单缸机控制技术研究

穆大芸， 宋炳雨， 王飞飞， 刘 钰， 潘文卿

（潍柴动力股份有限公司电控研究院， 山东潍坊 261061）

发动机整机性能开发需要在发动机试验台架进行大量试验， 开发成本高、 周期很长， 而单缸试验机制造和试验成本低， 易于调整， 多用于基础研究和工作过程开发。 为了快速满足国内外市场对先进柴油机的性能需求， 减少设计开发工作的盲目性， 缩短开发周期、 降低开发成本、 提高研制效率， 单缸试验机的制造与设计是有必要的。 随着电控技术的发展， 高压共轨燃油喷射技术得到广泛应用，稳定可调的喷油压力、 灵活的喷油控制、 高控制精度等，极大提高发动机的动力性和稳定性。 基于此， 本文提出一种高压共轨电控单缸机控制技术研究方法， 通过发动机的运转工况确定轨压的需求值， 通过轨压传感器信号获得轨压实际值， 采用前馈加自适应PID控制算法计算供油量， 由供油量和电流转换MAP， 得到油量计量单元控制电流， 精确控制燃油流量， 最终使实际轨压达到设定的目标轨压。通过起动轨压试验、 加载轨压阶跃试验， 验证单缸试验机供油系统控制技术的效果。

1 单缸机总体参数及架构

1.1 总体参数

本文中单缸试验机是以重型卡车用发动机为基础， 结合技术研究和市场需求， 其结构上采用单缸工作， 高压油泵、 共轨管采用现有成熟产品， 高压油泵采用恒定转速电机驱动， 进气温度和压力由实验室恒温恒压系统控制。 单缸机试验机设计指标要求见表1。

表1 单缸试验机设计参数

1.2 单缸机总体结构布置

单缸机外形尺975mm×936mm×1246mm； 曲轴中心与底平面距离407mm； 单缸机前端布置传动机构和传动箱， 后端为飞轮端， 左侧为排气侧， 右侧为进气侧， 单缸机三维模型总体示意图见图1。

图1 单缸机三维模型总体示意图

1.3 单缸机供油系统

单缸机供油系统示意图见图2， 高压共轨系统包含电控高压油泵、 共轨管、 电控喷油器等， 共轨管的存在使得系统比其他系统具备更多优势：减弱泵油、 喷油产生的轨压波动， 保证各缸喷射轨压的一致性，减弱转速对喷射压力的影响。

图2 单缸机供油系统示意图

2 供油系统控制技术

高压共轨喷油系统控制关键是轨压控制。 高压共轨电控系统中轨压控制采用前馈加PID闭环控制方式， 轨压前馈值根据喷油量、 喷油器动态泄漏量和静态泄漏计算得到；轨压设定值与实际值偏差通过PID控制器， 输出燃油流量需求值， 根据燃油流量与电流的脉谱关系图将流量转换成油量计量单元的驱动电流， 由ECU发出控制指令， 对油量计量单元开度进行控制， 从而控制进入共轨管中燃油的流量，使得共轨管的轨压迅速建压和泄压， 使共轨压力趋于目标值。 其中轨压设定值根据发动机工况查脉谱特性图得到，轨压实际值通过共轨管端的轨压传感器测量得到。 如果轨压仍存在偏差， ECU将再次发出控制指令， 不断调节供油量最终达到接近共轨压力的目标值。 轨压控制整体架构如图3所示。

图3 轨压控制整体架构

2.1 轨压设定值

轨压设定值是基础值和修正值之和。 根据发动机工况即转速和油量查脉谱图得到轨压设定值基础值， 通过环境温度、 压力及燃油温度等因素的特性曲线进行修正， 经过上下限值约束后， 计算得到目标轨压即轨压设定值。 轨压设定值计算框架如图4所示。

图4 轨压设定值计算框架

2.2 轨压前馈值

基于发动机运行工况的轨压前馈控制实质为开环控制，其在轨压控制输出量中占有绝对的比例， 是轨压控制的“粗调” 部分。 前馈值由发动机各工况下需求喷油量、 喷油器的动态泄露量和静态泄漏量组成。 前馈控制为轨压闭环控制的 “精调” 打好基础， 减小轨压控制器的延迟时间和控制偏差。 前馈值计算框架如图5所示。

图5 前馈值计算框架

2.3 轨压实际值

轨压实际值是通过共轨管端轨压传感器电压信号转换为轨压压力值， 轨压传感器工作原理已存在很多研究成果。

2.4 PID控制算法

轨压控制采用自适应PID算法， 即比例-积分-一阶微分环节。 ①比例环节： 决定轨压控制响应的快慢； ②积分环节： 决定最终轨压控制精度； ③一阶延迟微分环节： 决定轨压控制的瞬态响应精度， 作用于轨压大幅上升或下降时。

3 控制技术验证

本试验基于单缸试验机， 结合高压共轨电控系统， 通过高压共轨单缸机试验台架进行控制技术验证。 试验开始前按照台架操作点检流程， 检查台架设备运行正常， 制定实验内容如下： 发动机起动时建压能力-发动机不同转速轨压控制稳定性-轨压设定值正向阶跃和负向阶跃时轨压响应性。

3.1 起动状态建压试验

通过单缸机试验台架电机为高压油泵提供200r/min固定供油动力。 发动机由起动状态进入怠速状态， 记录此过程轨压实际值、 轨压设定值及转速数据。 通过试验记录数据观察起动过程轨压建压能力， 即轨压的快速响应性， 试验数据如图6所示。 其中： 图6a为发动机转速信号； 图6b为轨压设定值与实际值， 图中实线为轨压实际值， 虚线为轨压设定值； 图6c为轨压设定值与实际值相对偏差。

图6试验数据显示： 高压共轨系统在ECU控制指令下，2.5s内快速建压， 并且实际轨压和设定轨压偏差小于10bar，轨压控制的快速响应速度快， 稳态偏差小于5%。

图6 单缸试验机启动状态轨压数据

3.2 不同转速轨压阶跃响应试验

通过单缸机试验台架电机为高压油泵提供200r/min固定供油动力。 发动机由起动状态进入怠速状态， 并且转速在不同工况进行波动， 记录此过程轨压实际值、 轨压设定值及转速数据。 通过试验记录数据观察单缸试验机在不同转速波动、 设定轨压阶跃工况下即轨压的快速响应性和偏差，试验数据如图7所示。 其中： 图7a为发动机转速信号； 图7b为轨压设定值与实际值， 图中实线为轨压实际值， 虚线为轨压设定值； 图7c为轨压设定值与实际值相对偏差。

图7 单缸试验机轨压阶跃响应数据

图7数据显示单缸试验机在不同转速下， 在瞬态工况轨压偏差小于10bar， 阶跃响应能力较强。

4 结论

1） 单缸试验机对整机研究提供试验资源， 缩短开发周期， 降低开发成本， 提高研制效率。

2） 单缸试验机电控高压共轨系统的控制技术在发动机起动过程快速建压， 并且轨压控制精度较高。

3） 在转速波动及瞬态工况下， 轨压控制响应性较快，控制精度较高， 单缸机高压共轨系统控制技术有效。