高壓共軌燃油系統(tǒng)軌壓信號處理實(shí)驗(yàn)研究

吳哲，陳永艷（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

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高壓共軌燃油系統(tǒng)軌壓信號處理實(shí)驗(yàn)研究

吳哲，陳永艷
（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

摘要：電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)通過各種傳感器檢測出發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行狀況，由計(jì)算機(jī)計(jì)算處理，可以精確地對柴油機(jī)噴射進(jìn)行控制，利用實(shí)驗(yàn)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(tǒng)在不同負(fù)荷下軌壓波動(dòng)的頻率特性。結(jié)果表明，軌壓波動(dòng)包含高頻和低頻波動(dòng)兩種，高頻波動(dòng)來源于噴油和軌內(nèi)高壓燃油的壓力振蕩，該高頻振蕩不能通過流量計(jì)量單元的控制來消除；低頻壓力波動(dòng)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(tǒng)的調(diào)節(jié)對象。通過對軌壓進(jìn)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(guān)鍵詞：高壓共軌燃油系統(tǒng)；壓力波動(dòng)；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(tǒng)通過各種傳感器檢測出發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行狀況，由計(jì)算機(jī)計(jì)算和處理，可以精確、柔性地控制柴油機(jī)噴油量、噴油定時(shí)和噴射壓力，與傳統(tǒng)的噴射技術(shù)相比，進(jìn)一步降低了燃油消耗和排放，增強(qiáng)了動(dòng)力性能，實(shí)現(xiàn)了柴油機(jī)綜合性能的飛躍[1]。對于共軌技術(shù)來說，軌壓的控制是該技術(shù)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(jìn)行控制，很多學(xué)者將軌壓控制過程劃分為多個(gè)工況[3]，采用開環(huán)和閉環(huán)結(jié)合的方式進(jìn)行計(jì)算，并采用智能算法對PID控制參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定[4,5,6]。

高壓共軌的軌壓在實(shí)際情況中會(huì)受到燃油噴射、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速[7]以及水擊壓力波動(dòng)[8]的變化等因素的影響，因此對軌壓進(jìn)行控制的過程中，采集到的軌壓信號中的軌壓波動(dòng)可以視為不同壓力波的組合,需要基于壓力波分量的觀點(diǎn)來分析高壓共軌燃油系統(tǒng)內(nèi)的軌壓波動(dòng)的特性和變化規(guī)律[9]。本文在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對高壓共軌油軌內(nèi)的壓力特性進(jìn)行分析，得出軌壓波動(dòng)包含高頻和低頻波動(dòng)兩種，且低頻壓力波動(dòng)是壓力波的主要成分，也是控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)對象。并通過軟件濾波的方法，對高頻信息進(jìn)行濾除，得到更加準(zhǔn)確的軌壓信息，進(jìn)而可以對軌壓精確控制。

1、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本文采用的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以WP12匹配的BOSCH高壓共軌燃油系統(tǒng)為試驗(yàn)對象，實(shí)驗(yàn)原理如圖1所示。試驗(yàn)在標(biāo)準(zhǔn)油泵實(shí)驗(yàn)臺上完成，控制采用濰柴電控專項(xiàng)前期開發(fā)的控制原型(Dspace/MicroAutoBox)。

圖1　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖

實(shí)驗(yàn)中在高壓油管上靠近噴油器端安裝Kistler瞬態(tài)壓力傳感器。采用Devtron瞬態(tài)測量軟件測量瞬態(tài)壓力。Devtron瞬態(tài)測量軟件獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集周期為10us，可以使得系統(tǒng)中頻率50k范圍以內(nèi)的信號信息實(shí)現(xiàn)無失真?zhèn)鬏敗?/p>

2、軌壓波動(dòng)來源分析

2.1不同轉(zhuǎn)速、循環(huán)噴油量及軌壓下的噴油壓力規(guī)律實(shí)驗(yàn)

在標(biāo)準(zhǔn)油泵實(shí)驗(yàn)臺上，采用Devtron瞬態(tài)采集軟件測量高壓油管上壓力傳感器的瞬態(tài)壓力信號。實(shí)驗(yàn)過程中，使用閉環(huán)控制軌壓。

圖2(a)、(b)分別是在油泵轉(zhuǎn)速為425r/min，循環(huán)噴油量為40mg，軌壓設(shè)定為600bar與油泵轉(zhuǎn)速950r/min，循環(huán)噴油量為230mg，軌壓設(shè)定為1600bar條件下的噴油壓力實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

（a） 轉(zhuǎn)速425r/min，油量40mg，軌壓600bar

圖2　不同工況下噴油壓力波動(dòng)實(shí)驗(yàn)

2.2試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1噴油壓力波動(dòng)特性分析

從圖2(a)、(b)中軌壓的瞬態(tài)特性可以看出噴油壓力波動(dòng)包含了噴嘴噴射、調(diào)節(jié)閥控制以及柱塞泵泵油的壓力波動(dòng)信息?？梢娪蛙壣系膲毫π畔撕芏嗨矐B(tài)高頻信息，主要是噴油、柱塞泵開始泵油以及IMV閥調(diào)整時(shí)導(dǎo)致的瞬態(tài)壓力波動(dòng)，這些波動(dòng)周期在2ms左右，屬于高頻波動(dòng)。由于油泵產(chǎn)生的軌壓變化屬于低頻，因此不能通過油泵的控制予以實(shí)時(shí)消除，只能通過噴油器和油管的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)予以改善。在進(jìn)行軌壓控制時(shí)，為了防止過調(diào)節(jié)，軌壓信息必須將高頻的軌壓波動(dòng)濾除。

2.2.2油軌壓力波動(dòng)來源分析

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

圖3　不同工況下油軌壓力波動(dòng)實(shí)驗(yàn)對應(yīng)的頻域結(jié)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(dòng)和噴油引起的高頻波動(dòng)以及燃油在軌內(nèi)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(gè)循環(huán)內(nèi)三柱塞均勻供油，那么油泵產(chǎn)生的供油頻率應(yīng)該是油泵驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速的三倍，試驗(yàn)采用的油泵是兩個(gè)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(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速為nb，則軌壓信號波動(dòng)頻率為：

試驗(yàn)采取的油泵是由電機(jī)直接帶動(dòng)的，理論上來說電機(jī)轉(zhuǎn)速為425r/min時(shí)對應(yīng)油泵在油軌上產(chǎn)生的頻率應(yīng)該是42.5Hz；電機(jī)轉(zhuǎn)速為950r/min時(shí)，對應(yīng)頻率為95Hz。圖3(a)、(b)中強(qiáng)度最大的頻率皆與理論計(jì)算的頻率相符合。因此，油泵引起的低頻波動(dòng)是油軌穩(wěn)態(tài)壓力波動(dòng)的主要來源。

試驗(yàn)中流量計(jì)量單元對應(yīng)的控制頻率采用200Hz，但是在頻率分析中沒有發(fā)現(xiàn)該分量。這是由于現(xiàn)在采用的高壓油泵屬于進(jìn)口流量調(diào)節(jié)，通過流量計(jì)量單元控制后的燃油將再次通過高壓油泵壓縮進(jìn)入油軌，所以在油軌的高壓燃油不再表現(xiàn)出流量計(jì)量單元的抖動(dòng)頻率特性。這說明未來流量計(jì)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(nèi)的油軌壓力瞬態(tài)波動(dòng)的來源主要是噴油器和油泵的柱塞，與流量計(jì)量單元的閥抖動(dòng)無關(guān)。

3、軌壓信號處理方法

高壓共軌燃油系統(tǒng)的軌壓傳感器輸出信號包含著廣泛的系統(tǒng)噪聲、環(huán)境噪聲以及系統(tǒng)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(xiàn)真實(shí)的軌壓信息，就需要對傳感器的信號進(jìn)行濾波處理。

為了濾除軌壓數(shù)據(jù)中所包含的高頻信號，軌壓數(shù)據(jù)處理的第一環(huán)節(jié)即為高頻濾波處理。采用一階低通模擬濾波器可實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，一階低通濾波器的時(shí)間常數(shù)選為T=450us。對應(yīng)的傳遞函數(shù)是：

該濾波器的幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)如圖4所示，系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)都應(yīng)該具有的特性，因此該濾波模塊可以采用硬件濾波，設(shè)計(jì)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(wǎng)絡(luò)，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(jīng)一階低通濾波處理后的軌壓為灰色結(jié)果。

圖6　一階濾波處理前后的軌壓

經(jīng)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(dòng)信息進(jìn)行了濾除，獲得了真實(shí)的軌壓信息。

4、結(jié)論

1、通過對高壓共軌油軌內(nèi)的壓力特性進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)軌壓波動(dòng)包含高頻和低頻波動(dòng)兩種，高頻波動(dòng)來源于噴嘴噴油和軌內(nèi)高壓燃油的壓力振蕩，該高頻振蕩不能通過流量計(jì)量單元的控制來消除；低頻壓力波動(dòng)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(tǒng)的調(diào)節(jié)對象。

2、通過對軌壓進(jìn)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(shí)的軌壓信息。

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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(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1671-7988（2016）05-78-03

作者簡介：吳哲，就職于內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院。