軌壓傳感器性能測試系統設計

李春術

摘要：軌壓精確控制是共軌燃油系統許多控制參數優化的基礎，對發動機功率和排放有很大影響，因此對共軌燃油系統的軌壓控制十分重要。本文對CR燃油系統的軌壓特性進行了試驗研究。不同邊界和控制參數下，共軌壓力在不同工況下產生廢氣。獲得了共軌瞬態壓力特性。在此基礎上，采用頻域法對壓力脈動進行了分析。研究表明，燃油泵和噴油器引起的燃油軌道壓力波動不是由流量測量單元引起的。

關鍵詞：軌壓傳感器;性能測試;系統分析

中圖分類號：TP212.6? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）12-0207-02

0? 引言

高壓共軌燃油系統代表了當今柴油機電控技術的發展趨勢，是滿足歐IV排放標準的關鍵技術。在高壓CR燃油系統中，共軌壓力決定噴油壓力，影響噴油量測量的準確性。為了實現電控燃油系統的優勢，首先必須有一個穩定的噴射壓力。因此，共軌壓力控制是高壓CR系統控制的重要組成部分。其控制精度是影響發動機性能的關鍵因素之一，對發動機的動力性和排放性能有很大的影響。本文針對不同控制參數、不同工況和不同邊界條件下燃油系統在不同工況下的特性，利用現有的BOSCH高壓CR燃油系統，研究了高壓燃油壓力在燃油軌道上的瞬態特性，得到了軌道壓力、燃油噴射和IMV閥（流量計單元）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原理，根據配套電控系統的功能和技術狀況，主要由以下幾個部分組成：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。內燃機中的燃料通過一個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。薄膜上裝有半導體型敏感元件，可以把壓力轉換成電信號。將產生的電信號通過連接導線傳輸到一條向電控系統提供測量信號的求值電路中。軌道壓力傳感器產品配套的關鍵應用技術包括：

①高壓工況量程要求燃油系統軌道管內的燃油壓力，它代表燃油的實際噴射壓力（最大可達200MPa）。軌壓傳感器在大壓力范圍內穩定工作是實現系統功能的基本要求。

②快速信號轉換的實時響應電控系統對軌壓的控制是決定發動機扭矩、功率升降等整機功能實現的基本條件。在共軌壓力閉環控制策略下，軌壓傳感器對壓力信號轉換的實時響應速度決定了其快速實現目標軌壓的能力。

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從傳感器到控制器、轉換信號的相應精度，是進行相關調整，從而實現整個系統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確性。由于高壓共軌柴油機對系統油壓值有較高的要求，在試驗和裝車過程中存在一定的危險性，要求傳感體及其接觸面必須有嚴格的密封措施。

2? 實驗裝置

2.1 模型設計

高壓共軌電控系統中軌壓控制采用雙閉環控制方式，外環為軌壓控制環，控制軌道壓力;內環為電流控制環，控制壓力調節閥的電流。外環通過目標軌壓和實際軌壓的差值采用經典PID控制算法計算出需要的燃油流量，再通過查詢流量-電流MAP得到的電流作為內環的目標值，同時采集控制閥的電流，采用經典PID控制算法使實際電流達到目標電流，最終使實際軌壓達到設定的目標軌壓。為了防止積分飽和，外環和內環都增加了積分飽和處理。由于高壓共軌電控系統為離散系統（系統狀態參數為離散的瞬間數值），因此采用離散后的PID算法進行軌壓控制建模，按照控制算法的要求，在模型中對積分項進行了積分飽和處理，并通過開關選擇實現單環控制和雙環控制的切換。由相關試驗數據對比證明，軌壓雙閉環控制策略的軌壓控制精度優于單環控制策略的軌壓控制精度。

2.2 裝置設計

本文的所有試驗均在標準油泵試驗臺上完成，試驗臺上配有可調速電機，可以精確調節油泵轉速。博世高壓CR燃油系統以WP12為試驗對象，利用MATLAB/Simulink建立柴油機仿真模型。在本文的試驗系統中，有一個基斯特勒瞬態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的壓力變化。采用閉環控制來控制共軌壓力。實驗中，利用Devtron瞬態采集軟件，分別在燃油軌道和高壓燃油管道上安裝壓力傳感器，對瞬態壓力信號進行檢測。為了使頻率范圍在50k以內的信號信息能夠無失真地傳輸，Devtron瞬態測量軟件測試數據采集的周期為10us。

3? 試驗結果分析

對于高壓燃油泵為對稱三插入式泵，如果在一個周期內均勻供油至三插入式泵，泵產生的供油頻率應大于泵驅動軸轉速的3倍。Cp2泵的使用包含兩個三次跳動操作，跳動階段是對稱分布的，因此，供油頻率將倍增，即如果泵驅動軸的轉速為nb，軌道壓力波的頻率np可以計算為方程波紋管：

實驗所采用的泵直接由電動機驅動，實驗結果如圖1（a）所示，電動機轉速為425rpm，根據公式計算出軌道壓力對泵產生的相關波頻應為42.5Hz，相應的頻域結果如圖1（b）所示，波頻約為42，與計算結果一致。實驗結果如圖2（a）所示，電機轉速為950rpm，由公式計算出軌道壓力對泵產生的相關波頻應為95Hz，而相應的頻域結果如圖2（b）所示，波頻約為95，與計算結果一致。實踐證明，共軌中的壓力波確實包括由水泵轉動引起的低頻振蕩。實驗中，流量計量單元的控制頻率設定為200Hz，而頻率分析儀中沒有這一點。原因是試驗用的高壓泵屬于進口流量調節，受控燃油經過流量計量單元后流經高壓泵，壓縮后再輸送到軌道上，使得流量計量單元中的高壓燃油不再呈現抖動頻率特性。因此，在選擇流量計量單元的控制頻率時，應主要考慮調節閥的性能。另外，從結果對比可以看出，圖2（b）中的波幅遠大于圖1（b）中的波幅，這意味著單位時間內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增大。計算結果表明，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? 結束語

綜上，可以得出如下結論：①壓力波動發生在燃油軌道上。這種壓力波動主要有兩種類型。一種是泵引起的低頻壓力波動，另一種是噴油引起的高頻壓力波動和軌內燃油引起的高頻振動。②燃油導軌壓力瞬態波動主要是由噴油器和泵內活塞引起的，與流量計單元閥門抖動無關。③在高速、大噴油量條件下，共軌內燃油壓力波動最大。④泵引起的壓力波動成分主要是泵轉速的一階成分。流量計單元的運行周期必須大于壓力波動頻率，在燃油泵運行周期內，流量計單元至少要調節燃油流量一次。例如，當發動機以2000r/min的轉速運行時，流量計單元的控制周期為10ms。⑤共軌壓力調整不能及時補償噴油引起的高頻波動。噴油器引起的噴油壓力波動較大，噴油泵引起的噴油壓力波動較小，噴油器引起的噴油壓力波動較大。因此，僅僅及時控制泵是不能消除噴油器高頻壓力波動的。然而，這種波動可以通過優化噴油器和燃料管的機械結構來補償。同時，對采集到的共軌壓力數據必須過濾和消除高頻共軌壓力波動，以避免共軌壓力控制的過度調整。⑥因此，軌道壓力包含了大量的瞬態高頻數據，其中大部分是在柱塞泵開始抽油調節IMV閥時噴射引起的。波動周期約為2ms，是高頻的。由于該閥控制周期為10ms，泵內IMV閥不能控制瞬態高頻軌道壓力波動。

參考文獻：

[1]王佳鵬.單缸柴油機高壓共軌系統建模和軌壓控制策略研究[D].東南大學，2019.

[2]陳虹，褚洪慶，劉奇芳，高炳釗.基于模型的汽車電控系統設計[J].控制工程，2016，23（12）：1867-1873.

[3]吳航標.軌壓傳感器性能測試系統設計[J].科技廣場，2012（08）：97-100.