高压共轨系统压力控制策略研究

白思春， 褚全红， 姜承赋， 张春， 胡勇， 杨薇， 范燕朝

(中国北方发动机研究所(天津)， 天津 300400)



高压共轨系统压力控制策略研究

白思春， 褚全红， 姜承赋， 张春， 胡勇， 杨薇， 范燕朝

(中国北方发动机研究所(天津)， 天津 300400)

开发了一种柴油机高压共轨系统压力控制策略，从目标轨压选取入手，建立轨压的闭环控制策略,并确定了各轨压控制状态间的转换条件。为实现轨压快速响应，增加了轨压前馈算法；为改善轨压控制瞬态特性，建立了双环控制算法；针对特殊工况，采用开环控制策略。通过发动机台架试验证明，该控制策略能够实现轨压的稳定控制以及快速响应，各工况之间过渡柔和，突变工况下也能够达到安全控制的要求。

柴油机； 高压共轨； 试验台架； 控制策略

柴油机共轨式燃油喷射系统由于其复杂性、非线性和不稳定性，参数存在不同程度的时变性，而且过程具有非线性、强耦合等特点。传统的控制理论和方法对于这类对象或过程难以实现自动控制[1]。共轨压力是喷油计量的基础参数，其稳定性和过渡响应直接影响发动机起动、怠速、加速等性能，因此轨压控制是高压共轨电控系统开发的一个关键环节，它是高压共轨系统能否与电控柴油机完全匹配的重要因素[2]。

现有共轨变量泵压力调节阀有两种，第一代调压阀控制的是高压油泄油量，当轨道压力超过一定的值就通过泄油来降压，第二代调压阀控制的是低压油的进油量，当轨道压力低于一定的值就通过增加进油量来升压。二者都是通过接收电控单元输出的PWM脉冲调制电流来控制共轨管内的燃油压力。从控制效果看，稳态控制时二者基本相当，但针对工况过渡控制，需要建立不同的控制策略[3-4]。

本研究针对轨压控制，设计了全工况的轨压控制算法，使得共轨柴油机稳态轨压偏差小，瞬态过程轨压迅速达到稳定。建立了双闭环控制结构，内环基于变量泵电流反馈，外环基于轨压反馈；为了减少喷射过程引起的轨压波动和缩短PID 控制引起的延迟，引入前馈控制技术，根据喷射油量和泄漏量对控制量进行预先补偿；根据不同工况下轨压控制的要求，设定不同的轨压控制模式和控制目标，采用开环控制结合PID闭环控制，实现了在柴油机全工况下对不同轨压变化的最佳控制[5]。

1 共轨压力控制基本框架

共轨压力控制主要采用闭环控制的方式，电控系统不断检测柴油机运行状态，由最终喷射量和柴油机转速查表得出目标轨压值，通过轨压传感器测试出实际共轨压力，与目标轨压值比较得出压力差，通过PID运算得出变量泵电磁阀通电占空比，对应变量泵的流量，在共轨管内形成压力，完成共轨压力闭环控制(见图1)。

变量泵供油、高速电磁阀喷油都是间歇的工作过程，并且和发动机的工作转速相关，且在柴油机变工况过程中喷油量的突变也会导致轨压的波动，这些因素决定了共轨压力控制的复杂性。所以共轨压力控制不仅要实现压力的稳定性，还要兼顾压力的过渡响应速度。

2 目标轨压的选取

共轨压力是影响柴油机性能的重要因素，喷射压力越大则喷射能量越高，气缸内燃油和进气混合、燃烧更完善，柴油机动力性、经济性指标能够得到改善；此外，提高轨压，改善燃烧品质，也是降低微粒排放和烟度的最有效措施之一[6]。

基础的目标轨压设置一般遵循随柴油机转速和油量的增加而增加的原则；实际应用中，目标轨压的设置还需要综合考虑柴油机燃油温度、水温、大气压力、进气压力等因素。正常状态下，目标轨压修正包括温度修正(低温时)和环境修正(常温时)；其中温度修正主要根据水温、进气温度建立MAP图对目标轨压进行修正，得到温度修正量(见图2)；环境修正包括大气压力修正、水温修正、进气温度修正三项，得到环境修正量(见图3)。

此外，目标轨压还要考虑燃油温度的修正，并根据蓄电池电压、燃油温度对目标轨压进行限制。实际应用中，目标轨压的限定还需要增加两个因素，一是根据油量、转速得到的最高值限制，二是当发动机处于保护或故障状态时，对应的最高轨压限定。综合以上各项修正和限定，最终得到目标轨压(见图4)。

3 轨压控制

3.1 轨压控制状态确定

柴油机处于不同的工作状态，需要选择的轨压控制算法不尽相同。柴油机起动过程是一个快速建立轨压的过程，反馈控制难以满足快速响应的要求，一般采用开环控制；起动完成后，进入正常运行，此时又包括稳态工况和瞬态工况，轨压控制采用开环结合闭环的控制方法。利用开环控制可以较好地响应瞬态工况的快速变化，而闭环控制又可修正系统磨损、环境变化等扰动，弥补开环控制鲁棒性的不足；当轨压传感器或调节阀出现故障时，出于安全的考虑，给予控制系统一个安全的流量，系统性能虽然降低，但是不完全丧失功能，车辆可以跛行回家[7-8]。

轨压控制状态的选择根据凸轮、曲轴转速传感器信号以及点火信号和实际的轨压值来确定，状态切换图见图5，转换条件(图中数字)如下：

1) 轨压达到起动轨压值，但柴油机转速未达到怠速；

2) 轨压达到起动轨压值，且柴油机转速达到怠速或调速状态；

3) 轨压未达到起动轨压值，或轨压传感器或调节阀出现故障；

4) 点火信号关，接收到停机信号；

5) 发动机停机状态，点火信号开。

3.2 轨压闭环控制

轨压闭环控制以目标轨压和实际轨压差值为输入，通过PID控制得到变量泵的目标流量。首先需要根据变量泵的工作特性考虑最大的流量限制和零流量。目标轨压、实际轨压差根据积分I参数得到的控制量需要进行上下限的处理，防止“积分饱和”，之后和量化系数相乘得到最终的积分控制量；根据比例P参数得到的控制量和积分控制量相加，再次进行限值处理；最后和根据微分D参数得到的控制量相减，进行限值处理后得到最终的目标流量(见图6)。

轨压闭环控制需要根据转速和目标轨压、实际轨压选择PID控制参数。比例P、积分I这两个控制参数根据转速以及轨压偏差查表得到基本的参数值，同时通过水温进行修正。P参数的算法见图7。I参数的算法需要根据轨压偏差的上限、下限来进行倍值增大，以便在轨压偏差较大时，增大每个控制周期的积分输出量，达到快速调节的目的(见图8)。D参数的选择需要考虑上一循环的轨压差，以轨压差的偏差和转速来获得基本的参数值，再通过水温进行相应的修正(见图9)。

3.2.1 轨压前馈控制算法

在PID闭环控制的基础上，为了满足变工况时对共轨压力变化速度的需求，增加了轨压前馈控制算法，前馈算法的加入能够加快瞬态过程的响应速度。首先根据目标轨压和水温得到泄漏量对应的泄漏前馈流量；同时根据喷油量和转速得到油量修正前馈流量，这里的喷油量用未限定油量，即不考虑零流量、最大流量限制的油量，这样是为了得到能够反映真正需要的前馈流量。以上两项相加，最终的前馈流量叠加到目标流量上，前馈流量需要针对实际的共轨部件进行标定(见图10)。

3.2.2 双环控制算法

通过轨压PID闭环控制得到变量泵的控制目标流量，最终的控制需要通过控制变量泵的电流来完成，实际应用中采用PWM脉宽调制的方式来实现。闭环目标流量和前馈控制流量相加得到目标流量，根据变量泵流量—电流MAP图得到控制目标电流。目标电流的控制可以采用开环或闭环的控制方式；采用开环控制时，可以查电流—占空比MAP图得到占空比值，该值经过电压修正为控制输出占空比；目标电流也可以采用PID闭环的控制方式，PID控制算法和轨压控制算法类似，之后经过限值处理，得到输出占空比。通过双环控制变量泵的流量，使得在瞬态过程中流量的控制更为合理，能够表现出更好的瞬态控制效果。双环控制算法见图11。

3.3 轨压开环控制

在起动工况、停机工况和工况突变时，上述控制算法不能满足控制需求，需要进行开环控制[9]。发动机起动时，首要任务是快速建立轨压，此时，需要设定较大的目标控制流量；同时为了防止轨压上冲太多，在实际轨压达到一定值时，减小目标控制流量，切换到轨压闭环控制[10]。工况过渡过程中，特别是在高转速、大功率突降时，由于喷油量的突然减小，轨压易出现超压，造成泄压阀打开故障，此时控制输出不再是目标流量，而是直接把有效的输出占空比控制到最小，使变量泵的输出流量为0。停机时，接收到停机信号，应首先把目标控制流量设置为0，轨压降到一定的限值后，再停止供油。当目标控制流量设置为0时，对于第一代调压阀，电流调节到最大，使泄流最大，对于第二代调压阀，电流调节到0，使进油量最小。停机后，对于第一代调压阀，为了防止调压阀长时间通电发热，通过测试柴油机转速，把控制电流调节到0。

4 试验验证

在某高压共轨柴油机上，对设计完成的开环、闭环控制算法进行测试，通过优化控制参数，标定相应的MAP图，轨压控制的效果得到较明显的提升。

1) 起动轨压开环控制

起动过程中通过设置不同的目标流量，测试轨压的建立情况。图12示出目标轨压为60MPa时轨压建立情况，轨压过冲7MPa，轨压从0MPa到60MPa建立时间为2.1s，轨压稳定时间为3.5s。

2) 变工况轨压闭环控制

设置目标轨压60MPa，调整油门使发动机转速从1 090r/min上升到1 800r/min，调节过程中轨压控制见图13，轨压控制精度为±2MPa。

3) 考虑前馈的轨压闭环控制

发动机转速维持2 000r/min不变，进行轨压从40～140MPa阶跃跳转控制。图14示出轨压控制效果，轨压瞬变时控制精度能够快速达到±3MPa，轨压稳定时间2s。

4) 开闭环相结合的轨压控制

发动机转速维持2 000r/min不变，设置轨压从40～100MPa大阶跃跳转。图15示出开闭环相结合的轨压控制效果，跳变时轨压过冲10MPa后能够快速进行调整，轨压稳定时间10s。

5 结束语

在不同的柴油机工况下，为保证高压共轨柴油机具有良好的动力性和经济性，目标喷油压力应进行温度及环境因素的补偿及限制处理。采用开、闭环相结合的轨压控制能够满足发动机全工况下的轨压快速建立和稳定控制。结合前馈控制和双闭环的反馈控制，能够有效提高轨压的控制品质，满足工况过渡的需要。

[1] 唐开元.高等内燃机学[M].北京：国防工业出版社，2008.

[2] 周龙保.内燃机学[M].北京:机械工业出版社,1999.

[3] 徐家龙.柴油机电控喷射技术[M].北京：人民交通出版社，2004.

[4] 王尚勇.柴油机电子控制技术[M].北京:机械工业出版社,2005.

[5] 李铁军.柴油机电控技术实用教程[M].北京：机械工业出版社，2009.

[6] 陆际清.汽车发动机燃料供给与调节[M].北京：清华大学出版社，2002.

[7] 任卫军.柴油机共轨压力模糊自适应PID控制研究[J].计算机工程与应用,2016，46(2):210.

[8] 杨林.GD-1高压共轨式柴油机共轨油压控制的试验研究[J].柴油机,2004(6):17-18.

[9] 梁郑岳.高压共轨柴油机冷起动关键控制参数优化的试验研究[J].车用发动机，2012(4)：48-52.

[10] 王洪荣.共轨柴油机轨压控制研究[J].北京理工大学学报，2008，28(9)：778-781.

[编辑： 潘丽丽]

Pressure Control Strategy of High-pressure Common Rail System

BAI Sichun， CHU Quanhong， JIANG Chengfu， ZHANG Chun，HU Yong， YANG Wei， FAN Yanzhao

(China North Engine Research Institute(Tianjin)， Tianjin 300400, China)

The target rail pressure was first selected, then the close loop strategy of rail pressure was built, the conversion conditions between different rail pressures were determined, and the pressure control strategy of high-pressure common rail system was finally developed. The rail pressure feedforward algorithm and the dual loop control algorithm was used respectively to improve the response of rail pressure and the transient characteristics of rail pressure control. For the special operating conditions, the open loop control strategy was used. It was proved by the bench test that the control strategy could realize the stable control and rapid response of rail pressure. Accordingly, the operating conditions switched smoothly and the safety control could also be realized in step conditions.

diesel engine； high-pressure common rail； test bench； control strategy

2015-06-15；

2015-11-27

白思春(1972-)，男，研究员，主要从事柴油机控制技术研究；baisc@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.06.004

TP273

B

1001-2222(2015)06-0018-05