單缸機控制技術(shù)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(fā)動機整機性能開發(fā)需要在發(fā)動機試驗臺架進行大量試驗， 開發(fā)成本高、 周期很長， 而單缸試驗機制造和試驗成本低， 易于調(diào)整， 多用于基礎(chǔ)研究和工作過程開發(fā)。 為了快速滿足國內(nèi)外市場對先進柴油機的性能需求， 減少設(shè)計開發(fā)工作的盲目性， 縮短開發(fā)周期、 降低開發(fā)成本、 提高研制效率， 單缸試驗機的制造與設(shè)計是有必要的。 隨著電控技術(shù)的發(fā)展， 高壓共軌燃油噴射技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，穩(wěn)定可調(diào)的噴油壓力、 靈活的噴油控制、 高控制精度等，極大提高發(fā)動機的動力性和穩(wěn)定性。 基于此， 本文提出一種高壓共軌電控單缸機控制技術(shù)研究方法， 通過發(fā)動機的運轉(zhuǎn)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(yīng)PID控制算法計算供油量， 由供油量和電流轉(zhuǎn)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(shè)定的目標(biāo)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(tǒng)控制技術(shù)的效果。

1 單缸機總體參數(shù)及架構(gòu)

1.1 總體參數(shù)

本文中單缸試驗機是以重型卡車用發(fā)動機為基礎(chǔ)， 結(jié)合技術(shù)研究和市場需求， 其結(jié)構(gòu)上采用單缸工作， 高壓油泵、 共軌管采用現(xiàn)有成熟產(chǎn)品， 高壓油泵采用恒定轉(zhuǎn)速電機驅(qū)動， 進氣溫度和壓力由實驗室恒溫恒壓系統(tǒng)控制。 單缸機試驗機設(shè)計指標(biāo)要求見表1。

表1 單缸試驗機設(shè)計參數(shù)

1.2 單缸機總體結(jié)構(gòu)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(gòu)和傳動箱， 后端為飛輪端， 左側(cè)為排氣側(cè)， 右側(cè)為進氣側(cè)， 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(tǒng)

單缸機供油系統(tǒng)示意圖見圖2， 高壓共軌系統(tǒng)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(tǒng)比其他系統(tǒng)具備更多優(yōu)勢：減弱泵油、 噴油產(chǎn)生的軌壓波動， 保證各缸噴射軌壓的一致性，減弱轉(zhuǎn)速對噴射壓力的影響。

圖2 單缸機供油系統(tǒng)示意圖

2 供油系統(tǒng)控制技術(shù)

高壓共軌噴油系統(tǒng)控制關(guān)鍵是軌壓控制。 高壓共軌電控系統(tǒng)中軌壓控制采用前饋加PID閉環(huán)控制方式， 軌壓前饋值根據(jù)噴油量、 噴油器動態(tài)泄漏量和靜態(tài)泄漏計算得到；軌壓設(shè)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(jù)燃油流量與電流的脈譜關(guān)系圖將流量轉(zhuǎn)換成油量計量單元的驅(qū)動電流， 由ECU發(fā)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(biāo)值。 其中軌壓設(shè)定值根據(jù)發(fā)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(fā)出控制指令， 不斷調(diào)節(jié)供油量最終達到接近共軌壓力的目標(biāo)值。 軌壓控制整體架構(gòu)如圖3所示。

圖3 軌壓控制整體架構(gòu)

2.1 軌壓設(shè)定值

軌壓設(shè)定值是基礎(chǔ)值和修正值之和。 根據(jù)發(fā)動機工況即轉(zhuǎn)速和油量查脈譜圖得到軌壓設(shè)定值基礎(chǔ)值， 通過環(huán)境溫度、 壓力及燃油溫度等因素的特性曲線進行修正， 經(jīng)過上下限值約束后， 計算得到目標(biāo)軌壓即軌壓設(shè)定值。 軌壓設(shè)定值計算框架如圖4所示。

圖4 軌壓設(shè)定值計算框架

2.2 軌壓前饋值

基于發(fā)動機運行工況的軌壓前饋控制實質(zhì)為開環(huán)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(diào)” 部分。 前饋值由發(fā)動機各工況下需求噴油量、 噴油器的動態(tài)泄露量和靜態(tài)泄漏量組成。 前饋控制為軌壓閉環(huán)控制的 “精調(diào)” 打好基礎(chǔ)， 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(zhuǎn)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(yīng)PID算法， 即比例-積分-一階微分環(huán)節(jié)。 ①比例環(huán)節(jié)： 決定軌壓控制響應(yīng)的快慢； ②積分環(huán)節(jié)： 決定最終軌壓控制精度； ③一階延遲微分環(huán)節(jié)： 決定軌壓控制的瞬態(tài)響應(yīng)精度， 作用于軌壓大幅上升或下降時。

3 控制技術(shù)驗證

本試驗基于單缸試驗機， 結(jié)合高壓共軌電控系統(tǒng)， 通過高壓共軌單缸機試驗臺架進行控制技術(shù)驗證。 試驗開始前按照臺架操作點檢流程， 檢查臺架設(shè)備運行正常， 制定實驗內(nèi)容如下： 發(fā)動機起動時建壓能力-發(fā)動機不同轉(zhuǎn)速軌壓控制穩(wěn)定性-軌壓設(shè)定值正向階躍和負向階躍時軌壓響應(yīng)性。

3.1 起動狀態(tài)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(fā)動機由起動狀態(tài)進入怠速狀態(tài)， 記錄此過程軌壓實際值、 軌壓設(shè)定值及轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。 通過試驗記錄數(shù)據(jù)觀察起動過程軌壓建壓能力， 即軌壓的快速響應(yīng)性， 試驗數(shù)據(jù)如圖6所示。 其中： 圖6a為發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號； 圖6b為軌壓設(shè)定值與實際值， 圖中實線為軌壓實際值， 虛線為軌壓設(shè)定值； 圖6c為軌壓設(shè)定值與實際值相對偏差。

圖6試驗數(shù)據(jù)顯示： 高壓共軌系統(tǒng)在ECU控制指令下，2.5s內(nèi)快速建壓， 并且實際軌壓和設(shè)定軌壓偏差小于10bar，軌壓控制的快速響應(yīng)速度快， 穩(wěn)態(tài)偏差小于5%。

圖6 單缸試驗機啟動狀態(tài)軌壓數(shù)據(jù)

3.2 不同轉(zhuǎn)速軌壓階躍響應(yīng)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(fā)動機由起動狀態(tài)進入怠速狀態(tài)， 并且轉(zhuǎn)速在不同工況進行波動， 記錄此過程軌壓實際值、 軌壓設(shè)定值及轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。 通過試驗記錄數(shù)據(jù)觀察單缸試驗機在不同轉(zhuǎn)速波動、 設(shè)定軌壓階躍工況下即軌壓的快速響應(yīng)性和偏差，試驗數(shù)據(jù)如圖7所示。 其中： 圖7a為發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號； 圖7b為軌壓設(shè)定值與實際值， 圖中實線為軌壓實際值， 虛線為軌壓設(shè)定值； 圖7c為軌壓設(shè)定值與實際值相對偏差。

圖7 單缸試驗機軌壓階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)

圖7數(shù)據(jù)顯示單缸試驗機在不同轉(zhuǎn)速下， 在瞬態(tài)工況軌壓偏差小于10bar， 階躍響應(yīng)能力較強。

4 結(jié)論

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

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

3） 在轉(zhuǎn)速波動及瞬態(tài)工況下， 軌壓控制響應(yīng)性較快，控制精度較高， 單缸機高壓共軌系統(tǒng)控制技術(shù)有效。