高壓共軌系統噴油量波動補償控制的研究

蔡勝年，林啟明，徐承韜

(沈陽化工大學信息工程學院，遼寧沈陽 110142)

高壓共軌系統噴油量波動補償控制的研究

蔡勝年，林啟明，徐承韜

(沈陽化工大學信息工程學院，遼寧沈陽 110142)

在分析高壓共軌電磁式噴油器多次噴射油量特點的基礎上，給出了通過調節主噴電流持續時間來調整主噴脈沖寬度進而補償主噴油量波動的方法。使用AMESim仿真軟件對噴油器進行仿真分析，得到主噴油量隨主預間隔時間變化規律，確定了對應于不同間隔時間的主噴油量與目標噴油量的差值；建立了主噴油量與主噴電流持續時間的關系模型，根據誤差值確定主噴電流持續時間；基于MATLAB Simulink仿真軟件對主噴油量波動進行函數擬合從而得到持續時間誤差，在ECU外圍進行補償，達到了波動補償的效果。

高壓共軌；噴油量；波動補償；仿真

0 引言

全球變暖和空氣污染等問題越發嚴峻，各國對汽車尾氣排放標準的要求也日益嚴格，而對柴油機的排放要求尤為突出，采用高壓共軌電控技術改善燃燒過程是解決上述問題的根本途徑[1]。有害物質的排放量與燃燒效果有著直接的關系，增高油壓、增加噴油次數、提高每循環噴油量控制精度等方法可以改善燃燒效果，降低有害物質的排放。為了實現更靈活的多次噴射、更高的噴射壓力,要求噴射系統能夠靈活調整兩次噴射的間隔時間。在噴油器進行多次噴射的過程中，前一次噴射結束時針閥落座產生振蕩現象，導致壓力的波動，壓力波在共軌與針閥之間往復傳播引起下一次噴射噴油量的波動，主要體現在預噴油量對主噴油量波動的影響上，當噴油間隔時間發生改變時噴油量波動規律也隨之改變。每循環噴油量直接影響有害物質的排放及發動機輸出功率，噴油量偏大會導致燃燒不完全、冒黑煙等現象，噴油量偏小會導致發動機動力不足。

通過對噴油器系統進行建模與仿真，得到主噴油量隨主預間隔時間變化的波動規律，并以單次噴射噴油量為基準，建立噴油量與主噴電流持續時間的關系，得到對應的目標電流持續時間，通過調節該持續時間調節主噴油量，達到補償效果。

1 噴油器工作原理

高壓共軌系統用噴油器原理如圖1所示，當電磁閥線圈中沒有電流流過時，控制腔與蓄壓腔壓力均等于軌壓，此時控制活塞表面所受壓力與彈簧彈力之和大于針閥下表面所受壓力，針閥落座，回油孔關閉，即為靜止狀態；當電磁閥通電后，且電磁力大于彈簧力時，球閥開啟，回油孔開啟，燃油從控制室流出回到油箱，控制室壓力下降，則控制活塞上表面壓力降低，當其與彈簧力之和小于針閥下表面所受壓力時，針閥開啟，噴油開始，即噴油始點；當電磁閥關閉時，回油孔關閉，控制室迅速建立高壓，針閥落座[4]。

1.1 電磁閥模型

電磁閥是噴油器中直接與控制電路相連的部件，其模型主要有運動模型、電壓方程以及電磁力計算等內容。

在不考慮摩擦以及穩態液動力等情況下，運動模型為：

(1)

(2)

式中：m為閥芯總質量(kg)；x為鐵芯位移(m)；B1為黏性阻尼系數(N·s/m)；B為氣隙磁感應強度(T)；Fe為電磁力(N)；μ0為空氣導磁率(H/m)；S為氣隙導磁面積(m2)；Ft為彈簧預緊力(N)；k為彈簧阻尼系數(m·N/s)。

考慮動鐵在運動過程中產生的運動電動勢，電壓模型為:

(3)

式中:U為開關閥激勵電壓(V)；i為流經線圈的電流(A)；Rc為線圈總電阻(Ω)；Lc為線圈動態等效電感(H)。

1.2 容積腔模型

根據容積腔內流量守恒與連續性原理可知：

(4)

(5)

(6)

式中：Qin為容積腔進口流量(mg)；Qout為容積腔出口流量(mg)；Ql為泄漏流量(mg)；Vb為容積腔容積(cm3)；pb為容積腔壓力(Pa)；E為燃油體積彈性模量(Pa)；η為階躍函數；μin和μout分別為進、出口流量系數；din和dout分別為容積腔進、出口直徑(mm)；pr為軌壓；pc為背壓；ρ為燃油密度(kg/m3)。

1.3 針閥運動模型

根據牛頓第二定律得：

(7)

式中：h為針閥行程(mm)；mz為針閥組件質量(kg)；Fy為壓力室燃油壓力(N)；Fz為針閥座處燃油壓力(N)；Fs為盛油槍燃油壓力(N)；Fk為針閥彈簧作用力(N)；Fc為控制腔燃油壓力(N)；c為針閥的阻尼系數。

1.4 噴油器的AMESim模型

如圖2根據數學模型進行AMESim多物理量仿真，采用批處理方式對噴油量波動進行計算[3]。

2 仿真結果分析

取預設軌壓為100 MPa，控制腔體積為0.015 cm3，容積腔體積為0.01 cm3,各處流量系數為0.7，噴油間隔時間近似為前次電流結束到后一次電流開啟時間[2]。

2.1 目標噴油量與驅動電流關系

噴油器在噴射過程中，以單次主噴為基準，不考慮預噴對主噴的影響，主噴持續時間設定為0.7 ms。

電磁閥完全開啟不會立即產生流量，需要達到針閥組件開啟所需的壓力差，電磁閥關閉流量還會持續一段時間，如圖3所示。當電磁閥處于維持電流且針閥處于完全開啟狀態時，噴油量隨維持電流持續時間均勻增加。

2.2 主噴油量上升速率的確定

當主噴脈寬改變時，噴射油量隨時間上升速率不變，總噴油量變化部分與時間呈線性關系，如圖4所示，且維持電流在某一階段，如圖5所示。由于軌壓近似恒定不變，故噴油量上升速率恒定：

Δm=k·Δt

(8)

式中：Δm為噴油量增加量；Δt為對應的時間變化量；k為噴油量上升速率，此工況下k=20.738 45 mg/ms。

2.3 主噴油量波動與主預間隔時間關系

根據ECU發出的噴油脈寬信號，以單次噴射為噴油基準、主噴目標噴油量為16.96 mg，隨著主預間隔時間變化，主噴油量呈周期性波動，如圖6所示。

3 噴油量的補償

根據圖6所示主噴油量波動呈周期性波動且振幅逐漸減小，將誤差值作為目標，利用MATLAB進行曲線擬合，從而得到不同間隔時間對應的誤差值，計算補償后的主噴脈寬，達到補償目的。

3.1 噴油量誤差曲線

擬合后曲線如圖7所示，表達式為：

f(x)=a1·sin(b1·x+c1)+a2·sin(b2·x+c2)+a3·sin(b3·x+c3)+a4·sin(b4·x+c4)

其中：f(x)為噴油量誤差值。

補償前主噴誤差擬合曲線見圖7。

3.2 補償控制系統構成

因為水擊壓力波動的周期與噴油器尺寸有關，當噴油器尺寸確定后其波動周期計算式為[5]：

(9)

其中：a為壓力波傳播速度，l為壓力波的傳播長度，包括共軌與噴油器之間高壓管長度及接頭與針閥座之間的長度。當軌壓改變時，水擊壓力波的周期不變，故噴油量波動的周期不發生改變，而幅值隨軌壓變化。補償邏輯圖如圖8所示。

3.3 噴油量補償效果

根據擬合曲線計算補償后噴油脈寬，補償后主噴油量仿真結果如圖9所示，對比圖6，噴油量波動明顯減小，補償效果明顯。補償前最大誤差值為2.26 mg，補償后最大誤差值為0.62 mg，波動誤差下降了72.6%。當工況改變時，由于噴油量是噴油率積分的結果，根據目標噴油率的增加倍數可以確定該工況下的補償量。

4 結論

高壓共軌噴油器進行多次噴射的過程中，預噴射對主噴射有著明顯影響，主噴油量隨主預間隔時間的變化呈周期性波動，且振幅不斷衰減。為提高燃油噴射精度，減少有害物質排放量，使用AMESim批處理計算，對結果進行曲線擬合，根據擬合結果確定準確的主噴脈寬，主噴油量誤差明顯減小。相比以往通過優化噴油器結構參數的方法，僅從控制角度在ECU以外進行修正，具有效率高、無需改變已有設備的優點。

【1】李萌，張振東，郭輝，等.高壓共軌噴油系統改善柴油機排放性能的分析[J].上海理工大學學報，2004,26(4):336-339.

【2】蘇海峰,張幽彤,羅旭,等.高壓共軌系統水擊壓力波動現象試驗[J].內燃機學報，2011(2):163-168.

【3】付永領，祁曉野.LMS lmagine.Lab AMESim系統建模和仿真[M].北京:北京航空航天大學出版社,2011.

【4】徐家龍.柴油機電控噴油技術[M].2版.北京:人民交通出版社，2011.

【5】蔡亦鋼.流體傳輸管道動力學[M].杭州:浙江大學出版社，1990.

InvestigationonCompensationoftheFuelInjectionQuantityFluctuationoftheHighPressureCommonRailSystem

CAI Shengnian, LIN Qiming, XU Chengtao

(College of Information Engineering,Shenyang University of Chemical Technology,Shenyang Liaoning 110142,china)

Based on analyzing jet fuel characteristics of high pressure common rail solenoid injector many times,an approach was given by adjusting the main jet current duration to adjust pulse width so as to compensate fluctuations of the main jet quantity. AMESIM simulation software was used to simulate injector, variation of the main injection quantity with pre-interval was gotten, difference between main injection quantity and goal corresponding to different intervals was gotten; the relational model between main jet quantity and the main jet current duration was established, and main jet current duration was determined based on the error value. MATLAB Simulink simulation software was used to fit the main injection quantity fluctuations so as to get the duration error. The error was compensated out of ECU, and the compensation effect was reached.

High pressure common rail；Fuel injection quantity；Fluctuation compensation; Simulation

2015-01-16

蔡勝年(1957—)，男，博士，從事電磁閥及電磁鐵的開發與應用工作。E-mail：cai570707@126.com。