高壓共軌電控柴油機噴油器試驗臺研究

楊 瑞，王 毅

(東北林業大學 交通學院，哈爾濱 150040)

隨著PM2.5被列入我國環境空氣質量指標、石油資源的日益枯竭和人們對汽車性能要求的不斷提高，柴油機的排放性、動力性以及經濟性已成為汽車工業最迫切需要解決的問題之一。在這種情勢下，高壓共軌電控柴油機因其為汽車制造業帶來重大的變革，使發動機在全功況的動力性、經濟性以及排放等方面均有提高[1-2]而受到高度關注，成為解決上述問題的強有力工具。電控高壓共軌噴油系統是建立在直噴技術、預噴射技術和電控技術基礎之上的一種柴油機燃油噴射新技術。系統的組成主要有高壓泵、帶調壓閥的共軌管、帶電磁閥的噴油器、ECU和各種傳感器。該系統采用壓力時間式燃油計量原理，又被稱為壓力時間控制式電控噴射系統[3-4]。

1 試驗臺的總體構架與測控系統

噴油器是共軌系統中最復雜、最關鍵的部件，其種類多、設計和制造工藝復雜。其作用是將一定壓力的柴油霧化成細小均勻的油粒，并使柴油在燃燒室與空氣很好地混合。噴油器性能的好壞，直接影響柴油機的經濟性、動力性、排放性和可靠性等。電控高壓共軌噴油器的性能參數主要包括：噴油器電氣性能、噴油量、噴油電磁閥響應時間、靜態泄漏量、動態泄漏量、回油量和霧化效果等。噴油器技術性能要求較為嚴格，檢測時一般要借助噴油器檢測設備[5-7]。

1.1 試驗臺總體構架

噴油器試驗臺主要的功能是完成高壓共軌噴油器性能檢測和相關測試試驗。試驗臺為電控噴油器提供一定壓力的高壓燃油和相關的電子控制裝置，配備共軌燃油系統基本的高壓油泵、噴油器和共軌管等，搭配變頻器和調速電機來驅動油泵；電控單元控制噴油器高速電磁閥開閉，實現高壓噴射，噴射和回流的柴油由集油總成進入燃油計量單元進行計量；系統操作和顯示單元用于設置調節系統參數，同時顯示噴油器性能和系統工作狀態。

1.2 試驗臺測控系統

1.2.1 試驗臺測控系統構成

試驗臺測控系統主要是指相應的傳感器、執行器，以及由上位機和下位機共同組成的電控單元，如圖1所示。其中傳感器有軌壓傳感器和燃油計量傳感器，軌壓傳感器選擇當前常用高壓共軌燃油噴射系統中的原裝傳感器，如BOSCH品牌；燃油計量傳感器則分別選用與上位機軟件相適配便于信息采集的光電式和體積式燃油流量傳感器，可對高壓共軌電控柴油機噴油器噴油和回油流量進行精確計量。執行器有噴油器、高壓油泵和用于驅動高壓油泵的變頻調速電機等，以上均可選擇當前技術成熟且符合控制要求的品牌和型號的產品。試驗臺電控單元采用CPLD+MCU組合雙處理器；油泵壓力控制閥和噴油器電磁閥均采用MOSFET驅動脈寬調制(PWM)的控制方；對驅動電壓、電流和高壓共軌壓力信號進行監測；測控系統的上位機系統集合了操作單元和顯示單元，主要用于相關參數設定，以及將系統各類運行參數和故障等報警等直觀顯示出來。采用美國NI公司的圖形化編程工具 LabVIEW 開發上位機軟件，并且在設定的通訊協議下，使上位機與下位機實現有效通訊，對試驗臺進行實時測控。

圖1 測控系統構成簡圖

1.2.2 試驗臺電控單元

高壓共軌噴油器試驗臺電控單元是整個試驗臺的核心，也是本文研究的重點。電控單元不僅要滿足共軌系統的基本功能，而且需要相應的安全檢測控制功能，良好的操作和直觀的顯示界面，以滿足不同型號電控噴油器的驅動控制要求，滿足噴油器雙電源靈活多。此外，電控單元必須具有一定的安全可靠性，以便于安裝和維護。

噴油器高速電磁閥的控制要求非常高的控制精度和可靠性。MCU+CPLD組合成高速穩定、抗干擾強、邏輯處理和復雜運算強的控制器，滿足試驗臺運行和噴油器檢測的控制要求。CPLD以其高速、高可靠性、非易失性和高靈活性著稱，這些性能完全滿足高精度高可靠性電控噴油器控制要求。采用20MHz有源晶振，為CPLD數字系統提供可靠時鐘，完全滿足噴油器控制us級控制要求，電流閾值監測采用高速比較器提供翻轉信號，控制電磁閥開啟和關閉。利用AVR單片機豐富的10位精度ADC獲取軌壓傳感器信號和對噴油器電磁閥驅動電流平均值采樣監測；獨立的PWM模塊主要用來控制高壓油泵壓力控制閥占空比，調節高壓油壓力。

2 系統壓力控制模型與程序運行設計

2.1 試驗臺壓力控制模型

按照控制對象的控制原理看，高壓共軌系統屬于燃油蓄壓和電磁閥時間控制即壓力—時間控制式。試驗臺共軌壓力控制有三項任務：共軌壓力設定、共軌壓力控制和共軌壓力監控。調節變頻器參數可改變電機轉速，油泵轉速和高壓油泵壓力控制閥互相匹配可形成特定數值的高壓燃油。油泵轉速一般不超過3 000 RPM，壓力控制閥PWM控制頻率一般為100～250 Hz。一定范圍內的特定轉速和特定PWM頻率下，PWM占空比和油泵出口壓力有較好的線性關系，利于噴射壓力的線性控制。共軌壓力傳感器由壓力敏感元件和求值電路板組成，共軌燃油壓力改變引起壓敏膜片變形，膜片上電阻應變電阻值產生線性變化，經過求值電路轉換成0.5～4.5 V的線性電壓。控制參數和輸出量采用數字PID算法進行控制。PID控制算法以其結構簡單、控制穩定和精度高等特點，成為經典控制算法并廣泛用于控制領域[8]，其基本控制算法為：

式中：e(t)為測量值與設定值之間的偏差；Kd為微分調節常數；Ki為積分調節常數；Kp為比例調節常數。

運用于高壓共軌管壓力PID閉環控制原理如圖2所示。

圖2 共軌管壓力閉環控制原理圖

2.2 試驗臺測控程序運行設計

試驗臺系統上電控制器程序初始化，內部預設一組運行參數，也可以手動調節運行參數，然后燃油計量單元手動調零，當完整參數后，按下啟動按鍵，檢測試驗隨即開始。系統運行基本流程如圖3所示。首先監測共軌管壓力是否達到預期值，如果不滿足要求則運行軌壓PID控制程序，對其進行修正，直到滿足要求，同時將軌壓通過上位機顯示在電腦顯示器上面。然后執行噴油器噴油測試，觸發信號可以選擇按照設定時間和外部信號觸發兩種模式。進行了相關參數設置后，點擊運行按鈕，系統進入檢測試驗狀態。觸發信號使得噴油器電磁閥被驅動打開，驅動電流產生變化，CPLD根據預設參數和相關電流閾值翻轉信號進行PWM占空比控制，依據相關電流翻轉信號判斷出噴油器是否存在故障，并將相應信息傳遞給上位機軟件，顯示狀態和故障。如果沒有噴油器故障，噴油器將按照噴油次數或者相應外部觸發條件一直驅動。

圖3 試驗臺系統運行基本流程圖

3 試驗驗證

利用該試驗臺對一套博世高壓共軌總成進行了測控試驗，以驗證該平臺的可靠性。

3.1 軌壓控制檢測

在試驗臺上連續多次運行表1中的4種工況，通過上位機軟件每隔1.5 s記錄一個軌壓值，測得如圖4所示的軌壓曲線。從圖4中可以看出：不同工況切換時系統響應快，最大偏差小；同一工況運行時軌壓波動在目標軌壓的2%以內。以上說明系統的軌壓控制效果良好。

表1 試驗工況

圖4 不同工況下的軌壓曲線

3.2 噴油量測量

在使用試驗臺自動測量噴油器的噴油量前，先采用量筒人工測量噴油器出來的油量，再將二者進行比較，以檢驗平臺的測量精度。設定目標軌壓為120 MPa，噴油脈寬為0.001 s，噴油次數為1 000次，分別設定轉速分別為400 r/min，500 r/min，600 r/min，800 r/min 的四種工況下進行測量試驗，其中每個工況重復5次，得到試驗臺自動測得的噴油量與量筒測量結果的誤差在3%以內，試驗臺的噴油量測量的可靠性符合要求。

4 結 論

新開發的試驗臺既實現了對高壓共軌系統噴油器、供油泵、傳感器和電控單元等部件的匹配和連接，同時在其設計過程中也完成了對噴油器試驗臺電控單元的硬軟件相關設計。試驗臺電控單元采用MCU+CPLD組合的形式充分利用了CPLD的功能優勢，不僅可以可靠的驅動相關電磁閥的開閉，而且降低了電控單元的整體成本；監控系統的應用不僅提高了測量精度，而且提高了試驗臺的智能化水平。驗證結果顯示，應用該試驗臺能夠有效完成測試任務，系統運行正常，達到了預期試驗效果。綜上所示，該試驗臺的研究適應當前的技術發展方向，并且能夠可靠工作。

【參 考 文 獻】

[1]王尚勇，楊 青.柴油機電子控制技術[M].北京：機械工業出版社，2005.

[2]黃 軍，王書義.Bosch公司共軌燃油噴射系統及其發展[J].車輛與動力技術，2005(1)：58-63.

[3]徐家龍.柴油電控噴油技術[M].北京：人民交通出版社，2004.

[4]劉斌彬，李國岫.柴油機高壓共軌燃油噴射系統現狀與發展趨勢[J].內燃機，2006，4(2)：1-3.

[5]張劍平，歐大生.高壓共軌燃油系統特性試驗研究[J].內燃機工程，2005，26(2)：13-16.

[6]蘇 瑜，周文華.高壓共軌柴油機壓電噴油器的驅動相應特性[J].江南大學學報(自然科學版)，2009，8(4)：203-205.

[7]崔國旭.高壓共軌系統噴油量自動測量研究[J].車用發動機，2009，12(6)：85-89.

[8]尤麗華，安 偉.高壓共軌系統高壓泵試驗臺軌壓控制方法[J].江蘇大學學報，2010，31(7)：432-436.