单缸柴油机高压共轨燃油喷射控制系统的设计

单缸柴油机高压共轨燃油喷射控制系统的设计

0高压共轨燃油喷射系统的重要作用为了应对世界能源短缺和环境问题突出的挑战，汽车正在向动力源领域继续进行技术更新。其中，动力源油的燃烧是措施之一。电控高压共轨燃油喷射系统的发展使柴油动力可以获得更好的燃油经济性与更低的排放。由于高压共轨燃油喷射系统具有可独立控制喷油定时、高的喷射压力、以及喷油速率柔性可调的特性,不仅有助于柴油机获得良好的经济性、动力性和排放特性,而且在柴油机新型燃烧系统的研究中也起到了重要作用。为方便研究人员自由使用高压共轨系统进行研究工作,开发了本试验用共轨燃油喷射控制系统,并在单缸135柴油机上进行了功能验证,实现了多段可调的燃油喷射和共轨油压的良好控制。1系统的主要组成本系统控制目标为6缸柴油机(缸径为135mm)改装的单缸机,配置了电装公司的ECD-U2电控高压泵及相应的电控喷油器。该柴油机主要用于研究不同的喷油策略对柴油机性能的影响,要求所开发的高压共轨燃油喷射控制系统具有以下功能:(1)ECU具有依据设置以一定参数驱动高压油泵与电控喷油器工作的能力;(2)能实现每循环720°CA内多至5段燃油喷射,且喷射段数、每段喷油定时和喷油脉宽可自由调节;(3)能进行共轨燃油压力的设置并自动控制调节在设置值附近;(4)具有良好的用户配置、控制界面。本系统主要由高压油泵、共轨管、电控喷油器、共轨油压传感器、凸轮轴位置传感器、曲轴位置传感器、控制器ECU和PC机等组成,如图1所示。其中,凸轮轴信号为7齿(6+1)信号,即其中6齿(Gx信号)在凸轮圆周方向上平均分布以度量凸轮轴转过的角度与平均转速,另一多齿(G7信号)用以确定单缸柴油机的压缩上止点,为喷油和高压油泵供油提供参考基准。曲轴位置传感器选择了720线的光电编码器,曲轴每旋转1周,该传感器可输出720个脉冲信号,即每0.5°CA对应1个脉冲,该信号作为喷油定时和供油持续角的角度(时间)度量,可实现0.5°CA的精度。PC机上运行基于LabVIEW的控制软件,以设置喷油参数、目标共轨油压及PID系数等,并将所设置的各种参数按照设计的CAN通讯规则经CAN总线传送到ECU,以便ECU按照这些参数控制发动机的高压油泵供油和电控喷油器喷油。2研磨表面设计高压共轨燃油喷射系统需要控制的执行器包括电控高压泵的PCV阀以及电控喷油器的电磁阀,设计良好的ECU驱动电路关系到执行器能否迅速、及时地响应相关指令,从而保证良好的操作和控制。系统ECU基于MC68376微处理器,主要包括:A/D转换模块、高压电源模块、低压电源模块、CAN通信模块、PCV驱动模块和喷油器电磁阀驱动模块等。其中,后两者分别驱动电控高压油泵PCV阀和电控喷油器高速电磁阀工作,而高压电源模块则提供高达110V的电压,以在驱动电控喷油器时提供较大的提升电流,使之能迅速吸合,提高响应能力。ECU驱动电路采用了高低端控制、高低电压驱动的设计思想。该电路模块的工作原理如图2所示。由图2可见:TPU0、TPU1、TPU7～TPUC通道分别为MC68376时间处理器单元(TPU)的通道0、通道1、通道7～通道12。其中,TPU0、TPU1、TPU7、TPU8通道设置成输出比较OC功能,TPU9～TPUC通道设置成输入捕捉ITC功能。TPU0通道用于控制驱动电流提升时间;TPU1通道用于控制喷油器电磁阀TWV1的驱动脉宽即喷油脉宽;TPU7通道和TPU8通道分别控制高压油泵的PCV1和PCV2的工作;TPU9通道捕捉多齿G7以计算转速并判断凸轮轴转角位置;TPUA通道捕捉Gx脉冲并在中断程序中确定接下来需驱动的PCV阀;TPUB和TPUC通道捕捉720线的曲轴信号,以精确确定曲轴的转角数并用于TWV和PCV的驱动始点控制。当ECU驱动喷油器电磁阀TWV1时,在喷油起始点,TPU0通道与TPU1通道分别同时打开高压电路控制开关与高低端驱动控制开关,此时110V高压加载在TWV1上。在TPU0通道的中断服务子程序中关闭高压电路控制开关,从而实现了电流提升时间的控制,一般为0.2ms左右,可编程设定。在电流提升时间段内,加载在TWV1上的高电压使流经TWV1的驱动电流快速提升,电磁阀迅速吸合,喷油器开始喷油,提升电流一般调制在10A左右。一旦高压在TPU0通道中断服务子程序中被切断,加载在TWV1上的电压变为24V的低压,流经TWV1的电流相应变小,通常调制在4～5A,此即保持电流。当要求的喷油脉宽时间结束后,TPU1通道的中断服务子程序关闭高端和低端驱动控制开关,喷油结束。ECU对电控高压油泵PCV阀的驱动原理与上述类似。3高压油泵燃油压力自动控制图3为高压油泵的供油示意图。在油泵柱塞的吸油行程中,燃油经过PCV阀流入压油腔。在柱塞的压油行程中,若PCV阀未被驱动,则未被压缩的燃油重新经过PCV阀流出压油腔;一旦PCV阀被驱动,燃油回路关闭,则压油腔内的燃油被压缩而增压,并经过出油阀被压入共轨管中。由于PCV阀的结构为外开式,在压油行程中PCV阀在高压燃油的作用下将一直保持关闭。PCV阀关闭后的柱塞有效行程决定了供油量,即PCV阀的供油持续角Ton直接控制高压油泵提供给共轨管的燃油量。由于共轨管的容积一定,进入管内的燃油越多,则共轨油压越高,因此,控制高压油泵的供油持续角Ton即可控制共轨管内的燃油压力。电磁阀只有通、断2种状态,在实际控制中,电磁阀在柱塞整个供油期间并不需要一直通电,只需瞬间通电。燃油回路一经切断,电磁阀就可断电,由柱塞腔的压力来保持PCV阀的关闭,如此可减少电磁铁的功耗,提高电磁铁的可靠性。为了实现共轨燃油压力的自动控制调节,本系统采用了1种基于阶跃响应曲线的变参数数字PID控制器。在增量式数字PID控制器的基础上引入控制参数的修正系数,从而实现PID控制器系数的自动变化可调。该变参数PID控制器表达式如下:式中,Ton(k)为PCV阀的供油持续角;ΔTon(k)为PCV阀的供油持续角增量,即PCV阀开启正时的偏移角度;偏差e(k)=pset-pactual(k),Δe(k)=e(k)-e(k-1),Δ2e(k)=Δe(k)-Δe(k-1);pset、pactual(k)分别为共轨目标油压和共轨实际油压;K*p、K*i、K*d分别为修正后的比例、积分、微分系数。修正计算式如下所示:⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪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)为考虑到偏差e和偏差变化率Δe均为带符号数而引入的符号函数;kp、ki、kd为修正前的PID参数;Qp、Qi、Qd为PID参数修正值。ECU程序根据实际轨压和目标轨压偏差实时调整PID输出量,即高压油泵PCV阀开启角度的偏移量,若偏移量为正,则供油持续角增大,压力升高;若偏移量为负,则供油持续角减小,压力降低。4系统的界面介绍在工控PC机层面,开发了与ECU配套的系统控制软件,本软件由LabVIEW8.2开发,具有良好的用户界面。软件主控制界面如图4所示。PC机通过配置CAN通信卡PISO-CAN200-D与ECU的CAN模块通信,进行配置参数的发送以及相关实时信息的接收。5高压油泵可持续角偏移量在油泵试验台上验证了系统的各个功能,图5为某喷油配置参数下由数据采集仪采集到的喷油器驱动电流图。ECU驱动程序根据实际轨压与目标轨压的偏差实时调整PID反馈量——高压油泵供油持续角的偏移量,即PCV阀关闭时刻的偏移量。若偏移量为正,PCV阀关闭时刻提前,使压力升高幅值变大;若偏移量为负,PCV阀关闭时刻推迟,压力降低。通过试验中对PID基本参数和修正参数的调整和优化,系统轨压良好地稳定在目标轨压附近。图6为目标轨压为80MPa时PC控制软件显示的实际轨压曲线,可以看到控制是收敛的。6pid控制器运行情况(1)基于MC68376的ECU硬件与驱动程序完全实现了对电控喷油器与高压油泵PCV阀的驱动,其中对电控喷油器的驱动电流波形符合设计目标,具有较大的提升电流和较小的保持电流。(2)所应用的变参数PID