單缸機控制技術研究

穆大蕓， 宋炳雨， 王飛飛， 劉 鈺， 潘文卿

（濰柴動力股份有限公司電控研究院， 山東濰坊 261061）

發動機整機性能開發需要在發動機試驗臺架進行大量試驗， 開發成本高、 周期很長， 而單缸試驗機制造和試驗成本低， 易于調整， 多用于基礎研究和工作過程開發。 為了快速滿足國內外市場對先進柴油機的性能需求， 減少設計開發工作的盲目性， 縮短開發周期、 降低開發成本、 提高研制效率， 單缸試驗機的制造與設計是有必要的。 隨著電控技術的發展， 高壓共軌燃油噴射技術得到廣泛應用，穩定可調的噴油壓力、 靈活的噴油控制、 高控制精度等，極大提高發動機的動力性和穩定性。 基于此， 本文提出一種高壓共軌電控單缸機控制技術研究方法， 通過發動機的運轉工況確定軌壓的需求值， 通過軌壓傳感器信號獲得軌壓實際值， 采用前饋加自適應PID控制算法計算供油量， 由供油量和電流轉換MAP， 得到油量計量單元控制電流， 精確控制燃油流量， 最終使實際軌壓達到設定的目標軌壓。通過起動軌壓試驗、 加載軌壓階躍試驗， 驗證單缸試驗機供油系統控制技術的效果。

1 單缸機總體參數及架構

1.1 總體參數

本文中單缸試驗機是以重型卡車用發動機為基礎， 結合技術研究和市場需求， 其結構上采用單缸工作， 高壓油泵、 共軌管采用現有成熟產品， 高壓油泵采用恒定轉速電機驅動， 進氣溫度和壓力由實驗室恒溫恒壓系統控制。 單缸機試驗機設計指標要求見表1。

表1 單缸試驗機設計參數

1.2 單缸機總體結構布置

單缸機外形尺975mm×936mm×1246mm； 曲軸中心與底平面距離407mm； 單缸機前端布置傳動機構和傳動箱， 后端為飛輪端， 左側為排氣側， 右側為進氣側， 單缸機三維模型總體示意圖見圖1。

圖1 單缸機三維模型總體示意圖

1.3 單缸機供油系統

單缸機供油系統示意圖見圖2， 高壓共軌系統包含電控高壓油泵、 共軌管、 電控噴油器等， 共軌管的存在使得系統比其他系統具備更多優勢：減弱泵油、 噴油產生的軌壓波動， 保證各缸噴射軌壓的一致性，減弱轉速對噴射壓力的影響。

圖2 單缸機供油系統示意圖

2 供油系統控制技術

高壓共軌噴油系統控制關鍵是軌壓控制。 高壓共軌電控系統中軌壓控制采用前饋加PID閉環控制方式， 軌壓前饋值根據噴油量、 噴油器動態泄漏量和靜態泄漏計算得到；軌壓設定值與實際值偏差通過PID控制器， 輸出燃油流量需求值， 根據燃油流量與電流的脈譜關系圖將流量轉換成油量計量單元的驅動電流， 由ECU發出控制指令， 對油量計量單元開度進行控制， 從而控制進入共軌管中燃油的流量，使得共軌管的軌壓迅速建壓和泄壓， 使共軌壓力趨于目標值。 其中軌壓設定值根據發動機工況查脈譜特性圖得到，軌壓實際值通過共軌管端的軌壓傳感器測量得到。 如果軌壓仍存在偏差， ECU將再次發出控制指令， 不斷調節供油量最終達到接近共軌壓力的目標值。 軌壓控制整體架構如圖3所示。

圖3 軌壓控制整體架構

2.1 軌壓設定值

軌壓設定值是基礎值和修正值之和。 根據發動機工況即轉速和油量查脈譜圖得到軌壓設定值基礎值， 通過環境溫度、 壓力及燃油溫度等因素的特性曲線進行修正， 經過上下限值約束后， 計算得到目標軌壓即軌壓設定值。 軌壓設定值計算框架如圖4所示。

圖4 軌壓設定值計算框架

2.2 軌壓前饋值

基于發動機運行工況的軌壓前饋控制實質為開環控制，其在軌壓控制輸出量中占有絕對的比例， 是軌壓控制的“粗調” 部分。 前饋值由發動機各工況下需求噴油量、 噴油器的動態泄露量和靜態泄漏量組成。 前饋控制為軌壓閉環控制的 “精調” 打好基礎， 減小軌壓控制器的延遲時間和控制偏差。 前饋值計算框架如圖5所示。

圖5 前饋值計算框架

2.3 軌壓實際值

軌壓實際值是通過共軌管端軌壓傳感器電壓信號轉換為軌壓壓力值， 軌壓傳感器工作原理已存在很多研究成果。

2.4 PID控制算法

軌壓控制采用自適應PID算法， 即比例-積分-一階微分環節。 ①比例環節： 決定軌壓控制響應的快慢； ②積分環節： 決定最終軌壓控制精度； ③一階延遲微分環節： 決定軌壓控制的瞬態響應精度， 作用于軌壓大幅上升或下降時。

3 控制技術驗證

本試驗基于單缸試驗機， 結合高壓共軌電控系統， 通過高壓共軌單缸機試驗臺架進行控制技術驗證。 試驗開始前按照臺架操作點檢流程， 檢查臺架設備運行正常， 制定實驗內容如下： 發動機起動時建壓能力-發動機不同轉速軌壓控制穩定性-軌壓設定值正向階躍和負向階躍時軌壓響應性。

3.1 起動狀態建壓試驗

通過單缸機試驗臺架電機為高壓油泵提供200r/min固定供油動力。 發動機由起動狀態進入怠速狀態， 記錄此過程軌壓實際值、 軌壓設定值及轉速數據。 通過試驗記錄數據觀察起動過程軌壓建壓能力， 即軌壓的快速響應性， 試驗數據如圖6所示。 其中： 圖6a為發動機轉速信號； 圖6b為軌壓設定值與實際值， 圖中實線為軌壓實際值， 虛線為軌壓設定值； 圖6c為軌壓設定值與實際值相對偏差。

圖6試驗數據顯示： 高壓共軌系統在ECU控制指令下，2.5s內快速建壓， 并且實際軌壓和設定軌壓偏差小于10bar，軌壓控制的快速響應速度快， 穩態偏差小于5%。

圖6 單缸試驗機啟動狀態軌壓數據

3.2 不同轉速軌壓階躍響應試驗

通過單缸機試驗臺架電機為高壓油泵提供200r/min固定供油動力。 發動機由起動狀態進入怠速狀態， 并且轉速在不同工況進行波動， 記錄此過程軌壓實際值、 軌壓設定值及轉速數據。 通過試驗記錄數據觀察單缸試驗機在不同轉速波動、 設定軌壓階躍工況下即軌壓的快速響應性和偏差，試驗數據如圖7所示。 其中： 圖7a為發動機轉速信號； 圖7b為軌壓設定值與實際值， 圖中實線為軌壓實際值， 虛線為軌壓設定值； 圖7c為軌壓設定值與實際值相對偏差。

圖7 單缸試驗機軌壓階躍響應數據

圖7數據顯示單缸試驗機在不同轉速下， 在瞬態工況軌壓偏差小于10bar， 階躍響應能力較強。

4 結論

1） 單缸試驗機對整機研究提供試驗資源， 縮短開發周期， 降低開發成本， 提高研制效率。

2） 單缸試驗機電控高壓共軌系統的控制技術在發動機起動過程快速建壓， 并且軌壓控制精度較高。

3） 在轉速波動及瞬態工況下， 軌壓控制響應性較快，控制精度較高， 單缸機高壓共軌系統控制技術有效。