某型柴油機高壓共軌系統冷起動性能試驗研究

郭威，彭憶強，何忠霖,易威

(1.西華大學汽車與交通學院，四川成都 610039；2.武漢銳科控制系統有限公司，湖北武漢 430056)

0 引言

自GB 20891-2014《非道路移動機械用柴油機排氣污染物排放限值及測量方法(中國第三、四階段)》發布以來，我國的非道路移動機械用柴油機將逐漸進入Ⅲ、Ⅳ階段[1]。隨著國家對非道路移動機械這一領域的排放要求越來越高，高壓共軌系統因其經濟性和排放性在非道路移動機械中得到廣泛應用，但是國外公司因為其先進的高壓共軌技術，占據了國內絕大多數的高壓共軌市場，導致國內柴油機高昂的成本。為了降低成本，國內很多公司開始自主研發生產高壓共軌系統，目前部分零部件已經國產化，但制造工藝和批量生產的質量控制與國外還有一定差距[2]。

其中冷起動性能是影響柴油機的一項關鍵性指標[3]。本文作者為優化某款國產的柴油機高壓共軌系統的冷起動性能開展試驗研究。首先用INCA數據采集系統，監測記錄其冷起動過程，分析記錄的數據，找到進行優化的方向。然后用標定程序，優化相關控制參數，使其冷起動性能得到相應改善[4]。

1 柴油機高壓共軌系統原理

柴油機高壓共軌系統由高壓油泵、高壓油管、共軌管、噴油器、電控單元、各類傳感器和執行器組成，如圖1所示。

圖1 高壓共軌系統組成

在該研究系統中，除了傳感器外，其他部件均由國內企業自主生產。工作時，供油泵從油箱將燃油泵入高壓油泵的進油口，高壓油泵將燃油增壓后送入共軌管內，ECU通過調節燃油計量閥占空比控制高壓油泵的進油量，從而對公共供油管內的油壓實現精確控制，保持共軌管內油壓穩定；另一方面ECU通過控制噴油器上電磁閥開啟時間和開啟時長，可靈活調節不同工況下噴射油量和噴油正時。采用高壓共軌系統可以實現高壓噴射且能優化控制循環噴油量噴油正時，靈活方便地進行多次噴射，使柴油機噪聲、顆粒和NOx排放滿足基本法規要求[5]，然而在惡劣條件下對噴油器的性能要求極高。

2 電控噴油器

電控噴油器是共軌系統中最關鍵和最復雜的部件，也是設計、工藝難度最大的部件，其性能參數主要包括循環噴油量、噴油器響應特性、回油流量等，噴油器的性能直接影響柴油機噴油特性，從而影響高壓共軌柴油機的燃燒和排放。

2.1 噴油器工作原理

圖2所示為電控噴油器，由孔式噴油嘴、液壓伺服系統(控制活塞、控制量孔等) 、電磁閥等組成。當電磁閥通電時,球閥開啟,高壓燃油經出油孔流出,此時控制腔內壓力及噴嘴處針閥彈簧壓力之和小于針閥座處向上的壓力，故針閥開啟,噴油器開始噴油；當電磁閥斷電時,球閥關閉,此時控制腔內壓力及噴嘴處針閥彈簧壓力之和大于針閥座處向上的壓力，故針閥關閉,噴油器停止噴油[6]。

2.2 噴油器響應特性影響因素分析

響應特性是高壓共軌噴油器一項重要的性能參數，主要影響針閥的開啟和關閉響應，噴油器的響應特性將直接影響噴油器噴油規律,從而影響發動機的工作性能[7]。很多研究表明：進油孔孔徑、出油孔孔徑、控制柱塞直徑、針閥密封直徑、針閥彈簧預緊力等噴油器結構參數均會影響噴油器響應特性，對高壓共軌柴油機性能產生影響。圖3所示是電控噴油器工作過程中電流變化曲線[8]，Iboost為開啟噴油器的驅動電流，到達驅動電流的這段時間為噴油器開啟時間，然后驅動電流迅速降至保持電流Ihold，直到Ihold下降前，這段時間為噴油器的完全開啟時間，噴油脈寬ET是噴油器電流從0開始上升到保持電流開始下降這段時間之和，保持電流開始下降到電流為0這段時間為噴油器關閉時間，噴油器針閥在彈簧預緊力的作用下回位，噴油器關閉。

圖3 電控噴油器工作過程中電流變化曲線

2.3 高壓共軌噴油器噴射策略

目前，高壓共軌噴油系統將每循環噴油量分成先導噴射、預噴射、主噴射、后噴射、延遲噴射等多階段進行噴射(見圖4)，以促進柴油和空氣的混合、提高可燃混合氣的形成質量、改善燃燒過程，達到提高循環熱效率和降低排放的目的。在滿足發動機基本性能要求的情況下，文中所研究的高壓共軌系統在每個工作循環內，噴油器只有3次噴射：2次預噴射，1次主噴射，如圖5所示。這樣，一方面可使ECU控制策略相對簡單，同時也能延長噴油器使用壽命。

圖4 高壓共軌多次噴射示意圖

圖5 試驗用高壓共軌噴射示意圖

3 高壓共軌柴油機冷起動試驗

冷起動是指環境溫度在零下幾度到零下幾十度，發動機距離上次關機已有一段時間，其內部溫度與環境溫度保持一致情況下開始起動，其性能評價指標主要有起動時間、轉速波動范圍、排放性、轉速穩定時間等。文中以某非道路用國產高壓共軌系統柴油機為研究對象，該發動機與國產某共軌ECU匹配過程中，常溫下工作良好，在-20°冷起動過程中出現起動后超過10 s轉速異常波動并伴有白煙的現象。為解決該問題，作者通過開展冷起動試驗研究：圖6所示為冷起動試驗臺架示意圖，用INCA數據采集系統，監測記錄其冷起動過程，分析所記錄的數據，找到進行優化的方向；然后用標定程序，優化相關控制參數，使其冷起動性能得到相應改善。

圖6 冷起動試驗臺架示意圖

(1)試驗對象

試驗對象為高壓共軌柴油機、高壓共軌ECU。

(2)試驗要求

對高壓共軌ECU進行標定，使高壓共軌柴油機在0、-5、-15、-20 ℃下能成功快速起動，怠速平穩，并且起動過程中無可見煙。

(3)試驗現象

根據以往的冷起動標定經驗，首先對高壓共軌ECU進行油量和提前角標定。試驗中發現在-20 ℃下發動機可以正常點火起動，然而存在起動后轉速不穩、抖動、冒煙等問題，試驗結果如圖7所示。

圖7 國產高壓共軌系統-20 ℃冷起動轉速隨時間變化曲線

通過對冷起動算法和同類發動機標定數據進行仔細分析，排除了控制算法和標定不當引起的問題。因此把問題關鍵點放在共軌系統硬件上，并制定分步驗證實施方案：(1)采用自主的高壓共軌ECU帶國外高壓共軌系統的同款發動機,并更改噴油器的ET參數。在相同標定數據下，冷起動后發動機抖動和煙度問題有很大改善，發動機轉速如圖8所示。因此初步斷定是自主高壓共軌系統出現問題。(2)為了進一步驗證噴油器對冷起動性能的影響，僅將國產高壓共軌系統中的噴油器換成國外噴油器進行試驗，發動機轉速如圖9所示，冷起動后轉速波動同樣得到極大地改善。

圖8 更換國外高壓共軌系統-20 ℃冷起動轉速隨時間變化曲線

圖9 更換國外噴油器-20 ℃冷起動轉速隨時間變化曲線

3.1 現象分析及改善措施

由于使用國產高壓共軌噴油器導致低溫下起動時出現發動機抖動、轉速不穩、煙度大問題，常溫下工作良好，由此推測國產噴油器低溫下工作性能差，通過更換噴油器已得到論證。由于預噴階段噴油脈寬較短，國產噴油器的這種性能對預噴的影響尤為明顯，因此低溫下預噴基本失去作用，燃燒效果不好。為了彌補國產噴油器低溫下小預噴油量噴不出來的問題，可以通過標定隨水溫變化的預噴油量修正油量來補償。經過多次冷起動試驗標定起動預噴油量修正油量，發現起動總循環噴油量不變，將兩次預噴中每次預噴射油量由4～5 mg增加到8～9 mg，即可改善國產高壓共軌柴油機冷起動轉速不穩和煙度大問題。圖10—圖13為INCA中MAP圖標定界面。圖10為起動初始循環噴油量MAP，它根據冷卻水溫和大氣壓力查表得到(目前大氣壓力沒有標定)。圖11為預噴1油量修正MAP，圖12為預噴1油量水溫修正系數曲線，圖13為預噴1基礎油量MAP。冷起動時，預噴1油量由預噴1油量修正與其水溫修正系數乘積加上基礎油量，預噴2油量同理得到，起動過程中主噴油量由起動初始油量減去兩次預噴油量。起動結束后，循環噴油量由低怠速控制模塊扭矩油量轉換MAP得到，在冷起動試驗前標定。

圖10 起動初始循環噴油量MAP

圖11 預噴1油量修正MAP

圖12 預噴1油量水溫修正系數曲線

圖13 預噴1基礎油量MAP

3.2 增加預噴油量后試驗結果

通過計算機控制依次將發動機所在冷庫環境溫度調低至0、-5、-10、-15、-20 ℃進行冷卻，8 h后用INCA監測發動機水溫是否達到預定溫度，達到預定溫度左右時開始記錄數據并點火啟動發動機，試驗情況如下。

圖14所示為0.4 ℃啟動發動機轉速隨時間變化曲線。由圖可知，0.4 ℃啟動，0.7 s啟動成功，發動機轉速波動范圍為±5 r/min，無可見煙，說明在0 ℃下發動機能順利啟動且燃燒和排放性良好。

圖14 0.4 ℃啟動發動機轉速隨時間變化曲線

圖15所示為-6.8 ℃啟動發動機轉速隨時間變化曲線。由圖可知，-6.8 ℃啟動，1.1 s啟動成功，發動機轉速波動范圍為±5 r/min，無可見煙。

圖15 -6.8 ℃啟動發動機轉速隨時間變化曲線

圖16所示為-10.8 ℃啟動發動機轉速隨時間變化曲線。由圖可知，-10.8 ℃啟動，1.2 s啟動成功，無可見煙。

圖16 -10.8 ℃啟動發動機轉速隨時間變化曲線

圖17所示為-14.7 ℃啟動發動機轉速隨時間變化曲線。由圖可知， -14.7 ℃冷啟動，1.3 s啟動成功，發動機轉速波動范圍為±10 r/min，無可見煙。

圖17 -14.7 ℃啟動發動機轉速隨時間變化曲線

圖18所示為 -22.2 ℃啟動發動機轉速隨時間變化曲線。由圖可知，-22.2 ℃冷啟動，2.6 s啟動成功，啟動階段有幾秒轉速不穩，8 s左右穩定下來，發動機轉速波動范圍為±10 r/min，有白色可見煙，啟動依舊順利，但是隨著溫度的上升，排放性比之前稍差。

圖18 -22.2 ℃啟動發動機轉速隨時間變化曲線

冷起動和自由加速過程中不同轉速下平均煙度如圖19所示。

圖19 冷起動和自由加速過程中不同轉速下平均煙度

通過臺架上自帶的煙度記錄裝置，圖19所示為低溫下起動和自由加速過程平均煙度記錄情況，將預噴油量增加到8～9 mg排放性有極大改善，進一步證明低溫下增加預噴油量可改善燃燒。

4 結論

詳細介紹了國產高壓共軌系統的原理和現狀，通過冷起動試驗說明了在惡劣環境下國產高壓共軌系統存在的不足，通過對比試驗，對性能差異進行了分析推測，并通過標定增加預噴油量和試驗使推測得到驗證，最終使國產高壓共軌柴油機冷起動性能得到改善。不足之處是為改善冷啟動性能，因精力有限預噴提前角、主噴提前角的優化尚未涉及。