高压共轨系统起动控制参数的匹配标定与优化

高压共轨系统起动控制参数的匹配标定与优化

0高压共轨柴油摆动过程喷油控制参数的匹配和优化由于其良好的油耗经济性、动力性、可靠性和耐用性，该汽油车辆在市场经济的各个领域得到了广泛应用。随着柴油机电控技术发展,高压共轨电控燃油喷射技术以其能够灵活控制喷油量、喷油压力、喷射正时与喷油速率等喷射参数,从而有效降低燃油消耗与降低排放的优点,受到了柴油机制造商的青睐,目前这项技术已成为电控柴油机发展的热点之一。柴油机的起动性能是评价柴油机性能优劣的重要指标之一,国内外已经开展了大量的研究工作来改善柴油机的起动过程。针对高压共轨柴油机的研究亦是如此,但由于高压共轨柴油机起动过程控制参数多,控制自由度大,因而对高压共轨柴油机起动过程喷油控制参数的匹配标定和优化是一项复杂且耗时的工作。本文针对1台高压共轨柴油机的起动过程,以降低起动过程的HC排放和缩短起动时间为优化目标,采用正交试验法对高压共轨柴油机的喷射控制参数进行了匹配,分析研究了各参数对起动性能的影响。1试验方法和试验计划1.1hc排放的测量试验台架的布置如图1所示。试验用发动机为直列、四缸、水冷、四冲程、增压发动机,主要参数见表1。应用汽车起动电源代替蓄电池向起动机提供起动电压,以消除蓄电池电压变化对起动性能的影响。应用AVLDiCom4000型废气分析仪测量起动过程中的HC排放。试验用高压共轨系统以Bosch第二代高压共轨燃油喷射系统的管理系统为基础。ETK作为ECU与标定开发软件之间的硬件接口,与控制单元集成一体,其上带有FlashEPROM和RAM,可以进行标定修改。接口单元MAC2为ETAS公司生产的测量及应用模块单元,作为测量和标定数据的缓冲区,可以控制数据的传输,与微机并口连接。试验中HC排放为起动阶段至稳定运转阶段内的HC排放的峰值;起动油量为起动过程中从发动机转速为0到起动结束标志转速n1过程单缸的循环供油量,n1设定为800r/min;预喷时间为上止点前预喷射定时,它是指预喷射起始点与主喷射起始点之间的时间间隔,μs。试验用柴油标号为-20#;且相邻两次试验的时间间隔均大于6h。1.2燃油质量的评价正交试验法能在很多试验方案中挑选出代表性强的少数几个试验方案,并且通过这少数试验方案的试验结果分析,推断出最优方案,同时还可进一步分析,得到比试验结果本身给出的还要多的有关各因素的信息。因此,正交试验法在工农业生产和其它科学研究领域中得到广泛的应用,并且收到了显著效果。由于高压共轨系统的喷射控制参数比较多,如果采用全面试验的方法,试验次数会很多,试验的周期很长,限于试验条件等因素,甚至会产生试验无法完成的现象,为此,引入正交试验的方法,对起动过程中喷射控制参数进行优化。评价起动性能的指标有很多,通常有起动时间、着火时间、稳定工作时间、起动次数、有害物的排放等。本文对柴油机起动性能的评价指标主要针对起动时间和起动过程的HC排放。正交试验的试验因素和水平的选取如表2所示,选择5因素、4水平的标准正态表L16(45),利用16次试验代替1024次试验。2全模型主喷提前角对撞击式水压机制动力系统hc排放的影响分析正交试验的结果有:方差分析法和直观分析法,也称为极差分析法。方差分析的基本思想是将数据的总变异分解成因素引起的变异和误差引起的变异两部分,构造F统计量,作F检验,即可判断因素作用是否显著。直观分析法需要计算kji和极差Rj,其中kji代表第j列因素i水平所对应的试验指标和的平均值,Rj代表第j列的极差,它可以由式Rj=maxi{kji}−mini{kji}Rj=maxi{kji}-mini{kji}得出。此方法中由kji大小可以判断第j列因素最优水平和最优组合;Rj反映了第j列因素水平波动时,试验指标的变动幅度,因此可以根据Rj大小判断因素的主次顺序。本试验采用极差分析法进行试验数据的分析。试验环境条件为:环境温度11℃、大气压力100kPa。表3为16组正交试验的结果。从表3可以得到各喷射控制参数对起动时间和HC排放的影响规律。从表3可以看出,A1对于起动时间的影响,主要体现在1、2、3、4号试验中;A2对起动时间的影响,主要体现在5、6、7、8号试验中;A3对于起动时间的影响,主要体现在9、10、11、12号试验中;A4对于起动时间的影响,主要体现在13、14、15、16号试验中。因此A因素的1水平对应的起动时间之和KA1=1.53+1.4+1.24+1.42=5.59,其均值kA1=KA1/4=1.3975,同理:KA2=5.65,其均值kA2=KA2/4=1.4125;KA3=5.69,其均值kA3=KA3/4=1.4225;KA4=6.92,其均值kA4=KA4/4=1.73。根据正交设计的特性,对于A1、A2、A3、A4用的4组试验的试验条件是相同的(综合可比性),可进行直接比较。如果因素A对起动时间无影响,那么kA1、kA2、kA3、kA4应该相等,但由上面的计算可见,kA1、kA2、kA3、kA4实际上不相等,说明A因素的水平变动对起动时间有影响。因此,根据kA1、kA2、kA3、kA4的大小可以判断A1、A2、A3、A4对起动时间影响的大小。依次类推可以得出B、C、D、E的各个水平对起动时间的影响大小,同理还可以得出A、B、C、D、E对起动过程中的HC排放的影响。图2为不同起动油量时起动时间HC排放情况。从图2中可以看到,起动油量从20mg变化到30mg时,起动时间相差不大,但HC排放有逐渐增大的趋势,而当起动油量由30mg增大到35mg,起动时间和HC排放均有很大的增长。这是由于柴油机能否顺利起动,存在1个最佳起动油量,过大和过小都会造成起动困难,当起动油量由30mg增大到35mg时,由于缸内燃油雾化和燃烧状况变坏,会造成起动不畅,这直接引起HC排放明显增加。图3为不同主喷提前角时起动时间和HC排放。从图3可以看到,随着主喷提前角的增大,存在一个角度,使得起动时间最短,HC排放最低。主喷提前角过大时,缸内形成的可燃混合气偏浓,缸内温度偏低,因此使得起动时间增长,HC排放增大;而过小时,形成的可燃混合气太少,也不利于发动机的着火,从而使HC排放增加。图4为不同共轨油压下的起动时间和HC排放。从图4可以看到,共轨油压对柴油机起动过程的起动时间和HC排放的影响比较小,当共轨油压从20MPa变化到35MPa时,起动时间的最大变化量仅0.035s,HC排放变化量也仅为3×10-6。但其主要趋势是随着共轨油压的增大,起动时间和HC排放先减小,后增大,最佳共轨油压出现在30MPa附近。图5、图6分别为不同预喷油量和预喷时间对起动时间和HC排放的影响。从图5和图6中可以看到,预喷油量和预喷时间在起动过程中对起动时间和HC排放的影响比较小,均存在一个最佳值,使起动时间最短,HC排放最低。这主要是因为合理加入预喷后,其产生的冷焰效应使得缸内温度上升,在缸内形成活化的气体氛围,改善了燃烧室环境,使柴油机起动性能提高,起动时间减小,从而使起动过程中的HC排放也会降低。从图5、图6中可以看到最佳的预喷油量为2mg/cyc,最佳的预喷射时间为2000μs。表4为起动过程的试验分析表。以起动时间为评价指标时,喷射控制参数的最优组合为:起动油量20mg/cyc、主喷射提前角为上止点前10°CA、共轨油压30MPa、预喷油量2mg/cyc、预喷时间2000μs。以HC排放为评价指标时,喷射控制参数最优组合为:起动油量20mg/cyc或者25mg/cyc、主喷射提前角在上止点前10°CA、共轨油压30MPa、预喷油量2mg/cyc、预喷时间2000μs。起动过程中,喷射控制参数对起动时间影响的主次因素依次是起动油量、主喷提前角、共轨油压、预喷油量和预喷时间;对起动过程中HC排放有影响的主要因素是起动油量和主喷提前角,而共轨油压、预喷油量、预喷时间对起动时间的影响相对较小,并且基本上相同。因此综合考虑起动时间和HC排放,选择在此条件下的最优组合为:起动油量20mg/cyc、主喷提前角上止点前10°CA、共轨油压30MPa、预喷油量2mg/cyc、预喷时间2000μs。3喷射控制参数的优化(1)在起动过程中对柴油机起动时间影响的主次因素依次是起动油量、主喷提前角、共轨油压、预喷油量和预喷时间;对HC排放影响的参数主要是起动油量和主喷提前角,共轨油压、预喷油量和预喷时间对HC排放的影响相对较小。(2)以起动时间和HC排放为主要评价指标,喷射控制参数的优化组合为:起动油量20mg/cyc、主喷射