高压共轨系统喷油量波动补偿控制的研究

蔡胜年，林启明，徐承韬

(沈阳化工大学信息工程学院，辽宁沈阳 110142)

高压共轨系统喷油量波动补偿控制的研究

蔡胜年，林启明，徐承韬

(沈阳化工大学信息工程学院，辽宁沈阳 110142)

在分析高压共轨电磁式喷油器多次喷射油量特点的基础上，给出了通过调节主喷电流持续时间来调整主喷脉冲宽度进而补偿主喷油量波动的方法。使用AMESim仿真软件对喷油器进行仿真分析，得到主喷油量随主预间隔时间变化规律，确定了对应于不同间隔时间的主喷油量与目标喷油量的差值；建立了主喷油量与主喷电流持续时间的关系模型，根据误差值确定主喷电流持续时间；基于MATLAB Simulink仿真软件对主喷油量波动进行函数拟合从而得到持续时间误差，在ECU外围进行补偿，达到了波动补偿的效果。

高压共轨；喷油量；波动补偿；仿真

0 引言

全球变暖和空气污染等问题越发严峻，各国对汽车尾气排放标准的要求也日益严格，而对柴油机的排放要求尤为突出，采用高压共轨电控技术改善燃烧过程是解决上述问题的根本途径[1]。有害物质的排放量与燃烧效果有着直接的关系，增高油压、增加喷油次数、提高每循环喷油量控制精度等方法可以改善燃烧效果，降低有害物质的排放。为了实现更灵活的多次喷射、更高的喷射压力,要求喷射系统能够灵活调整两次喷射的间隔时间。在喷油器进行多次喷射的过程中，前一次喷射结束时针阀落座产生振荡现象，导致压力的波动，压力波在共轨与针阀之间往复传播引起下一次喷射喷油量的波动，主要体现在预喷油量对主喷油量波动的影响上，当喷油间隔时间发生改变时喷油量波动规律也随之改变。每循环喷油量直接影响有害物质的排放及发动机输出功率，喷油量偏大会导致燃烧不完全、冒黑烟等现象，喷油量偏小会导致发动机动力不足。

通过对喷油器系统进行建模与仿真，得到主喷油量随主预间隔时间变化的波动规律，并以单次喷射喷油量为基准，建立喷油量与主喷电流持续时间的关系，得到对应的目标电流持续时间，通过调节该持续时间调节主喷油量，达到补偿效果。

1 喷油器工作原理

高压共轨系统用喷油器原理如图1所示，当电磁阀线圈中没有电流流过时，控制腔与蓄压腔压力均等于轨压，此时控制活塞表面所受压力与弹簧弹力之和大于针阀下表面所受压力，针阀落座，回油孔关闭，即为静止状态；当电磁阀通电后，且电磁力大于弹簧力时，球阀开启，回油孔开启，燃油从控制室流出回到油箱，控制室压力下降，则控制活塞上表面压力降低，当其与弹簧力之和小于针阀下表面所受压力时，针阀开启，喷油开始，即喷油始点；当电磁阀关闭时，回油孔关闭，控制室迅速建立高压，针阀落座[4]。

1.1 电磁阀模型

电磁阀是喷油器中直接与控制电路相连的部件，其模型主要有运动模型、电压方程以及电磁力计算等内容。

在不考虑摩擦以及稳态液动力等情况下，运动模型为：

(1)

(2)

式中：m为阀芯总质量(kg)；x为铁芯位移(m)；B1为黏性阻尼系数(N·s/m)；B为气隙磁感应强度(T)；Fe为电磁力(N)；μ0为空气导磁率(H/m)；S为气隙导磁面积(m2)；Ft为弹簧预紧力(N)；k为弹簧阻尼系数(m·N/s)。

考虑动铁在运动过程中产生的运动电动势，电压模型为:

(3)

式中:U为开关阀激励电压(V)；i为流经线圈的电流(A)；Rc为线圈总电阻(Ω)；Lc为线圈动态等效电感(H)。

1.2 容积腔模型

根据容积腔内流量守恒与连续性原理可知：

(4)

(5)

(6)

式中：Qin为容积腔进口流量(mg)；Qout为容积腔出口流量(mg)；Ql为泄漏流量(mg)；Vb为容积腔容积(cm3)；pb为容积腔压力(Pa)；E为燃油体积弹性模量(Pa)；η为阶跃函数；μin和μout分别为进、出口流量系数；din和dout分别为容积腔进、出口直径(mm)；pr为轨压；pc为背压；ρ为燃油密度(kg/m3)。

1.3 针阀运动模型

根据牛顿第二定律得：

(7)

式中：h为针阀行程(mm)；mz为针阀组件质量(kg)；Fy为压力室燃油压力(N)；Fz为针阀座处燃油压力(N)；Fs为盛油枪燃油压力(N)；Fk为针阀弹簧作用力(N)；Fc为控制腔燃油压力(N)；c为针阀的阻尼系数。

1.4 喷油器的AMESim模型

如图2根据数学模型进行AMESim多物理量仿真，采用批处理方式对喷油量波动进行计算[3]。

2 仿真结果分析

取预设轨压为100 MPa，控制腔体积为0.015 cm3，容积腔体积为0.01 cm3,各处流量系数为0.7，喷油间隔时间近似为前次电流结束到后一次电流开启时间[2]。

2.1 目标喷油量与驱动电流关系

喷油器在喷射过程中，以单次主喷为基准，不考虑预喷对主喷的影响，主喷持续时间设定为0.7 ms。

电磁阀完全开启不会立即产生流量，需要达到针阀组件开启所需的压力差，电磁阀关闭流量还会持续一段时间，如图3所示。当电磁阀处于维持电流且针阀处于完全开启状态时，喷油量随维持电流持续时间均匀增加。

2.2 主喷油量上升速率的确定

当主喷脉宽改变时，喷射油量随时间上升速率不变，总喷油量变化部分与时间呈线性关系，如图4所示，且维持电流在某一阶段，如图5所示。由于轨压近似恒定不变，故喷油量上升速率恒定：

Δm=k·Δt

(8)

式中：Δm为喷油量增加量；Δt为对应的时间变化量；k为喷油量上升速率，此工况下k=20.738 45 mg/ms。

2.3 主喷油量波动与主预间隔时间关系

根据ECU发出的喷油脉宽信号，以单次喷射为喷油基准、主喷目标喷油量为16.96 mg，随着主预间隔时间变化，主喷油量呈周期性波动，如图6所示。

3 喷油量的补偿

根据图6所示主喷油量波动呈周期性波动且振幅逐渐减小，将误差值作为目标，利用MATLAB进行曲线拟合，从而得到不同间隔时间对应的误差值，计算补偿后的主喷脉宽，达到补偿目的。

3.1 喷油量误差曲线

拟合后曲线如图7所示，表达式为：

f(x)=a1·sin(b1·x+c1)+a2·sin(b2·x+c2)+a3·sin(b3·x+c3)+a4·sin(b4·x+c4)

其中：f(x)为喷油量误差值。

补偿前主喷误差拟合曲线见图7。

3.2 补偿控制系统构成

因为水击压力波动的周期与喷油器尺寸有关，当喷油器尺寸确定后其波动周期计算式为[5]：

(9)

其中：a为压力波传播速度，l为压力波的传播长度，包括共轨与喷油器之间高压管长度及接头与针阀座之间的长度。当轨压改变时，水击压力波的周期不变，故喷油量波动的周期不发生改变，而幅值随轨压变化。补偿逻辑图如图8所示。

3.3 喷油量补偿效果

根据拟合曲线计算补偿后喷油脉宽，补偿后主喷油量仿真结果如图9所示，对比图6，喷油量波动明显减小，补偿效果明显。补偿前最大误差值为2.26 mg，补偿后最大误差值为0.62 mg，波动误差下降了72.6%。当工况改变时，由于喷油量是喷油率积分的结果，根据目标喷油率的增加倍数可以确定该工况下的补偿量。

4 结论

高压共轨喷油器进行多次喷射的过程中，预喷射对主喷射有着明显影响，主喷油量随主预间隔时间的变化呈周期性波动，且振幅不断衰减。为提高燃油喷射精度，减少有害物质排放量，使用AMESim批处理计算，对结果进行曲线拟合，根据拟合结果确定准确的主喷脉宽，主喷油量误差明显减小。相比以往通过优化喷油器结构参数的方法，仅从控制角度在ECU以外进行修正，具有效率高、无需改变已有设备的优点。

【1】李萌，张振东，郭辉，等.高压共轨喷油系统改善柴油机排放性能的分析[J].上海理工大学学报，2004,26(4):336-339.

【2】苏海峰,张幽彤,罗旭,等.高压共轨系统水击压力波动现象试验[J].内燃机学报，2011(2):163-168.

【3】付永领，祁晓野.LMS lmagine.Lab AMESim系统建模和仿真[M].北京:北京航空航天大学出版社,2011.

【4】徐家龙.柴油机电控喷油技术[M].2版.北京:人民交通出版社，2011.

【5】蔡亦钢.流体传输管道动力学[M].杭州:浙江大学出版社，1990.

InvestigationonCompensationoftheFuelInjectionQuantityFluctuationoftheHighPressureCommonRailSystem

CAI Shengnian, LIN Qiming, XU Chengtao

(College of Information Engineering,Shenyang University of Chemical Technology,Shenyang Liaoning 110142,china)

Based on analyzing jet fuel characteristics of high pressure common rail solenoid injector many times,an approach was given by adjusting the main jet current duration to adjust pulse width so as to compensate fluctuations of the main jet quantity. AMESIM simulation software was used to simulate injector, variation of the main injection quantity with pre-interval was gotten, difference between main injection quantity and goal corresponding to different intervals was gotten; the relational model between main jet quantity and the main jet current duration was established, and main jet current duration was determined based on the error value. MATLAB Simulink simulation software was used to fit the main injection quantity fluctuations so as to get the duration error. The error was compensated out of ECU, and the compensation effect was reached.

High pressure common rail；Fuel injection quantity；Fluctuation compensation; Simulation

2015-01-16

蔡胜年(1957—)，男，博士，从事电磁阀及电磁铁的开发与应用工作。E-mail：cai570707@126.com。