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

在針對發動機控制的研究中，起動控制一直是核心研究內容，起動過程是一種瞬時狀態，從起動開始直到怠速穩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，對于發動機的磨損有著諸多影響。因此，為了保證發動機穩定運轉，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化。

1 單體泵系統及起動過程

單體泵系統包括噴油器、組合泵、傳感器以及高壓油管等部分。單體泵的工作原理為：系統通電之后，傳感器會對溫度、壓力以及轉速等重要信號展開收集，方便ECU對發動機工況，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，對執行器狀態展開控制，能夠對內缸高壓燃油供給實施控制，從而讓發動機工況得到改善或者維持。柴油機起動是從倒拖開始的，經常使用電機或者是壓縮空氣實現。隨著柴油機轉速逐漸達到最低轉速水平，控制器會展開起動控制。隨著轉速的升高，在達到怠速穩定之后，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。為了讓發動機可以穩定起動，在開始起動的時候氣缸內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 環境條件因素

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

2.2 起動速度因素

發動機著火的實現，很大程度上是由缸內溫度決定的，起動轉速會直接影響到氣缸工作介質自身的壓力和溫度，尤其是低轉速情況下能夠產生十分明顯的影響。如果起動轉速相對較低，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的壓力以及溫度條件低，無法保證發動起動著火。因此保證發動機可以保持穩定著火，在發動機自身參數的基礎上，讓其起動轉速要稍大于特定轉速。

2.3 起動噴油情況

起動噴油對起動過程產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，由于氣缸內部溫度仍然比較低，燃油蒸發的速度相對比較慢，少部分燃油只能在滯燃期內出現蒸發。如果發動機轉速仍然比較低，噴油壓力比較低，噴油霧化的質量必然不高，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冒黑煙以及超調怠速的問題。

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，設計起動狀態的計算模塊，能夠對發動機工況進行清晰的判斷。設計怠速控制模塊能夠對怠速轉速點以及怠速狀態進行計算，對怠速PID展開控制。設計扭矩協調模塊，在發動機狀態和工況基礎上，對需求扭矩進行協調，考慮到保護限制以及補償，最終計算出發動機需求扭矩，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、計算起動扭矩以及Ramp控制3個模塊來實現。

3.1.1 計算起動狀態

在起動馬達通電以后，發動機會進入到起動狀態中，控制狀態也就變成了起動狀態，如果發動機的轉速超過了噴射轉速的最小值，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時間，那么Ramp狀態將會置位，這個時候計時器要停止工作。如果檢測出發動機轉速已經超過了起動轉換的轉速，那么觸發器使能，且怠速狀態將會置位，這個時候計時器將會復位。

3.1.2 計算起動扭矩

首先根據發動機的轉速以及冷卻液溫度，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大的問題得到控制，要通過反比例函數，也就是扭矩補償函數，即發動機轉速逐漸增加，補償扭矩逐漸趨近于0。如果發動機轉速逐漸超過基礎扭矩限制轉速，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速提高，讓超調量得到減少，從而減輕磨損情況，讓發動機的工作壽命得以延長。如果Ramp的狀態置位之后，發動機轉速處于怠速轉速最高值和噴射轉速最小值之間，同時基礎起動轉速未超過限制扭矩，能夠展開Ramp控制，發動機扭矩斜坡出現升高，斜率則需要根據冷卻水溫展開調整。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據建立發動機模型以及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、轉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，可以發現隨著轉速的增加，基礎起動扭矩可以獲得補償，維持一段時間之后，將會出現Ramp控制使能，而起動扭矩會逐漸增加，系統可以進入到怠速控制的狀態中。

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的柴油機上進行，從而驗證起動策略。經過對不同參數柴油機試驗之后，發現起動控制策略可以有效地控制起動過程，對PID參數進行優化，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，包括環境條件因素、轉速以及噴油量這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、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，發現使用控制策略，能夠起到良好的控制效果。不僅能夠讓轉速超調問題得到控制，能夠更好地應對轉速突變等情況，從而延長柴油機的使用壽命。

參考文獻

[1] 劉濤，賈利，張維彪，等.電控單體泵柴油機起動過程控制策略研究[J].儀表技術，2017（4）：21-24.

[2] 王文成，杜兵，張鵬.電控單體泵柴油機起動策略的對比研究[J].內燃機，2016（5）：22-26.

[3] 付健嶺，方猛，孫曉偉，等.柴油機起動排溫差異大故障分析及解決方案[J].柴油機，2016，38（1）：57-59.