ISAD柴油機(jī)常溫啟動(dòng)工況的控制仿真及試驗(yàn)研究

魏長(zhǎng)河 王 忠 唐 廷 黃成海

1.江蘇大學(xué),鎮(zhèn)江,212013 2.一汽解放汽車有限公司無錫柴油機(jī)分公司,無錫,214026

0 引言

汽車動(dòng)力-發(fā)電-啟動(dòng)-阻尼集成系統(tǒng)ISAD(integrated starter alternator damper)是一種集成一體化啟動(dòng)/發(fā)電機(jī)的輕度混合動(dòng)力技術(shù)[1],它在原有柴油機(jī)的基礎(chǔ)上不作較大改動(dòng),僅在柴油機(jī)和離合器之間配置既可作為發(fā)電機(jī)又可作為電動(dòng)機(jī)工作的盤式電機(jī) ISG(integrated starter generator)以取代傳統(tǒng)飛輪,實(shí)現(xiàn)“油+電”的混合動(dòng)力功能。

啟動(dòng)工況涉及柴油機(jī)的動(dòng)力性和排放性,啟動(dòng)過程是柴油機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)到運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的過渡過程,其實(shí)際維持時(shí)間很短,在這段時(shí)間內(nèi),經(jīng)歷了柴油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的巨大改變,為滿足柴油機(jī)啟動(dòng)過程中的各種需求,必須在快速的工況變化中調(diào)整控制參數(shù)[2]。

目前,國(guó)內(nèi)已開展了混合動(dòng)力啟動(dòng)工況的研究工作：重慶大學(xué)對(duì)混合動(dòng)力汽油機(jī)的啟動(dòng)工況進(jìn)行了研究[3];南京航空航天大學(xué)針對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)性能進(jìn)行了理論與試驗(yàn)研究[4];同濟(jì)大學(xué)對(duì)一種并聯(lián)式的混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)過程進(jìn)行了分析[5]。但關(guān)于混合動(dòng)力柴油機(jī),尤其是采用高性能永磁同步直流無刷電機(jī)的混合動(dòng)力柴油機(jī)啟動(dòng)工況的研究,國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)介紹不多。

本文根據(jù)ISAD混合動(dòng)力柴油機(jī)的啟動(dòng)工況,結(jié)合控制策略,建立了柴油機(jī)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩和ISG電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。對(duì)ISG電機(jī)拖動(dòng)柴油機(jī)的啟動(dòng)過程進(jìn)行模塊化控制仿真,確定了ISG電機(jī)的關(guān)鍵參數(shù),并通過ISAD柴油機(jī)常溫(18℃)啟動(dòng)臺(tái)架試驗(yàn),驗(yàn)證了仿真結(jié)果,分析了柴油機(jī)從首次著火轉(zhuǎn)速到怠速這一過程中的電機(jī)功率和轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系,以及柴油機(jī)與ISG電機(jī)的匹配關(guān)系。

1 ISAD柴油機(jī)啟動(dòng)工況的控制分析

傳統(tǒng)的柴油機(jī)啟動(dòng)時(shí),由直流電機(jī)(啟動(dòng)機(jī))產(chǎn)生動(dòng)力,經(jīng)啟動(dòng)齒輪傳遞給飛輪齒圈,帶動(dòng)飛輪、曲軸轉(zhuǎn)動(dòng),直至達(dá)到怠速或設(shè)定轉(zhuǎn)速。

采用ISAD技術(shù)的柴油機(jī)取消了啟動(dòng)機(jī),ISG電機(jī)直接連接柴油機(jī)曲軸,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 車用ISAD系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

ISAD柴油機(jī)啟動(dòng)可分為從靜止?fàn)顟B(tài)到著火轉(zhuǎn)速和從首次著火轉(zhuǎn)速到怠速兩個(gè)階段。啟動(dòng)時(shí),ISG電機(jī)提供啟動(dòng)力矩,通過轉(zhuǎn)子帶動(dòng)曲軸,在很短時(shí)間內(nèi)使柴油機(jī)達(dá)到遠(yuǎn)高于原著火轉(zhuǎn)速的目標(biāo)轉(zhuǎn)速。柴油機(jī)著火后,ISG電機(jī)繼續(xù)拖動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn),迅速使柴油機(jī)達(dá)到怠速。ISAD柴油機(jī)啟動(dòng)時(shí)間短,轉(zhuǎn)速響應(yīng)快,且啟動(dòng)過程中轉(zhuǎn)速過渡較為平滑,有利于提高啟動(dòng)工況下的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性,并改善排放性能。

啟動(dòng)控制中,ISAD柴油機(jī)的集成控制器(ECU)首先檢查蓄電池容量(SOC)和柴油機(jī)冷卻水溫度,滿足條件時(shí),采用穩(wěn)態(tài)啟動(dòng)模式。ECU根據(jù)當(dāng)前柴油機(jī)冷卻水溫度和蓄電池SOC,通過三維MAP圖得到柴油機(jī)的著火轉(zhuǎn)速值。以調(diào)速控制模式控制ISG電機(jī),ECU通過CAN總線給ISG電機(jī)發(fā)送目標(biāo)著火轉(zhuǎn)速信號(hào),如果電機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)]有達(dá)到該轉(zhuǎn)速,則啟動(dòng)失敗,發(fā)送故障代碼反饋給ECU,ECU根據(jù)故障代碼作出相應(yīng)調(diào)整,重新啟動(dòng)ISAD柴油機(jī);如果轉(zhuǎn)速達(dá)到著火轉(zhuǎn)速,則ISAD柴油機(jī)著火啟動(dòng)。ISAD柴油機(jī)的穩(wěn)定啟動(dòng)模式的特點(diǎn)是：著火轉(zhuǎn)速不再是原來的180～220r/min,而是通過設(shè)定大幅度提高著火轉(zhuǎn)速(可達(dá)350r/min以上)。ISAD柴油機(jī)著火成功后,ISG電機(jī)變?yōu)檗D(zhuǎn)矩控制模式,由柴油機(jī)和ISG電機(jī)共同提供驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩,利用電機(jī)的轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償功能優(yōu)化柴油機(jī)的動(dòng)力特性。柴油機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到怠速后進(jìn)入怠速工況。

當(dāng)柴油機(jī)冷卻水溫較低或者蓄電池SOC過少,不足以維持一次正常的啟動(dòng)過程時(shí),則采用非穩(wěn)態(tài)啟動(dòng)模式。在非穩(wěn)態(tài)啟動(dòng)過程中,ISG電機(jī)采用轉(zhuǎn)矩控制模式,如果ISG電機(jī)經(jīng)過設(shè)定時(shí)間后沒有達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速,則啟動(dòng)失敗,向ECU發(fā)送電機(jī)啟動(dòng)失敗的信息,ECU保存啟動(dòng)失敗的故障信息;如果ISG電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速,則ECU按照啟動(dòng)MAP中各個(gè)工況點(diǎn)進(jìn)行控制,同時(shí)檢驗(yàn)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速是否達(dá)到了啟動(dòng)目標(biāo)轉(zhuǎn)速,如果達(dá)到了啟動(dòng)目標(biāo)轉(zhuǎn)速,則向ECU發(fā)送啟動(dòng)成功信號(hào),ISG電機(jī)接收到啟動(dòng)成功信號(hào)后變?yōu)榘l(fā)電機(jī)工作模式,ISAD柴油機(jī)進(jìn)入怠速暖機(jī)充電工況;如果柴油機(jī)沒有達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速,則ECU向 ISG電機(jī)發(fā)出啟動(dòng)失敗信號(hào),電機(jī)調(diào)整轉(zhuǎn)速,重新啟動(dòng)柴油機(jī)。

特殊工況,如汽車在一定車速下空擋滑行,ISAD柴油機(jī)處于熄火狀態(tài),當(dāng)重新掛擋加油門時(shí),離合器接合,ISG電機(jī)先將柴油機(jī)拖轉(zhuǎn)到一定轉(zhuǎn)速,柴油機(jī)重新恢復(fù)著火,ISG電機(jī)助力拖動(dòng)啟動(dòng)。在助力拖動(dòng)啟動(dòng)過程中,ECU根據(jù)當(dāng)前的車速、蓄電池SOC、擋位信號(hào)和冷卻水溫度確定ISG電機(jī)的助力補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩,以降低柴油機(jī)啟動(dòng)過程對(duì)整車的沖擊。ECU發(fā)送拖動(dòng)啟動(dòng)模式指令以及ISG電機(jī)所需提供的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩值,柴油機(jī)著火啟動(dòng)后,ECU對(duì)ISAD柴油機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行判斷,如果轉(zhuǎn)速達(dá)到了目標(biāo)轉(zhuǎn)速,則判定ISAD柴油機(jī)啟動(dòng)成功,ISG電機(jī)由轉(zhuǎn)矩模式變?yōu)榭辙D(zhuǎn)模式;如果柴油機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)]有達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速,ECU向ISG電機(jī)發(fā)出啟動(dòng)失敗信號(hào),ISG電機(jī)調(diào)整轉(zhuǎn)速,重新啟動(dòng)柴油機(jī)。

2 SAD柴油機(jī)的仿真模型及計(jì)算

2.1 柴油機(jī)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩模型

柴油機(jī)采用基于動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩管理的動(dòng)力學(xué)模型,其數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 柴油機(jī)動(dòng)力學(xué)模型的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)

柴油機(jī)動(dòng)力學(xué)模型可以簡(jiǎn)化為由柴油機(jī)當(dāng)量和負(fù)載當(dāng)量所組成的一個(gè)當(dāng)量系統(tǒng),由達(dá)朗貝爾方程可得柴油機(jī)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩平衡方程為

式中,Ti為ISAD系統(tǒng)的指示轉(zhuǎn)矩,柴油機(jī)著火前即為ISG電機(jī)的電磁啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tm,柴油機(jī)啟動(dòng)著火后即為柴油機(jī)和ISG電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩之和;Tst為啟動(dòng)阻力矩;TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩;Jc為ISAD系統(tǒng)的當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣性矩;JL為負(fù)載的當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣性矩。

2.2 ISG電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

建模時(shí),ISG電機(jī)和電機(jī)控制器作為一個(gè)整體加以考慮。永磁同步直流電機(jī)的定子為三相繞組星形連接,控制器由功率主電路和主控板構(gòu)成,功率主控板由電機(jī)控制專用的DSP芯片及輔助電路和驅(qū)動(dòng)電路等組成,如圖3所示。

圖3 ISG電機(jī)等效電路

啟動(dòng)時(shí),ISG電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)工作,采用兩相導(dǎo)通六狀態(tài)的控制方式,任一時(shí)刻只有兩只不處于同一橋臂的功率開關(guān)管導(dǎo)通,開關(guān)管為脈寬調(diào)制(PWM)狀態(tài)。以功率開關(guān)管V1和V6導(dǎo)通的磁狀態(tài)為例,其工作回路為：蓄電池正極→V1→A相繞組→B相繞組→V6→蓄電池負(fù)極。忽略導(dǎo)通管的壓降,該回路的電壓方程為

式中,P為ISG電機(jī)功率;R為單相電阻;L為一相繞組等效電感;Ud為蓄電池電壓,Ud=UA-UB;UA、UB分別為A、B點(diǎn)的電壓;E為梯形波氣隙磁場(chǎng)波形平頂寬度大于120°時(shí)的相電勢(shì),E=(EA-EB)/2;EA、EB分別為A、B點(diǎn)所在相的相電動(dòng)勢(shì);iA、iB分別為A、B點(diǎn)所在導(dǎo)線上的電流;i0為t=0時(shí)的回路電流。

電機(jī)的電磁啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為

式中,ω為ISG電機(jī)的角速度;ρ為極對(duì)數(shù);L g為A、B點(diǎn)之間的等效電感;θ為ISG電機(jī)轉(zhuǎn)角。

對(duì)功率開關(guān)管V6進(jìn)行PWM控制就可控制電流的平均值,從而控制ISG電磁轉(zhuǎn)矩。其他5種情況下的磁狀態(tài)可同理分析。將6個(gè)磁狀態(tài)的電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行平均,即可得到ISG電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Tm。

ISG電機(jī)功率為

轉(zhuǎn)速n由ISG電機(jī)電壓U、電樞回路電阻Rarm、勵(lì)磁磁通 Φ決定[6]：

式中,Cr為電機(jī)的電勢(shì)常數(shù);Cm為轉(zhuǎn)矩常數(shù)。

在調(diào)速過程中,為使電機(jī)轉(zhuǎn)矩保持基本恒定,改變電機(jī)外加電壓為最佳方法。由式(5)可知,在T m一定時(shí),電機(jī)電壓U增大將導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)速n增大。因此,在電機(jī)調(diào)速中,維持電機(jī)的開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間不變,改變電機(jī)外加電壓的大小。

2.3 啟動(dòng)阻力矩

ISG電機(jī)拖動(dòng)柴油機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)開始轉(zhuǎn)動(dòng),必須克服啟動(dòng)阻力矩T st。忽略電磁影響,阻力矩主要包括摩擦阻力矩T f、壓縮阻力矩T c、慣性阻力矩 Tj,即

2.3.1 摩擦阻力矩Tf

摩擦阻力矩主要由潤(rùn)滑油在啟動(dòng)溫度下的黏度決定,其經(jīng)驗(yàn)公式為[7]

式中,Vh為單個(gè)氣缸工作容積;I為氣缸數(shù);τ為沖程數(shù);pf為潤(rùn)滑油的平均壓力。

本研究中的柴油機(jī)為CA6DF柴油機(jī),其常溫下p f的經(jīng)驗(yàn)公式為

式中,γ為潤(rùn)滑油的運(yùn)動(dòng)黏度。

則18℃時(shí)摩擦阻力矩Tf=24.27N?m。

2.3.2 壓縮阻力矩T c

每缸的壓縮阻力矩可以通過曲柄所受的轉(zhuǎn)矩來計(jì)算,即T c=F a a。其中,F a為壓縮時(shí)曲柄上所受的切向阻力;a為曲柄長(zhǎng)度。

對(duì)于CA6DF柴油機(jī),其壓縮比ε=17,氣缸直徑D=110mm,沖程s=125mm,連桿長(zhǎng)度l=195mm,曲柄長(zhǎng)度 a=62.5mm,初始?jí)毫0=0.12MPa,絕熱指數(shù) k取1.4。

柴油機(jī)壓縮過程為絕熱壓縮過程,不同活塞位置下的缸內(nèi)壓力為

式中,x1為活塞頂?shù)綒飧醉數(shù)木嚯x;Vk為活塞頂凹坑的容積;V0為氣缸的最大容積。

由動(dòng)力學(xué)可知

式中,A為活塞面積;β為連桿與曲柄的夾角;α為連桿與活塞法線方向的夾角。

2.3.3 慣性阻力矩T j

慣性阻力矩是柴油機(jī)在啟動(dòng)時(shí)間tst內(nèi)從靜止?fàn)顟B(tài)加速到啟動(dòng)轉(zhuǎn)速n st所克服的慣性力矩,其計(jì)算公式為

對(duì)于CA6DF柴油機(jī),由于原飛輪被ISG所代替,經(jīng)測(cè)量取J c=1.5J f(J f為原飛輪的慣性矩);t st=0.4s,J f=1.38kg?m2,則 T j=73.08N?m。2.3.4 啟動(dòng)總阻力矩T st

對(duì)6缸的壓縮阻力矩進(jìn)行疊加,再加上摩擦阻力矩和慣性阻力矩,得到啟動(dòng)總阻力矩為

啟動(dòng)阻力矩T st與曲軸轉(zhuǎn)角φ的關(guān)系曲線,如圖4所示。

圖4 柴油機(jī)總啟動(dòng)阻力矩

3 啟動(dòng)工況的控制仿真

3.1 啟動(dòng)工況的模塊化控制

ISAD柴油機(jī)穩(wěn)態(tài)模式啟動(dòng)時(shí),ECU控制系統(tǒng)進(jìn)入啟動(dòng)模塊工作,蓄電池向ISG電機(jī)供電,通過轉(zhuǎn)換開關(guān)控制ISG電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)工作,帶動(dòng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),并迅速調(diào)節(jié)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速同步。ECU根據(jù)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速,通過閉環(huán)控制調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)電流,改變電動(dòng)機(jī)輸出功率[8]。柴油機(jī)著火后,ISG電機(jī)繼續(xù)工作,直至達(dá)到怠速。當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速高于700r/min怠速時(shí)跳出啟動(dòng)模塊。

3.2 常溫啟動(dòng)仿真與分析

根據(jù)ISAD柴油機(jī)各部分模型,結(jié)合控制策略,利用MATLAB/Simulink軟件平臺(tái)[9],進(jìn)行常溫啟動(dòng)工況的仿真。

ISG電機(jī)可在較大的電流范圍內(nèi)工作,根據(jù)技術(shù)要求,對(duì)于CA6DF柴油機(jī),ISG需提供的平均啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為95N?m。選用不同的啟動(dòng)電流進(jìn)行了動(dòng)力性仿真,ISG電機(jī)動(dòng)力特性如表1所示。

在ISG電機(jī)的輔助啟動(dòng)過程中,啟動(dòng)電流越大,啟動(dòng)時(shí)間越短,但波動(dòng)性也越大[10]。為了保證啟動(dòng)的平穩(wěn)性,選用150～30A遞減的電機(jī)電流進(jìn)行啟動(dòng)仿真模擬,仿真結(jié)果如圖5所示。

表1 不同啟動(dòng)電流的動(dòng)力特性

圖5 啟動(dòng)仿真的ISG電機(jī)特性

開始時(shí),ISAD柴油機(jī)需要較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩,故選用較大的電流,ISG電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩達(dá)到102.5N?m。隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的逐漸增大,受慣性影響,所需轉(zhuǎn)矩減小,選用較小的電流驅(qū)動(dòng)電機(jī),通過仿真可以看出,350r/min時(shí)ISG電機(jī)的轉(zhuǎn)矩已降至82.8N?m。ISG電機(jī)的功率出現(xiàn)了先增后減的趨勢(shì)(圖 5),最大功率出現(xiàn)在140r/min時(shí),達(dá)到了5.27k W。接近著火轉(zhuǎn)速時(shí),為保證較小的波動(dòng)性,維持功率趨于穩(wěn)定。

著火啟動(dòng)后,ISG電機(jī)繼續(xù)提供輔助轉(zhuǎn)矩,使ISAD柴油機(jī)從著火轉(zhuǎn)速迅速到達(dá)怠速。根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo),選350r/min為首次著火轉(zhuǎn)速,700r/min為ISAD柴油機(jī)的怠速轉(zhuǎn)速,進(jìn)行動(dòng)力性仿真,仿真結(jié)果表2所示。

表2 首次著火到怠速運(yùn)轉(zhuǎn)的仿真特性

可以看出：著火時(shí),隨著柴油機(jī)啟動(dòng)成功開始輸出轉(zhuǎn)矩,ISG電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)銳減約25%。從首次著火轉(zhuǎn)速到怠速的過程中,隨著ISAD柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的上升,驅(qū)動(dòng)電流持續(xù)減小,ISG電機(jī)功率相應(yīng)地持續(xù)減小,通過仿真可以看出,在700r/min時(shí),ISG電機(jī)功率已衰減至1.5k W;柴油機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的升高而增大,ISG電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩相應(yīng)減小,通過控制電流逐漸降至穩(wěn)定工作電流從而實(shí)現(xiàn)ISG電機(jī)轉(zhuǎn)矩的卸載。

結(jié)合控制策略,通過Simulink模塊的仿真功能,模擬ISAD柴油機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)到怠速的啟動(dòng)過程。在ISG電機(jī)輔助作用下,0～350r/min的啟動(dòng)時(shí)間為 0.3s,0～700r/min的啟動(dòng)時(shí)間為2.9s。

4 常溫(18℃)啟動(dòng)臺(tái)架試驗(yàn)

選用無錫柴油機(jī)分公司CA6DF-19柴油機(jī)、蘭州環(huán)電科技有限責(zé)任公司的ISG-2直流無刷永磁同步電機(jī)、北京奧思源科技有限公司電機(jī)控制器、杭州中成自動(dòng)化控制技術(shù)有限公司CWF180電渦流測(cè)功機(jī)、美國(guó)SD公司DAQP-308發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)參數(shù)采集系統(tǒng)、德國(guó)DATALOG公司DASYlab5數(shù)據(jù)采集分析軟件及相關(guān)傳感器進(jìn)行常溫(18℃)啟動(dòng)臺(tái)架試驗(yàn)。

試驗(yàn)中,在柴油機(jī)不供油的情況下,采用36V、48V、60V的啟動(dòng)電壓,驅(qū)動(dòng)ISG 電機(jī)拖動(dòng)柴油機(jī),將其由靜止?fàn)顟B(tài)拖轉(zhuǎn)至穩(wěn)定轉(zhuǎn)速,試驗(yàn)測(cè)量蓄電池組電壓、ISAD柴油機(jī)啟動(dòng)時(shí)峰值轉(zhuǎn)速、穩(wěn)定轉(zhuǎn)速、ISG電機(jī)峰值電流、轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后的電流、輸入電壓、輸出電壓以及穩(wěn)定后的電壓,試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 常溫啟動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果

從表3可以看出,ISG電機(jī)采用36V、48V、60V的不同電壓拖轉(zhuǎn)啟動(dòng)ISAD柴油機(jī)時(shí),均可將ISAD柴油機(jī)拖轉(zhuǎn)至遠(yuǎn)高于原著火轉(zhuǎn)速的目標(biāo)轉(zhuǎn)速,且轉(zhuǎn)速可保持穩(wěn)定。

以36V電壓驅(qū)動(dòng)ISG電機(jī),柴油機(jī)供油,進(jìn)行常溫(18℃)ISAD柴油機(jī)啟動(dòng)試驗(yàn),ISG電機(jī)的轉(zhuǎn)矩及輸出功率隨轉(zhuǎn)速變化的試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 ISAD柴油機(jī)36V啟動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出,采用 36V電壓驅(qū)動(dòng)ISG電機(jī)來拖動(dòng)柴油機(jī),可以將ISAD柴油機(jī)拖至遠(yuǎn)高于原柴油機(jī)著火轉(zhuǎn)速的目標(biāo)轉(zhuǎn)速350r/min以上,峰值轉(zhuǎn)速為 362r/min,最后穩(wěn)定在 355r/min;轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后,蓄電池的電壓為36.1V,保持穩(wěn)定;在0～350r/min的啟動(dòng)過程中,ISG電機(jī)提供83.6～102.4N?m的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩,并隨著轉(zhuǎn)速的上升而減小;單相繞組的峰值電流達(dá)到142.9A,ISAD柴油機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后單相繞組的電流為72.5A;ISG電機(jī)的輸出功率呈先增后減的變化趨勢(shì),峰值功率5.17k W,出現(xiàn)在轉(zhuǎn)速為145r/min時(shí),試驗(yàn)與仿真結(jié)果相符。

圖7是ISAD柴油機(jī)仿真結(jié)果、試驗(yàn)結(jié)果和原柴油機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)速對(duì)比圖,原柴油機(jī)的著火轉(zhuǎn)速較低,為200r/min,從靜止?fàn)顟B(tài)到著火轉(zhuǎn)速的啟動(dòng)時(shí)間為0.7s;到達(dá)著火轉(zhuǎn)速后,柴油機(jī)嘗試著火啟動(dòng),3.9s后成功著火啟動(dòng),并迅速到達(dá)怠速700r/min;從著火轉(zhuǎn)速到怠速的啟動(dòng)過程中,轉(zhuǎn)速波動(dòng)較大,且啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng),靜止到怠速需要5.3s。采用ISAD技術(shù)的柴油機(jī),著火轉(zhuǎn)速提高到350r/min以上,0～350r/min的仿真啟動(dòng)時(shí)間只需0.3s,試驗(yàn)結(jié)果為0.4s;到達(dá)著火轉(zhuǎn)速后,ISAD柴油機(jī)能迅速著火啟動(dòng);著火成功后,ISG電機(jī)繼續(xù)提供輔助轉(zhuǎn)矩,將柴油機(jī)拖至怠速,并穩(wěn)定在700r/min,靜止?fàn)顟B(tài)到怠速穩(wěn)定的仿真時(shí)間為2.9s,試驗(yàn)結(jié)果為3.1s,且轉(zhuǎn)速波動(dòng)較小。

圖7 ISAD柴油機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)速曲線

根據(jù)圖7對(duì)比曲線可以看出,試驗(yàn)與仿真結(jié)果一致;與原有柴油機(jī)相比,ISAD柴油機(jī)著火轉(zhuǎn)速高、慣性力大、轉(zhuǎn)速響應(yīng)快,啟動(dòng)時(shí)間短,且啟動(dòng)過程中轉(zhuǎn)速過渡較為平滑,有利于提高啟動(dòng)工況下的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性,排放性能也大幅改善。

5 結(jié)論

(1)ISAD柴油機(jī)首次著火時(shí)的轉(zhuǎn)速較原柴油機(jī)大幅度提高,由200r/min提高至350r/min以上。柴油機(jī)慣性力增大,燃燒室混合氣溫度較高,柴油機(jī)更容易著火,排放性能、轉(zhuǎn)速響應(yīng)時(shí)間、過渡平滑性以及噪聲振動(dòng)特性也優(yōu)于傳統(tǒng)柴油機(jī)。

(2)啟動(dòng)時(shí),ISG電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)工作,拖動(dòng)ISAD柴油機(jī)啟動(dòng)。分別采用36V、48V、60V電壓進(jìn)行啟動(dòng)試驗(yàn),均可將ISAD柴油機(jī)拖至目標(biāo)轉(zhuǎn)速。

(3)以36V電壓驅(qū)動(dòng)ISG電機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)試驗(yàn),在0～350r/min的啟動(dòng)過程中,ISG電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)速的上升而減小,最大轉(zhuǎn)矩102.4N?m;啟動(dòng)繞組的線電流在30～150A范圍內(nèi)工作,穩(wěn)定電流72.5A;輸出功率呈先增后減的變化趨勢(shì),峰值功率為5.17kW。

(4)ISAD柴油機(jī)著火啟動(dòng)后,ISG電機(jī)繼續(xù)作為電動(dòng)機(jī)工作。隨著轉(zhuǎn)速上升,柴油機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩增大,ISG電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和功率相應(yīng)持續(xù)下降,在怠速 700r/min時(shí),ISG電機(jī)功率降至1.5k W,轉(zhuǎn)矩降至20.5N?m。

(5)與原柴油機(jī)比較,ISAD柴油機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間縮短,從靜止?fàn)顟B(tài)到著火的啟動(dòng)時(shí)間原機(jī)為0.7s,ISAD柴油機(jī)仿真結(jié)果為0.3s,試驗(yàn)結(jié)果為0.4s;從靜止?fàn)顟B(tài)到怠速的啟動(dòng)時(shí)間由5.3s縮短至2.9s,試驗(yàn)結(jié)果為3.1s,且啟動(dòng)過程中轉(zhuǎn)速波動(dòng)較小,試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果相吻合。

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