一種柴油機燃油系統(tǒng)軌壓控制方法研究

劉威 熊軍林 熊鋒 王少云 余志敏

劉? ?威

畢業(yè)于武漢理工大學(xué)，動力機械及工程專業(yè)，碩士學(xué)歷，現(xiàn)就職于東風(fēng)越野車有限公司，任主管工程師，主要研究方向：動力總成電控技術(shù)，已發(fā)表的文章4篇。

摘? 要：本文借助MATLAB/Simulink軟件，按照柴油機高壓共軌燃油系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理，建立了一種燃油系統(tǒng)油軌壓力控制模型，實現(xiàn)軌壓的穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)精確控制。同時針對該控制方法進(jìn)行了臺架試驗驗證。試驗結(jié)果顯示，穩(wěn)態(tài)工況在發(fā)動機全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，最大誤差小于±5MPa，大部分工況控制在±2MPa以內(nèi);瞬態(tài)極限軌壓階躍測試（80MPa至180MPa），系統(tǒng)響應(yīng)時間小于1s，超調(diào)量最大6.5MPa;瞬態(tài)軌壓穩(wěn)定性測試，軌壓波動在±5MPa以內(nèi)，總體實現(xiàn)了較好的控制效果。

關(guān)鍵詞：柴油機;高壓共軌;軌壓控制;MATLAB

中圖分類號：U464? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? 文章編號：1005-2550（2022）03-0032-07

Research of Rail Pressure Control Method of Off Road Vehicle Diesel Engine Fuel System

LIU Wei， XIONG Jun-lin， XIONG Feng， WANG Shao-yun， YU Zhi-min

（ Dong Feng Off-Road Vehicle Co.， Ltd， Wuhan 430058， China）

Abstract： This paper described the research on rail pressure control method of diesel common rail fuel system. According to the fuel system structure and operational principle， a rail pressure control model was build base on MATLAB/Simulink software， which achieved high precision control for both steady state and transient state. And it also designed a test to validate the control effect. The test result showed that the steady state maximum error was controlled within ±5MPa in whole engine speed range， and most operational points were within ±2MPa. The transient state showed maximum overshoot was controlled within 6.5MPa for max fuel pressure step test （80MPa to 180MPa）， and response time less than 1s. And the rail pressure transient stability test result showed the maximum error was controlled within ±5MPa.

Key? Words： Diesel; Common Rail; Rail Pressure Control; MATLAB

高壓共軌燃油系統(tǒng)是當(dāng)前車用柴油機的關(guān)鍵子系統(tǒng)之一，其使得柴油機在經(jīng)濟性、動力性、排放、噪聲等關(guān)鍵性能指標(biāo)控制上更為柔性，顯著提高了發(fā)動機的性能，而其中燃油系統(tǒng)的控制策略是其關(guān)鍵。

一般在燃油系統(tǒng)控制中，主要包括噴射控制、油軌壓力控制[1-2]、軌壓診斷幾個部分。噴射控制一般基于燃油噴射控制芯片，通過專門的復(fù)雜驅(qū)動軟件實現(xiàn)發(fā)動機轉(zhuǎn)速、相位識別、噴油量控制、噴油器驅(qū)動波形配置等功能;軌壓控制主要實現(xiàn)在發(fā)動機各運行工況下的軌壓穩(wěn)、瞬態(tài)控制，其與燃油系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)與工作原理強相關(guān)，其對控制精度和響應(yīng)性有較高的要求，是燃油系統(tǒng)控制中最為復(fù)雜的部分，許多研究者針對其算法進(jìn)行了廣泛的研究[3-5];軌壓診斷[6]針對諸如軌壓、燃油計量閥、電子輸油泵等硬件系統(tǒng)進(jìn)行功能及合理性診斷，同時負(fù)責(zé)燃油系統(tǒng)故障狀態(tài)下的發(fā)動機降級處理。

本文使用MATLAB/Simulink軟件，針對燃油系統(tǒng)的軌壓控制進(jìn)行建模，并基于某7L高壓共軌柴油機進(jìn)行臺架試驗驗證，測試驗證模型的穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)軌壓控制品質(zhì)。

1? ? 軌壓控制主要原理

柴油機運行時，噴油準(zhǔn)確性強烈影響發(fā)動機性能。發(fā)動機噴油由油軌壓力和噴油器加電時間綜合決定，其中油軌壓力作為噴油控制的輸入條件，其控制品質(zhì)就顯得尤為重要。按照本文柴油機燃油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理：以目標(biāo)軌壓為控制目標(biāo)，結(jié)合當(dāng)前軌壓傳感器測量結(jié)果，通過調(diào)節(jié)燃油計量閥輸出油量進(jìn)行軌壓閉環(huán)控制。總體控制原理如圖1所示。模型主要分為軌壓計算、燃油計量單元控制兩個部分，而其中燃油計量單元控制分為目標(biāo)泵油量與計量閥控制兩個部分。

2? ? 詳細(xì)模型設(shè)計

2.1? ?被控對象信息

本文基于某7L電控高壓共軌柴油機進(jìn)行研究，其結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。系統(tǒng)輸入通過高壓油泵將燃油泵入共軌管，其中泵油量通過計量閥進(jìn)行控制;輸出包括噴油器噴油、會回油MDV泄壓閥回油三個部分。

其基本參數(shù)如表1所示：

2.2? ?軌壓計算模型

模塊主要負(fù)責(zé)實際軌壓的采集、目標(biāo)軌壓的計算，并將兩者的差異輸出給后續(xù)燃油計量單元控制模塊進(jìn)行閉環(huán)控制。

由于油軌壓力信號總是處于不斷跳動過程中，考慮其穩(wěn)定性對算法的影響，首先需要針對直接采集的軌壓物理信號進(jìn)行預(yù)處理，再輸出給后續(xù)應(yīng)用邏輯進(jìn)行進(jìn)一步計算。具體的，模型首先根據(jù)軌壓傳感器采集的電壓值進(jìn)行壓力轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過一階濾波后得到模型控制用的油軌壓力。

目標(biāo)軌壓是按照發(fā)動機實際性能、排放等需求設(shè)定的，其關(guān)注發(fā)動機全工況區(qū)域，一般按照發(fā)動機轉(zhuǎn)速、噴油量計算得到。同時考慮到發(fā)動機實際多樣化的運行條件，需要考慮多種情況的修正：如水溫、進(jìn)氣溫度、啟動修正計算等。

2.3? ?燃油計量單元控制模型

燃油計量單元控制模塊通過調(diào)節(jié)高壓油泵計量閥流量實現(xiàn)對軌壓的控制。具體的，分為目標(biāo)泵油量計算模塊和計量閥執(zhí)行控制模塊，前者通過目標(biāo)軌壓與實際軌壓的差異計量閥命令泵油量，后者通過計量閥的命令泵油量計算最終執(zhí)行的PWM占空比與周期。

2.3.1 燃油流量計算模塊

燃油計量模塊通過軌壓差計算計量閥的目標(biāo)油量，考慮到系統(tǒng)對軌壓的響應(yīng)性及精度的要求較高，采用前饋加PID的方式進(jìn)行控制，其中前饋部分計算沒有時延，能夠顯著提高系統(tǒng)的響應(yīng)性;PID部分負(fù)責(zé)后續(xù)調(diào)節(jié)控制。

前饋部分：

前饋部分的準(zhǔn)確性直接影響后續(xù)PID部分的調(diào)整量及調(diào)整時間，即前饋部分預(yù)測越準(zhǔn)確，后續(xù)PID調(diào)整量越小，系統(tǒng)波動、超調(diào)量等指標(biāo)將會越小。因此，需要按照系統(tǒng)燃油輸出原理進(jìn)行前饋部分設(shè)計。具體的，將前饋項劃分為三個部分：

1）噴油量：控制系統(tǒng)按照駕駛員的油門踏板命令，結(jié)合當(dāng)前的發(fā)動機轉(zhuǎn)速等因素計算得到噴油量。

2）噴油器回油、泄漏量：考慮噴油器實際的結(jié)構(gòu)及工作原理，噴油器開啟需要通過油壓控制，伴隨而來的是回油及泄漏過程，該油量與油軌壓力正相關(guān)[1-2]，采用測量軌壓作為輸入條件進(jìn)行計算。

3）油軌泄壓閥油量：當(dāng)出現(xiàn)油軌壓力超出機械限值時，泄壓閥開啟保護(hù)系統(tǒng)。當(dāng)閥開啟時，燃油通過閥進(jìn)行快速回油，該回油流量數(shù)量級較大，將對軌壓控制產(chǎn)生較大影響，需要設(shè)計專項的前饋值。需要說明的是，該值僅在閥開啟的情況進(jìn)行啟用。

PID部分：

考慮到PID控制具有滯后性，即按照測量反饋值進(jìn)行控制的過程存在時延。考慮采用串級PID控制方法，其能夠降低控制過程的時間常數(shù)，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度及控制品質(zhì)。具體的，串級PID外層為軌壓環(huán)控制，內(nèi)層為計量閥電流環(huán)控制。在軌壓閉環(huán)控制模式時，外層起主要作用，內(nèi)層起輔助作用;而當(dāng)軌壓開環(huán)控制模式時，內(nèi)層電流環(huán)起主要作用，如在發(fā)動機啟動過程時，系統(tǒng)短時間無法進(jìn)行軌壓閉環(huán)控制，內(nèi)層電流環(huán)有利于提高系統(tǒng)的響應(yīng)性。

由于燃油系統(tǒng)是非線性系統(tǒng)，采用多級累進(jìn)式的軌壓環(huán)PID參數(shù)，如圖3所示。具體的，采用5段累進(jìn)式的PID參數(shù)設(shè)置。其中，高、低兩檔PID主要用于提升軌壓穩(wěn)態(tài)穩(wěn)定性、瞬態(tài)響應(yīng)性;超高、超低檔在提升大目標(biāo)差異時瞬態(tài)響應(yīng)性的同時，也能夠緩解由于目標(biāo)差異過大而造成的積分飽和的問題。一般的，通過相對較大的超高、超低檔比例項增益值，提高較大目標(biāo)差異時的瞬態(tài)響應(yīng)性;同時通過設(shè)置相對較小的超高、超低檔積分項增益值達(dá)到防積分飽和的目的;微分項可以保持各檔基本一致。

另外，考慮到系統(tǒng)在故障情況下，計量閥在一段時間內(nèi)可能不響應(yīng)軌壓命令，PID積分項在控制目標(biāo)差異不縮小的情況下將隨時間快速累積，最終出現(xiàn)積分飽和的問題。為了進(jìn)一步提升故障情況下的軌壓控制品質(zhì)，除設(shè)置較小的超高、超低檔積分項增益值以外，同步考慮在外層軌壓環(huán)PID中采用抗積分飽和設(shè)計。具體的，將最終輸出的計量閥命令油量進(jìn)行限制控制，當(dāng)出現(xiàn)受限的情況時，初始的積分項減去超限部分，避免出現(xiàn)積分飽和的問題。原理如圖4所示。

2.3.2 計量閥控制模塊

高壓油泵計量閥泵油量與驅(qū)動電流相關(guān)，計量閥一般采用PWM的驅(qū)動方式。其工作過程為：首先通過PWM信號進(jìn)行計量閥驅(qū)動電壓配置，以實現(xiàn)目標(biāo)驅(qū)動電流配置，并最終實現(xiàn)驅(qū)動電流與計量泵油量的轉(zhuǎn)化，其中PWM控制的占空比、周期是兩個關(guān)鍵控制參數(shù)。前者按照目標(biāo)流量實現(xiàn)計量閥驅(qū)動電流配置，后者主要考慮避免計量閥與發(fā)動機工作共振導(dǎo)致軌壓劇烈波動的問題。

占空比計算：如圖5計量閥占空比控制所示，主要計算邏輯步驟如下：

1）目標(biāo)電流：高壓油泵計量閥燃油流量與驅(qū)動電流直接相關(guān)，能夠通過查詢計量閥電流與油量的特性獲得。

2）命令電流：通過控制系統(tǒng)實測的計量閥電流，計算計量閥電流與目標(biāo)電流的差異，進(jìn)行內(nèi)層電流環(huán)PID控制。

3）命令占空比：按照命令電流與計量閥電阻計算命令電壓，并結(jié)合蓄電池實際電壓計算輸出的PWM占空比。

周期計算：計量閥工作頻率由PWM驅(qū)動周期決定，考慮工作共振的問題，其周期參數(shù)的配置需要避開特殊的發(fā)動機工作頻率，軟件通過發(fā)動機轉(zhuǎn)速查詢PWM驅(qū)動頻率表實現(xiàn)該功能，具體頻率表參數(shù)設(shè)置需要結(jié)合實際的被控發(fā)動機確定。

2.4? ?模型測試

在燃油系統(tǒng)臺架測試前，需要首先對建立的模型進(jìn)行單元測試[7]。具體的，在MATLAB環(huán)境下編寫測試用例及腳本進(jìn)行模型單元測試，測試主要關(guān)注測試的覆蓋度和合理性。其中，測試覆蓋度指測試用例觸發(fā)的模型邏輯路徑數(shù)量占所有模型邏輯路徑數(shù)量的百分比，理想狀態(tài)下要求100%;測試合理性指所有的測試結(jié)果是否都符合預(yù)期。

本文針對建立的模型進(jìn)行了測試，實現(xiàn)了100%的測試覆蓋度，同時結(jié)果合理性滿足要求。

3? ? 試驗驗證

3.1? ?試驗工況設(shè)計

基于發(fā)動機性能考慮，發(fā)動機目標(biāo)軌壓一般隨轉(zhuǎn)速、發(fā)動機負(fù)荷率的升高而升高。在車輛行駛過程中，發(fā)動機轉(zhuǎn)速、負(fù)荷率總是處于不斷發(fā)生的過程，進(jìn)一步導(dǎo)致目標(biāo)軌壓總是處于變化過程中，軌壓穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)的控制品質(zhì)都是系統(tǒng)重要的控制目標(biāo)。因此，需要分別針對兩種工況進(jìn)行試驗驗證。

穩(wěn)態(tài)驗證試驗：一般的，軌壓同時隨轉(zhuǎn)速和負(fù)荷率的升高而升高，穩(wěn)態(tài)驗證試驗主要考慮軌壓隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化的控制品質(zhì);而軌壓隨負(fù)荷率變化的驗證，通過瞬態(tài)驗證試驗中挑選的部分特征工況點進(jìn)行驗證。試驗考慮在發(fā)動機全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)驗證軌壓穩(wěn)態(tài)控制精度，設(shè)計穩(wěn)態(tài)掃點試驗條件：發(fā)動機從低怠速750r/min以50r/min的速度緩慢提高至高怠速3000r/min，再以50r/min的速度降低到750r/min，驗證所有轉(zhuǎn)速范圍加減速情況下的穩(wěn)態(tài)軌壓控制精度。在該試驗工況下，目標(biāo)軌壓基本覆蓋了系統(tǒng)允許的軌壓范圍，驗證試驗具有一定的代表性。

瞬態(tài)驗證試驗：結(jié)合發(fā)動機常用轉(zhuǎn)速，選取1200r/min為測試轉(zhuǎn)速，通過以下兩種方式進(jìn)行軌壓控制驗證：

1）瞬態(tài)軌壓響應(yīng)性測試：固定發(fā)動機轉(zhuǎn)速、循環(huán)供油量，測試命令軌壓極限變化過程的控制品質(zhì)，同時在發(fā)動機常用循環(huán)供油量范圍內(nèi)選取兩個工況，以評估軌壓在發(fā)動機不同負(fù)荷率下的響應(yīng)表現(xiàn)。信息如表2所示：

2）瞬態(tài)變工況軌壓穩(wěn)定性：固定發(fā)動機轉(zhuǎn)速、命令軌壓，測試軌壓在噴油量變化時的穩(wěn)定性。信息如表3所示：

4.2? ?試驗結(jié)果

穩(wěn)態(tài)掃點試驗結(jié)果如圖6所示，軌壓波動最大誤差為±5MPa，大部分工況誤差控制在±2MPa以內(nèi)，總體在發(fā)動機轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)控制效果較好。

瞬態(tài)軌壓響應(yīng)性測試結(jié)果如表4所示：

低負(fù)荷工況：發(fā)動機轉(zhuǎn)速1200r/min、噴油量20mg工況下，命令軌壓由80MPa階躍提升到180MPa，系統(tǒng)響應(yīng)時間為0.75s，穩(wěn)定時間為1.00s，超調(diào)量為2.3MPa;命令軌壓繼續(xù)由180MPa階躍下降到80MPa，響應(yīng)時間為0.96s，穩(wěn)定時間為2.60s，超調(diào)量為6.0MPa。

高負(fù)荷工況：發(fā)動機轉(zhuǎn)速1200r/min、噴油量80mg工況下，命令軌壓由80MPa階躍提升到180MPa，系統(tǒng)響應(yīng)時間為0.75s，穩(wěn)定時間為0.96s，超調(diào)量為2.5MPa;命令軌壓繼續(xù)由180MPa階躍下降到80MPa，響應(yīng)時間為0.51s，穩(wěn)定時間為1.87s，超調(diào)量為6.5MPa。整體瞬態(tài)軌壓響應(yīng)性控制品質(zhì)較好。

瞬態(tài)軌壓穩(wěn)定性測試結(jié)果趨勢如圖7所示，詳細(xì)結(jié)果如表5所示。

高軌壓工況：發(fā)動機轉(zhuǎn)速1200r/min，固定命令軌壓80MPa，噴油量由20mg階躍提高到80mg，再階躍降低至20mg，整個過程軌壓變化在±5MPa以內(nèi);

低軌壓工況：發(fā)動機轉(zhuǎn)速1200r/min，固定命令軌壓180MPa，噴油量由20mg階躍提高到80mg，再階躍降低至20mg，變換在±5MPa之間。整體瞬態(tài)軌壓穩(wěn)定性控制品質(zhì)較好。

5? ? 結(jié)論

1）本文中的軌壓控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了一種基于前饋加PID的算法，其中對前饋項按照燃油系統(tǒng)工作原理進(jìn)行了分解，PID項采用了串級PID控制模式，整體實現(xiàn)了較好的控制效果。

2）穩(wěn)態(tài)試驗結(jié)果顯示，在發(fā)動機全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，最大穩(wěn)態(tài)誤差控制在±5MPa，大部分工況誤差控制在±2MPa以內(nèi)，模型穩(wěn)態(tài)軌壓控制效果較好。

3）瞬態(tài)試驗結(jié)果顯示：瞬態(tài)軌壓響應(yīng)性試驗，系統(tǒng)在極限軌壓變化過程中，最大誤差控制在±6.5MPa以內(nèi)，響應(yīng)時間小于1s;瞬態(tài)軌壓穩(wěn)定性試驗，在循環(huán)供油量20mg至80mg階躍變化過程中，軌壓最大誤差控制在±5MPa以內(nèi)，綜合兩者，模型瞬態(tài)軌壓控制效果較好。

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