蔡勝年，林啟明，徐承韜

(沈陽化工大學(xué)信息工程學(xué)院，遼寧沈陽 110142)

高壓共軌系統(tǒng)噴油量波動(dòng)補(bǔ)償控制的研究

蔡勝年，林啟明，徐承韜

(沈陽化工大學(xué)信息工程學(xué)院，遼寧沈陽 110142)

在分析高壓共軌電磁式噴油器多次噴射油量特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，給出了通過調(diào)節(jié)主噴電流持續(xù)時(shí)間來調(diào)整主噴脈沖寬度進(jìn)而補(bǔ)償主噴油量波動(dòng)的方法。使用AMESim仿真軟件對噴油器進(jìn)行仿真分析，得到主噴油量隨主預(yù)間隔時(shí)間變化規(guī)律，確定了對應(yīng)于不同間隔時(shí)間的主噴油量與目標(biāo)噴油量的差值；建立了主噴油量與主噴電流持續(xù)時(shí)間的關(guān)系模型，根據(jù)誤差值確定主噴電流持續(xù)時(shí)間；基于MATLAB Simulink仿真軟件對主噴油量波動(dòng)進(jìn)行函數(shù)擬合從而得到持續(xù)時(shí)間誤差，在ECU外圍進(jìn)行補(bǔ)償，達(dá)到了波動(dòng)補(bǔ)償?shù)男Ч?/p>

高壓共軌；噴油量；波動(dòng)補(bǔ)償；仿真

0 引言

全球變暖和空氣污染等問題越發(fā)嚴(yán)峻，各國對汽車尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)的要求也日益嚴(yán)格，而對柴油機(jī)的排放要求尤為突出，采用高壓共軌電控技術(shù)改善燃燒過程是解決上述問題的根本途徑[1]。有害物質(zhì)的排放量與燃燒效果有著直接的關(guān)系，增高油壓、增加噴油次數(shù)、提高每循環(huán)噴油量控制精度等方法可以改善燃燒效果，降低有害物質(zhì)的排放。為了實(shí)現(xiàn)更靈活的多次噴射、更高的噴射壓力,要求噴射系統(tǒng)能夠靈活調(diào)整兩次噴射的間隔時(shí)間。在噴油器進(jìn)行多次噴射的過程中，前一次噴射結(jié)束時(shí)針閥落座產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象，導(dǎo)致壓力的波動(dòng)，壓力波在共軌與針閥之間往復(fù)傳播引起下一次噴射噴油量的波動(dòng)，主要體現(xiàn)在預(yù)噴油量對主噴油量波動(dòng)的影響上，當(dāng)噴油間隔時(shí)間發(fā)生改變時(shí)噴油量波動(dòng)規(guī)律也隨之改變。每循環(huán)噴油量直接影響有害物質(zhì)的排放及發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率，噴油量偏大會(huì)導(dǎo)致燃燒不完全、冒黑煙等現(xiàn)象，噴油量偏小會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力不足。

通過對噴油器系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真，得到主噴油量隨主預(yù)間隔時(shí)間變化的波動(dòng)規(guī)律，并以單次噴射噴油量為基準(zhǔn)，建立噴油量與主噴電流持續(xù)時(shí)間的關(guān)系，得到對應(yīng)的目標(biāo)電流持續(xù)時(shí)間，通過調(diào)節(jié)該持續(xù)時(shí)間調(diào)節(jié)主噴油量，達(dá)到補(bǔ)償效果。

1 噴油器工作原理

高壓共軌系統(tǒng)用噴油器原理如圖1所示，當(dāng)電磁閥線圈中沒有電流流過時(shí)，控制腔與蓄壓腔壓力均等于軌壓，此時(shí)控制活塞表面所受壓力與彈簧彈力之和大于針閥下表面所受壓力，針閥落座，回油孔關(guān)閉，即為靜止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)電磁閥通電后，且電磁力大于彈簧力時(shí)，球閥開啟，回油孔開啟，燃油從控制室流出回到油箱，控制室壓力下降，則控制活塞上表面壓力降低，當(dāng)其與彈簧力之和小于針閥下表面所受壓力時(shí)，針閥開啟，噴油開始，即噴油始點(diǎn)；當(dāng)電磁閥關(guān)閉時(shí)，回油孔關(guān)閉，控制室迅速建立高壓，針閥落座[4]。

1.1 電磁閥模型

電磁閥是噴油器中直接與控制電路相連的部件，其模型主要有運(yùn)動(dòng)模型、電壓方程以及電磁力計(jì)算等內(nèi)容。

在不考慮摩擦以及穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力等情況下，運(yùn)動(dòng)模型為：

(1)

(2)

式中：m為閥芯總質(zhì)量(kg)；x為鐵芯位移(m)；B1為黏性阻尼系數(shù)(N·s/m)；B為氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度(T)；Fe為電磁力(N)；μ0為空氣導(dǎo)磁率(H/m)；S為氣隙導(dǎo)磁面積(m2)；Ft為彈簧預(yù)緊力(N)；k為彈簧阻尼系數(shù)(m·N/s)。

考慮動(dòng)鐵在運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)電動(dòng)勢，電壓模型為:

(3)

式中:U為開關(guān)閥激勵(lì)電壓(V)；i為流經(jīng)線圈的電流(A)；Rc為線圈總電阻(Ω)；Lc為線圈動(dòng)態(tài)等效電感(H)。

1.2 容積腔模型

根據(jù)容積腔內(nèi)流量守恒與連續(xù)性原理可知：

(4)

(5)

(6)

式中：Qin為容積腔進(jìn)口流量(mg)；Qout為容積腔出口流量(mg)；Ql為泄漏流量(mg)；Vb為容積腔容積(cm3)；pb為容積腔壓力(Pa)；E為燃油體積彈性模量(Pa)；η為階躍函數(shù)；μin和μout分別為進(jìn)、出口流量系數(shù)；din和dout分別為容積腔進(jìn)、出口直徑(mm)；pr為軌壓；pc為背壓；ρ為燃油密度(kg/m3)。

1.3 針閥運(yùn)動(dòng)模型

根據(jù)牛頓第二定律得：

(7)

式中：h為針閥行程(mm)；mz為針閥組件質(zhì)量(kg)；Fy為壓力室燃油壓力(N)；Fz為針閥座處燃油壓力(N)；Fs為盛油槍燃油壓力(N)；Fk為針閥彈簧作用力(N)；Fc為控制腔燃油壓力(N)；c為針閥的阻尼系數(shù)。

1.4 噴油器的AMESim模型

如圖2根據(jù)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行AMESim多物理量仿真，采用批處理方式對噴油量波動(dòng)進(jìn)行計(jì)算[3]。

2 仿真結(jié)果分析

取預(yù)設(shè)軌壓為100 MPa，控制腔體積為0.015 cm3，容積腔體積為0.01 cm3,各處流量系數(shù)為0.7，噴油間隔時(shí)間近似為前次電流結(jié)束到后一次電流開啟時(shí)間[2]。

2.1 目標(biāo)噴油量與驅(qū)動(dòng)電流關(guān)系

噴油器在噴射過程中，以單次主噴為基準(zhǔn)，不考慮預(yù)噴對主噴的影響，主噴持續(xù)時(shí)間設(shè)定為0.7 ms。

電磁閥完全開啟不會(huì)立即產(chǎn)生流量，需要達(dá)到針閥組件開啟所需的壓力差，電磁閥關(guān)閉流量還會(huì)持續(xù)一段時(shí)間，如圖3所示。當(dāng)電磁閥處于維持電流且針閥處于完全開啟狀態(tài)時(shí)，噴油量隨維持電流持續(xù)時(shí)間均勻增加。

2.2 主噴油量上升速率的確定

當(dāng)主噴脈寬改變時(shí)，噴射油量隨時(shí)間上升速率不變，總噴油量變化部分與時(shí)間呈線性關(guān)系，如圖4所示，且維持電流在某一階段，如圖5所示。由于軌壓近似恒定不變，故噴油量上升速率恒定：

Δm=k·Δt

(8)

式中：Δm為噴油量增加量；Δt為對應(yīng)的時(shí)間變化量；k為噴油量上升速率，此工況下k=20.738 45 mg/ms。

2.3 主噴油量波動(dòng)與主預(yù)間隔時(shí)間關(guān)系

根據(jù)ECU發(fā)出的噴油脈寬信號，以單次噴射為噴油基準(zhǔn)、主噴目標(biāo)噴油量為16.96 mg，隨著主預(yù)間隔時(shí)間變化，主噴油量呈周期性波動(dòng)，如圖6所示。

3 噴油量的補(bǔ)償

根據(jù)圖6所示主噴油量波動(dòng)呈周期性波動(dòng)且振幅逐漸減小，將誤差值作為目標(biāo)，利用MATLAB進(jìn)行曲線擬合，從而得到不同間隔時(shí)間對應(yīng)的誤差值，計(jì)算補(bǔ)償后的主噴脈寬，達(dá)到補(bǔ)償目的。

3.1 噴油量誤差曲線

擬合后曲線如圖7所示，表達(dá)式為：

f(x)=a1·sin(b1·x+c1)+a2·sin(b2·x+c2)+a3·sin(b3·x+c3)+a4·sin(b4·x+c4)

其中：f(x)為噴油量誤差值。

補(bǔ)償前主噴誤差擬合曲線見圖7。

3.2 補(bǔ)償控制系統(tǒng)構(gòu)成

因?yàn)樗畵魤毫Σ▌?dòng)的周期與噴油器尺寸有關(guān)，當(dāng)噴油器尺寸確定后其波動(dòng)周期計(jì)算式為[5]：

(9)

其中：a為壓力波傳播速度，l為壓力波的傳播長度，包括共軌與噴油器之間高壓管長度及接頭與針閥座之間的長度。當(dāng)軌壓改變時(shí)，水擊壓力波的周期不變，故噴油量波動(dòng)的周期不發(fā)生改變，而幅值隨軌壓變化。補(bǔ)償邏輯圖如圖8所示。

3.3 噴油量補(bǔ)償效果

根據(jù)擬合曲線計(jì)算補(bǔ)償后噴油脈寬，補(bǔ)償后主噴油量仿真結(jié)果如圖9所示，對比圖6，噴油量波動(dòng)明顯減小，補(bǔ)償效果明顯。補(bǔ)償前最大誤差值為2.26 mg，補(bǔ)償后最大誤差值為0.62 mg，波動(dòng)誤差下降了72.6%。當(dāng)工況改變時(shí)，由于噴油量是噴油率積分的結(jié)果，根據(jù)目標(biāo)噴油率的增加倍數(shù)可以確定該工況下的補(bǔ)償量。

4 結(jié)論

高壓共軌噴油器進(jìn)行多次噴射的過程中，預(yù)噴射對主噴射有著明顯影響，主噴油量隨主預(yù)間隔時(shí)間的變化呈周期性波動(dòng)，且振幅不斷衰減。為提高燃油噴射精度，減少有害物質(zhì)排放量，使用AMESim批處理計(jì)算，對結(jié)果進(jìn)行曲線擬合，根據(jù)擬合結(jié)果確定準(zhǔn)確的主噴脈寬，主噴油量誤差明顯減小。相比以往通過優(yōu)化噴油器結(jié)構(gòu)參數(shù)的方法，僅從控制角度在ECU以外進(jìn)行修正，具有效率高、無需改變已有設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)。

【1】李萌，張振東，郭輝，等.高壓共軌噴油系統(tǒng)改善柴油機(jī)排放性能的分析[J].上海理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2004,26(4):336-339.

【2】蘇海峰,張幽彤,羅旭,等.高壓共軌系統(tǒng)水擊壓力波動(dòng)現(xiàn)象試驗(yàn)[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2011(2):163-168.

【3】付永領(lǐng)，祁曉野.LMS lmagine.Lab AMESim系統(tǒng)建模和仿真[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2011.

【4】徐家龍.柴油機(jī)電控噴油技術(shù)[M].2版.北京:人民交通出版社，2011.

【5】蔡亦鋼.流體傳輸管道動(dòng)力學(xué)[M].杭州:浙江大學(xué)出版社，1990.

InvestigationonCompensationoftheFuelInjectionQuantityFluctuationoftheHighPressureCommonRailSystem

CAI Shengnian, LIN Qiming, XU Chengtao

(College of Information Engineering,Shenyang University of Chemical Technology,Shenyang Liaoning 110142,china)

Based on analyzing jet fuel characteristics of high pressure common rail solenoid injector many times,an approach was given by adjusting the main jet current duration to adjust pulse width so as to compensate fluctuations of the main jet quantity. AMESIM simulation software was used to simulate injector, variation of the main injection quantity with pre-interval was gotten, difference between main injection quantity and goal corresponding to different intervals was gotten; the relational model between main jet quantity and the main jet current duration was established, and main jet current duration was determined based on the error value. MATLAB Simulink simulation software was used to fit the main injection quantity fluctuations so as to get the duration error. The error was compensated out of ECU, and the compensation effect was reached.

High pressure common rail；Fuel injection quantity；Fluctuation compensation; Simulation

2015-01-16

蔡勝年(1957—)，男，博士，從事電磁閥及電磁鐵的開發(fā)與應(yīng)用工作。E-mail：cai570707@126.com。