單缸柴油機高壓共軌燃油噴射控制系統(tǒng)的設(shè)計

單缸柴油機高壓共軌燃油噴射控制系統(tǒng)的設(shè)計

0高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的重要作用為了應(yīng)對世界能源短缺和環(huán)境問題突出的挑戰(zhàn)，汽車正在向動力源領(lǐng)域繼續(xù)進行技術(shù)更新。其中，動力源油的燃燒是措施之一。電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的發(fā)展使柴油動力可以獲得更好的燃油經(jīng)濟性與更低的排放。由于高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)具有可獨立控制噴油定時、高的噴射壓力、以及噴油速率柔性可調(diào)的特性,不僅有助于柴油機獲得良好的經(jīng)濟性、動力性和排放特性,而且在柴油機新型燃燒系統(tǒng)的研究中也起到了重要作用。為方便研究人員自由使用高壓共軌系統(tǒng)進行研究工作,開發(fā)了本試驗用共軌燃油噴射控制系統(tǒng),并在單缸135柴油機上進行了功能驗證,實現(xiàn)了多段可調(diào)的燃油噴射和共軌油壓的良好控制。1系統(tǒng)的主要組成本系統(tǒng)控制目標為6缸柴油機(缸徑為135mm)改裝的單缸機,配置了電裝公司的ECD-U2電控高壓泵及相應(yīng)的電控噴油器。該柴油機主要用于研究不同的噴油策略對柴油機性能的影響,要求所開發(fā)的高壓共軌燃油噴射控制系統(tǒng)具有以下功能:(1)ECU具有依據(jù)設(shè)置以一定參數(shù)驅(qū)動高壓油泵與電控噴油器工作的能力;(2)能實現(xiàn)每循環(huán)720°CA內(nèi)多至5段燃油噴射,且噴射段數(shù)、每段噴油定時和噴油脈寬可自由調(diào)節(jié);(3)能進行共軌燃油壓力的設(shè)置并自動控制調(diào)節(jié)在設(shè)置值附近;(4)具有良好的用戶配置、控制界面。本系統(tǒng)主要由高壓油泵、共軌管、電控噴油器、共軌油壓傳感器、凸輪軸位置傳感器、曲軸位置傳感器、控制器ECU和PC機等組成,如圖1所示。其中,凸輪軸信號為7齒(6+1)信號,即其中6齒(Gx信號)在凸輪圓周方向上平均分布以度量凸輪軸轉(zhuǎn)過的角度與平均轉(zhuǎn)速,另一多齒(G7信號)用以確定單缸柴油機的壓縮上止點,為噴油和高壓油泵供油提供參考基準。曲軸位置傳感器選擇了720線的光電編碼器,曲軸每旋轉(zhuǎn)1周,該傳感器可輸出720個脈沖信號,即每0.5°CA對應(yīng)1個脈沖,該信號作為噴油定時和供油持續(xù)角的角度(時間)度量,可實現(xiàn)0.5°CA的精度。PC機上運行基于LabVIEW的控制軟件,以設(shè)置噴油參數(shù)、目標共軌油壓及PID系數(shù)等,并將所設(shè)置的各種參數(shù)按照設(shè)計的CAN通訊規(guī)則經(jīng)CAN總線傳送到ECU,以便ECU按照這些參數(shù)控制發(fā)動機的高壓油泵供油和電控噴油器噴油。2研磨表面設(shè)計高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)需要控制的執(zhí)行器包括電控高壓泵的PCV閥以及電控噴油器的電磁閥,設(shè)計良好的ECU驅(qū)動電路關(guān)系到執(zhí)行器能否迅速、及時地響應(yīng)相關(guān)指令,從而保證良好的操作和控制。系統(tǒng)ECU基于MC68376微處理器,主要包括:A/D轉(zhuǎn)換模塊、高壓電源模塊、低壓電源模塊、CAN通信模塊、PCV驅(qū)動模塊和噴油器電磁閥驅(qū)動模塊等。其中,后兩者分別驅(qū)動電控高壓油泵PCV閥和電控噴油器高速電磁閥工作,而高壓電源模塊則提供高達110V的電壓,以在驅(qū)動電控噴油器時提供較大的提升電流,使之能迅速吸合,提高響應(yīng)能力。ECU驅(qū)動電路采用了高低端控制、高低電壓驅(qū)動的設(shè)計思想。該電路模塊的工作原理如圖2所示。由圖2可見:TPU0、TPU1、TPU7～TPUC通道分別為MC68376時間處理器單元(TPU)的通道0、通道1、通道7～通道12。其中,TPU0、TPU1、TPU7、TPU8通道設(shè)置成輸出比較OC功能,TPU9～TPUC通道設(shè)置成輸入捕捉ITC功能。TPU0通道用于控制驅(qū)動電流提升時間;TPU1通道用于控制噴油器電磁閥TWV1的驅(qū)動脈寬即噴油脈寬;TPU7通道和TPU8通道分別控制高壓油泵的PCV1和PCV2的工作;TPU9通道捕捉多齒G7以計算轉(zhuǎn)速并判斷凸輪軸轉(zhuǎn)角位置;TPUA通道捕捉Gx脈沖并在中斷程序中確定接下來需驅(qū)動的PCV閥;TPUB和TPUC通道捕捉720線的曲軸信號,以精確確定曲軸的轉(zhuǎn)角數(shù)并用于TWV和PCV的驅(qū)動始點控制。當ECU驅(qū)動噴油器電磁閥TWV1時,在噴油起始點,TPU0通道與TPU1通道分別同時打開高壓電路控制開關(guān)與高低端驅(qū)動控制開關(guān),此時110V高壓加載在TWV1上。在TPU0通道的中斷服務(wù)子程序中關(guān)閉高壓電路控制開關(guān),從而實現(xiàn)了電流提升時間的控制,一般為0.2ms左右,可編程設(shè)定。在電流提升時間段內(nèi),加載在TWV1上的高電壓使流經(jīng)TWV1的驅(qū)動電流快速提升,電磁閥迅速吸合,噴油器開始噴油,提升電流一般調(diào)制在10A左右。一旦高壓在TPU0通道中斷服務(wù)子程序中被切斷,加載在TWV1上的電壓變?yōu)?4V的低壓,流經(jīng)TWV1的電流相應(yīng)變小,通常調(diào)制在4～5A,此即保持電流。當要求的噴油脈寬時間結(jié)束后,TPU1通道的中斷服務(wù)子程序關(guān)閉高端和低端驅(qū)動控制開關(guān),噴油結(jié)束。ECU對電控高壓油泵PCV閥的驅(qū)動原理與上述類似。3高壓油泵燃油壓力自動控制圖3為高壓油泵的供油示意圖。在油泵柱塞的吸油行程中,燃油經(jīng)過PCV閥流入壓油腔。在柱塞的壓油行程中,若PCV閥未被驅(qū)動,則未被壓縮的燃油重新經(jīng)過PCV閥流出壓油腔;一旦PCV閥被驅(qū)動,燃油回路關(guān)閉,則壓油腔內(nèi)的燃油被壓縮而增壓,并經(jīng)過出油閥被壓入共軌管中。由于PCV閥的結(jié)構(gòu)為外開式,在壓油行程中PCV閥在高壓燃油的作用下將一直保持關(guān)閉。PCV閥關(guān)閉后的柱塞有效行程決定了供油量,即PCV閥的供油持續(xù)角Ton直接控制高壓油泵提供給共軌管的燃油量。由于共軌管的容積一定,進入管內(nèi)的燃油越多,則共軌油壓越高,因此,控制高壓油泵的供油持續(xù)角Ton即可控制共軌管內(nèi)的燃油壓力。電磁閥只有通、斷2種狀態(tài),在實際控制中,電磁閥在柱塞整個供油期間并不需要一直通電,只需瞬間通電。燃油回路一經(jīng)切斷,電磁閥就可斷電,由柱塞腔的壓力來保持PCV閥的關(guān)閉,如此可減少電磁鐵的功耗,提高電磁鐵的可靠性。為了實現(xiàn)共軌燃油壓力的自動控制調(diào)節(jié),本系統(tǒng)采用了1種基于階躍響應(yīng)曲線的變參數(shù)數(shù)字PID控制器。在增量式數(shù)字PID控制器的基礎(chǔ)上引入控制參數(shù)的修正系數(shù),從而實現(xiàn)PID控制器系數(shù)的自動變化可調(diào)。該變參數(shù)PID控制器表達式如下:式中,Ton(k)為PCV閥的供油持續(xù)角;ΔTon(k)為PCV閥的供油持續(xù)角增量,即PCV閥開啟正時的偏移角度;偏差e(k)=pset-pactual(k),Δe(k)=e(k)-e(k-1),Δ2e(k)=Δe(k)-Δe(k-1);pset、pactual(k)分別為共軌目標油壓和共軌實際油壓;K*p、K*i、K*d分別為修正后的比例、積分、微分系數(shù)。修正計算式如下所示:???????K?p=Kp+Qp[sign(ek)?Δek]K?i=Ki+Qi[sign(ek)?Δek]K?d=Kd+Qd[sign(ek)?Δek](3){Κp*=Κp+Qp[sign(ek)?Δek]Κi*=Κi+Qi[sign(ek)?Δek]Κd*=Κd+Qd[sign(ek)?Δek](3)式中,sign(ek)為考慮到偏差e和偏差變化率Δe均為帶符號數(shù)而引入的符號函數(shù);kp、ki、kd為修正前的PID參數(shù);Qp、Qi、Qd為PID參數(shù)修正值。ECU程序根據(jù)實際軌壓和目標軌壓偏差實時調(diào)整PID輸出量,即高壓油泵PCV閥開啟角度的偏移量,若偏移量為正,則供油持續(xù)角增大,壓力升高;若偏移量為負,則供油持續(xù)角減小,壓力降低。4系統(tǒng)的界面介紹在工控PC機層面,開發(fā)了與ECU配套的系統(tǒng)控制軟件,本軟件由LabVIEW8.2開發(fā),具有良好的用戶界面。軟件主控制界面如圖4所示。PC機通過配置CAN通信卡PISO-CAN200-D與ECU的CAN模塊通信,進行配置參數(shù)的發(fā)送以及相關(guān)實時信息的接收。5高壓油泵可持續(xù)角偏移量在油泵試驗臺上驗證了系統(tǒng)的各個功能,圖5為某噴油配置參數(shù)下由數(shù)據(jù)采集儀采集到的噴油器驅(qū)動電流圖。ECU驅(qū)動程序根據(jù)實際軌壓與目標軌壓的偏差實時調(diào)整PID反饋量——高壓油泵供油持續(xù)角的偏移量,即PCV閥關(guān)閉時刻的偏移量。若偏移量為正,PCV閥關(guān)閉時刻提前,使壓力升高幅值變大;若偏移量為負,PCV閥關(guān)閉時刻推遲,壓力降低。通過試驗中對PID基本參數(shù)和修正參數(shù)的調(diào)整和優(yōu)化,系統(tǒng)軌壓良好地穩(wěn)定在目標軌壓附近。圖6為目標軌壓為80MPa時PC控制軟件顯示的實際軌壓曲線,可以看到控制是收斂的。6pid控制器運行情況(1)基于MC68376的ECU硬件與驅(qū)動程序完全實現(xiàn)了對電控噴油器與高壓油泵PCV閥的驅(qū)動,其中對電控噴油器的驅(qū)動電流波形符合設(shè)計目標,具有較大的提升電流和較小的保持電流。(2)所應(yīng)用的變參數(shù)PID