高壓共軌柴油機噴油系統硬件在環仿真研究

王凱 張允富 高洋 馬越

摘 要：為滿足高壓共軌柴油機對環保和經濟等方面日益提升的性能，ECU的功能以及復雜程度都在不斷提高，導致開發難度也在不斷增加，用臺架試驗方法來逐步調試ECU這一傳統方法耗費巨大人力物力，且開發周期長、調試環境不穩定，還有可重復性差的缺點，難以適應ECU系統頻繁升級換代的需要。硬件在環仿真測試，可以對生成的快速控制原型測試，經過反復試驗及逐漸逼近的方式來驗證ECU功能，最終可以生成目標代碼下載到硬件中。本研究針對Sofim8140.43S系列高壓共軌柴油機ECU燃油噴射系統進行在環仿真的測試驗證。

關鍵詞：高壓共軌柴油機;噴油系統;硬件在環仿真

引言

硬件在電機的開發中在回路仿真中起著重要作用。該硬件模擬循環測試系統中受控對象的狀態，向控制器返回逼真的反饋，并通過模擬各種復雜情況來檢測控制中的缺陷，從而縮短開發周期。為了保證發動機的硬件測試，發動機模型是仿真的重要組成部分，必須保證模型的準確性和實時性。

1硬件在環仿真系統架構

高壓協同柴油機ECU硬件主要由高壓協同柴油機機油機ECS、開關柜、hil-ECS、PC機等外圍設備組成，它們在一個封閉的開發試驗系統中相互連接。在系統運行時，機柜向ECU提供模擬發動機ECU工作所需的各種信號，包括溫度傳感器模擬信號、壓力傳感器模擬信號和模擬開關信號。ECU還生成開關控制信號，用于控制控制機箱上相應的繼電器、指示燈和儀器。同時，ECU通過數據采集卡將筒體電磁閥的驅動信號發送到PC，HIL-ECU將采集控制箱生成的傳感器仿真信號發送到PC，后者根據從雙方收到的信號計算電機模型，計算電機的仿真速度，并通過HIL-EC控制電機、驅動凸輪和凸輪旋轉驅動電機。此外，電動機ECU從曲軸和凸輪中采集旋轉信號，并根據其自身的環仿真系統硬件閉合控制策略生成噴霧器電磁閥驅動信號。

2油門信號建模

供油量大小可由加速踏板傳感器信號反應，作為位置類傳感器，其數學模型成線性關系。位移量可以反映0-5V間連續可調電壓信號，由下式表示：

其中：V0—傳感器輸出電壓;K—位移系數;S—位移量。

為便于應用到硬件在環仿真實驗臺使用過程中，用電位器來代替實際踏板。電位器滿量程為10KΩ，于是有以下電阻電壓換算：

3燃油計量單元模型

燃油計量單元是用于控制流入高壓油泵燃油的燃油量，通過ECU（ElectronicControlUnit）控制脈沖打開或關閉閥門保持軌道壓力的平衡。為了保證整個模型的實時性，燃油計量單元控制閥的工作特性由MAP形式給出：

式中：QFMU——通過燃油計量閥的燃油體積流量;neng——發動機轉速，r/min;Acor——當前電流值，mA。

軟件用戶界面設計

采用LabVIEW8.5在生態仿真系統的主程序中開發了高壓協同柴油機的ECU硬件。其中包括“軟件操作”菜單、尋呼標簽、系統名稱、“模擬顯示”頁和“軟件操作”菜單（在五個部分中選擇一個文本文件來存儲與系統運行時有關的數據），或退出軟件的選項。「分頁」頁簽可讓您選取模擬的第1頁、模擬的第2頁或其中一個資料清單頁面做為模擬的主要顯示頁面。仿真側1包含發動機轉速計、軸圖、溫度信號、指示燈、繼電器和開關信號。仿真側2包含壓力信號、霍爾信號（轉速）、油磁驅動信號。「資料清單」頁面使用多欄清單方塊來顯示系統作業期間的重要資料參數。軟件操作控制欄包括水平操縱桿開關、數據文件保存路徑、數據保存按鈕、加載初始參數按鈕、程序啟動/停止按鈕以及控制軟件操作的系統退出按鈕。

4軌道模型

軌道中的燃料流動主要由進入軌道和處于軌道中的燃料流動決定，這種流動由高壓泵、從輻射管流出的燃料流動和從軌道流出的燃料流動決定。在計算燃料壓力時，應考慮燃料物理特性變化的影響。柴油噴射過程非常快。因此，假設注射溫度保持不變，并且注射壓力僅隨注射壓力而變化。為了確保及時要求，通過系統實驗室的石油流量測量不同壓力下流出的流量。鐵路壓力計算如下：

式中：pp——軌道壓力;Qall——高壓油泵供體積油流量;Qinj——流出噴油器的體積流量;Qlos——損失流量由實驗MAP測試得到;K——此時燃油體積彈性模量。

5傳感器信號的發生

對于模擬輸入量，在本文中有進氣溫度、冷卻液溫度、油門踏板位置以及共軌壓力等信號。由式4知道，溫度傳感器輸出的物理量與電壓直間的換算關系，且為U的單一函數，在進行標定后進行函數擬合，得出進氣溫度和冷卻液溫度與電壓U之間的函數關系。并且兩路電壓量都在0-5V之間。為了保證輸出信號的可靠性，ECU同時檢測踏板內部2套滑動電阻，隨著踏板開度的增大，兩組信號線的輸出電壓也隨之增大，且在正常情況下始終保持電阻1的電壓為電阻2電壓的2倍。

6高壓共軌供油仿真模型

使用Simulink軟件環境中的MATLAB/Simulink軟件編譯高負荷燃油系統毛坯模型。為確保高壓油料系統的實時能力，采用氣缸倒運法建立了高壓儲罐泵的毛坯模型。型腔的燃油流量是根據已知物理參數計算的，結果放入機箱中，模塊模型由觸發存儲和讀取階段的角度確定，凸輪相位位置每2度存儲一次，索引值為180，索引間隔由速度和配置的步長間隔計算，存儲的燃油流量數據由讀取階段確定，并輸出值。該模型需要設置以下子模塊：角確定模塊、存儲數據模塊、讀取數據模塊、相位計算模塊等。

7軟件程序流程

發動機硬件不應在循環仿真系統中的單個仿真周期內過長，否則將忽略發動機的動態響應時間，這會影響系統的實時性能，并影響硬件丟失在循環仿真中的重要性。為此，開發了高性能柴油機ECU硬件在Echo仿真系統環境中采用多線程技術，作為其主要程序中的引擎仿真模型、用戶界面模塊、數據采集卡模塊和CAN通信模塊，同時作為四個獨立的while循環運行。round robin功能允許您設置模塊運行的優先級，以確保整個系統的實時性能。如圖1所示，軟件操作分為軟件啟動、軟件初始化、程序啟動、程序退出和軟件退出等幾個部分。

8柴油機噴油量仿真測試

為了驗證柴油機毛坯模型中噴水裝置的可靠性，準確模擬高壓活塞式輸送系統中噴水裝置的噴水裝置設計，需要測試噴嘴模型。該測試控制器模塊采用PID油量控制器，通過轉速偏差控制筒體每周期的推力。柴油機仿真將25%轉速下的燃油量與實際轉速進行了比較。指定起點保持恒定，目標壓力來自軌道貼圖。仿真結果表明，油量小于實際誤差，表明從公共管道流出的燃油流量的計算值和實際值與實際值相匹配，以滿足后續測試。

結束語

本文提出了一種基于虛擬網格的LEACH改進算法。將無線傳感器網絡劃分為若干個網格，每個網格是一個簇，簇頭的選取考慮了剩余能量和距離，最后對本文算法進行了仿真，并與CEED算法和LEACH算法進行了比較。結果表明，本文提出的算法在平衡網絡能耗和延長網絡生存期方面具有很大的優勢。但本文考慮的網絡簡單，傳感器節點同構，下一步實際應用中應考慮異構節點的情況。

參考文獻

[1]鄭子元.高壓共軌柴油機電控系統設計開發研究[D].哈爾濱工程大學，2019

[2]蔣方毅.基于模型的柴油機硬件在環仿真與控制研究[D].華中科技大學，2019.

[3]顧宗林.高壓共軌柴油機電控技術的研究[D].山東理工大學，2019.