高壓共軌燃油系統軌壓信號處理實驗研究

吳哲，陳永艷（內蒙古工業大學能源與動力工程學院，內蒙古 呼和浩特 010051）

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高壓共軌燃油系統軌壓信號處理實驗研究

吳哲，陳永艷
（內蒙古工業大學能源與動力工程學院，內蒙古 呼和浩特 010051）

摘要：電控高壓共軌燃油噴射系統通過各種傳感器檢測出發動機的實際運行狀況，由計算機計算處理，可以精確地對柴油機噴射進行控制，利用實驗測試和快速傅里葉變換的方法，探討了BOSCH CR高壓共軌燃油系統在不同負荷下軌壓波動的頻率特性。結果表明，軌壓波動包含高頻和低頻波動兩種，高頻波動來源于噴油和軌內高壓燃油的壓力振蕩，該高頻振蕩不能通過流量計量單元的控制來消除；低頻壓力波動主要來源于油泵的泵油，是壓力波的主要成分，也是控制系統的調節對象。通過對軌壓進行一階低通濾波處理，濾除了頻率350Hz以上高頻無用信息，獲得了可以用來做軌壓控制的壓力信號。

關鍵詞：高壓共軌燃油系統；壓力波動；信號處理

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.05.004

CLC NO.: U464.22Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016) 05-78-03

前言

電控高壓共軌燃油噴射系統通過各種傳感器檢測出發動機的實際運行狀況，由計算機計算和處理，可以精確、柔性地控制柴油機噴油量、噴油定時和噴射壓力，與傳統的噴射技術相比，進一步降低了燃油消耗和排放，增強了動力性能，實現了柴油機綜合性能的飛躍[1]。對于共軌技術來說，軌壓的控制是該技術的核心，其控制策略的好壞，直接影響著燃油噴射的精確性和排放特性[2]。為了對軌壓進行控制，很多學者將軌壓控制過程劃分為多個工況[3]，采用開環和閉環結合的方式進行計算，并采用智能算法對PID控制參數進行標定[4,5,6]。

高壓共軌的軌壓在實際情況中會受到燃油噴射、發動機轉速[7]以及水擊壓力波動[8]的變化等因素的影響，因此對軌壓進行控制的過程中，采集到的軌壓信號中的軌壓波動可以視為不同壓力波的組合,需要基于壓力波分量的觀點來分析高壓共軌燃油系統內的軌壓波動的特性和變化規律[9]。本文在實驗的基礎上，對高壓共軌油軌內的壓力特性進行分析，得出軌壓波動包含高頻和低頻波動兩種，且低頻壓力波動是壓力波的主要成分，也是控制系統的調節對象。并通過軟件濾波的方法，對高頻信息進行濾除，得到更加準確的軌壓信息，進而可以對軌壓精確控制。

1、實驗系統

本文采用的實驗系統以WP12匹配的BOSCH高壓共軌燃油系統為試驗對象，實驗原理如圖1所示。試驗在標準油泵實驗臺上完成，控制采用濰柴電控專項前期開發的控制原型(Dspace/MicroAutoBox)。

圖1　實驗系統原理圖

實驗中在高壓油管上靠近噴油器端安裝Kistler瞬態壓力傳感器。采用Devtron瞬態測量軟件測量瞬態壓力。Devtron瞬態測量軟件獲得的試驗數據采集周期為10us，可以使得系統中頻率50k范圍以內的信號信息實現無失真傳輸。

2、軌壓波動來源分析

2.1不同轉速、循環噴油量及軌壓下的噴油壓力規律實驗

在標準油泵實驗臺上，采用Devtron瞬態采集軟件測量高壓油管上壓力傳感器的瞬態壓力信號。實驗過程中，使用閉環控制軌壓。

圖2(a)、(b)分別是在油泵轉速為425r/min，循環噴油量為40mg，軌壓設定為600bar與油泵轉速950r/min，循環噴油量為230mg，軌壓設定為1600bar條件下的噴油壓力實驗結果。

（a） 轉速425r/min，油量40mg，軌壓600bar

圖2　不同工況下噴油壓力波動實驗

2.2試驗結果分析

2.2.1噴油壓力波動特性分析

從圖2(a)、(b)中軌壓的瞬態特性可以看出噴油壓力波動包含了噴嘴噴射、調節閥控制以及柱塞泵泵油的壓力波動信息。可見油軌上的壓力信息包含了很多瞬態高頻信息，主要是噴油、柱塞泵開始泵油以及IMV閥調整時導致的瞬態壓力波動，這些波動周期在2ms左右，屬于高頻波動。由于油泵產生的軌壓變化屬于低頻，因此不能通過油泵的控制予以實時消除，只能通過噴油器和油管的機械結構設計予以改善。在進行軌壓控制時，為了防止過調節，軌壓信息必須將高頻的軌壓波動濾除。

2.2.2油軌壓力波動來源分析

圖3(a)、(b)分別是圖2(a)、(b)中油泵轉速425r/min，循環噴油量40mg，軌壓600bar工況下和油泵轉速950r/min，循環噴油量230mg，軌壓1600bar工況下對應的頻域結果。

圖3　不同工況下油軌壓力波動實驗對應的頻域結果

從圖3(a)、(b)中可以看出，油軌壓力包含油泵引起的低頻波動和噴油引起的高頻波動以及燃油在軌內的高頻振蕩。另外，由于高壓油泵為對稱的三向柱塞泵，因此如果在一個循環內三柱塞均勻供油，那么油泵產生的供油頻率應該是油泵驅動軸轉速的三倍，試驗采用的油泵是兩個三相柱塞工作，且柱塞相位呈對稱分布，因此供油頻率將倍頻，即如果高壓泵驅動軸轉速為nb，則軌壓信號波動頻率為：

試驗采取的油泵是由電機直接帶動的，理論上來說電機轉速為425r/min時對應油泵在油軌上產生的頻率應該是42.5Hz；電機轉速為950r/min時，對應頻率為95Hz。圖3(a)、(b)中強度最大的頻率皆與理論計算的頻率相符合。因此，油泵引起的低頻波動是油軌穩態壓力波動的主要來源。

試驗中流量計量單元對應的控制頻率采用200Hz，但是在頻率分析中沒有發現該分量。這是由于現在采用的高壓油泵屬于進口流量調節，通過流量計量單元控制后的燃油將再次通過高壓油泵壓縮進入油軌，所以在油軌的高壓燃油不再表現出流量計量單元的抖動頻率特性。這說明未來流量計量單元控制頻率的選擇主要從控制閥的特性來確定即可。高壓油軌內的油軌壓力瞬態波動的來源主要是噴油器和油泵的柱塞，與流量計量單元的閥抖動無關。

3、軌壓信號處理方法

高壓共軌燃油系統的軌壓傳感器輸出信號包含著廣泛的系統噪聲、環境噪聲以及系統本身的高頻頻率信息，為了從帶有噪聲信息的軌壓信號中再現真實的軌壓信息，就需要對傳感器的信號進行濾波處理。

為了濾除軌壓數據中所包含的高頻信號，軌壓數據處理的第一環節即為高頻濾波處理。采用一階低通模擬濾波器可實現該目標，一階低通濾波器的時間常數選為T=450us。對應的傳遞函數是：

該濾波器的幅頻響應和相頻響應如圖4所示，系統在0-353.8Hz的低頻段幅頻特性近似為0分貝，而在高頻段上每隔10倍頻程有20dB的衰減，可以濾除頻率350Hz以上高頻信息。

圖4　一階低通濾波系統伯德圖（T=450us）

圖5　軌壓信號處理電路

由于該階段的濾波是不同燃油系統都應該具有的特性，因此該濾波模塊可以采用硬件濾波，設計在電子控制的硬件電路板上。常用處理方法是在軌壓傳感器輸入通道增加RC濾波網絡，如圖5所示，圖中電阻R和電容C滿足RC=0.00045。

圖6中黑色的軌壓是油軌上油壓傳感器的原始值（采樣為50kHz），經一階低通濾波處理后的軌壓為灰色結果。

圖6　一階濾波處理前后的軌壓

經過硬件模擬濾波處理后的軌壓信號可以看作最高頻率為350Hz的帶限信號，將高頻壓力波動信息進行了濾除，獲得了真實的軌壓信息。

4、結論

1、通過對高壓共軌油軌內的壓力特性進行分析，發現軌壓波動包含高頻和低頻波動兩種，高頻波動來源于噴嘴噴油和軌內高壓燃油的壓力振蕩，該高頻振蕩不能通過流量計量單元的控制來消除；低頻壓力波動主要來源于油泵的泵油，是壓力波的主要成分，也是軌壓控制系統的調節對象。

2、通過對軌壓進行一階低通濾波處理，濾除了頻率350Hz以上高頻信號，獲得了真實的軌壓信息。

參考文獻

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[3]任衛軍, 賀昱曜, 張衛鋼. 柴油機共軌壓力模糊自適應PID控制研究[J]. 計算機工程與應用, 2006, 46(02):209-212.

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[9]劉興華, 樊志強, 高琢. 高壓共軌燃油系統軌壓波動特性的實驗研究[J]. 汽車工程, 2010, 32(7):575-578.

Experimental study on rail pressure signal processing of high pressure common rail fuel system

Wu Zhe, Chen Yongyan
( College of Energy and Power Engineering, Inner Mongolia University of Technology, Inner Mongolia Huhehaote 010051 )

Abstract:ByexperimentalmeasurementandusingfastFouriertransform,thefrequencycharacteristicsofrailpressurefluctuationofhigh-pressurecommonrailfuelsystemBOSCHCRunderdifferentloadconditionsareinvestigated.The results show that the rail pressure fluctuation consist of high frequency and low frequency fluctuations, and the high frequency fluctuation is caused by the fuel injection and the Pressure oscillation of high pressure fuel, which can not be eliminated by the control of the flow metering unit.Low frequency pressure fluctuation is mainly caused by the pump oil, which is the main component of the pressure waveand the control system of the control system.By the means of first order low pass filtering, the high-frequency useless information above 350Hz was filtered out, obtained the pressure signal which can be used forthe rail pressure control.

Key words:highpressurecommon-railfuelsystem; pressure fluctuation; signal processing

中圖分類號：U464.22

文獻標志碼：A

文章編號：1671-7988（2016）05-78-03

作者簡介：吳哲，就職于內蒙古工業大學能源與動力工程學院。