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(jī)整機(jī)性能開發(fā)需要在發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺架進(jìn)行大量試驗(yàn)， 開發(fā)成本高、 周期很長， 而單缸試驗(yàn)機(jī)制造和試驗(yàn)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(jìn)柴油機(jī)的性能需求， 減少設(shè)計(jì)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(yàn)機(jī)的制造與設(shè)計(jì)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(jī)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(jī)控制技術(shù)研究方法， 通過發(fā)動機(jī)的運(yùn)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(shí)際值， 采用前饋加自適應(yīng)PID控制算法計(jì)算供油量， 由供油量和電流轉(zhuǎn)換MAP， 得到油量計(jì)量單元控制電流， 精確控制燃油流量， 最終使實(shí)際軌壓達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)軌壓。通過起動軌壓試驗(yàn)、 加載軌壓階躍試驗(yàn)， 驗(yàn)證單缸試驗(yàn)機(jī)供油系統(tǒng)控制技術(shù)的效果。

1 單缸機(jī)總體參數(shù)及架構(gòu)

1.1 總體參數(shù)

本文中單缸試驗(yàn)機(jī)是以重型卡車用發(fā)動機(jī)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(jī)驅(qū)動， 進(jìn)氣溫度和壓力由實(shí)驗(yàn)室恒溫恒壓系統(tǒng)控制。 單缸機(jī)試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求見表1。

表1 單缸試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2 單缸機(jī)總體結(jié)構(gòu)布置

單缸機(jī)外形尺975mm×936mm×1246mm； 曲軸中心與底平面距離407mm； 單缸機(jī)前端布置傳動機(jī)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(jìn)氣側(cè)， 單缸機(jī)三維模型總體示意圖見圖1。

圖1 單缸機(jī)三維模型總體示意圖

1.3 單缸機(jī)供油系統(tǒng)

單缸機(jī)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(jī)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(jì)算得到；軌壓設(shè)定值與實(shí)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(jì)量單元的驅(qū)動電流， 由ECU發(fā)出控制指令， 對油量計(jì)量單元開度進(jìn)行控制， 從而控制進(jìn)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(jī)工況查脈譜特性圖得到，軌壓實(shí)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(dá)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(jī)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(jìn)行修正， 經(jīng)過上下限值約束后， 計(jì)算得到目標(biāo)軌壓即軌壓設(shè)定值。 軌壓設(shè)定值計(jì)算框架如圖4所示。

圖4 軌壓設(shè)定值計(jì)算框架

2.2 軌壓前饋值

基于發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況的軌壓前饋控制實(shí)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(jī)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(jì)算框架如圖5所示。

圖5 前饋值計(jì)算框架

2.3 軌壓實(shí)際值

軌壓實(shí)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(yàn)證

本試驗(yàn)基于單缸試驗(yàn)機(jī)， 結(jié)合高壓共軌電控系統(tǒng)， 通過高壓共軌單缸機(jī)試驗(yàn)臺架進(jìn)行控制技術(shù)驗(yàn)證。 試驗(yàn)開始前按照臺架操作點(diǎn)檢流程， 檢查臺架設(shè)備運(yùn)行正常， 制定實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如下： 發(fā)動機(jī)起動時建壓能力-發(fā)動機(jī)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(fù)向階躍時軌壓響應(yīng)性。

3.1 起動狀態(tài)建壓試驗(yàn)

通過單缸機(jī)試驗(yàn)臺架電機(jī)為高壓油泵提供200r/min固定供油動力。 發(fā)動機(jī)由起動狀態(tài)進(jìn)入怠速狀態(tài)， 記錄此過程軌壓實(shí)際值、 軌壓設(shè)定值及轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。 通過試驗(yàn)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(yàn)數(shù)據(jù)如圖6所示。 其中： 圖6a為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號； 圖6b為軌壓設(shè)定值與實(shí)際值， 圖中實(shí)線為軌壓實(shí)際值， 虛線為軌壓設(shè)定值； 圖6c為軌壓設(shè)定值與實(shí)際值相對偏差。

圖6試驗(yàn)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(shí)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(yàn)機(jī)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(yàn)

通過單缸機(jī)試驗(yàn)臺架電機(jī)為高壓油泵提供200r/min固定供油動力。 發(fā)動機(jī)由起動狀態(tài)進(jìn)入怠速狀態(tài)， 并且轉(zhuǎn)速在不同工況進(jìn)行波動， 記錄此過程軌壓實(shí)際值、 軌壓設(shè)定值及轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。 通過試驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)觀察單缸試驗(yàn)機(jī)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(yàn)數(shù)據(jù)如圖7所示。 其中： 圖7a為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號； 圖7b為軌壓設(shè)定值與實(shí)際值， 圖中實(shí)線為軌壓實(shí)際值， 虛線為軌壓設(shè)定值； 圖7c為軌壓設(shè)定值與實(shí)際值相對偏差。

圖7 單缸試驗(yàn)機(jī)軌壓階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)

圖7數(shù)據(jù)顯示單缸試驗(yàn)機(jī)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(qiáng)。

4 結(jié)論

1） 單缸試驗(yàn)機(jī)對整機(jī)研究提供試驗(yàn)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(yàn)機(jī)電控高壓共軌系統(tǒng)的控制技術(shù)在發(fā)動機(jī)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(jī)高壓共軌系統(tǒng)控制技術(shù)有效。