高壓共軌系統(tǒng)起動控制參數(shù)的匹配標(biāo)定與優(yōu)化

高壓共軌系統(tǒng)起動控制參數(shù)的匹配標(biāo)定與優(yōu)化

0高壓共軌柴油擺動過程噴油控制參數(shù)的匹配和優(yōu)化由于其良好的油耗經(jīng)濟(jì)性、動力性、可靠性和耐用性，該汽油車輛在市場經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。隨著柴油機(jī)電控技術(shù)發(fā)展,高壓共軌電控燃油噴射技術(shù)以其能夠靈活控制噴油量、噴油壓力、噴射正時(shí)與噴油速率等噴射參數(shù),從而有效降低燃油消耗與降低排放的優(yōu)點(diǎn),受到了柴油機(jī)制造商的青睞,目前這項(xiàng)技術(shù)已成為電控柴油機(jī)發(fā)展的熱點(diǎn)之一。柴油機(jī)的起動性能是評價(jià)柴油機(jī)性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一,國內(nèi)外已經(jīng)開展了大量的研究工作來改善柴油機(jī)的起動過程。針對高壓共軌柴油機(jī)的研究亦是如此,但由于高壓共軌柴油機(jī)起動過程控制參數(shù)多,控制自由度大,因而對高壓共軌柴油機(jī)起動過程噴油控制參數(shù)的匹配標(biāo)定和優(yōu)化是一項(xiàng)復(fù)雜且耗時(shí)的工作。本文針對1臺高壓共軌柴油機(jī)的起動過程,以降低起動過程的HC排放和縮短起動時(shí)間為優(yōu)化目標(biāo),采用正交試驗(yàn)法對高壓共軌柴油機(jī)的噴射控制參數(shù)進(jìn)行了匹配,分析研究了各參數(shù)對起動性能的影響。1試驗(yàn)方法和試驗(yàn)計(jì)劃1.1hc排放的測量試驗(yàn)臺架的布置如圖1所示。試驗(yàn)用發(fā)動機(jī)為直列、四缸、水冷、四沖程、增壓發(fā)動機(jī),主要參數(shù)見表1。應(yīng)用汽車起動電源代替蓄電池向起動機(jī)提供起動電壓,以消除蓄電池電壓變化對起動性能的影響。應(yīng)用AVLDiCom4000型廢氣分析儀測量起動過程中的HC排放。試驗(yàn)用高壓共軌系統(tǒng)以Bosch第二代高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的管理系統(tǒng)為基礎(chǔ)。ETK作為ECU與標(biāo)定開發(fā)軟件之間的硬件接口,與控制單元集成一體,其上帶有FlashEPROM和RAM,可以進(jìn)行標(biāo)定修改。接口單元MAC2為ETAS公司生產(chǎn)的測量及應(yīng)用模塊單元,作為測量和標(biāo)定數(shù)據(jù)的緩沖區(qū),可以控制數(shù)據(jù)的傳輸,與微機(jī)并口連接。試驗(yàn)中HC排放為起動階段至穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)階段內(nèi)的HC排放的峰值;起動油量為起動過程中從發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為0到起動結(jié)束標(biāo)志轉(zhuǎn)速n1過程單缸的循環(huán)供油量,n1設(shè)定為800r/min;預(yù)噴時(shí)間為上止點(diǎn)前預(yù)噴射定時(shí),它是指預(yù)噴射起始點(diǎn)與主噴射起始點(diǎn)之間的時(shí)間間隔,μs。試驗(yàn)用柴油標(biāo)號為-20#;且相鄰兩次試驗(yàn)的時(shí)間間隔均大于6h。1.2燃油質(zhì)量的評價(jià)正交試驗(yàn)法能在很多試驗(yàn)方案中挑選出代表性強(qiáng)的少數(shù)幾個(gè)試驗(yàn)方案,并且通過這少數(shù)試驗(yàn)方案的試驗(yàn)結(jié)果分析,推斷出最優(yōu)方案,同時(shí)還可進(jìn)一步分析,得到比試驗(yàn)結(jié)果本身給出的還要多的有關(guān)各因素的信息。因此,正交試驗(yàn)法在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和其它科學(xué)研究領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用,并且收到了顯著效果。由于高壓共軌系統(tǒng)的噴射控制參數(shù)比較多,如果采用全面試驗(yàn)的方法,試驗(yàn)次數(shù)會很多,試驗(yàn)的周期很長,限于試驗(yàn)條件等因素,甚至?xí)a(chǎn)生試驗(yàn)無法完成的現(xiàn)象,為此,引入正交試驗(yàn)的方法,對起動過程中噴射控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。評價(jià)起動性能的指標(biāo)有很多,通常有起動時(shí)間、著火時(shí)間、穩(wěn)定工作時(shí)間、起動次數(shù)、有害物的排放等。本文對柴油機(jī)起動性能的評價(jià)指標(biāo)主要針對起動時(shí)間和起動過程的HC排放。正交試驗(yàn)的試驗(yàn)因素和水平的選取如表2所示,選擇5因素、4水平的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)表L16(45),利用16次試驗(yàn)代替1024次試驗(yàn)。2全模型主噴提前角對撞擊式水壓機(jī)制動力系統(tǒng)hc排放的影響分析正交試驗(yàn)的結(jié)果有:方差分析法和直觀分析法,也稱為極差分析法。方差分析的基本思想是將數(shù)據(jù)的總變異分解成因素引起的變異和誤差引起的變異兩部分,構(gòu)造F統(tǒng)計(jì)量,作F檢驗(yàn),即可判斷因素作用是否顯著。直觀分析法需要計(jì)算kji和極差Rj,其中kji代表第j列因素i水平所對應(yīng)的試驗(yàn)指標(biāo)和的平均值,Rj代表第j列的極差,它可以由式Rj=maxi{kji}?mini{kji}Rj=maxi{kji}-mini{kji}得出。此方法中由kji大小可以判斷第j列因素最優(yōu)水平和最優(yōu)組合;Rj反映了第j列因素水平波動時(shí),試驗(yàn)指標(biāo)的變動幅度,因此可以根據(jù)Rj大小判斷因素的主次順序。本試驗(yàn)采用極差分析法進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析。試驗(yàn)環(huán)境條件為:環(huán)境溫度11℃、大氣壓力100kPa。表3為16組正交試驗(yàn)的結(jié)果。從表3可以得到各噴射控制參數(shù)對起動時(shí)間和HC排放的影響規(guī)律。從表3可以看出,A1對于起動時(shí)間的影響,主要體現(xiàn)在1、2、3、4號試驗(yàn)中;A2對起動時(shí)間的影響,主要體現(xiàn)在5、6、7、8號試驗(yàn)中;A3對于起動時(shí)間的影響,主要體現(xiàn)在9、10、11、12號試驗(yàn)中;A4對于起動時(shí)間的影響,主要體現(xiàn)在13、14、15、16號試驗(yàn)中。因此A因素的1水平對應(yīng)的起動時(shí)間之和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。根據(jù)正交設(shè)計(jì)的特性,對于A1、A2、A3、A4用的4組試驗(yàn)的試驗(yàn)條件是相同的(綜合可比性),可進(jìn)行直接比較。如果因素A對起動時(shí)間無影響,那么kA1、kA2、kA3、kA4應(yīng)該相等,但由上面的計(jì)算可見,kA1、kA2、kA3、kA4實(shí)際上不相等,說明A因素的水平變動對起動時(shí)間有影響。因此,根據(jù)kA1、kA2、kA3、kA4的大小可以判斷A1、A2、A3、A4對起動時(shí)間影響的大小。依次類推可以得出B、C、D、E的各個(gè)水平對起動時(shí)間的影響大小,同理還可以得出A、B、C、D、E對起動過程中的HC排放的影響。圖2為不同起動油量時(shí)起動時(shí)間HC排放情況。從圖2中可以看到,起動油量從20mg變化到30mg時(shí),起動時(shí)間相差不大,但HC排放有逐漸增大的趨勢,而當(dāng)起動油量由30mg增大到35mg,起動時(shí)間和HC排放均有很大的增長。這是由于柴油機(jī)能否順利起動,存在1個(gè)最佳起動油量,過大和過小都會造成起動困難,當(dāng)起動油量由30mg增大到35mg時(shí),由于缸內(nèi)燃油霧化和燃燒狀況變壞,會造成起動不暢,這直接引起HC排放明顯增加。圖3為不同主噴提前角時(shí)起動時(shí)間和HC排放。從圖3可以看到,隨著主噴提前角的增大,存在一個(gè)角度,使得起動時(shí)間最短,HC排放最低。主噴提前角過大時(shí),缸內(nèi)形成的可燃混合氣偏濃,缸內(nèi)溫度偏低,因此使得起動時(shí)間增長,HC排放增大;而過小時(shí),形成的可燃混合氣太少,也不利于發(fā)動機(jī)的著火,從而使HC排放增加。圖4為不同共軌油壓下的起動時(shí)間和HC排放。從圖4可以看到,共軌油壓對柴油機(jī)起動過程的起動時(shí)間和HC排放的影響比較小,當(dāng)共軌油壓從20MPa變化到35MPa時(shí),起動時(shí)間的最大變化量僅0.035s,HC排放變化量也僅為3×10-6。但其主要趨勢是隨著共軌油壓的增大,起動時(shí)間和HC排放先減小,后增大,最佳共軌油壓出現(xiàn)在30MPa附近。圖5、圖6分別為不同預(yù)噴油量和預(yù)噴時(shí)間對起動時(shí)間和HC排放的影響。從圖5和圖6中可以看到,預(yù)噴油量和預(yù)噴時(shí)間在起動過程中對起動時(shí)間和HC排放的影響比較小,均存在一個(gè)最佳值,使起動時(shí)間最短,HC排放最低。這主要是因?yàn)楹侠砑尤腩A(yù)噴后,其產(chǎn)生的冷焰效應(yīng)使得缸內(nèi)溫度上升,在缸內(nèi)形成活化的氣體氛圍,改善了燃燒室環(huán)境,使柴油機(jī)起動性能提高,起動時(shí)間減小,從而使起動過程中的HC排放也會降低。從圖5、圖6中可以看到最佳的預(yù)噴油量為2mg/cyc,最佳的預(yù)噴射時(shí)間為2000μs。表4為起動過程的試驗(yàn)分析表。以起動時(shí)間為評價(jià)指標(biāo)時(shí),噴射控制參數(shù)的最優(yōu)組合為:起動油量20mg/cyc、主噴射提前角為上止點(diǎn)前10°CA、共軌油壓30MPa、預(yù)噴油量2mg/cyc、預(yù)噴時(shí)間2000μs。以HC排放為評價(jià)指標(biāo)時(shí),噴射控制參數(shù)最優(yōu)組合為:起動油量20mg/cyc或者25mg/cyc、主噴射提前角在上止點(diǎn)前10°CA、共軌油壓30MPa、預(yù)噴油量2mg/cyc、預(yù)噴時(shí)間2000μs。起動過程中,噴射控制參數(shù)對起動時(shí)間影響的主次因素依次是起動油量、主噴提前角、共軌油壓、預(yù)噴油量和預(yù)噴時(shí)間;對起動過程中HC排放有影響的主要因素是起動油量和主噴提前角,而共軌油壓、預(yù)噴油量、預(yù)噴時(shí)間對起動時(shí)間的影響相對較小,并且基本上相同。因此綜合考慮起動時(shí)間和HC排放,選擇在此條件下的最優(yōu)組合為:起動油量20mg/cyc、主噴提前角上止點(diǎn)前10°CA、共軌油壓30MPa、預(yù)噴油量2mg/cyc、預(yù)噴時(shí)間2000μs。3噴射控制參數(shù)的優(yōu)化(1)在起動過程中對柴油機(jī)起動時(shí)間影響的主次因素依次是起動油量、主噴提前角、共軌油壓、預(yù)噴油量和預(yù)噴時(shí)間;對HC排放影響的參數(shù)主要是起動油量和主噴提前角,共軌油壓、預(yù)噴油量和預(yù)噴時(shí)間對HC排放的影響相對較小。(2)以起動時(shí)間和HC排放為主要評價(jià)指標(biāo),噴射控制參數(shù)的優(yōu)化組合為:起動油量20mg/cyc、主噴射