農(nóng)用機(jī)械柴油機(jī)共軌系統(tǒng)中軌壓的有效控制

陳兆俊

（大連職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116037）

農(nóng)用機(jī)械柴油機(jī)的共軌系統(tǒng)，能夠增加燃油噴射壓力，有助于提升燃油霧化質(zhì)量，進(jìn)而提高經(jīng)濟(jì)性，凈化尾氣排放[1]。農(nóng)用機(jī)械柴油機(jī)共軌系統(tǒng)中，軌壓控制信號(hào)是利用共軌管道上安裝的軌壓傳感器來搜集的；傳感器再將信號(hào)反饋到電控單元ECU；ECU 會(huì)結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況，并根據(jù)事先設(shè)置的軌壓值將信號(hào)傳遞到燃油計(jì)量閥；共軌系統(tǒng)借助燃油計(jì)量閥調(diào)節(jié)供油量，改變軌壓值，進(jìn)而使實(shí)際軌壓值與目標(biāo)軌壓值相同。在農(nóng)用機(jī)械柴油機(jī)共軌系統(tǒng)中，主要通過壓力與時(shí)間計(jì)量燃油[2]。共軌壓力可以決定燃油噴射壓力的數(shù)值，能夠檢測出噴油量的多少。高壓農(nóng)用機(jī)械柴油機(jī)共軌電控系統(tǒng)的一個(gè)重要開發(fā)參數(shù)指標(biāo)是共軌壓力的過渡響應(yīng)及穩(wěn)定性。共軌壓力的過渡響應(yīng)及穩(wěn)定性可以調(diào)節(jié)農(nóng)用機(jī)械柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，如加速、減速、啟動(dòng)和停止。軌壓的有效控制可以劃分為閉環(huán)PID 控制、開環(huán)控制、前饋控制+PID 閉環(huán)控制等多種方式。本文主要分析介紹閉環(huán)PID 控制模式、開環(huán)控制模式、前饋控制+PID 閉環(huán)控制模式的工作原理，并提出農(nóng)用機(jī)械柴油機(jī)共軌系統(tǒng)中軌壓有效控制的幾種方法。

1 軌壓有效控制模式簡介

1.1 閉環(huán)PID 控制模式

閉環(huán)控制系統(tǒng)是指農(nóng)用機(jī)械柴油機(jī)共軌系統(tǒng)的輸出量經(jīng)過反饋環(huán)節(jié)，再次傳遞到控制部分并發(fā)揮信號(hào)作用，組成一套閉合環(huán)路。閉環(huán)控制系統(tǒng)帶有反饋步驟，所以具有更高的系統(tǒng)精確度和更強(qiáng)的抗干擾能力，更能夠滿足具有高穩(wěn)定性要求的系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)中的控制器由3 部分構(gòu)成，分別是微分、積分與比例。在農(nóng)用機(jī)械柴油機(jī)共軌系統(tǒng)的軌壓實(shí)際有效控制中，閉環(huán)PID 控制的關(guān)鍵點(diǎn)是標(biāo)定參數(shù)。因農(nóng)用機(jī)械柴油機(jī)具有易變形突出和非線性的特點(diǎn)，無法通過PID 控制模式快速且準(zhǔn)確地完全控制軌壓值。因此，在實(shí)際操作過程中，農(nóng)用機(jī)械柴油機(jī)共軌系統(tǒng)會(huì)組合多種閉環(huán)PID 控制，精準(zhǔn)控制軌壓。

1.2 開環(huán)控制模式

開環(huán)控制是指從控制裝置到被控制對象，整個(gè)系統(tǒng)的工作順序一直為向下遞延，沒有返回聯(lián)系之前環(huán)節(jié)的過程，以這種控制方式構(gòu)成的系統(tǒng)就是開環(huán)控制系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是輸出量不影響整體系統(tǒng)控制作用，不具備自動(dòng)補(bǔ)償或修正的能力，不能完成高精度的控制工作，只能對目標(biāo)值進(jìn)行快速響應(yīng)。在農(nóng)用機(jī)械柴油機(jī)共軌系統(tǒng)軌壓有效控制模式中，開環(huán)控制模式主要運(yùn)用于發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)控制環(huán)節(jié)，快速達(dá)到目標(biāo)燃油壓力。在軌壓值符合目標(biāo)值時(shí)，軌壓有效控制模式會(huì)由開環(huán)控制模式轉(zhuǎn)變?yōu)殚]環(huán)PID 控制模式，達(dá)到快速精準(zhǔn)調(diào)節(jié)軌壓的作用。

1.3 前饋控制+PID 閉環(huán)控制模式

在閉環(huán)PID 控制模式基礎(chǔ)上添加前饋控制模塊，構(gòu)成前饋控制+PID 閉環(huán)控制模式。這種模式可以確保軌壓可以快速配合農(nóng)用機(jī)械柴油機(jī)做急加速與急減速工作，維持實(shí)際軌壓值與目標(biāo)軌壓值相一致。利用農(nóng)用機(jī)械柴油機(jī)在差異運(yùn)行工況中提前設(shè)置好的目標(biāo)軌壓值，修改燃油計(jì)量閥的開度，使燃油供給量與目標(biāo)軌壓值契合，這一過程就是前饋控制模式。農(nóng)用機(jī)械柴油機(jī)在不同工況運(yùn)行中切換時(shí)，均可以利用前饋控制模式改變軌壓值，快速達(dá)到目標(biāo)軌壓。在距離目標(biāo)軌壓值較小時(shí)，由PID 閉環(huán)控制模塊進(jìn)行調(diào)整，快速消除微小偏差。所以前饋控制+PID 閉環(huán)控制模式不僅可以完成軌壓的快速響應(yīng)，而且還可以完成軌壓的高精度控制。在標(biāo)定軌壓控制參數(shù)時(shí)，為降低農(nóng)用機(jī)械柴油機(jī)在突變工況中發(fā)生大軌壓波動(dòng)，需要試驗(yàn)標(biāo)定目標(biāo)軌壓值的變化斜率，確保農(nóng)用機(jī)械柴油發(fā)動(dòng)機(jī)軌壓的實(shí)際值與目標(biāo)值相一致，保障軌壓與噴油量均不會(huì)發(fā)生較大波動(dòng)，使農(nóng)用機(jī)械柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行具有更高水平的穩(wěn)定性。

2 農(nóng)用機(jī)械柴油機(jī)共軌系統(tǒng)中軌壓的有效控制策略

2.1 啟動(dòng)過程中的軌壓有效控制

農(nóng)用機(jī)械柴油機(jī)共軌系統(tǒng)在啟動(dòng)時(shí)，因油泵凸輪軸不具有較高的速度，所以需要快速搭建共軌油壓，通過早期PCV 閥切斷起始點(diǎn)。在這一過程中，軌壓有效控制軟件利用PCV 閥的開環(huán)控制模式，通過固定的頻率執(zhí)行打開或關(guān)閉的命令。共軌油壓可獲得1 s 以上大于25 MPa 的水平。

2.2 燃油噴射壓力下的軌壓有效控制

電控單元ECU 獲取氣缸密封信號(hào)之后，會(huì)在氣壓值達(dá)到目標(biāo)值期間驅(qū)動(dòng)2 個(gè)PCV 閥，進(jìn)而匹配速度的工作需求。在閉環(huán)PID 控制模式之下，高壓油泵凸輪在整體上升段的供油選擇開環(huán)控制模式進(jìn)行工作，快速達(dá)到目標(biāo)軌壓。在軌道壓力比最小噴射壓力高的情況下，主噴射標(biāo)準(zhǔn)是1，ECU 會(huì)結(jié)合冷卻水溫度信號(hào)及速度信號(hào)取得低速濃縮油。燃油噴射壓力下的軌壓有效控制會(huì)將低速濃縮油轉(zhuǎn)變?yōu)閲娚涿}沖寬度，再展開噴射工作。

2.3 農(nóng)用機(jī)械柴油機(jī)降到最低怠速前的軌壓有效控制

在燃油噴射軌壓力與目標(biāo)值契合之后，農(nóng)用機(jī)械柴油機(jī)降到最低怠速之前，預(yù)噴射的標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)置成1。同時(shí)ECU 根據(jù)總柴油量及農(nóng)用機(jī)械柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)分配油量。軌壓有效控制主要是利用預(yù)噴射過程中的冷焰反應(yīng)，提高主噴射前的燃燒室溫度，優(yōu)化農(nóng)用機(jī)械柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)環(huán)節(jié)，使燃料達(dá)到霧化狀態(tài)。

2.4 啟動(dòng)后的軌壓有效控制

燃油噴射壓力的預(yù)噴射軌壓控制表現(xiàn)為：農(nóng)用機(jī)械柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在快速加速時(shí)，會(huì)因提供給加速器的燃料量增加而使得目標(biāo)燃油噴射壓力快速增加，從而降低微粒物及煙灰的排放量。系統(tǒng)為快速提高共軌油壓達(dá)到目標(biāo)燃油噴射壓力，會(huì)通過預(yù)控制模式使PCV 閥增加供油量。預(yù)供給泵通過低壓入口孔連通控制室與控制室閥體。在壓力調(diào)節(jié)閥缺少電力支持時(shí)，低壓油通道不連接控制室。由于彈簧力及液壓的共同作用，控制室的滑閥被打開，閥門中間的突出部分在通往泵柱塞室的柴油通道上邊。在這時(shí)，低壓燃料與柱塞室直接相連。假如在這一環(huán)節(jié)中，供油裝置的三運(yùn)動(dòng)凸輪下沉，那么柴油會(huì)流到柱塞室。在啟動(dòng)油壓之后，三運(yùn)動(dòng)凸輪會(huì)處于下止點(diǎn)位置。因進(jìn)油口通過單向閥連接柱塞室，不論閥門芯在什么位置，在油壓過程中不會(huì)有任何柴油回流到入口。與流動(dòng)管線連接的共軌燃料壓力相比，當(dāng)壓縮燃料壓力更大時(shí)，油閥處于打開共軌的位置。若電動(dòng)閥與電磁閥連接，則聯(lián)通了控制室與低壓油管。此時(shí)低壓油管內(nèi)的柴油將快速回流到油箱。因節(jié)流孔的限制，燃料控制室得不到及時(shí)的補(bǔ)充，導(dǎo)致壓力降低。

2.5 柴油燃料的軌壓有效控制

經(jīng)過計(jì)算軌道壓力控制啟動(dòng)后的情況，多余柴油燃料壓將回歸低壓罐中，剩余柴油燃料量會(huì)被壓縮成高壓。柴油經(jīng)過高壓油管泵入共軌，形成高壓燃料，隨后經(jīng)過高壓油管抵達(dá)電子噴油器，降低泵油消耗量。在達(dá)到目標(biāo)柴油量后，電子控制單元會(huì)傳遞出相關(guān)信號(hào)，使電磁閥關(guān)閉，這一環(huán)節(jié)會(huì)使低壓入口回路被切斷。柱塞持續(xù)下降，導(dǎo)致柱塞室中的壓力隨之不斷降低。柱塞達(dá)到下止點(diǎn)之后，開始反轉(zhuǎn)并運(yùn)行油壓。電子控制單元會(huì)通過檢測最終燃料噴射量以及轉(zhuǎn)速，明確目標(biāo)軌道壓力的準(zhǔn)確基本值，即最終的目標(biāo)軌道壓力值。比較當(dāng)前軌道壓力傳遞出的反饋值和目標(biāo)值，借助實(shí)時(shí)控制算法計(jì)算實(shí)際軌道壓力控制量。利用查找映射結(jié)果得到對應(yīng)的驅(qū)動(dòng)占空比值，并將信息傳遞到電磁閥，結(jié)合高壓油泵輸入柴油的比例油量，共同完成對共軌壓力的有效控制。當(dāng)高壓泵柱塞向下控制壓力時(shí)，改變電磁閥的通電時(shí)間，可以控制油泵中含有的低壓柴油燃料量，進(jìn)而使其變?yōu)楣曹壐邏翰裼腿剂狭俊Ｒ虼?，農(nóng)用機(jī)械柴油機(jī)共軌系統(tǒng)中的柴油燃料壓力維持穩(wěn)定，有助于提升燃料的利用率。

3 結(jié)語

本文詳細(xì)分析了農(nóng)用機(jī)械柴油機(jī)共軌系統(tǒng)中軌壓的有效控制模式和控制方法。由于農(nóng)用機(jī)械柴油機(jī)的運(yùn)行工況非常復(fù)雜，目標(biāo)軌壓會(huì)根據(jù)農(nóng)用機(jī)械柴油機(jī)的工況變化而進(jìn)行頻繁變化。農(nóng)用機(jī)械柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速情況及循環(huán)供油量均會(huì)直接影響到軌壓有效控制的穩(wěn)定性。農(nóng)用機(jī)械柴油機(jī)共軌系統(tǒng)中軌壓有效控制的具體柴油電子控制技術(shù)主要是利用共軌構(gòu)成恒壓燃料，再將恒壓燃料根據(jù)實(shí)際工況分配到噴射器中。利用噴射器中的高速電磁開關(guān)閥控制農(nóng)用機(jī)械柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳霧化程度，提高柴油燃料利用率。