车用柴油发动机轨压控制试验研究

姚本容 王伟峰 陈守涛 刘威 孟宵

摘  要：本文针对V型8缸车用柴油发动机，在满足轨压控制的基础上，根据该发动机高压共轨燃油系统的布置形式，建立了一种基于双轨压传感器的轨压控制优化策略，并开展基于此控制方法的试验研究。试验结果显示：在中低发动机转速、较低轨压条件下，随着轨压传感器2加权系数的增加，轨压在阶跃过程中的轨压超调越小；但随着发动机转速的增大，此种影响越来越小，且在特定发动机转速之后，随着轨压传感器2加权系数的增加，轨压在阶跃过程中的轨压超调越大。随着轨压传感器2加权系数的增加，轨压误差随着轨压传感器2加权系数的增大而增大。

关键词：柴油发动机；轨压传感器；轨压控制

中图分类号：U464       文献标识码：A      文章编号：1005-2550（2024）02-0085-07

Test Research of Rail Pressure Control of Diesel Engine for Vehicle

YAO Ben-rong， WANG Wei-feng， CHEN Shou-tao， LIU Wei， MENG Xiao

（Dong Feng Off-Road Vehicle Co.，Ltd.， Wuhan 430058， China）

Abstract： This article focuses on V-type 8-cylinder diesel engine used in vehicles. A rail pressure control optimization strategy based on dual rail pressure sensors is established according to the layout of the high-pressure common rail fuel system of the engine， on the base of rail pressure control. And test research based on the optimization strategy is carried out. The test results show that the rail pressure overshoot during the step process of rail pressure becomes smaller， as the weighting coefficient of rail pressure sensor 2 increases， when the engine run at low to medium engine speeds and low rail pressure. But this effect becomes smaller and smaller as the engine speed increases， and after a specific engine speed， the rail pressure overshoot during the step process of rail pressure becomes larger. As the weighting coefficient of rail pressure sensor 2 increases. The rail pressure error increases as the weighting coefficient of rail pressure sensor 2 increases.

Key Words： Diesel Engine; Rail Pressure Sensor; Rail Pressure Control

目前國内市场被广泛应用的柴油发动机主要以直列型柴油发动机为主，V型8缸柴油机应用较少，相应研究较少。针对柴油发动机来说，高压共轨系统是其关键的系统之一，直接关系到柴油发动机的动力性、经济性、噪声等关键性能指标[1]。其中，轨压控制又是高压共轨系统中的关键系统，因此对于轨压控制尤为重要，许多研究者对柴油发动机的轨压控制进行广泛的研究，其中许文燕等[2]对单泵双轨高压共轨系统的匹配应用进行了研究；聂涛等[3]针对共轨管结构参数及喷油对轨压波动进行了研究；李冠霖等[4]针对轨压控制中轨压超调进行了优化研究；熊建等[5]对一种基于积分分离PID的高压共轨轨压控制算法进行了研究。区别于直列型发动机所采用的高压共轨系统来说，V型8缸柴油发动机常采用单高压油泵、双高压油轨。 鉴于此种区别，常需要考虑高压油轨中的压力波动对于轨压控制品质的影响，进而考虑对发动机动关键性能指标的影响，以期验证轨压的控制方法。本文主要针对车用V8柴油发动机轨压控制进行试验研究，并进行台架试验验证，研究基于双轨压传感器的轨压控制优化策略对轨压控制品质的影响。

1    基于双轨压传感器的轨压控制原理

高油轨压力是决定柴油发动机喷油加电时长的关键参数之一，影响柴油发动机的性能，因此高压油轨压力控制是柴油发动机控制中的关键技术之一。本文中研究的V型8缸柴油发动机的轨压控制，总体上是根据轨压传感器检测的轨压实际值、目标轨压MAP中的查询值等进行PID调节，并通过燃油计量阀实时调节泵入高压油轨中的燃油，从而实现对轨压的闭环控制。而本文所述基于双轨压传感器的轨压控制系统，关键在于对2个轨压传感器采集的实际油轨压力值进行处理。鉴于其高压燃油系统的布置，进行基于双轨压传感器轨压控制的试验研究，以期明确文中所述对于双轨压传感器采集值的处理方法对所述V型8缸发动机轨压控制的影响。其布置及总体控制原理如图1所示：

2    详细方案设计

2.1   被控对象信息

本文中所述的V型8缸机，即为被控对象，如图2所示。高压共轨系统主要包括电控单元、1个高压油泵、2个高压油轨、1个IMV阀（计量阀）、1个MDV阀（泄压阀）、8只喷油器、2个轨压传感器（轨压传感器1、轨压传感器2）及其它各种传感器组成。其中轨压传感器1布置在靠近高压油泵的高压油轨的端部，轨压传感器2布置在远离高压油泵的高压油轨的端部（安装MDV阀相对的一端）。高压共轨系统工作时，将油箱中的柴油通过低压油路泵入到高压油泵，然后通过高压油泵压入高压油轨中，之后高压油轨将高压燃油分配到各喷油器中，最后在电控单元的控制下喷入汽缸中燃烧。

2.2   基于双轨压传感器轨压控制模块

本文中所述的基于双轨压传感器的轨压控制，关键之处在于对2个轨压传感器对轨压实际采集值的处理。由于的V8柴油发动机所述的V8柴油发动机2个高压油轨的布置形式，2个轨压传感器分别采集实际轨压值，之后对2个实际轨压值进行加权处理，即设置轨压传感器2加权系数，最后将加权处理后的实际轨压值作为轨压控制的实际轨压。其中双轨压传感器轨压控制模块示意图如图3所示。发动机运行过程中，根据已标定好的轨压MAP查询轨压命令值，并进行限值处理；同时根据轨压实际值（轨压传感器采集电压值，控制模块通过采集的电压值计算轨压实际值）和轨压命令值进行PID闭环计算；之后根据喷油量、发动机转速确定燃油流量；最后通过燃油流量确定IMV阀的周期和占空比，从而实现轨压的闭环控制。

2.3   试验设计方案

本文针对V8柴油发动机进行的基于双轨压传感器的轨压控制试验研究，主要研究轨压传感器1、轨压传感器2的加权系数对轨压控制性能的影响。鉴于以上目的，试验设计方案如表2所示。

3    试验分析

3.1   评价分析指标

本文研究轨压传感器2不同加权系数对油轨压力控制的影响，主要从轨压超调、轨压误差（命令轨压与实际轨压之间的误差）两个方面进行分析评价，本文不研究轨压控制的响应时间，如图4所示。主要分析：轨压阶跃时，轨压传感器2不同加权系数下对轨压超调的影响；以及到达目标轨压后，轨压传感器2不同加权系数下对轨压误差的影响。

3.2   稳定工况下轨压传感器电压值分析

本文中选取在发动机转速为1400rpm，油门分别为14%、40%、100%的稳定工况下，采集轨压传感器1、轨压传感器2检测轨压的单次采样电压值，直接反映轨压传感器监测的瞬时实际轨压。但实际轨压控制中，常常采用多次平均值，不采用瞬时值，消除因随机误差引起的轨压波动，从而较好的控制轨压。

通过图5、图6、图7可知，从趋势上分析，轨压传感器1检测的轨压电压值较轨压传感器2检测的轨压电压值高；但随着油轨压力控制命令值的增加，轨压传感器1检测的轨压电压值整体高出轨压传感器2检测的轨压电压值的程度逐渐减小。

究其原因，发动机转速较低，高压油泵供油速率小；且在命令轨压低时，通过IMV阀控制计量阀进入到高压油轨中的供油速率较小，同时随着高压燃油的流动以及燃油喷射，高压油轨中的能量降低。兼顾考虑到2个高压油轨之间连接的节流损失、2个轨压传感器的布置形式，从而使轨压传感器1检测的轨压电压值较轨压传感器2检测的轨压电压值高。但随着命令轨压升高，IMV阀控制计量阀进入到高压油轨中的供油速率增大，在较短时间内即可达到对应工况下的最大值。从而轨压传感器1检测的轨压电压值整体高出轨压传感器2检测的轨压电压值的程度逐渐减小，并趋向一致；但随着命令轨压的升高，轨压波动增大。

3.3   轨压传感器2不同加权系数对轨压超调的影响

试验中，发动机转速1400rpm、油门100%，分别在不同稳定轨压下进行轨压超越，测试轨压传感器2不同加权系数对轨压超调的影响。

通过图8、图9、图10中可知，在转速为1400rpm、 油门为100%的工况下：轨压分别从800bar阶跃到900bar、1100bar阶跃到1200bar，随着轨压传感器2加权系数的增加，轨压在阶跃过程中的轨压超调越小；但当轨压从1400bar阶跃到1500bar过程，随着轨压传感器2加权系数的增加，轨压在阶跃过程中轨压超调越大。

轨压分别从800bar阶跃到900bar、1100bar阶跃到1200bar过程中，随着轨压传感器2加权系数的增大，实际轨压减小，实际轨压与命令轨压之间的误差增大，之后通过PID调节，增大轨压控制的PID补偿量。但发动机转速较低时高壓油泵供油速率小，且命令轨压低时，通过IMV阀控制计量阀进入到高压油轨中的供油速率较小，因此燃油不能很快的进入到高压油轨，从而使轨压超调随轨压传感器2加权系数增大而减小。但随命令轨压升高，轨压从1400bar阶跃到1500bar过程，IMV阀基本全开，燃油很快的进入到高压油轨。随着轨压传感器2加权系数的增大，轨压超调反而增加。

3.4   轨压传感器不同加权系数不同工况下对轨压超调的影响

试验中，在不同工况下进行轨压超调测试，工况1：转速为1400rpm、油门100%；工况2：转速为2000rpm、油门100%；工况3：转速3200rpm、油门100%。分别在不同稳定轨压下进行轨压超越，测试轨压传感器2不同加权系数对轨压超调的影响。工况1轨压超调如本文3.3所述。

从图11、图12、图13、图14、图15、图16中可知，在工况2、工况3下：轨压分别从800bar阶跃到900bar、1100bar阶跃到1200bar、1400bar阶跃到1500bar，随着轨压传感器2加权系数的增加，轨压在阶跃过程中轨压超调越大。究其原因是，随着轨压传感器2加权系数的增大，实际轨压减小，实际轨压与命令轨压之间的误差增大，之后通过PID调节，增大轨压控制的PID补偿量。随着发动机转速升高，高压油泵供油速率增大，通过IMV阀控制计量阀进入到高压油轨中的供油速率增大，燃油能很快的进入到高压油轨，从而使轨压超调随轨压传感器2加权系数增大而增大。且发动机转速增大对轨压超调带来的影响大于因IMV开度减小对轨压超调带来的影响。

3.5   不同工况下轨压传感器2不同加权系数对轨压误差的影響

试验中，在不同工况下进行轨压误差测试，工况1：转速为1400rpm、油门100%；工况2：转速为2000rpm、油门100%；工况3：转速为3200rpm、油门100%。分别在不同稳定轨压下进行轨压超越，测试轨压传感器2不同加权系数对轨压误差的影响。

工况1：转速为1400rpm、油门100%，在转速为1400rpm、油门100%工况下，采集轨压传感器2加权系数分别为0、0.25、0.5、0.75、1时的轨压误差。

从图17、图18、图19、图20、图21、图22、图23、图24、图25中可知，在工况1、工况2、工况3下：轨压分别为900bar、1200br、1500bar的条件下，随着轨压传感器2加权系数的增加，轨压误差随着轨压传感器2加权系数的增大而增大。究其原因是，在稳定工况、稳定轨压命令值的条件下，综合燃油喷射、高压燃油的流动、高压油轨之间连接的节流损失以及轨压传感器的布置位置的影响。燃油传感器2监测的轨压一定程度上低于轨压传感器1监测的轨压值。轨压控制过程中，将轨压传感器1、2监测的轨压值进行加权处理后作为实际轨压值，即设置轨压传感器的加权系数，之后计算出命令轨压值与实际轨压值的差值，并通过PID调节轨压值。因此随着轨压轨压传感器2加权系数的增大，实际轨压减小，PID调节的轨压的补偿量增大，从而使轨压误差一定程度上随着轨压传感器2加权系数增大而而增大。

另从上图所示可知，针对本文所述的柴油发动机，轨压传感器2加权系数分别为0、0.25时，轨压误差基本相当；轨压传感器2加权系数为0.25时的轨压误差稍大于轨压传感器2加权系数为0时的轨压误差。

4    试验结论

1）综上所述分析可知，在中低发动机转速、较低轨压条件下，随着轨压传感器2加权系数的增加，轨压在阶跃过程中的轨压超调越小；但随着发动机转速的增大，此种影响越来越小，且在特定发动机转速之后，随着轨压传感器2加权系数的增加，轨压在阶跃过程中的轨压超调越大。

2）综上所述分析可知，随着轨压传感器2加权系数的增加，轨压误差随着轨压传感器2加权系数的增大而增大。

3）鉴于本文所述的试验结果分析，针对本文所述的柴油发动机，轨压传感器2的加权系数取0.25时，兼顾轨压超调和轨压误差，轨压控制可取得较好的效果。

参考文献：

[1]刘威，熊军林，熊锋等. 一种柴油机燃油系统轨压控制方法研究 [J]. 汽车科技，2022： 32-38.

[2]许文燕，王尚学，任庆霜等. 单泵双轨高压共轨系统在某V型8缸柴油机上的集成应用研究 [J]. 内燃机与配件，2016： 4-9.

[3]聂涛，刘振明，安士杰. 高压共轨系统轨腔内压力波动特性研究 [J]. 计算机仿真，2021，38： 197-202.

[4]李冠霖，张贵华. 电控共轨系统轨压优化标定 [J]. 现代车用动力，2022： 15-19.

[5]熊建，顾宏. 积分分离PID算法在共轨压力控制中的应用研究 [J]. 柴油机，2021，43： 15-18，25.