柴油機起動過程控制策略及參數(shù)標定

1、柴油機起動過程控制策略及參數(shù)標定黃千，黃英，張付軍，張吉方(北京理工大學機械與車輛工程學院，北京100081)摘要：起動過程控制策略研究是柴油機控制的核心之-s策略的制定既耍能保證起動過程的可靠性，同時還 要兼顧排放，彼小起動過程的磨損在分析了環(huán)境溫度、起動轉速、起動噴油和柴油特性對起動過程影響的 荃礎上.結合盂制匣理，制定了基于ramp控制的柴油機起動控制策略.并對控制策略中的夠數(shù)進行了優(yōu)化 標定.關鍵詞：起動過程；控制策賂；參數(shù)標定中圖分類號：TK42文獻標識碼：A文章編號:1000-6982 (2007) Z24MM64I4Control Strategy and Parameter c

2、alibration of StartingProcess for Diesel EngineHUANG Qian, HUANG Ying, ZHANG Fu-jun, ZHANG Yan-fang (School of Mechanical and Vehicular Engineering; Beijing Institute of Technology; Beijing 100081) Abstract: Against turbocharged diesel engine cycle simulation program structure and procedures resulti

3、ng from this common problem, the proposed modular structure design ideas, and the modular structure of technical procedures conducted in-deplh research In the first two-way text of graph theory lor turbocharged diesel engine system descriplion applies to the establishment of a turbocharged diesel en

4、gine parameten of the two-way system description fonn, and on that basis, a conesponding to the calculation model symbol system in a flexible, modular structure of the modular system based on the completion of a turbocharged diesel engine cycle simulation software SimDiesel design and development Th

5、e modular structure of the turbo diesel engine has a good process of open and flexible, can be very easy and intuitive to the relevant sub-assembly and demolition for the selection and performance of diesel engines provide a powerful tool.Keywords: starting process, control strategy; parameter calib

6、ration# 0前言起動控制研究一直以來是發(fā)動機控制的核心 之一。起動過程屬于瞬態(tài)丁況，從發(fā)動機開始起 動到穩(wěn)定在怠速轉速工作的整個過程都可以認為 是起動過程。這一過程中由于環(huán)境溫度低.轉速 低，噴油壓力低，渦流弱等等因索使得它成為發(fā) 動機所有工況中工作條件最惡劣的工況。它對發(fā) 動機的排放性和磨損有很大彩響。起動控制策咯的制定既要使得發(fā)動機起動可 靠，同時起動過程的排放也能達到一個較好的狀 態(tài)。在制定起動過程的控制策略中，必須盡可能 全面考慮彩響起動過程的各種因索，相對機械式 噴油泵來說，電控發(fā)動機具有更多可控自由度， 策略的制定也更加的靈活；控制策略還包括優(yōu)化 匹配策略中的控制參數(shù)。由于影

7、響起動過程的因 素復雜，加之參數(shù)之間又相互影響,而且控制品質 很大程度上取決干控制數(shù)據(jù)的準確性，因此控制 參數(shù)的優(yōu)化比控制策略的制訂更具體更復雜，也 更具有實際意義；控制策賂的制定還必須結合 實際的發(fā)動機控制原理，所制定的控制策略在程 序上是能夠實現(xiàn)的.1控制策略的制定1.1影響起動過程的因素柴油機缸內燃燒過程受到氣缸內壓縮溫度、 壓縮壓力、燃汕特性和燃油噴射規(guī)律等影響。要 使得發(fā)動機能夠可靠的起動，起動過程屮氣缸內 必須達到一定的壓力和溫度；必須提供給濃度適 當?shù)幕旌蠚?；發(fā)動機有足夠筒的起動轉速氣并 且這些條件是相互影響的。1.1.1環(huán)境溫度環(huán)境溫度是形響起動過程最垂要因素，環(huán)境 溫度越低，

8、則發(fā)動機起動成功的可能性也越低。 發(fā)動機起動阻力隨著環(huán)境溫度的降低而增加，起 動阻力增加有兩個主要原因：一是由于機油粘度 隨著環(huán)境溫度的降低而增大，起動阻力隨著機油 粘度的增大而增加；二是發(fā)動機配合零部件之間的不同膨脹和收縮系數(shù)也增加了起動阻力.因 此，在起動扭矩一定時，發(fā)動機起動轉速隨著環(huán) 境溫度的降低而降低，這使得起動過程失火的可 能性更大。此夕S較低的環(huán)境溫度使得燃油粘度 和密度都較大.流動性變差，蒸發(fā)、霧化不良， 從而影響混合氣的形成。1.1.2 起動轉速發(fā)動機著火過程很大程度上取決于缸內工質 溫度，而起動轉速直接影響到壓縮上止點附近氣 缸工作介質的溫度和壓力，特別是在低轉速時的 影響

9、尤為明顯。起動初始冷卻水溫度較低.且起 動轉速亦很低，泄漏損失和傳熱損失較為嚴重， 這使得壓縮終了時工作介質的溫度和壓力都較 低，不能保證發(fā)動機可靠的著火起動轉速形響著火的另外一個因素是上止點 附近的時間。當發(fā)動機轉速較高時，泄漏損失和 傳熱損失相應的減少，壓縮終了時的缸壓和缸溫 都比較高，但是此時在上止點附近的最高壓力和 溫度所持續(xù)的時間相應的減少。很顯然，為了保 證發(fā)動機可集著火，根據(jù)發(fā)動機的設計參數(shù)，起 動轉速必須大于某一轉速.但至于是否轉速越高 越好，這個問懇仍然需要進一步的研究。1.1.3 起動噴油起動噴油包括起動噴油量.噴油壓力和唆油 正時等。起動時氣缸溫度較低，燃油蒸發(fā)速度較 慢

10、，只有少部分燃油在滯燃期內蒸發(fā)，另外由于 發(fā)動機的轉速很低，噴油壓力低，進氣渦流弱， 使啖油的劣化質扯變得很差，彫響了混合氣的形 成。一般情況都會在起動初始階段向氣缸噴入過 雖燃油，使得形成的混合氣空燃比能過達到肴火 的要求。起動時缸溫和缸壓低，滯燃期相對于正常工況在 時間上延長了，但所對應的曲軸轉角卻減小了叫 起動時啖油過早還會應燃油蒸發(fā)吸熱而使得壓縮 溫度進一步降低，彩咆著火。最佳噴油提前角因 該是噴油后-部分燃滋能迅速著火，在由燃燒產(chǎn) 生的熱棗促進燃油進一步汽化混合，以保證迅速 燃燒。隨著噴油技術的發(fā)展.預噴等新技術的應用 大大改善了柴油機的起動性能和排放性能。 1.1 4柴油特性柴油最

11、重要的特牲包括十六烷值和揮發(fā)性。 十六烷值越大，滯燃煙越短，一般認為髙十六烷 值的柴油可以改善起動性能。研究表明.十六烷 值影響最低起動溫度，低于此溫度發(fā)動機將無法 運行。揮發(fā)性也在一定的程度上彩響了柴油機起 動性能，從這一點上可以看出.著火前的霧化、 蒸發(fā)和混合等物理過程對柴油機起動影響也是很 重要的。1.2電子調速器的控制原理如圖1所示，系統(tǒng)中有兩個PID控制器.其 中內環(huán)副回路為齒桿位置閉環(huán)調節(jié).外環(huán)主回路 為發(fā)動機轉速閉環(huán)調節(jié)。外環(huán)的輸入是發(fā)動機實 際轉速與目標轉速的轉速差.輸出是目標循環(huán)供 油Sh根據(jù)當前發(fā)動機傳速和目標循環(huán)供油量査 詢油泵特性MAP圖計算出目標齒桿位置.并將 實際齒

12、桿位置與目標齒桿位置的差值作為內環(huán)控 制器的輸入雖，內環(huán)的輸岀是一個PWM信號的 占空比，通過驅動電路控制比例電磁鐵到相應的 目標位置。在整個控制系統(tǒng)中.油泵特性是聯(lián)系 外環(huán)和內環(huán)的紐帶，它是由發(fā)動機轉速，每循環(huán) 噴油髦和油泵齒桿位置組成的三維MAP圖，其47 # 1.3基于ramp控制的起動過程控制策略1.3.1起動過程對發(fā)動機的彩響及ramp控制 在起動過程中發(fā)動機的摩擦磨損較大，根據(jù) 資料表明，起動時所造成的磨損量約占總磨損量 的5060%,這是由于發(fā)動機起動時，機油泵不 能將潤滑油及時壓送到各運動件摩擦表面，使氣 缸壁、主軸承及連桿軸承等在沒有潤滑油的時候 就發(fā)生了相對運動，這個時候就

13、處于干摩擦狀態(tài), 磨損非常嚴重回。ramp控制的目的就是在起動過程中使得轉 速緩慢上升，減小超調蚤，減少磨損，延長發(fā)動 機的使用壽命。一般的發(fā)動機起動轉速控制為階 越響應轉速閉環(huán)的目標值初始值即為怠速轉速, 當判斷發(fā)動機起動成功后.轉速閉環(huán)開始調節(jié)使 發(fā)動機穩(wěn)定在目標怠速；采用ramp控制時，發(fā) 動機啟動轉速控制為斜坡響應，轉速閉環(huán)的控制 目標值由以下公式給出：H + ”0其中如M為目標傳速，尸為ramp值，/為時間n0 為目標初始值。1.3.2起動過程控制策略根據(jù)以上彩叫起動過程的各種因素，結合電 子調速的控制原理，制定如下的起動控制策略. 圖2為一個典型的起動過程，左圖為發(fā)動機轉速 閉環(huán)控

14、制過程，右圖為齒桿閉環(huán)控制過程。刀為發(fā) 動機轉速；小為初始噴油轉速，也是起動工況轉 速標記：小為nrnip控制標記，也是發(fā)動機的最低 著火轉速，它與環(huán)境溫度和發(fā)動機的結構參數(shù)等圖2 個典型的起動過程當起動馬達帶動發(fā)動機運行，此時電控單元 檢測到轉速二Mp則立即進入起動工況。在起 動工況中.根據(jù)發(fā)動機當前的冷卻水溫和進氣溫 度以確定起動初始最大循壞噴油乗，由起動油戰(zhàn) 和當前發(fā)動機轉速查詢油泵特性MAP即可獲得 目標齒桿位置。齒桿位置PID閉環(huán)控制器開始調 節(jié)，并將轉速閉環(huán)的目標初值設為劉。由于低轉 速下的泵特性數(shù)攜比較難以獲得，查表插值方式 采用了內插的方法.所以低轉速時的目標齒桿位 置是固定值

15、。當刃=小時.轉速PID控制器進入閉環(huán)控制。 為了避免控制程序在計算中不產(chǎn)主突變，轉速閉 環(huán)PID控制器的積分初始值應等于初始起動油 量.即起動最大循環(huán)噴油量，輸出最大值不得超 過初始起動油量.目標轉速以一定的ramp值增 加 ramp值需根據(jù)冷卻水溫進行修正當">=勿時，標志著發(fā)動機已經(jīng)起動成功，起動成功后，根據(jù)油門踏板的位置判斷發(fā)動機進入怠速工況還是其他任總工況。2控制策略中的參數(shù)標定2.1試驗儀器和條件試驗用發(fā)動機最大輸出功率為 330kw/2150r*mind ,錄大輸出扭矩為 1900Nm/1280r*inin-1;測功機為洛陽南峰 440kw 電渦流測功機；煙度測試

16、儀釆用AVL493消光式 煙度計。電控單元、數(shù)振釆集系統(tǒng)和標定系統(tǒng)均 為自行開發(fā)的。其中標定系統(tǒng)基于串口通訊，數(shù) 據(jù)采集基于CAN總線。所有試驗均在水溫、空氣溫度.機油溫度相 同的情況下完成，所以本文的標定屬于冷起動工 況標定范疇。2.2參數(shù)的標定過去，人們都以某環(huán)境溫度F對應的起動時 間來評價內燃機的起動性能。隨著對內燃機起動 過程研究的深入，評價內燃機起動過程的指標也 越來越多。本文在對起動過程的標定過程中，主 要考慮了轉速的上升速率.超調和煙度兩個方面。 根據(jù)控制原理和制定的控制策略，需要標定的參 數(shù)包括PID控制參數(shù)、起動最大循環(huán)噴油量、初 始噴油轉速、起動成功轉速和目標轉速上升速率

17、ramp 值。2.2.1 P1D參數(shù)標定發(fā)動機工作過程具有極強的非線性，為滿足 轉速控制在穩(wěn)態(tài)工況下的穩(wěn)定性與瞬態(tài)工況下的 動態(tài)響應速度等控制要求，必須根據(jù)發(fā)動機工況 對PID參數(shù)進行修正。為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性， 比例增益在穩(wěn)態(tài)時不易過大，但在動態(tài)時必須加 大比例增益以滿足動態(tài)響應.起動過程實質上是 一個從動態(tài)向穩(wěn)態(tài)過渡的過程，因此起動過程為 一個變比例增益的控制過程。如圖3所示，左圖 為定比例增益起動轉速變化過程.右圖為比例增 益隨著轉速和每循環(huán)油量的變化而變化的起動轉 速變化過程。從圖中可以看岀，右圖的轉速超調 雖和起動時間都明顯的減小。2.2.2起動最大循環(huán)噴油量的影響在25C怠速工況下

18、.每循環(huán)大約20mg噴油 顯即可保證發(fā)動機穩(wěn)定工作。但為了保證可靠的 起動.噴入汽缸的燃油量要比怠速工況大的多， 便得燃燒室內能夠形成一定濃度、易于看火的混 合氣。如圖4所示為環(huán)境溫度、冷卻水溫度和機 油溫度同為25 C時不同起動油宣的起動轉速和 煙度峰值曲線。圖3比例增益對起動過程的影響圖4不同起動沖埼的起動轉速和煙度峰值曲線從圖中可以看出，隨著最大循環(huán)供油量的增 加，起動轉速的上升速率加快，超調也隨Z增加: 煙度值隨著循環(huán)供油最的增加而増加，在lOOmg 附近煙度值急劇上升。結合起動轉速的變化和煙 度，選擇了 lOOmg的起動油氐 這樣既可以保證 發(fā)動機可靠的起動.同時煙度值也不大。2.2

19、.3初始噴油轉速山的彩響從試驗的悄況看，初始噴油轉速心對轉速控 制的彫響不大，但是對煙度峰值有一定的影響， 如圖5所示為在25t時不同的轉速開始噴油時的 煙度峰值。隨著初始噴油轉速的提高，煙度值逐 步降低。這是由于低轉速時噴油壓力低，噴入汽 缸的燃油以液態(tài)的形式存在并逐步積累，在發(fā)動 機的第一個著火循環(huán)時混合汽過濃，煙度峰值加 大。但是過高的初始噴油轉速使得起動電機拖動 的時間較長，起動平均電流大，這要求更大功率 的起動電機。從煙度井放和對起動電機要求的角 度出發(fā)，選擇初始噴油轉速60r/min較為合適。 2.2.4起動成功轉速旳的彩響m為起動控制策略中判定柴油機起動成功的 轉速標記，也是ra

20、mp控制目標轉速的初始值。如 圖6所示為冷卻水溫為25 'C時不同劉的起動轉速 曲線。從圖中可以看到，心越大，貝IJPID控制器使 得起動最大循環(huán)供油結束的時間越長.從而造成 了轉速的超調量也就越大；從煙度峰值的變化情 況來看，劉對起動過程煙度影響不大因此，從轉 速的變化情況來看，選擇勿=350i7min。圖5不同初始噴油轉速的煙度峰值曲線圖6不同心值的起動挎速和煙度蜂值曲線2.2.5 目標轉速上升速率ramp值的影響如圖7所示為在25匸時起動油蚩相同而 ramp不同悄況下的轉速由線和煙度峰值曲線。在 起動過程初期，由于最大循壞供油雖相同，PID 控制器沒有參與控制，此時發(fā)動機控制是開

21、環(huán)的, 轉速上升速率不受ramp值得影響；在起動中后 期，PID控制器參與控謝，隨著ramp值得減小， 轉速的上升速率減緩且超調減小“amp值對煙度 峰值的彩響不大。從轉速的變化情況看，在25 -C 時選擇 ramp=3OOr/sc圖7：不同Ramp值的起動轉速和煙度峰值曲線（下轉第5頁）49 7設計驗證G32系列首先開發(fā)的是六缸機。6G32樣機在 臺架運行了 500小時(其中高負荷運行210小時 作為可靠性考核)之后.按照CCS認可的G32 型柴油機型式試驗大綱進行了排放測試、功能 性試驗、工作負荷點運行、應急工作運行等全部 項目的性能測試。結果表明：各項性能參數(shù)均達 到或優(yōu)于設計指標，推進

22、特性曲線見圖5。ds<£qmd圖5推進特性曲線 主要性能實測結果如下： 燃油消耗率：b=185 (g/kWh)； 排氣溫度：T產(chǎn)330 CC)；最高燃燒壓力:P37.5 (MPa)；排放物：NOx=118 (g/kWh)；機械振動烈度：Vs=9.3 (mm/s)；噪聲：noisc=103 dB (A)；滑油消耗率：C=0.S (g/kWh)； 扭振性能:按CB*3325-I987評定為A級； 排氣煙度：K<0.lbosch (25%以上負荷)；R <0.15Bosch (25%以下負荷)。8總結6G32中速船用柴油機的動力性能、推放性 能、經(jīng)濟性能等方面均達到了設計

23、要求。特別在 排氣煙度的控制方面.實現(xiàn)了全工況無可見煙色 的優(yōu)異性能。6G32柴油機取得了中國船級社頒發(fā) 的船用產(chǎn)品型式認可證書，2007年初投放市場。廣州柴油機廠已批量生產(chǎn)六缸機并正在繼續(xù) 開發(fā)該系列的八缸和九缸機型.進一步滿足市場 的需求。作為國內高強化度的新一代中速柴油機， 其優(yōu)異的可靠性和良好的綜合性能，必將受到廣 大客戶的歡迎。參考文獻1高徳明等 G32系列柴油機的總體設計A.中國內 燃機學會大功率柴油機分會成立二十周年特輯 2001.10|2|顧宏中.MIXPC渦輪坨壓系統(tǒng)研究與優(yōu)化設計.上 海交通大學出版社,2006年5月(上接第49頁)3結論柴油機起動過程受到環(huán)境溫度、起動轉速、 起動噴油過程及柴油本身特性的影響。據(jù)此，結 合電子調速器控制系統(tǒng)的控制原理