高压共轨电控柴油机喷油器试验台研究

杨 瑞，王 毅

(东北林业大学 交通学院，哈尔滨 150040)

随着PM2.5被列入我国环境空气质量指标、石油资源的日益枯竭和人们对汽车性能要求的不断提高，柴油机的排放性、动力性以及经济性已成为汽车工业最迫切需要解决的问题之一。在这种情势下，高压共轨电控柴油机因其为汽车制造业带来重大的变革，使发动机在全功况的动力性、经济性以及排放等方面均有提高[1-2]而受到高度关注，成为解决上述问题的强有力工具。电控高压共轨喷油系统是建立在直喷技术、预喷射技术和电控技术基础之上的一种柴油机燃油喷射新技术。系统的组成主要有高压泵、带调压阀的共轨管、带电磁阀的喷油器、ECU和各种传感器。该系统采用压力时间式燃油计量原理，又被称为压力时间控制式电控喷射系统[3-4]。

1 试验台的总体构架与测控系统

喷油器是共轨系统中最复杂、最关键的部件，其种类多、设计和制造工艺复杂。其作用是将一定压力的柴油雾化成细小均匀的油粒，并使柴油在燃烧室与空气很好地混合。喷油器性能的好坏，直接影响柴油机的经济性、动力性、排放性和可靠性等。电控高压共轨喷油器的性能参数主要包括：喷油器电气性能、喷油量、喷油电磁阀响应时间、静态泄漏量、动态泄漏量、回油量和雾化效果等。喷油器技术性能要求较为严格，检测时一般要借助喷油器检测设备[5-7]。

1.1 试验台总体构架

喷油器试验台主要的功能是完成高压共轨喷油器性能检测和相关测试试验。试验台为电控喷油器提供一定压力的高压燃油和相关的电子控制装置，配备共轨燃油系统基本的高压油泵、喷油器和共轨管等，搭配变频器和调速电机来驱动油泵；电控单元控制喷油器高速电磁阀开闭，实现高压喷射，喷射和回流的柴油由集油总成进入燃油计量单元进行计量；系统操作和显示单元用于设置调节系统参数，同时显示喷油器性能和系统工作状态。

1.2 试验台测控系统

1.2.1 试验台测控系统构成

试验台测控系统主要是指相应的传感器、执行器，以及由上位机和下位机共同组成的电控单元，如图1所示。其中传感器有轨压传感器和燃油计量传感器，轨压传感器选择当前常用高压共轨燃油喷射系统中的原装传感器，如BOSCH品牌；燃油计量传感器则分别选用与上位机软件相适配便于信息采集的光电式和体积式燃油流量传感器，可对高压共轨电控柴油机喷油器喷油和回油流量进行精确计量。执行器有喷油器、高压油泵和用于驱动高压油泵的变频调速电机等，以上均可选择当前技术成熟且符合控制要求的品牌和型号的产品。试验台电控单元采用CPLD+MCU组合双处理器；油泵压力控制阀和喷油器电磁阀均采用MOSFET驱动脉宽调制(PWM)的控制方；对驱动电压、电流和高压共轨压力信号进行监测；测控系统的上位机系统集合了操作单元和显示单元，主要用于相关参数设定，以及将系统各类运行参数和故障等报警等直观显示出来。采用美国NI公司的图形化编程工具 LabVIEW 开发上位机软件，并且在设定的通讯协议下，使上位机与下位机实现有效通讯，对试验台进行实时测控。

图1 测控系统构成简图

1.2.2 试验台电控单元

高压共轨喷油器试验台电控单元是整个试验台的核心，也是本文研究的重点。电控单元不仅要满足共轨系统的基本功能，而且需要相应的安全检测控制功能，良好的操作和直观的显示界面，以满足不同型号电控喷油器的驱动控制要求，满足喷油器双电源灵活多。此外，电控单元必须具有一定的安全可靠性，以便于安装和维护。

喷油器高速电磁阀的控制要求非常高的控制精度和可靠性。MCU+CPLD组合成高速稳定、抗干扰强、逻辑处理和复杂运算强的控制器，满足试验台运行和喷油器检测的控制要求。CPLD以其高速、高可靠性、非易失性和高灵活性著称，这些性能完全满足高精度高可靠性电控喷油器控制要求。采用20MHz有源晶振，为CPLD数字系统提供可靠时钟，完全满足喷油器控制us级控制要求，电流阈值监测采用高速比较器提供翻转信号，控制电磁阀开启和关闭。利用AVR单片机丰富的10位精度ADC获取轨压传感器信号和对喷油器电磁阀驱动电流平均值采样监测；独立的PWM模块主要用来控制高压油泵压力控制阀占空比，调节高压油压力。

2 系统压力控制模型与程序运行设计

2.1 试验台压力控制模型

按照控制对象的控制原理看，高压共轨系统属于燃油蓄压和电磁阀时间控制即压力—时间控制式。试验台共轨压力控制有三项任务：共轨压力设定、共轨压力控制和共轨压力监控。调节变频器参数可改变电机转速，油泵转速和高压油泵压力控制阀互相匹配可形成特定数值的高压燃油。油泵转速一般不超过3 000 RPM，压力控制阀PWM控制频率一般为100～250 Hz。一定范围内的特定转速和特定PWM频率下，PWM占空比和油泵出口压力有较好的线性关系，利于喷射压力的线性控制。共轨压力传感器由压力敏感元件和求值电路板组成，共轨燃油压力改变引起压敏膜片变形，膜片上电阻应变电阻值产生线性变化，经过求值电路转换成0.5～4.5 V的线性电压。控制参数和输出量采用数字PID算法进行控制。PID控制算法以其结构简单、控制稳定和精度高等特点，成为经典控制算法并广泛用于控制领域[8]，其基本控制算法为：

式中：e(t)为测量值与设定值之间的偏差；Kd为微分调节常数；Ki为积分调节常数；Kp为比例调节常数。

运用于高压共轨管压力PID闭环控制原理如图2所示。

图2 共轨管压力闭环控制原理图

2.2 试验台测控程序运行设计

试验台系统上电控制器程序初始化，内部预设一组运行参数，也可以手动调节运行参数，然后燃油计量单元手动调零，当完整参数后，按下启动按键，检测试验随即开始。系统运行基本流程如图3所示。首先监测共轨管压力是否达到预期值，如果不满足要求则运行轨压PID控制程序，对其进行修正，直到满足要求，同时将轨压通过上位机显示在电脑显示器上面。然后执行喷油器喷油测试，触发信号可以选择按照设定时间和外部信号触发两种模式。进行了相关参数设置后，点击运行按钮，系统进入检测试验状态。触发信号使得喷油器电磁阀被驱动打开，驱动电流产生变化，CPLD根据预设参数和相关电流阈值翻转信号进行PWM占空比控制，依据相关电流翻转信号判断出喷油器是否存在故障，并将相应信息传递给上位机软件，显示状态和故障。如果没有喷油器故障，喷油器将按照喷油次数或者相应外部触发条件一直驱动。

图3 试验台系统运行基本流程图

3 试验验证

利用该试验台对一套博世高压共轨总成进行了测控试验，以验证该平台的可靠性。

3.1 轨压控制检测

在试验台上连续多次运行表1中的4种工况，通过上位机软件每隔1.5 s记录一个轨压值，测得如图4所示的轨压曲线。从图4中可以看出：不同工况切换时系统响应快，最大偏差小；同一工况运行时轨压波动在目标轨压的2%以内。以上说明系统的轨压控制效果良好。

表1 试验工况

图4 不同工况下的轨压曲线

3.2 喷油量测量

在使用试验台自动测量喷油器的喷油量前，先采用量筒人工测量喷油器出来的油量，再将二者进行比较，以检验平台的测量精度。设定目标轨压为120 MPa，喷油脉宽为0.001 s，喷油次数为1 000次，分别设定转速分别为400 r/min，500 r/min，600 r/min，800 r/min 的四种工况下进行测量试验，其中每个工况重复5次，得到试验台自动测得的喷油量与量筒测量结果的误差在3%以内，试验台的喷油量测量的可靠性符合要求。

4 结 论

新开发的试验台既实现了对高压共轨系统喷油器、供油泵、传感器和电控单元等部件的匹配和连接，同时在其设计过程中也完成了对喷油器试验台电控单元的硬软件相关设计。试验台电控单元采用MCU+CPLD组合的形式充分利用了CPLD的功能优势，不仅可以可靠的驱动相关电磁阀的开闭，而且降低了电控单元的整体成本；监控系统的应用不仅提高了测量精度，而且提高了试验台的智能化水平。验证结果显示，应用该试验台能够有效完成测试任务，系统运行正常，达到了预期试验效果。综上所示，该试验台的研究适应当前的技术发展方向，并且能够可靠工作。

【参 考 文 献】

[1]王尚勇，杨 青.柴油机电子控制技术[M].北京：机械工业出版社，2005.

[2]黄 军，王书义.Bosch公司共轨燃油喷射系统及其发展[J].车辆与动力技术，2005(1)：58-63.

[3]徐家龙.柴油电控喷油技术[M].北京：人民交通出版社，2004.

[4]刘斌彬，李国岫.柴油机高压共轨燃油喷射系统现状与发展趋势[J].内燃机，2006，4(2)：1-3.

[5]张剑平，欧大生.高压共轨燃油系统特性试验研究[J].内燃机工程，2005，26(2)：13-16.

[6]苏 瑜，周文华.高压共轨柴油机压电喷油器的驱动相应特性[J].江南大学学报(自然科学版)，2009，8(4)：203-205.

[7]崔国旭.高压共轨系统喷油量自动测量研究[J].车用发动机，2009，12(6)：85-89.

[8]尤丽华，安 伟.高压共轨系统高压泵试验台轨压控制方法[J].江苏大学学报，2010，31(7)：432-436.