高壓共軌系統(tǒng)壓力控制策略研究

白思春， 褚全紅， 姜承賦， 張春， 胡勇， 楊薇， 范燕朝

(中國北方發(fā)動機研究所(天津)， 天津 300400)

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高壓共軌系統(tǒng)壓力控制策略研究

白思春， 褚全紅， 姜承賦， 張春， 胡勇， 楊薇， 范燕朝

(中國北方發(fā)動機研究所(天津)， 天津 300400)

開發(fā)了一種柴油機高壓共軌系統(tǒng)壓力控制策略，從目標軌壓選取入手，建立軌壓的閉環(huán)控制策略,并確定了各軌壓控制狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換條件。為實現(xiàn)軌壓快速響應(yīng)，增加了軌壓前饋算法；為改善軌壓控制瞬態(tài)特性，建立了雙環(huán)控制算法；針對特殊工況，采用開環(huán)控制策略。通過發(fā)動機臺架試驗證明，該控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)軌壓的穩(wěn)定控制以及快速響應(yīng)，各工況之間過渡柔和，突變工況下也能夠達到安全控制的要求。

柴油機； 高壓共軌； 試驗臺架； 控制策略

柴油機共軌式燃油噴射系統(tǒng)由于其復雜性、非線性和不穩(wěn)定性，參數(shù)存在不同程度的時變性，而且過程具有非線性、強耦合等特點。傳統(tǒng)的控制理論和方法對于這類對象或過程難以實現(xiàn)自動控制[1]。共軌壓力是噴油計量的基礎(chǔ)參數(shù)，其穩(wěn)定性和過渡響應(yīng)直接影響發(fā)動機起動、怠速、加速等性能，因此軌壓控制是高壓共軌電控系統(tǒng)開發(fā)的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它是高壓共軌系統(tǒng)能否與電控柴油機完全匹配的重要因素[2]。

現(xiàn)有共軌變量泵壓力調(diào)節(jié)閥有兩種，第一代調(diào)壓閥控制的是高壓油泄油量，當軌道壓力超過一定的值就通過泄油來降壓，第二代調(diào)壓閥控制的是低壓油的進油量，當軌道壓力低于一定的值就通過增加進油量來升壓。二者都是通過接收電控單元輸出的PWM脈沖調(diào)制電流來控制共軌管內(nèi)的燃油壓力。從控制效果看，穩(wěn)態(tài)控制時二者基本相當，但針對工況過渡控制，需要建立不同的控制策略[3-4]。

本研究針對軌壓控制，設(shè)計了全工況的軌壓控制算法，使得共軌柴油機穩(wěn)態(tài)軌壓偏差小，瞬態(tài)過程軌壓迅速達到穩(wěn)定。建立了雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，內(nèi)環(huán)基于變量泵電流反饋，外環(huán)基于軌壓反饋；為了減少噴射過程引起的軌壓波動和縮短PID 控制引起的延遲，引入前饋控制技術(shù)，根據(jù)噴射油量和泄漏量對控制量進行預先補償；根據(jù)不同工況下軌壓控制的要求，設(shè)定不同的軌壓控制模式和控制目標，采用開環(huán)控制結(jié)合PID閉環(huán)控制，實現(xiàn)了在柴油機全工況下對不同軌壓變化的最佳控制[5]。

1 共軌壓力控制基本框架

共軌壓力控制主要采用閉環(huán)控制的方式，電控系統(tǒng)不斷檢測柴油機運行狀態(tài)，由最終噴射量和柴油機轉(zhuǎn)速查表得出目標軌壓值，通過軌壓傳感器測試出實際共軌壓力，與目標軌壓值比較得出壓力差，通過PID運算得出變量泵電磁閥通電占空比，對應(yīng)變量泵的流量，在共軌管內(nèi)形成壓力，完成共軌壓力閉環(huán)控制(見圖1)。

變量泵供油、高速電磁閥噴油都是間歇的工作過程，并且和發(fā)動機的工作轉(zhuǎn)速相關(guān)，且在柴油機變工況過程中噴油量的突變也會導致軌壓的波動，這些因素決定了共軌壓力控制的復雜性。所以共軌壓力控制不僅要實現(xiàn)壓力的穩(wěn)定性，還要兼顧壓力的過渡響應(yīng)速度。

2 目標軌壓的選取

共軌壓力是影響柴油機性能的重要因素，噴射壓力越大則噴射能量越高，氣缸內(nèi)燃油和進氣混合、燃燒更完善，柴油機動力性、經(jīng)濟性指標能夠得到改善；此外，提高軌壓，改善燃燒品質(zhì)，也是降低微粒排放和煙度的最有效措施之一[6]。

基礎(chǔ)的目標軌壓設(shè)置一般遵循隨柴油機轉(zhuǎn)速和油量的增加而增加的原則；實際應(yīng)用中，目標軌壓的設(shè)置還需要綜合考慮柴油機燃油溫度、水溫、大氣壓力、進氣壓力等因素。正常狀態(tài)下，目標軌壓修正包括溫度修正(低溫時)和環(huán)境修正(常溫時)；其中溫度修正主要根據(jù)水溫、進氣溫度建立MAP圖對目標軌壓進行修正，得到溫度修正量(見圖2)；環(huán)境修正包括大氣壓力修正、水溫修正、進氣溫度修正三項，得到環(huán)境修正量(見圖3)。

此外，目標軌壓還要考慮燃油溫度的修正，并根據(jù)蓄電池電壓、燃油溫度對目標軌壓進行限制。實際應(yīng)用中，目標軌壓的限定還需要增加兩個因素，一是根據(jù)油量、轉(zhuǎn)速得到的最高值限制，二是當發(fā)動機處于保護或故障狀態(tài)時，對應(yīng)的最高軌壓限定。綜合以上各項修正和限定，最終得到目標軌壓(見圖4)。

3 軌壓控制

3.1 軌壓控制狀態(tài)確定

柴油機處于不同的工作狀態(tài)，需要選擇的軌壓控制算法不盡相同。柴油機起動過程是一個快速建立軌壓的過程，反饋控制難以滿足快速響應(yīng)的要求，一般采用開環(huán)控制；起動完成后，進入正常運行，此時又包括穩(wěn)態(tài)工況和瞬態(tài)工況，軌壓控制采用開環(huán)結(jié)合閉環(huán)的控制方法。利用開環(huán)控制可以較好地響應(yīng)瞬態(tài)工況的快速變化，而閉環(huán)控制又可修正系統(tǒng)磨損、環(huán)境變化等擾動，彌補開環(huán)控制魯棒性的不足；當軌壓傳感器或調(diào)節(jié)閥出現(xiàn)故障時，出于安全的考慮，給予控制系統(tǒng)一個安全的流量，系統(tǒng)性能雖然降低，但是不完全喪失功能，車輛可以跛行回家[7-8]。

軌壓控制狀態(tài)的選擇根據(jù)凸輪、曲軸轉(zhuǎn)速傳感器信號以及點火信號和實際的軌壓值來確定，狀態(tài)切換圖見圖5，轉(zhuǎn)換條件(圖中數(shù)字)如下：

1) 軌壓達到起動軌壓值，但柴油機轉(zhuǎn)速未達到怠速；

2) 軌壓達到起動軌壓值，且柴油機轉(zhuǎn)速達到怠速或調(diào)速狀態(tài)；

3) 軌壓未達到起動軌壓值，或軌壓傳感器或調(diào)節(jié)閥出現(xiàn)故障；

4) 點火信號關(guān)，接收到停機信號；

5) 發(fā)動機停機狀態(tài)，點火信號開。

3.2 軌壓閉環(huán)控制

軌壓閉環(huán)控制以目標軌壓和實際軌壓差值為輸入，通過PID控制得到變量泵的目標流量。首先需要根據(jù)變量泵的工作特性考慮最大的流量限制和零流量。目標軌壓、實際軌壓差根據(jù)積分I參數(shù)得到的控制量需要進行上下限的處理，防止“積分飽和”，之后和量化系數(shù)相乘得到最終的積分控制量；根據(jù)比例P參數(shù)得到的控制量和積分控制量相加，再次進行限值處理；最后和根據(jù)微分D參數(shù)得到的控制量相減，進行限值處理后得到最終的目標流量(見圖6)。

軌壓閉環(huán)控制需要根據(jù)轉(zhuǎn)速和目標軌壓、實際軌壓選擇PID控制參數(shù)。比例P、積分I這兩個控制參數(shù)根據(jù)轉(zhuǎn)速以及軌壓偏差查表得到基本的參數(shù)值，同時通過水溫進行修正。P參數(shù)的算法見圖7。I參數(shù)的算法需要根據(jù)軌壓偏差的上限、下限來進行倍值增大，以便在軌壓偏差較大時，增大每個控制周期的積分輸出量，達到快速調(diào)節(jié)的目的(見圖8)。D參數(shù)的選擇需要考慮上一循環(huán)的軌壓差，以軌壓差的偏差和轉(zhuǎn)速來獲得基本的參數(shù)值，再通過水溫進行相應(yīng)的修正(見圖9)。

3.2.1 軌壓前饋控制算法

在PID閉環(huán)控制的基礎(chǔ)上，為了滿足變工況時對共軌壓力變化速度的需求，增加了軌壓前饋控制算法，前饋算法的加入能夠加快瞬態(tài)過程的響應(yīng)速度。首先根據(jù)目標軌壓和水溫得到泄漏量對應(yīng)的泄漏前饋流量；同時根據(jù)噴油量和轉(zhuǎn)速得到油量修正前饋流量，這里的噴油量用未限定油量，即不考慮零流量、最大流量限制的油量，這樣是為了得到能夠反映真正需要的前饋流量。以上兩項相加，最終的前饋流量疊加到目標流量上，前饋流量需要針對實際的共軌部件進行標定(見圖10)。

3.2.2 雙環(huán)控制算法

通過軌壓PID閉環(huán)控制得到變量泵的控制目標流量，最終的控制需要通過控制變量泵的電流來完成，實際應(yīng)用中采用PWM脈寬調(diào)制的方式來實現(xiàn)。閉環(huán)目標流量和前饋控制流量相加得到目標流量，根據(jù)變量泵流量—電流MAP圖得到控制目標電流。目標電流的控制可以采用開環(huán)或閉環(huán)的控制方式；采用開環(huán)控制時，可以查電流—占空比MAP圖得到占空比值，該值經(jīng)過電壓修正為控制輸出占空比；目標電流也可以采用PID閉環(huán)的控制方式，PID控制算法和軌壓控制算法類似，之后經(jīng)過限值處理，得到輸出占空比。通過雙環(huán)控制變量泵的流量，使得在瞬態(tài)過程中流量的控制更為合理，能夠表現(xiàn)出更好的瞬態(tài)控制效果。雙環(huán)控制算法見圖11。

3.3 軌壓開環(huán)控制

在起動工況、停機工況和工況突變時，上述控制算法不能滿足控制需求，需要進行開環(huán)控制[9]。發(fā)動機起動時，首要任務(wù)是快速建立軌壓，此時，需要設(shè)定較大的目標控制流量；同時為了防止軌壓上沖太多，在實際軌壓達到一定值時，減小目標控制流量，切換到軌壓閉環(huán)控制[10]。工況過渡過程中，特別是在高轉(zhuǎn)速、大功率突降時，由于噴油量的突然減小，軌壓易出現(xiàn)超壓，造成泄壓閥打開故障，此時控制輸出不再是目標流量，而是直接把有效的輸出占空比控制到最小，使變量泵的輸出流量為0。停機時，接收到停機信號，應(yīng)首先把目標控制流量設(shè)置為0，軌壓降到一定的限值后，再停止供油。當目標控制流量設(shè)置為0時，對于第一代調(diào)壓閥，電流調(diào)節(jié)到最大，使泄流最大，對于第二代調(diào)壓閥，電流調(diào)節(jié)到0，使進油量最小。停機后，對于第一代調(diào)壓閥，為了防止調(diào)壓閥長時間通電發(fā)熱，通過測試柴油機轉(zhuǎn)速，把控制電流調(diào)節(jié)到0。

4 試驗驗證

在某高壓共軌柴油機上，對設(shè)計完成的開環(huán)、閉環(huán)控制算法進行測試，通過優(yōu)化控制參數(shù)，標定相應(yīng)的MAP圖，軌壓控制的效果得到較明顯的提升。

1) 起動軌壓開環(huán)控制

起動過程中通過設(shè)置不同的目標流量，測試軌壓的建立情況。圖12示出目標軌壓為60MPa時軌壓建立情況，軌壓過沖7MPa，軌壓從0MPa到60MPa建立時間為2.1s，軌壓穩(wěn)定時間為3.5s。

2) 變工況軌壓閉環(huán)控制

設(shè)置目標軌壓60MPa，調(diào)整油門使發(fā)動機轉(zhuǎn)速從1 090r/min上升到1 800r/min，調(diào)節(jié)過程中軌壓控制見圖13，軌壓控制精度為±2MPa。

3) 考慮前饋的軌壓閉環(huán)控制

發(fā)動機轉(zhuǎn)速維持2 000r/min不變，進行軌壓從40～140MPa階躍跳轉(zhuǎn)控制。圖14示出軌壓控制效果，軌壓瞬變時控制精度能夠快速達到±3MPa，軌壓穩(wěn)定時間2s。

4) 開閉環(huán)相結(jié)合的軌壓控制

發(fā)動機轉(zhuǎn)速維持2 000r/min不變，設(shè)置軌壓從40～100MPa大階躍跳轉(zhuǎn)。圖15示出開閉環(huán)相結(jié)合的軌壓控制效果，跳變時軌壓過沖10MPa后能夠快速進行調(diào)整，軌壓穩(wěn)定時間10s。

5 結(jié)束語

在不同的柴油機工況下，為保證高壓共軌柴油機具有良好的動力性和經(jīng)濟性，目標噴油壓力應(yīng)進行溫度及環(huán)境因素的補償及限制處理。采用開、閉環(huán)相結(jié)合的軌壓控制能夠滿足發(fā)動機全工況下的軌壓快速建立和穩(wěn)定控制。結(jié)合前饋控制和雙閉環(huán)的反饋控制，能夠有效提高軌壓的控制品質(zhì)，滿足工況過渡的需要。

[1] 唐開元.高等內(nèi)燃機學[M].北京：國防工業(yè)出版社，2008.

[2] 周龍保.內(nèi)燃機學[M].北京:機械工業(yè)出版社,1999.

[3] 徐家龍.柴油機電控噴射技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2004.

[4] 王尚勇.柴油機電子控制技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2005.

[5] 李鐵軍.柴油機電控技術(shù)實用教程[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[6] 陸際清.汽車發(fā)動機燃料供給與調(diào)節(jié)[M].北京：清華大學出版社，2002.

[7] 任衛(wèi)軍.柴油機共軌壓力模糊自適應(yīng)PID控制研究[J].計算機工程與應(yīng)用,2016，46(2):210.

[8] 楊林.GD-1高壓共軌式柴油機共軌油壓控制的試驗研究[J].柴油機,2004(6):17-18.

[9] 梁鄭岳.高壓共軌柴油機冷起動關(guān)鍵控制參數(shù)優(yōu)化的試驗研究[J].車用發(fā)動機，2012(4)：48-52.

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[編輯： 潘麗麗]

Pressure Control Strategy of High-pressure Common Rail System

BAI Sichun， CHU Quanhong， JIANG Chengfu， ZHANG Chun，HU Yong， YANG Wei， FAN Yanzhao

(China North Engine Research Institute(Tianjin)， Tianjin 300400, China)

The target rail pressure was first selected, then the close loop strategy of rail pressure was built, the conversion conditions between different rail pressures were determined, and the pressure control strategy of high-pressure common rail system was finally developed. The rail pressure feedforward algorithm and the dual loop control algorithm was used respectively to improve the response of rail pressure and the transient characteristics of rail pressure control. For the special operating conditions, the open loop control strategy was used. It was proved by the bench test that the control strategy could realize the stable control and rapid response of rail pressure. Accordingly, the operating conditions switched smoothly and the safety control could also be realized in step conditions.

diesel engine； high-pressure common rail； test bench； control strategy

2015-06-15；

2015-11-27

白思春(1972-)，男，研究員，主要從事柴油機控制技術(shù)研究；baisc@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.06.004

TP273

B

1001-2222(2015)06-0018-05