)動機狀態(tài)和工況基礎上，對需求扭矩進行協(xié)調(diào)，考慮到保護限制以及補償，最終計算出發(fā)動機需求扭矩，從而計算出噴油期和提前角。起動控制策略需要依靠計算起動狀態(tài)、計算起動扭矩以及Ramp控制3個模塊來實現(xiàn)。

3.1.1 計算起動狀態(tài)

在起動馬達通電以后，發(fā)動機會進入到起動狀態(tài)中，控制狀態(tài)也就變成了起動狀態(tài)，如果發(fā)動機的轉(zhuǎn)速超過了噴射轉(zhuǎn)速的最小值，那么計時器使能。在計時器輸出的時間超過了起動扭矩持續(xù)時間，那么Ramp狀態(tài)將會置位，這個時候計時器要停止工作。如果檢測出發(fā)動機轉(zhuǎn)速已經(jīng)超過了起動轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)速，那么觸發(fā)器使能，且怠速狀態(tài)將會置位，這個時候計時器將會復位。

3.1.2 計算起動扭矩

首先根據(jù)發(fā)動機的轉(zhuǎn)速以及冷卻液溫度，從而可以獲得原本起動扭矩，由于在起動初始時刻氣缸的溫度相對較低，需要增加扭矩補償模塊，在較低速度下通過燃油噴入量的增加，可以讓起動成功率得到提升。為了能夠讓起動冒煙和怠速超調(diào)大的問題得到控制，要通過反比例函數(shù)，也就是扭矩補償函數(shù)，即發(fā)動機轉(zhuǎn)速逐漸增加，補償扭矩逐漸趨近于0。如果發(fā)動機轉(zhuǎn)速逐漸超過基礎扭矩限制轉(zhuǎn)速，那么補償值為0。

3.1.3 Ramp控制

使用Ramp控制策略，在起動過程中控制轉(zhuǎn)速提高，讓超調(diào)量得到減少，從而減輕磨損情況，讓發(fā)動機的工作壽命得以延長。如果Ramp的狀態(tài)置位之后，發(fā)動機轉(zhuǎn)速處于怠速轉(zhuǎn)速最高值和噴射轉(zhuǎn)速最小值之間，同時基礎起動轉(zhuǎn)速未超過限制扭矩，能夠展開Ramp控制，發(fā)動機扭矩斜坡出現(xiàn)升高，斜率則需要根據(jù)冷卻水溫展開調(diào)整。若起動扭矩升高到限制扭矩值，需要保持該扭矩值。在Ramp控制策略中，通過最大扭矩的設置，對發(fā)動機展開保護，設計了停止供油的功能。

3.2 策略驗證

3.2.1 建立仿真模型，驗證起動工作

為了保證控制效果，需要對控制策略進行驗證。在臺架試驗之前首先要對起動控制展開驗證。以某電控單體泵柴油機為例，使用柴油機臺架的數(shù)據(jù)建立發(fā)動機模型以及ECU模型，展開仿真實驗。在仿真模型中，設置扭矩持續(xù)時間、怠速點以及補償扭矩，對起動之后扭矩、基礎扭矩、噴油量、Ramp狀態(tài)、轉(zhuǎn)速以及提前角等情況的變化展開觀測。如當基礎扭矩的維持時長為5ms，怠速點的值為600r/min、補償扭矩的值為100Nm的時候，對仿真結果進行處理，可以發(fā)現(xiàn)隨著轉(zhuǎn)速的增加，基礎起動扭矩可以獲得補償，維持一段時間之后，將會出現(xiàn)Ramp控制使能，而起動扭矩會逐漸增加，系統(tǒng)可以進入到怠速控制的狀態(tài)中。

3.2.2 開展臺架試驗，驗證起動工作

臺架試驗也要在不同控制參數(shù)的柴油機上進行，從而驗證起動策略。經(jīng)過對不同參數(shù)柴油機試驗之后，發(fā)現(xiàn)起動控制策略可以有效地控制起動過程，對PID參數(shù)進行優(yōu)化，能夠明顯地改善起動過程。

4 結語

綜上所述，本文先是研究了影響到柴油起動的主要因素，包括環(huán)境條件因素、轉(zhuǎn)速以及噴油量這3種影響因素。其次本文提出了控制策略，需要通過計算起動狀態(tài)、計算起動扭矩以及Ramp控制的設計，達到滿足柴油機起動需求的基礎上，讓發(fā)動機起動得到更好的控制。最后本文通過仿真實驗的分析，對控制策略進行了驗證，發(fā)現(xiàn)使用控制策略，能夠起到良好的控制效果。不僅能夠讓轉(zhuǎn)速超調(diào)問題得到控制，能夠更好地應對轉(zhuǎn)速突變等情況，從而延長柴油機的使用壽命。

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