周磊， 楊昆， 劉振明， 王鑫

(1. 海軍工程大學(xué)動力工程學(xué)院, 湖北 武漢 430033； 2. 海洋環(huán)境保障基地籌建辦公室， 北京 100086)

超高壓共軌系統(tǒng)軌壓控制策略研究

周磊1， 楊昆1， 劉振明1， 王鑫2

(1. 海軍工程大學(xué)動力工程學(xué)院, 湖北 武漢 430033； 2. 海洋環(huán)境保障基地籌建辦公室， 北京 100086)

為穩(wěn)定控制超高壓共軌系統(tǒng)中的共軌腔壓力并縮短軌壓控制算法的開發(fā)周期，利用AMESim/Simulink聯(lián)合仿真技術(shù)建立了超高壓共軌系統(tǒng)軌壓控制仿真模型，采取前饋+PID控制算法設(shè)計了軌壓控制策略，并針對軌壓控制中的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)工況進(jìn)行了仿真計算，最后在試驗臺架上開展了軌壓跟隨性測試。結(jié)果表明：所制定的前饋+PID控制算法能使軌壓穩(wěn)定在目標(biāo)軌壓附近，上下波動小于3 MPa，且軌壓突變時瞬態(tài)響應(yīng)時間小于0.5 s，控制結(jié)果能夠滿足超高壓共軌系統(tǒng)對精度和速度的需求。

超高壓共軌系統(tǒng)； 軌壓控制； 仿真

在高壓共軌系統(tǒng)中，共軌腔壓力近似代替噴油壓力，軌壓的穩(wěn)定性直接影響噴油量，因而成為研究高壓共軌技術(shù)的重點[1-3]。在高壓共軌系統(tǒng)基礎(chǔ)上加裝電控增壓器形成的超高壓共軌系統(tǒng)，既可提供常規(guī)高壓共軌系統(tǒng)的功能，又可將共軌腔燃油提升到超高壓狀態(tài)實現(xiàn)超高壓噴射[4]。因此，超高壓共軌系統(tǒng)的軌壓控制更是研究的關(guān)鍵。

軌壓變化具有時變性、滯后性、非線性等特點[5-6]，且系統(tǒng)內(nèi)部及外部干擾存在不確定性，針對穩(wěn)定工況，軌壓控制的性能體現(xiàn)在控制的精度和穩(wěn)定性，針對瞬態(tài)工況，要求軌壓控制有很好的響應(yīng)速度和跟隨性。但影響軌壓控制的因素除了復(fù)雜的系統(tǒng)本身以外，還包括外界因素變化引起的干擾，這些都給軌壓控制帶來了困難，對軌壓控制算法及控制策略在控制精度、抗干擾性以及自適應(yīng)性方面提出了更高的要求[7]。因此，為穩(wěn)定控制超高壓共軌系統(tǒng)中的共軌腔壓力并縮短軌壓控制算法的開發(fā)周期，在超高壓共軌系統(tǒng)工作原理的基礎(chǔ)上，利用AMESim/Matlab聯(lián)合仿真技術(shù)建立了超高壓共軌系統(tǒng)軌壓控制仿真模型，采取前饋+PID控制算法設(shè)計了軌壓控制策略，并針對軌壓控制中的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)工況進(jìn)行了仿真計算，最后在試驗臺架上進(jìn)行了軌壓跟隨性測試。

1 超高壓共軌系統(tǒng)工作原理

超高壓共軌系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)見圖1。整個系統(tǒng)由油箱、高壓油泵、共軌管、電控增壓器以及噴油器等部件組成。與常規(guī)高壓共軌系統(tǒng)相比，超高壓共軌系統(tǒng)在共軌管和噴油器之間加裝了電控增壓器(圖1中虛線包圍的部分)，其增壓性能和控制的靈活性對超高壓共軌系統(tǒng)實現(xiàn)兩級壓力噴射和噴油率調(diào)節(jié)功能起著決定性作用。電控增壓器具有使基壓、高壓油路串并聯(lián)的功能，其具體工作原理如下：在部分負(fù)荷時，共軌腔燃油(基壓油)經(jīng)增壓室進(jìn)油單向閥及增壓活塞中心油道向噴油器供油；在高負(fù)荷時，電控增壓器電磁閥開啟，控制室壓力降低，導(dǎo)致增壓活塞受力失衡向增壓室方向運動，此時增壓室內(nèi)燃油壓力受到壓縮而迅速升高，即向噴油器供給增壓后的高壓燃油。電控增壓器電磁閥關(guān)閉后，由于共軌腔的燃油使得控制室內(nèi)壓力得到回升，同復(fù)位彈簧一起使增壓活塞復(fù)位。

圖1 超高壓共軌系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

超高壓共軌系統(tǒng)不僅能在無增壓噴射和增壓噴射之間進(jìn)行選擇，而且能在與噴射始點無關(guān)的情況下控制增壓始點，從而獲得更靈活可控的噴油率形態(tài)(矩形、斜坡形和靴形，見圖2)，并與多次噴射能力相結(jié)合，為柴油機研發(fā)人員提供了向更低燃油消耗和排放以及更高升功率進(jìn)一步優(yōu)化的技術(shù)可能性。

圖2 超高壓共軌系統(tǒng)噴油率形態(tài)

2 超高壓共軌系統(tǒng)軌壓控制策略

2.1 軌壓控制模型及驗證

考慮到Matlab/Simulink在計算、控制方面的優(yōu)勢，結(jié)合超高壓共軌系統(tǒng)的AMESim模型，采用AMESim/Simulink聯(lián)合仿真技術(shù)研究超高壓共軌系統(tǒng)的軌壓控制問題。超高壓共軌系統(tǒng)仿真模型和噴油器的聯(lián)合仿真模型及接口分別見圖3、圖4。

圖3 超高壓共軌系統(tǒng)的仿真模型

圖4 噴油器的聯(lián)合仿真模型及接口

系統(tǒng)的AMESim模型創(chuàng)建的聯(lián)合仿真接口如圖4a所示，其在Simulink中的S-function框圖如圖4b所示，其中，Q_inj，P_sac，P_amp，Q_amp和P_rail分別表示噴油量、噴油壓力、電控增壓器增壓室壓力、流向電控增壓器的燃油量和共軌腔壓力。

為驗證所建立的超高壓共軌系統(tǒng)仿真模型的準(zhǔn)確性，搭建了超高壓共軌系統(tǒng)試驗裝置，其原理見圖5。該裝置主要由EMI噴油率測試儀、驅(qū)動電路、共軌腔、電控增壓器、噴油器以及壓力傳感器等儀器設(shè)備組成，通過壓力傳感器可以測量缸內(nèi)壓力，并利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄壓力變化。試驗時控制工況同仿真工況保持一致。

圖5 超高壓共軌系統(tǒng)試驗裝置原理

圖6示出計算模型得到的缸內(nèi)壓力和實測缸內(nèi)壓力曲線對比。由圖可知，缸內(nèi)壓力的仿真值和試驗值基本吻合，達(dá)到了較好的一致性，表明所建立的計算模型較為合理，可以用來進(jìn)行軌壓控制策略的研究。

圖6 缸內(nèi)壓力仿真值與試驗值對比

2.2 軌壓控制算法設(shè)計

本研究采用前饋+PID控制的方式解決軌壓控制問題。一方面，通過整個系統(tǒng)模型計算不同工況下需求油量與占空比的基本關(guān)系，即將共軌腔壓力的輸出作為擾動，實施前饋控制；另一方面，通過軌壓的測量值與目標(biāo)值的偏差，采用PID控制算法，計算燃油計量閥的占空比，即將共軌腔壓力的輸出作為反饋并形成閉環(huán)控制。軌壓控制聯(lián)合仿真模型見圖7。

圖7 軌壓控制聯(lián)合仿真模型

在圖7中，P_target表示設(shè)定的目標(biāo)軌壓，PumpSpeed表示凸輪驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)速，Q_total表示系統(tǒng)對油量的需求。目標(biāo)軌壓P_target與測量軌壓(實為計算得到)P_sensor之差作為控制器的輸入，并將該偏差用于占空比的計算。軌壓控制模型采用了基于占空比調(diào)節(jié)的軌壓反饋控制方式，減少了中間環(huán)節(jié)，直接控制高壓油泵工作，可提高控制系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)性。

在PID控制器中，合適的參數(shù)是影響控制器性能的關(guān)鍵，由于高壓共軌系統(tǒng)具有很強的非線性，難以使用簡單的數(shù)學(xué)模型表述，這就給PID參數(shù)的整定帶來了困難。為了確定Kp_Gain和Ki_Gain，采用了基于系統(tǒng)控制模型的參數(shù)調(diào)整法，即根據(jù)比例和積分項的變化特點，尋找合適的比例和積分系數(shù)，最終確定了轉(zhuǎn)速與比例系數(shù)、積分系數(shù)的關(guān)系。

2.3 軌壓控制策略

軌壓控制中的前饋控制分為兩部分：一是軌壓、轉(zhuǎn)速對占空比的需求；二是總的燃油需求量和目標(biāo)軌壓對占空比的需求。

對于第一部分，利用系統(tǒng)仿真模型在穩(wěn)態(tài)工況條件下，計算占空比與凸輪驅(qū)動轉(zhuǎn)速和軌壓的關(guān)系，得到占空比基本MAP(見圖8)。

圖8 占空比基本MAP

對于第二部分，將噴油量、噴油器的泵油量和電控增壓器的燃油消耗量之和作為燃油需求量，并將其作為軌壓輸出的擾動影響量反饋給控制器。為了提高穩(wěn)態(tài)時的軌壓穩(wěn)定性，根據(jù)系統(tǒng)對燃油的總需求計算不同工況條件下燃油需求量與占空比的關(guān)系，獲取了不同軌壓條件下燃油需求量和占空比的關(guān)系，結(jié)果見圖9。

圖9 油量-軌壓-占空比MAP

3 軌壓控制仿真計算

根據(jù)上述控制模型，分別針對軌壓控制中的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)工況進(jìn)行了仿真計算。其中，計算瞬態(tài)結(jié)果時，將凸輪驅(qū)動轉(zhuǎn)速設(shè)置為1 500 r/min，目標(biāo)軌壓設(shè)置為150 MPa，軌壓從0開始計算，仿真步長為0.000 01 s，仿真時間為0.2 s，仿真結(jié)果見圖10。

圖10 軌壓控制瞬態(tài)仿真

由圖10可知，實施軌壓控制算法后，軌壓在0.1 s左右達(dá)到160 MPa，并振蕩約0.02 s，然后維持在150 MPa附近，超調(diào)量為6.7%。

圖11示出了系統(tǒng)在150 MPa軌壓條件下超高壓共軌噴射2 ms時的軌壓變化情況，噴油時刻為0.7 s。計算時，仿真步長為0.000 01 s，仿真時間為0.4～1.0 s。

圖11 超高壓噴射時的軌壓變化

由圖11a可知，在實施超高壓噴射時，150 MPa的軌壓下降達(dá)14 MPa左右，作為對比，文獻(xiàn)[8]中試驗結(jié)果表明噴油器在150 MPa噴油2.5 ms時，軌壓波動為±5 MPa。超高壓共軌系統(tǒng)噴射時對軌壓的影響更大，原因在于電控增壓器在工作過程中為了獲得超高壓力燃油，泄走了共軌管內(nèi)的部分燃油。由圖11b可知，不噴油時，共軌壓力存在±3 MPa的波動，波動頻率約為37.7 Hz。這是由于凸輪的驅(qū)動轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，經(jīng)計算凸輪工作頻率為12.5 Hz，對于三柱塞凸輪，每個柱塞的工作頻率應(yīng)為凸輪工作頻率的3倍，圖中顯示的軌壓波動與柱塞運動頻率保持一致。

由上述仿真結(jié)果可知，采用的前饋+PID控制算法可為超高壓共軌系統(tǒng)提供穩(wěn)定的軌壓，且能夠及時響應(yīng)針對軌壓的變化。

4 軌壓控制測試

為檢驗軌壓控制性能，在圖12所示的試驗臺架上開展了軌壓跟隨性測試[9]。高壓油泵由內(nèi)置在試驗臺架中的變頻電機驅(qū)動，通過共軌腔上的軌壓傳感器測量軌壓變化。

圖12 試驗臺架示意

試驗過程中，通過PC機改變目標(biāo)軌壓設(shè)定值，研究實際軌壓對目標(biāo)軌壓的跟隨變化。設(shè)置高壓油泵的轉(zhuǎn)速為500 r/min，目標(biāo)軌壓選擇40 MPa，80 MPa，100 MPa，120 MPa 4個壓力段作軌壓跟隨性測試，測試結(jié)果見圖13。

由圖13可知，在各個測試的穩(wěn)定階段，軌壓能夠穩(wěn)定在目標(biāo)軌壓附近，波動小于3 MPa；同時，當(dāng)目標(biāo)軌壓發(fā)生突變時，軌壓可在0.5 s內(nèi)迅速跟隨并穩(wěn)定在目標(biāo)軌壓附近。相比于傳統(tǒng)的PID控制算法，前饋+PID控制算法相當(dāng)于開、閉環(huán)結(jié)合控制的方式，該方式不僅具有開環(huán)控制簡單、穩(wěn)定、可靠的特點，還具有閉環(huán)控制精度高和抗干擾能力強的特點，進(jìn)而使得其在超高壓共軌系統(tǒng)的軌壓控制上具有更大的優(yōu)勢，能夠滿足超高壓共軌系統(tǒng)對精度和速度的需求。

圖13 軌壓跟隨性測試結(jié)果

5 結(jié)束語

超高壓共軌系統(tǒng)可以根據(jù)柴油機運轉(zhuǎn)工況的變化，分別在兩種壓力下(基壓和高壓)向噴油器供油，并使主噴射的噴射率從矩形變化到斜坡形直至靴形，使柴油機在性能優(yōu)化的情況下穩(wěn)定地運轉(zhuǎn)。

利用AMESim/Simulink聯(lián)合仿真技術(shù)建立了超高壓共軌系統(tǒng)軌壓控制仿真模型，采取前饋+PID控制算法設(shè)計了軌壓控制策略。針對軌壓控制中的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)工況進(jìn)行了仿真計算，并在試驗臺架上開展了軌壓跟隨性測試。結(jié)果表明：前饋+PID控制算法能使軌壓穩(wěn)定在目標(biāo)軌壓附近，波動小于3 MPa，且軌壓突變時瞬態(tài)響應(yīng)時間小于0.5 s，控制結(jié)果能夠滿足超高壓共軌系統(tǒng)對精度和速度的需求。

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[編輯： 潘麗麗]

Rail Pressure Control Strategy for Ultra-High Pressure Common Rail System

ZHOU Lei1， YANG Kun1， LIU Zhenming1， WANG Xin2

(1. College of Power Engineering， Naval University of Engineering， Wuhan 430033， China； 2. Preparatory Office of Marine Environmental Protection Base， Beijing 100086， China)

In order to control the common rail pressure of the ultra-high pressure common rail system and shorten the development period of the rail pressure control algorithm, the rail pressure control simulation model of ultra-high pressure common rail system was established by using the AMESim/Simulink simulation technology, the rail pressure control strategy was designed with the feed-forward and PID control algorithm, the simulation calculation was carried out for the transient and steady working condition of rail pressure control, and finally the rail pressure tracing test was conducted in the test bench. The results show that the feed-forward and PID control algorithm can make the rail pressure fluctuate less than 3 MPa near the target rail pressure. Besides, the transient response time is less than 0.5 s. Accordingly, the control results can meet the precision and speed requirements of the ultra-high pressure common rail system.

ultra-high pressure common rail system； rail pressure control； simulation

2016-11-22；

2017-03-02

國家自然科學(xué)基金(51379212)；“十三五”國防預(yù)研項目(3020401030301)；海軍工程大學(xué)博士研究生創(chuàng)新基金(XYBJ1611)

周磊(1991—)，男，博士，主要研究方向為動力機械及熱力系統(tǒng)的設(shè)計、仿真與優(yōu)化；15345811275@163.com。

楊昆(1981—)，男，副教授，主要研究方向為動力機械結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化；150006224@qq.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.02.009

TK421

B

1001-2222(2017)02-0051-05