軌壓傳感器性能測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李春術(shù)

摘要：軌壓精確控制是共軌燃油系統(tǒng)許多控制參數(shù)優(yōu)化的基礎(chǔ)，對發(fā)動(dòng)機(jī)功率和排放有很大影響，因此對共軌燃油系統(tǒng)的軌壓控制十分重要。本文對CR燃油系統(tǒng)的軌壓特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。不同邊界和控制參數(shù)下，共軌壓力在不同工況下產(chǎn)生廢氣。獲得了共軌瞬態(tài)壓力特性。在此基礎(chǔ)上，采用頻域法對壓力脈動(dòng)進(jìn)行了分析。研究表明，燃油泵和噴油器引起的燃油軌道壓力波動(dòng)不是由流量測量單元引起的。

關(guān)鍵詞：軌壓傳感器;性能測試;系統(tǒng)分析

中圖分類號：TP212.6? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）12-0207-02

0? 引言

高壓共軌燃油系統(tǒng)代表了當(dāng)今柴油機(jī)電控技術(shù)的發(fā)展趨勢，是滿足歐IV排放標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵技術(shù)。在高壓CR燃油系統(tǒng)中，共軌壓力決定噴油壓力，影響噴油量測量的準(zhǔn)確性。為了實(shí)現(xiàn)電控燃油系統(tǒng)的優(yōu)勢，首先必須有一個(gè)穩(wěn)定的噴射壓力。因此，共軌壓力控制是高壓CR系統(tǒng)控制的重要組成部分。其控制精度是影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能的關(guān)鍵因素之一，對發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和排放性能有很大的影響。本文針對不同控制參數(shù)、不同工況和不同邊界條件下燃油系統(tǒng)在不同工況下的特性，利用現(xiàn)有的BOSCH高壓CR燃油系統(tǒng)，研究了高壓燃油壓力在燃油軌道上的瞬態(tài)特性，得到了軌道壓力、燃油噴射和IMV閥（流量計(jì)單元）之間的相互作用。

1? 軌壓傳感器模型研究

軌道壓力傳感器采用壓電式感應(yīng)原理，根據(jù)配套電控系統(tǒng)的功能和技術(shù)狀況，主要由以下幾個(gè)部分組成：壓力敏感元件，帶求值電路的電路板，帶電氣插頭的傳感器外殼。內(nèi)燃機(jī)中的燃料通過一個(gè)小孔被送到共軌壓力傳感器，傳感器的膜片把小孔的末端密封起來。薄膜上裝有半導(dǎo)體型敏感元件，可以把壓力轉(zhuǎn)換成電信號。將產(chǎn)生的電信號通過連接導(dǎo)線傳輸?shù)揭粭l向電控系統(tǒng)提供測量信號的求值電路中。軌道壓力傳感器產(chǎn)品配套的關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)包括：

①高壓工況量程要求燃油系統(tǒng)軌道管內(nèi)的燃油壓力，它代表燃油的實(shí)際噴射壓力（最大可達(dá)200MPa）。軌壓傳感器在大壓力范圍內(nèi)穩(wěn)定工作是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的基本要求。

②快速信號轉(zhuǎn)換的實(shí)時(shí)響應(yīng)電控系統(tǒng)對軌壓的控制是決定發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩、功率升降等整機(jī)功能實(shí)現(xiàn)的基本條件。在共軌壓力閉環(huán)控制策略下，軌壓傳感器對壓力信號轉(zhuǎn)換的實(shí)時(shí)響應(yīng)速度決定了其快速實(shí)現(xiàn)目標(biāo)軌壓的能力。

③軌壓變化的采集精度要求軌壓采集精度代表了電控系統(tǒng)從傳感器到控制器、轉(zhuǎn)換信號的相應(yīng)精度，是進(jìn)行相關(guān)調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)精確控制的基本條件。傳感器本體和接口的高密封性傳感器與共軌管集成在一起，其密封性措施與高壓燃油的接觸面和采集部分相接觸，保證壓力信號傳遞的準(zhǔn)確性。由于高壓共軌柴油機(jī)對系統(tǒng)油壓值有較高的要求，在試驗(yàn)和裝車過程中存在一定的危險(xiǎn)性，要求傳感體及其接觸面必須有嚴(yán)格的密封措施。

2? 實(shí)驗(yàn)裝置

2.1 模型設(shè)計(jì)

高壓共軌電控系統(tǒng)中軌壓控制采用雙閉環(huán)控制方式，外環(huán)為軌壓控制環(huán)，控制軌道壓力;內(nèi)環(huán)為電流控制環(huán)，控制壓力調(diào)節(jié)閥的電流。外環(huán)通過目標(biāo)軌壓和實(shí)際軌壓的差值采用經(jīng)典PID控制算法計(jì)算出需要的燃油流量，再通過查詢流量-電流MAP得到的電流作為內(nèi)環(huán)的目標(biāo)值，同時(shí)采集控制閥的電流，采用經(jīng)典PID控制算法使實(shí)際電流達(dá)到目標(biāo)電流，最終使實(shí)際軌壓達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)軌壓。為了防止積分飽和，外環(huán)和內(nèi)環(huán)都增加了積分飽和處理。由于高壓共軌電控系統(tǒng)為離散系統(tǒng)（系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)為離散的瞬間數(shù)值），因此采用離散后的PID算法進(jìn)行軌壓控制建模，按照控制算法的要求，在模型中對積分項(xiàng)進(jìn)行了積分飽和處理，并通過開關(guān)選擇實(shí)現(xiàn)單環(huán)控制和雙環(huán)控制的切換。由相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比證明，軌壓雙閉環(huán)控制策略的軌壓控制精度優(yōu)于單環(huán)控制策略的軌壓控制精度。

2.2 裝置設(shè)計(jì)

本文的所有試驗(yàn)均在標(biāo)準(zhǔn)油泵試驗(yàn)臺(tái)上完成，試驗(yàn)臺(tái)上配有可調(diào)速電機(jī)，可以精確調(diào)節(jié)油泵轉(zhuǎn)速。博世高壓CR燃油系統(tǒng)以WP12為試驗(yàn)對象，利用MATLAB/Simulink建立柴油機(jī)仿真模型。在本文的試驗(yàn)系統(tǒng)中，有一個(gè)基斯特勒瞬態(tài)壓力傳感器安裝在高壓油軌端附近的噴油器測量噴射壓力;一個(gè)軌道壓力傳感器安裝在高壓油軌端附近的低壓油路測量高壓油軌內(nèi)的壓力變化。采用閉環(huán)控制來控制共軌壓力。實(shí)驗(yàn)中，利用Devtron瞬態(tài)采集軟件，分別在燃油軌道和高壓燃油管道上安裝壓力傳感器，對瞬態(tài)壓力信號進(jìn)行檢測。為了使頻率范圍在50k以內(nèi)的信號信息能夠無失真地傳輸，Devtron瞬態(tài)測量軟件測試數(shù)據(jù)采集的周期為10us。

3? 試驗(yàn)結(jié)果分析

對共軌和高壓管道中的壓力信號進(jìn)行了采樣，并進(jìn)行了頻域分析。圖1（a）是傳感器在高壓管道和軌道上采集的壓力變化曲線，在泵轉(zhuǎn)速為425r/min、6缸噴射、循環(huán)燃油噴射量為40mg、軌道壓力為600bar的條件下。而圖1（b）是對應(yīng)的頻域結(jié)果。

圖2（a）是傳感器在高壓管道和軌道上采集的壓力變化曲線，在泵轉(zhuǎn)速為950r/min、6缸噴射、循環(huán)噴油量為230mg、軌道壓力為1600bar的條件下，計(jì)算得到的壓力變化曲線。而圖2（b）是對應(yīng)的頻域結(jié)果。

對于高壓燃油泵為對稱三插入式泵，如果在一個(gè)周期內(nèi)均勻供油至三插入式泵，泵產(chǎn)生的供油頻率應(yīng)大于泵驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速的3倍。Cp2泵的使用包含兩個(gè)三次跳動(dòng)操作，跳動(dòng)階段是對稱分布的，因此，供油頻率將倍增，即如果泵驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速為nb，軌道壓力波的頻率np可以計(jì)算為方程波紋管：

實(shí)驗(yàn)所采用的泵直接由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1（a）所示，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為425rpm，根據(jù)公式計(jì)算出軌道壓力對泵產(chǎn)生的相關(guān)波頻應(yīng)為42.5Hz，相應(yīng)的頻域結(jié)果如圖1（b）所示，波頻約為42，與計(jì)算結(jié)果一致。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2（a）所示，電機(jī)轉(zhuǎn)速為950rpm，由公式計(jì)算出軌道壓力對泵產(chǎn)生的相關(guān)波頻應(yīng)為95Hz，而相應(yīng)的頻域結(jié)果如圖2（b）所示，波頻約為95，與計(jì)算結(jié)果一致。實(shí)踐證明，共軌中的壓力波確實(shí)包括由水泵轉(zhuǎn)動(dòng)引起的低頻振蕩。實(shí)驗(yàn)中，流量計(jì)量單元的控制頻率設(shè)定為200Hz，而頻率分析儀中沒有這一點(diǎn)。原因是試驗(yàn)用的高壓泵屬于進(jìn)口流量調(diào)節(jié)，受控燃油經(jīng)過流量計(jì)量單元后流經(jīng)高壓泵，壓縮后再輸送到軌道上，使得流量計(jì)量單元中的高壓燃油不再呈現(xiàn)抖動(dòng)頻率特性。因此，在選擇流量計(jì)量單元的控制頻率時(shí)，應(yīng)主要考慮調(diào)節(jié)閥的性能。另外，從結(jié)果對比可以看出，圖2（b）中的波幅遠(yuǎn)大于圖1（b）中的波幅，這意味著單位時(shí)間內(nèi)的注入量將隨著速度的增加而增加，因此壓力波在過載和高速時(shí)增大。計(jì)算結(jié)果表明，一旦泵入燃油，軌道壓力將受到影響。泵對共軌壓力的影響頻率隨泵速的增大而增大。

4? 結(jié)束語

綜上，可以得出如下結(jié)論：①壓力波動(dòng)發(fā)生在燃油軌道上。這種壓力波動(dòng)主要有兩種類型。一種是泵引起的低頻壓力波動(dòng)，另一種是噴油引起的高頻壓力波動(dòng)和軌內(nèi)燃油引起的高頻振動(dòng)。②燃油導(dǎo)軌壓力瞬態(tài)波動(dòng)主要是由噴油器和泵內(nèi)活塞引起的，與流量計(jì)單元閥門抖動(dòng)無關(guān)。③在高速、大噴油量條件下，共軌內(nèi)燃油壓力波動(dòng)最大。④泵引起的壓力波動(dòng)成分主要是泵轉(zhuǎn)速的一階成分。流量計(jì)單元的運(yùn)行周期必須大于壓力波動(dòng)頻率，在燃油泵運(yùn)行周期內(nèi)，流量計(jì)單元至少要調(diào)節(jié)燃油流量一次。例如，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)以2000r/min的轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，流量計(jì)單元的控制周期為10ms。⑤共軌壓力調(diào)整不能及時(shí)補(bǔ)償噴油引起的高頻波動(dòng)。噴油器引起的噴油壓力波動(dòng)較大，噴油泵引起的噴油壓力波動(dòng)較小，噴油器引起的噴油壓力波動(dòng)較大。因此，僅僅及時(shí)控制泵是不能消除噴油器高頻壓力波動(dòng)的。然而，這種波動(dòng)可以通過優(yōu)化噴油器和燃料管的機(jī)械結(jié)構(gòu)來補(bǔ)償。同時(shí)，對采集到的共軌壓力數(shù)據(jù)必須過濾和消除高頻共軌壓力波動(dòng)，以避免共軌壓力控制的過度調(diào)整。⑥因此，軌道壓力包含了大量的瞬態(tài)高頻數(shù)據(jù)，其中大部分是在柱塞泵開始抽油調(diào)節(jié)IMV閥時(shí)噴射引起的。波動(dòng)周期約為2ms，是高頻的。由于該閥控制周期為10ms，泵內(nèi)IMV閥不能控制瞬態(tài)高頻軌道壓力波動(dòng)。

參考文獻(xiàn)：

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