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柴油机高压共轨压力控制的动态仿真与分析 |
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作者：王军 张幽彤 仇滔 王洪荣 |
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摘要：为提高高压共轨系统压力控制效果，进行了高压共轨系统的压力控制动态仿真研究。简要分析了高压共轨压力控制的特征和要求；采用部件液压模型和流量边界模型组合法，给出了高压共轨系统压力控制计算模型；并用AMESim 液压仿真软件建立了四缸柴油机高压共轨压力控制仿真模型，进行了PID 的不同系数控制、控制周期和变目标控制仿真计算，对比了不同系数控制、控制周期和变目标控制的效果。仿真结果表明，该模型能满足共轨压力控制要求，反映不同参数的控制效果。
关键词：仿真；共轨压力；PID 控制；柴油机
引 言1
高压共轨电控喷油系统能柔性控制喷油参数，有效地降低柴油机排放，成为柴油机电控技术的主要手段。共轨压力直接影响喷射压力、循环喷油量和喷油速率等参数的变化，精确地控制共轨压力能改善喷射特性，提高柴油机的动力性。用PID 闭环调节方法控制共轨压力，必须选择合适的PID 系数，才能实现调节过程的快、准、稳。目前调压PID系数整定常采用经验试凑法，它的盲目性大、技巧性很强，而且调试工作量较大。通过借助计算机仿真,能有效地避免经验法的不足，能节约大量的人力、财力和时间，但在MATLAB/ SIMULINK 环境下建立调压PID 控制模型，由于简化了系统的液压流体因素，控制效果与实际结果相差较大[1]。笔者在兼顾了部件液压关系、流量边界和PID 控制要求的基础上，建立共轨压力控制动态模型，研究控制参数对压力控制效果的影响，对实际共轨压力控制提供一定的指导作用。
1 共轨压力PID 控制
高压共轨喷油系统由高压泵、共轨管、高压油管和电控喷油器组成，它是一个典型的泵油、稳压、喷油各自独立的非线性液压系统。共轨管能吸收高压油泵供油及燃油喷射引起的压力波动，保证喷油器在稳定压力下喷油。电控单元(ECU)根据发动机转速脉冲信号，确定活塞压缩上止点位置，并发出信号控制共轨压力及喷油器喷油。共轨压力控制是通过由压力调节阀、压力传感器、电控单元组成的闭环控制系统完成的，如图1 所示。电控单元依据共轨压力脉谱(MAP)所给定的目标值，进行共轨压力控制。用PID 方法来确定脉宽调制信号(PWM)，控制压力调节阀开度，使共轨压力接近目标值。共轨压力目标值是随发动机工况变化的，在不同工况点上，共轨压力控制是按变目标动态调节，在同一目标压力下，共轨压力控制要求快速性，能够迅速接近所要求的目标压力。
图1 共轨压力闭环控制系统
理论设计PID 调节器是要有被控对象的数学模型，经过数学变换得到被控对象的传递函数，才能获得准确的PID 控制模型[2]。在高压共轨系统中，压力波动是与高压泵供油量、喷油器喷油量的动态变化密切相关，共轨压力控制涉及到高压泵、共轨管、电磁阀、喷油器等部件，要建立准确的共轨管的传递函数模型，有一定难度，因此建立高压泵、共轨管、喷油器液压模型，代替共轨管的传递函数，为PID 控制提供准确的响应。
2 计算模型
高压共轨系统中喷油泵、喷油器的结构复杂，是柴油机各部件中最精密、最复杂的部件。燃油在喷油泵和喷油器中流动，经过不同管径和有效截面，燃油被压缩和高压喷出，针对系统建压、喷油各自独立的特点和要解决压力稳定的问题，考虑燃油供给喷射过程的相关因素，作如下假设:(1)管内燃油为一维非定常紊流流动；(2)不考虑油温随时间的变化。将高压共轨系统简化成共轨管和高压泵、喷油器边界组成的一个系统，共轨管按多支路管路建模，高压泵输入流量，喷油器输出部分流量，高压泵、喷油器边界是体积流量，建立高压泵、喷油器流量边界模型，可简化部件建模的复杂性，真实地反映共轨管的输入、输出，构成一个共轨系统的压力控制仿真系统。
2.1 流体方程
燃油在高压共轨喷油系统中流动，其流动按一维流动计算。
2.1.1 高压油管
燃油在管内流动，满足流体的可压缩性方程：
式中，E 为燃油体积弹性模量；Δv/v 为燃油体积变化率；Δｐ为燃油压力增量。
流体连续性方程：
动量方程：
式中，ｕ为燃油流速；ρ 为燃油密度,且ρ=ρ(ｐ)；P 为压力；μ 为燃油动力粘度；x 为平行于油管轴线方向的坐标；t 为时间；F 为作用在受控流体上流动阻力的合力。
2.1.2 共轨管
在共轨系统中，共轨管与喷油器的通道处采用“T”型接头简化为一进两出[3]，流动方程：
式中，VCR 为共轨管体积P 为某处共轨压力；α 为音速；u1为流入速度；u2、u3 分别为流出速度；A 为流通截面积。
共轨的入口边界为体积流量,由三柱塞泵供油,通过设置柱塞泵参数及泵控制阀(PCV)控制脉宽来设定共轨的入口体积流量,随着柱塞泵的行程变化和管道等其他因素的影响,入口体积流量是不断变化的。出口边界属于压力边界, 由高压油管和喷油器相接,通过设置环境压力设定高压共轨的出口压力,随着喷油和其他因素的影响, 这个边界也是不断变化的。
共轨管内流体连续方程为:
式中，PCR 为共轨压力；uin 为流入速度；uout 为流出速度。
2.2 边界条件
2.2.1 高压泵
BOSCH 公司的三柱塞泵在凸轮一圈之内，三柱塞间隔120 度供油，三缸均匀布置，结构紧凑，柱塞供油量随凸轮转角变化而变化，对应的体积油量变化关系分别为：
式中，ϕ 为凸轮转角；柱塞最大供油量；Vmax 为柱塞最大供油量；h 为柱塞升程；Ap 为柱塞截面积。
2.2.2 喷油器
喷油器流出的流量方程：
式中，Kop 为开关系数，Kop=0，仅当曲轴转角φ 从喷油提前角开始，在喷油持续时间内，Kop=1；Cd 为流量系数；A 为流通面积；t 为喷油持续时间；ΔP 为液压腔之间的压差；ρ为燃油密度。
2.2.3 PID 控制
采用脉宽调制信号（PWM）控制压力调节阀，PWM 信号的大小通过增量式PID 算法确定，其算法如下：
式中，r (k)为给定目标共轨压力；y(k)为实测共轨压力；u(k-1)为k-1 时刻的PWM 输出量；Δu(k)为k 时刻的输出PWM增量；e(k)、e(k-1)、e(k-2)分别为k、k-1、k-2 时刻的共轨压力偏差；Kp、Ki、Kd 分别为比例、积分、微分系数。
3 仿真模型
以四缸柴油机为研究对象，采用通用液压软件AMESim建立喷油器、喷油泵等部件的液压模型[4]。用管道、节流、容积，活塞、弹簧和电磁铁等基本元件，按相互之间的关系，通过液力、机械及特殊方式连接，构成喷油器和喷油泵模型，将共轨管各段分别视为集中容积，采用多分支管路构成共轨管模型，能够减少因数学近似和计算简化带来的误差，采用压力传感元件形成反馈，用比例、积分、微分元件构成PID边界条件。图2 所示是用AMESim 软件建立的共轨压力控
制模型。
图2 共轨压力闭环控制仿真模型
为验证仿真模型的正确性，进行了试验结果与仿真计算结果的对比，试验用发动机为YN4100QB 柴油机，基本参数如表1 所示，采用BOSCH 的高压共轨系统，部件参数如表2 所示，在凸轮转速1000r/min，喷油器循环喷油量为40mg，从共轨压力不控制和共轨压力PID 控制两个方面进行模型验证。当目标共轨压力为100MPa 时，不同方法的共轨压力变化对比如图3 所示，从图中看出：当共轨压力不控制时，随着喷油过程的进行，共轨压力逐渐降低，不能稳定在100MPa 左右；采用PID 压力控制，尽管共轨压力有波动，但仍在目标压力100MPa 上下波动，表明共轨压力控制动态模型的有效性。当目标共轨压力分别为80、120MPa 时，喷油脉宽为1.0ms，比例、积分、微分系数分别0.05、0.9、0时，压力控制的效果分别如图4 所示。在80MPa 共轨压力下，实际测试压力与仿真曲线有一些偏移，但两条变化趋势一致，而在共轨压力由80MPa 提高为120MPa 后，仿真结果与实际测试值有较好的一致趋势，说明仿真模型是基本合理。
图3 共轨压力控制对比
图4 共轨压力控制效果
4 仿真分析
当闭环控制采用增量PID 方法时，PID 的采样周期、PID系数决定了共轨压力的控制效果，变目标对PID 系数有不同要求。
4.1 控制周期
喷油量和喷油频率取决于柴油机的负荷和转速，在高压共轨喷油系统中，喷油量和喷油频率直接决定着共轨压力变化。为使共轨压力稳定在一定范围内，采用每缸喷油后压力调节1 次的控制方法，分别选取柴油机怠速、最大扭矩转速、最大转速对应的时间42ms、13.6ms、9.3ms 作为控制周期，对共轨压力80MPa、120MPa、135MPa 进行PID 控制，不同周期下共轨压力控制效果的对比如图5 所示。从图5 中看出：在控制周期为42ms 条件下，在共轨压力80MPa 时，共轨压力波动较小；但当共轨压力提高到120MPa 时，由于喷油频度增大，共轨压力波动较大。在控制周期为13.6ms 条件下，在共轨压力为80MPa、120MPa时，共轨压力波动较小。在控制周期9.3ms 的条件下，当共轨压力为120MPa 时，共轨压力波动较小；当共轨压力为80MPa 时、虽然也能保证共轨压力波动较小，但小控制周期会造成调压阀动作过于频繁，影响电磁阀可靠性。所以采用最大扭矩转速时对应的控制周期比较适合，稳定共轨压力效果好。
图5 不同控制周期共轨控制效果
4.2 控制参数
PID 系数中的比例系数、积分解数和微分系数对控制效果影响不同，本文只对PI 系数进行研究，不同PID 系数对目标压力80MPa 的控制效果对比如图6 所示。在积分系数不变的条件下，当比例系数增加对应的控制增量加大时，控制稳定时间和压力波动都会增大。当积分系数增加，对应的控制增量加大时，压力超调会减小，压力波动都会减小。
图6 不同PI 系数共轨压力控制效果
4.3 目标控制
当柴油机在不同工况时，共轨压力目标值是变化的，如在怠速工况和正常工况的共轨压力分别设定为60MPa、100MPa。图7 所示的是同一套PID 系数对60、100MPa 变化过程的控制效果。当PID 比例、积分、微分系数分别为0.03、0.5、0.1 时，对60MPa 共轨压力控制效果较好，而对100MPa 共轨压力控制跟踪响应较慢。当PID 比例、积分、微分系数分别为0.06、0.7、0.1 时，对100MPa 共轨压力控制效果较好。对不同压力目标值，应采用不同的PID 系数，具有良好的动态控制效果。
图7 变目标值共轨压力控制效果
5 结论
采用流量边界法，代替复杂的喷油系统元件模拟计算，采用液压管路法，建立共轨管仿真模型，研究了高压共轨系统的压力PID 闭环控制，并采用AMESim 软件建立四缸柴油机共轨压力控制的动态仿真模型，分析了PID 控制中的控制周期、PID 系数和控制目标对控制效果的影响，从仿真数据看出，该模型能满足共轨压力控制仿真要求，反映不同参数的控制效果。
参考文献：
[1] 刘金琨. 先进PID 控制及其MATLAB 仿真[M]. 北京：电子工业出版社，2003: 120-130.
[2] 李正帅, 陆耀祖. 高压共轨式电控燃油喷射系统的计算机仿真[J].长安大学学报，2002: 22(1)：66-68.
[3] 王好战，肖文雍. 高压共轨电控柴油机稳态油压模拟计算及分析[J]. 内燃机工程，2003: 23(6)：9-10.
[4] AMSIM4.0 参考手册[K]. IMAGINE 公司，2003.(end)
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(4/17/2011) |
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