某型柴油机高压共轨系统冷起动性能试验研究

郭威，彭忆强，何忠霖,易威

(1.西华大学汽车与交通学院，四川成都 610039；2.武汉锐科控制系统有限公司，湖北武汉 430056)

0 引言

自GB 20891-2014《非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法(中国第三、四阶段)》发布以来，我国的非道路移动机械用柴油机将逐渐进入Ⅲ、Ⅳ阶段[1]。随着国家对非道路移动机械这一领域的排放要求越来越高，高压共轨系统因其经济性和排放性在非道路移动机械中得到广泛应用，但是国外公司因为其先进的高压共轨技术，占据了国内绝大多数的高压共轨市场，导致国内柴油机高昂的成本。为了降低成本，国内很多公司开始自主研发生产高压共轨系统，目前部分零部件已经国产化，但制造工艺和批量生产的质量控制与国外还有一定差距[2]。

其中冷起动性能是影响柴油机的一项关键性指标[3]。本文作者为优化某款国产的柴油机高压共轨系统的冷起动性能开展试验研究。首先用INCA数据采集系统，监测记录其冷起动过程，分析记录的数据，找到进行优化的方向。然后用标定程序，优化相关控制参数，使其冷起动性能得到相应改善[4]。

1 柴油机高压共轨系统原理

柴油机高压共轨系统由高压油泵、高压油管、共轨管、喷油器、电控单元、各类传感器和执行器组成，如图1所示。

图1 高压共轨系统组成

在该研究系统中，除了传感器外，其他部件均由国内企业自主生产。工作时，供油泵从油箱将燃油泵入高压油泵的进油口，高压油泵将燃油增压后送入共轨管内，ECU通过调节燃油计量阀占空比控制高压油泵的进油量，从而对公共供油管内的油压实现精确控制，保持共轨管内油压稳定；另一方面ECU通过控制喷油器上电磁阀开启时间和开启时长，可灵活调节不同工况下喷射油量和喷油正时。采用高压共轨系统可以实现高压喷射且能优化控制循环喷油量喷油正时，灵活方便地进行多次喷射，使柴油机噪声、颗粒和NOx排放满足基本法规要求[5]，然而在恶劣条件下对喷油器的性能要求极高。

2 电控喷油器

电控喷油器是共轨系统中最关键和最复杂的部件，也是设计、工艺难度最大的部件，其性能参数主要包括循环喷油量、喷油器响应特性、回油流量等，喷油器的性能直接影响柴油机喷油特性，从而影响高压共轨柴油机的燃烧和排放。

2.1 喷油器工作原理

图2所示为电控喷油器，由孔式喷油嘴、液压伺服系统(控制活塞、控制量孔等) 、电磁阀等组成。当电磁阀通电时,球阀开启,高压燃油经出油孔流出,此时控制腔内压力及喷嘴处针阀弹簧压力之和小于针阀座处向上的压力，故针阀开启,喷油器开始喷油；当电磁阀断电时,球阀关闭,此时控制腔内压力及喷嘴处针阀弹簧压力之和大于针阀座处向上的压力，故针阀关闭,喷油器停止喷油[6]。

2.2 喷油器响应特性影响因素分析

响应特性是高压共轨喷油器一项重要的性能参数，主要影响针阀的开启和关闭响应，喷油器的响应特性将直接影响喷油器喷油规律,从而影响发动机的工作性能[7]。很多研究表明：进油孔孔径、出油孔孔径、控制柱塞直径、针阀密封直径、针阀弹簧预紧力等喷油器结构参数均会影响喷油器响应特性，对高压共轨柴油机性能产生影响。图3所示是电控喷油器工作过程中电流变化曲线[8]，Iboost为开启喷油器的驱动电流，到达驱动电流的这段时间为喷油器开启时间，然后驱动电流迅速降至保持电流Ihold，直到Ihold下降前，这段时间为喷油器的完全开启时间，喷油脉宽ET是喷油器电流从0开始上升到保持电流开始下降这段时间之和，保持电流开始下降到电流为0这段时间为喷油器关闭时间，喷油器针阀在弹簧预紧力的作用下回位，喷油器关闭。

图3 电控喷油器工作过程中电流变化曲线

2.3 高压共轨喷油器喷射策略

目前，高压共轨喷油系统将每循环喷油量分成先导喷射、预喷射、主喷射、后喷射、延迟喷射等多阶段进行喷射(见图4)，以促进柴油和空气的混合、提高可燃混合气的形成质量、改善燃烧过程，达到提高循环热效率和降低排放的目的。在满足发动机基本性能要求的情况下，文中所研究的高压共轨系统在每个工作循环内，喷油器只有3次喷射：2次预喷射，1次主喷射，如图5所示。这样，一方面可使ECU控制策略相对简单，同时也能延长喷油器使用寿命。

图4 高压共轨多次喷射示意图

图5 试验用高压共轨喷射示意图

3 高压共轨柴油机冷起动试验

冷起动是指环境温度在零下几度到零下几十度，发动机距离上次关机已有一段时间，其内部温度与环境温度保持一致情况下开始起动，其性能评价指标主要有起动时间、转速波动范围、排放性、转速稳定时间等。文中以某非道路用国产高压共轨系统柴油机为研究对象，该发动机与国产某共轨ECU匹配过程中，常温下工作良好，在-20°冷起动过程中出现起动后超过10 s转速异常波动并伴有白烟的现象。为解决该问题，作者通过开展冷起动试验研究：图6所示为冷起动试验台架示意图，用INCA数据采集系统，监测记录其冷起动过程，分析所记录的数据，找到进行优化的方向；然后用标定程序，优化相关控制参数，使其冷起动性能得到相应改善。

图6 冷起动试验台架示意图

(1)试验对象

试验对象为高压共轨柴油机、高压共轨ECU。

(2)试验要求

对高压共轨ECU进行标定，使高压共轨柴油机在0、-5、-15、-20 ℃下能成功快速起动，怠速平稳，并且起动过程中无可见烟。

(3)试验现象

根据以往的冷起动标定经验，首先对高压共轨ECU进行油量和提前角标定。试验中发现在-20 ℃下发动机可以正常点火起动，然而存在起动后转速不稳、抖动、冒烟等问题，试验结果如图7所示。

图7 国产高压共轨系统-20 ℃冷起动转速随时间变化曲线

通过对冷起动算法和同类发动机标定数据进行仔细分析，排除了控制算法和标定不当引起的问题。因此把问题关键点放在共轨系统硬件上，并制定分步验证实施方案：(1)采用自主的高压共轨ECU带国外高压共轨系统的同款发动机,并更改喷油器的ET参数。在相同标定数据下，冷起动后发动机抖动和烟度问题有很大改善，发动机转速如图8所示。因此初步断定是自主高压共轨系统出现问题。(2)为了进一步验证喷油器对冷起动性能的影响，仅将国产高压共轨系统中的喷油器换成国外喷油器进行试验，发动机转速如图9所示，冷起动后转速波动同样得到极大地改善。

图8 更换国外高压共轨系统-20 ℃冷起动转速随时间变化曲线

图9 更换国外喷油器-20 ℃冷起动转速随时间变化曲线

3.1 现象分析及改善措施

由于使用国产高压共轨喷油器导致低温下起动时出现发动机抖动、转速不稳、烟度大问题，常温下工作良好，由此推测国产喷油器低温下工作性能差，通过更换喷油器已得到论证。由于预喷阶段喷油脉宽较短，国产喷油器的这种性能对预喷的影响尤为明显，因此低温下预喷基本失去作用，燃烧效果不好。为了弥补国产喷油器低温下小预喷油量喷不出来的问题，可以通过标定随水温变化的预喷油量修正油量来补偿。经过多次冷起动试验标定起动预喷油量修正油量，发现起动总循环喷油量不变，将两次预喷中每次预喷射油量由4～5 mg增加到8～9 mg，即可改善国产高压共轨柴油机冷起动转速不稳和烟度大问题。图10—图13为INCA中MAP图标定界面。图10为起动初始循环喷油量MAP，它根据冷却水温和大气压力查表得到(目前大气压力没有标定)。图11为预喷1油量修正MAP，图12为预喷1油量水温修正系数曲线，图13为预喷1基础油量MAP。冷起动时，预喷1油量由预喷1油量修正与其水温修正系数乘积加上基础油量，预喷2油量同理得到，起动过程中主喷油量由起动初始油量减去两次预喷油量。起动结束后，循环喷油量由低怠速控制模块扭矩油量转换MAP得到，在冷起动试验前标定。

图10 起动初始循环喷油量MAP

图11 预喷1油量修正MAP

图12 预喷1油量水温修正系数曲线

图13 预喷1基础油量MAP

3.2 增加预喷油量后试验结果

通过计算机控制依次将发动机所在冷库环境温度调低至0、-5、-10、-15、-20 ℃进行冷却，8 h后用INCA监测发动机水温是否达到预定温度，达到预定温度左右时开始记录数据并点火启动发动机，试验情况如下。

图14所示为0.4 ℃启动发动机转速随时间变化曲线。由图可知，0.4 ℃启动，0.7 s启动成功，发动机转速波动范围为±5 r/min，无可见烟，说明在0 ℃下发动机能顺利启动且燃烧和排放性良好。

图14 0.4 ℃启动发动机转速随时间变化曲线

图15所示为-6.8 ℃启动发动机转速随时间变化曲线。由图可知，-6.8 ℃启动，1.1 s启动成功，发动机转速波动范围为±5 r/min，无可见烟。

图15 -6.8 ℃启动发动机转速随时间变化曲线

图16所示为-10.8 ℃启动发动机转速随时间变化曲线。由图可知，-10.8 ℃启动，1.2 s启动成功，无可见烟。

图16 -10.8 ℃启动发动机转速随时间变化曲线

图17所示为-14.7 ℃启动发动机转速随时间变化曲线。由图可知， -14.7 ℃冷启动，1.3 s启动成功，发动机转速波动范围为±10 r/min，无可见烟。

图17 -14.7 ℃启动发动机转速随时间变化曲线

图18所示为 -22.2 ℃启动发动机转速随时间变化曲线。由图可知，-22.2 ℃冷启动，2.6 s启动成功，启动阶段有几秒转速不稳，8 s左右稳定下来，发动机转速波动范围为±10 r/min，有白色可见烟，启动依旧顺利，但是随着温度的上升，排放性比之前稍差。

图18 -22.2 ℃启动发动机转速随时间变化曲线

冷起动和自由加速过程中不同转速下平均烟度如图19所示。

图19 冷起动和自由加速过程中不同转速下平均烟度

通过台架上自带的烟度记录装置，图19所示为低温下起动和自由加速过程平均烟度记录情况，将预喷油量增加到8～9 mg排放性有极大改善，进一步证明低温下增加预喷油量可改善燃烧。

4 结论

详细介绍了国产高压共轨系统的原理和现状，通过冷起动试验说明了在恶劣环境下国产高压共轨系统存在的不足，通过对比试验，对性能差异进行了分析推测，并通过标定增加预喷油量和试验使推测得到验证，最终使国产高压共轨柴油机冷起动性能得到改善。不足之处是为改善冷启动性能，因精力有限预喷提前角、主喷提前角的优化尚未涉及。