高压共轨柴油机起动控制曲轴与凸轮轴同步关系浅析

柯阳辉　何伟勤

【摘要】为了使静止的发动机进入怠速运转状态，必须先用外力拖动发动机曲轴，使活塞开始上下移动，使气缸内吸入可燃的混合气，并将它压缩、点燃，体积迅速膨胀产生强大的能量，从而使活塞运动并带动曲轴运转，发动机才能自动地进入工作循环本文正是通过理论和试验相结合的方法，在阅读有关文献的基础上，深入研究了高压共轨柴油机匹配的BOSCH共轨系统的起动控制策略，分别对同步信号、轨压信号和喷油时刻等进行控制策略的研究。

【关键词】高压共轨系统 轨压信号 喷油时刻

1、前言

为了满足苛刻的排放法规，同时人们对动力机械的需求越来越大，车辆和发动机降低排放、提高动力性、经济性和安全可靠性、减小振动和噪音、提高舒适性能等等也日益为人们所重视。虽然柴油机PM、NOx排放高于汽油机，但HC、CO比汽油机要少了很多，两者都是你消我长的关系。柴油机高压共轨喷射系统是在1995年，日本电装公司在世界上第一次批量生产柴油载货汽车上用电控共轨喷油系统，在1997年，德国博世公司实现了欧洲批量生产柴油乘用车电控共轨喷油系统。

2、柴油机电控技术的发展历程

目前世界上主要的大公司在研发和生产柴油机高压共轨系统，日本电装、德国博世（Bosch），意大利菲亚特集团，美国德尔福公司和美国福特。高压共轨系统是把产生压力的共轨管和喷射器分开，如果认为单体泵是柴油机喷射系统的一次革命的话，那么共轨系统可以说是逆袭了，因为它违背了柴油机原有的按顺序喷射的系统。所以高压共轨系统有降低发动机排放和降低噪音等优点。

随着我国的机动车辆日益增加，排放污染等问题也日益严重了。为了降低汽车尾气排放对自然环境的污染许多国外已在2005年實行了欧5的排放标准。而我国在2008年为庆祝奥运会，在北京已实行了相当于国外的欧5的排放水平。而目前国内生产的柴油发动机一般都是国三和国四的排放水平，国五的水平还在研究开发中。

3、柴油机起动过程的研究和发展现状

为了使静止的发动机进入怠速运转状态，必须先用外力拖动发动机曲轴，使活塞开始上下移动，使气缸内吸入可燃的混合气，并将它压缩、点燃，体积迅速膨胀产生强大的能量，从而使活塞运动并带动曲轴运转，发动机才能自动地进入工作循环。发动机的曲轴在外力作用下开始转动到发动机自动怠速运转的全过程，称为发动机的起动过程。发动机起动时必须克服气缸内被压缩气体的阻力和发动机本身的及其附件内相对运动的摩擦阻力，克服这些阻力所需的力矩称为起动转矩。

柴油机起动为了避免气缸漏气和热量浪费的多，必须保证气缸压缩终了时气缸内有一定的压力和一定的温度还要使共轨管中有足够的轨压建立足够的喷油压力，一般柴油机起动转速要求较高，要求起动转速达150～300r/min;不然的话会使燃油雾化不良，导致混合气混合质量不好，使发动机起动困难。柴油机起动过程一般可分为这几个阶段：①预动作阶段②起动阶段③稳定运转阶段④暖机阶段。

4、起动控制策略之曲轴与凸轮轴同步关系分析

高压共轨发动机采用电磁式的曲轴位置传感器，其信号波形类似于正弦波，如图中的上面红色波形，而下面绿色波形是霍尔式凸轮轴位置传感器的信号方波。试验发动机中曲轴位置信号是利用60-2个凸齿信号采集取样的，它是上升沿触发，缺齿位置表现为波形由负过零点再向正。飞轮的转动将在传感器中产生磁变动，这样就产生了交流电压，它的频率是由转速决定的，但转速与空隙间隙决定着它的电压幅值。空气间隙和齿的尺寸是决定信号幅值的重要因素。当电控单元某两个下降沿之间的距离大于两个齿间距，曲轴上止点缺齿信号即被发现。曲轴每转一圈，系统就会收到一个曲轴上止点缺齿信号，并根据这个信号与曲轴位置保持“同步”，进而确保系统能够正确地控制喷油和正时。

如失去曲轴位置传感器信号或凸轮轴位置信号起动发动机，高压共轨发动机将无法识别气缸，ECU内部计数器发生“溢出”现象，喷油器得不到触发信号，此时起动失败。在测试系统台架上搭建①曲轴位置信号和②凸轮轴位置信号的波形采集，试验结果如图1所示

5、总结

高压共轨燃油喷射系统是柴油机电控的未来发展方向之一，它在各个方面都比常规柴油机具有优势。在柴油机起动方面，常规柴油机存在着起动困难，排放恶劣等问题，高压共轨电控燃油喷射系统喷射过程和柴油机起动过程的控制策略，分析和研究了喷射量、喷射压力和燃油喷射。

高压共轨发动机起动过程中，喷油器能够开始喷油必须同时满足的必要条件有：a.发动机转速不低于200r/min; b.共轨压力要超过250bar;c.曲轴与凸轮轴信号要同步;d.曲轴信号应大于2.5v的电压。

参考文献：

[1]柴油发动机管理系统 王文胜 主编  机械工业出版社 2009.08

[2]梁金广. 电控CA498Z 柴油机冷起动的研究[D]. 吉林大学硕士学位论文.（200606）.

[3]汽车电喷发动机常见故障诊断与分析 嵇伟、刘丹丹、刘惠 著编 北京：机械工业出版社 3013.5