高压共轨燃油系统轨压信号处理实验研究

吴哲，陈永艳（内蒙古工业大学能源与动力工程学院，内蒙古 呼和浩特 010051）



高压共轨燃油系统轨压信号处理实验研究

吴哲，陈永艳
（内蒙古工业大学能源与动力工程学院，内蒙古 呼和浩特 010051）

摘要：电控高压共轨燃油喷射系统通过各种传感器检测出发动机的实际运行状况，由计算机计算处理，可以精确地对柴油机喷射进行控制，利用实验测试和快速傅里叶变换的方法，探讨了BOSCH CR高压共轨燃油系统在不同负荷下轨压波动的频率特性。结果表明，轨压波动包含高频和低频波动两种，高频波动来源于喷油和轨内高压燃油的压力振荡，该高频振荡不能通过流量计量单元的控制来消除；低频压力波动主要来源于油泵的泵油，是压力波的主要成分，也是控制系统的调节对象。通过对轨压进行一阶低通滤波处理，滤除了频率350Hz以上高频无用信息，获得了可以用来做轨压控制的压力信号。

关键词：高压共轨燃油系统；压力波动；信号处理

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.05.004

CLC NO.: U464.22Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016) 05-78-03

前言

电控高压共轨燃油喷射系统通过各种传感器检测出发动机的实际运行状况，由计算机计算和处理，可以精确、柔性地控制柴油机喷油量、喷油定时和喷射压力，与传统的喷射技术相比，进一步降低了燃油消耗和排放，增强了动力性能，实现了柴油机综合性能的飞跃[1]。对于共轨技术来说，轨压的控制是该技术的核心，其控制策略的好坏，直接影响着燃油喷射的精确性和排放特性[2]。为了对轨压进行控制，很多学者将轨压控制过程划分为多个工况[3]，采用开环和闭环结合的方式进行计算，并采用智能算法对PID控制参数进行标定[4,5,6]。

高压共轨的轨压在实际情况中会受到燃油喷射、发动机转速[7]以及水击压力波动[8]的变化等因素的影响，因此对轨压进行控制的过程中，采集到的轨压信号中的轨压波动可以视为不同压力波的组合,需要基于压力波分量的观点来分析高压共轨燃油系统内的轨压波动的特性和变化规律[9]。本文在实验的基础上，对高压共轨油轨内的压力特性进行分析，得出轨压波动包含高频和低频波动两种，且低频压力波动是压力波的主要成分，也是控制系统的调节对象。并通过软件滤波的方法，对高频信息进行滤除，得到更加准确的轨压信息，进而可以对轨压精确控制。

1、实验系统

本文采用的实验系统以WP12匹配的BOSCH高压共轨燃油系统为试验对象，实验原理如图1所示。试验在标准油泵实验台上完成，控制采用潍柴电控专项前期开发的控制原型(Dspace/MicroAutoBox)。

图1　实验系统原理图

实验中在高压油管上靠近喷油器端安装Kistler瞬态压力传感器。采用Devtron瞬态测量软件测量瞬态压力。Devtron瞬态测量软件获得的试验数据采集周期为10us，可以使得系统中频率50k范围以内的信号信息实现无失真传输。

2、轨压波动来源分析

2.1不同转速、循环喷油量及轨压下的喷油压力规律实验

在标准油泵实验台上，采用Devtron瞬态采集软件测量高压油管上压力传感器的瞬态压力信号。实验过程中，使用闭环控制轨压。

图2(a)、(b)分别是在油泵转速为425r/min，循环喷油量为40mg，轨压设定为600bar与油泵转速950r/min，循环喷油量为230mg，轨压设定为1600bar条件下的喷油压力实验结果。

（a） 转速425r/min，油量40mg，轨压600bar

图2　不同工况下喷油压力波动实验

2.2试验结果分析

2.2.1喷油压力波动特性分析

从图2(a)、(b)中轨压的瞬态特性可以看出喷油压力波动包含了喷嘴喷射、调节阀控制以及柱塞泵泵油的压力波动信息。可见油轨上的压力信息包含了很多瞬态高频信息，主要是喷油、柱塞泵开始泵油以及IMV阀调整时导致的瞬态压力波动，这些波动周期在2ms左右，属于高频波动。由于油泵产生的轨压变化属于低频，因此不能通过油泵的控制予以实时消除，只能通过喷油器和油管的机械结构设计予以改善。在进行轨压控制时，为了防止过调节，轨压信息必须将高频的轨压波动滤除。

2.2.2油轨压力波动来源分析

图3(a)、(b)分别是图2(a)、(b)中油泵转速425r/min，循环喷油量40mg，轨压600bar工况下和油泵转速950r/min，循环喷油量230mg，轨压1600bar工况下对应的频域结果。

图3　不同工况下油轨压力波动实验对应的频域结果

从图3(a)、(b)中可以看出，油轨压力包含油泵引起的低频波动和喷油引起的高频波动以及燃油在轨内的高频振荡。另外，由于高压油泵为对称的三向柱塞泵，因此如果在一个循环内三柱塞均匀供油，那么油泵产生的供油频率应该是油泵驱动轴转速的三倍，试验采用的油泵是两个三相柱塞工作，且柱塞相位呈对称分布，因此供油频率将倍频，即如果高压泵驱动轴转速为nb，则轨压信号波动频率为：

试验采取的油泵是由电机直接带动的，理论上来说电机转速为425r/min时对应油泵在油轨上产生的频率应该是42.5Hz；电机转速为950r/min时，对应频率为95Hz。图3(a)、(b)中强度最大的频率皆与理论计算的频率相符合。因此，油泵引起的低频波动是油轨稳态压力波动的主要来源。

试验中流量计量单元对应的控制频率采用200Hz，但是在频率分析中没有发现该分量。这是由于现在采用的高压油泵属于进口流量调节，通过流量计量单元控制后的燃油将再次通过高压油泵压缩进入油轨，所以在油轨的高压燃油不再表现出流量计量单元的抖动频率特性。这说明未来流量计量单元控制频率的选择主要从控制阀的特性来确定即可。高压油轨内的油轨压力瞬态波动的来源主要是喷油器和油泵的柱塞，与流量计量单元的阀抖动无关。

3、轨压信号处理方法

高压共轨燃油系统的轨压传感器输出信号包含着广泛的系统噪声、环境噪声以及系统本身的高频频率信息，为了从带有噪声信息的轨压信号中再现真实的轨压信息，就需要对传感器的信号进行滤波处理。

为了滤除轨压数据中所包含的高频信号，轨压数据处理的第一环节即为高频滤波处理。采用一阶低通模拟滤波器可实现该目标，一阶低通滤波器的时间常数选为T=450us。对应的传递函数是：

该滤波器的幅频响应和相频响应如图4所示，系统在0-353.8Hz的低频段幅频特性近似为0分贝，而在高频段上每隔10倍频程有20dB的衰减，可以滤除频率350Hz以上高频信息。

图4　一阶低通滤波系统伯德图（T=450us）

图5　轨压信号处理电路

由于该阶段的滤波是不同燃油系统都应该具有的特性，因此该滤波模块可以采用硬件滤波，设计在电子控制的硬件电路板上。常用处理方法是在轨压传感器输入通道增加RC滤波网络，如图5所示，图中电阻R和电容C满足RC=0.00045。

图6中黑色的轨压是油轨上油压传感器的原始值（采样为50kHz），经一阶低通滤波处理后的轨压为灰色结果。

图6　一阶滤波处理前后的轨压

经过硬件模拟滤波处理后的轨压信号可以看作最高频率为350Hz的带限信号，将高频压力波动信息进行了滤除，获得了真实的轨压信息。

4、结论

1、通过对高压共轨油轨内的压力特性进行分析，发现轨压波动包含高频和低频波动两种，高频波动来源于喷嘴喷油和轨内高压燃油的压力振荡，该高频振荡不能通过流量计量单元的控制来消除；低频压力波动主要来源于油泵的泵油，是压力波的主要成分，也是轨压控制系统的调节对象。

2、通过对轨压进行一阶低通滤波处理，滤除了频率350Hz以上高频信号，获得了真实的轨压信息。

参考文献

[1]聂建军. 柴油机高压共轨燃油系统的现状及发展趋势[J]. 内燃机, 2009(4):6-9.

[2]尤丽华, 安伟, 张美娟. 基于神经网络的柴油机共轨系统轨压控制方法[J]. 中国农机化学报, 2009(6):77-81.

[3]任卫军, 贺昱曜, 张卫钢. 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, 2006, 46(02):209-212.

[4]尤丽华, 安伟, 李鸿怀,等. 高压共轨系统高压泵试验台轨压控制方法[J]. 江苏大学学报：自然科学版, 2010, 31(4):432-436.

[5]李鸿怀. 柴油机高压共轨系统多工况轨压控制策略研究[D]. 江南大学, 2011.

[6]金江善, 平涛, 凌励逊. 柴油机高压共轨燃油喷射系统共轨压力控制技术研究[J]. 柴油机, 2006, 28(3).

[7]陆方迪. 高压共轨系统轨内压力波动特性的仿真研究[D]. 北京交通大学, 2012.

[8]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.

[9]刘兴华, 樊志强, 高琢. 高压共轨燃油系统轨压波动特性的实验研究[J]. 汽车工程, 2010, 32(7):575-578.

Experimental study on rail pressure signal processing of high pressure common rail fuel system

Wu Zhe, Chen Yongyan
( College of Energy and Power Engineering, Inner Mongolia University of Technology, Inner Mongolia Huhehaote 010051 )

Abstract:ByexperimentalmeasurementandusingfastFouriertransform,thefrequencycharacteristicsofrailpressurefluctuationofhigh-pressurecommonrailfuelsystemBOSCHCRunderdifferentloadconditionsareinvestigated.The results show that the rail pressure fluctuation consist of high frequency and low frequency fluctuations, and the high frequency fluctuation is caused by the fuel injection and the Pressure oscillation of high pressure fuel, which can not be eliminated by the control of the flow metering unit.Low frequency pressure fluctuation is mainly caused by the pump oil, which is the main component of the pressure waveand the control system of the control system.By the means of first order low pass filtering, the high-frequency useless information above 350Hz was filtered out, obtained the pressure signal which can be used forthe rail pressure control.

Key words:highpressurecommon-railfuelsystem; pressure fluctuation; signal processing

中图分类号：U464.22

文献标志码：A

文章编号：1671-7988（2016）05-78-03

作者简介：吴哲，就职于内蒙古工业大学能源与动力工程学院。