高压共轨多次喷射系统油泵单元控制策略

第26卷第12期农业工程学报V ol.26 No.12 120 2010年12月Transactions of the CSAE Dec. 2010 高压共轨多次喷射系统油泵单元控制策略

韦 雄，冒晓建，肖文雍，祝轲卿，卓 斌

（上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240）

摘 要：为了满足多次喷射技术对高压油泵泵油提出的新要求，该文基于GD-1电控柴油机高压油泵设计了适应于多次喷射的控制策略，并在发动机台架上对其进行了试验验证。试验结果表明，该控制系统实现了对高压油泵的有效控制，最大限度地发挥出高压油泵的优越性能，并有效保证整个电控喷油系统的可靠性，为进一步改善高压共轨式柴油机的多次喷射控制和降低柴油机的排放提供了良好的基础。

关健词：泵，喷射，控制系统，柴油机，多次喷射，高压油泵，控制策略，高压共轨柴油机

doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2010.12.020

中图分类号：TK421 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2010)-12-0120-05

韦 雄，冒晓建，肖文雍，等. 高压共轨多次喷射系统油泵单元控制策略[J]. 农业工程学报，2010，26(12)：120－124.

Wei Xiong, Mao Xiaojian, Xiao Wenyong, et al. Control strategy of high pressure pump unit applied to high pressure common rail multiple injection system[J]. Transactions of the CSAE, 2010, 26(12): 120－124. (in Chinese with English abstract)

0 引 言

高压共轨结合电控喷射技术使得汽车动力柴油化成为近年来倍受业界关注的发展方向。国内诸多企业和科研单位也投入了大量人力物力研发高压共轨式电控柴油机喷油系统，其中最关键的部件之一（电控高压油泵）更是因为其复杂的机械液力结构和精确的供油控制要求，成为开发的难点和重点。

特别是多次喷射技术的出现，对高压油泵泵油量的精确度提出了更高的要求，因为瞬时供油量和喷油量的不平衡会引起共轨油压的波动，造成喷油压力的波动，从而严重影响燃烧效果，导致排放恶化，这就完全失去了高压共轨电控喷射系统的优势[1]。

目前，国内已在硬件方面不断提升高压油泵的制造工艺，使其泵油部件具有足够的精密度，电磁阀执行部件具有足够的响应性[2]。然而在高精度硬件的基础上，还需要设计相应的控制策略软件，针对高压油泵的电磁阀执行部件进行有效控制，从而最大限度发挥出电控高压油泵的优越性能，保证整个电控喷油系统正常工作。本文针对GD-1电控柴油机的高压油泵，设计适应于多次喷射要求的控制策略，完善了整个电控系统的控制功能。

1 油泵单元分析

GD-1高压共轨喷油系统采用电控轴向直列柱塞泵，与直列泵比较，油泵驱动扭矩大幅度减小，与径向柱塞泵相比，高压油的泄漏量小，具有更高的油泵机械效率。2个三作用凸轮依次驱动柱塞压油，在发动机一个循环内两个压油腔按1-2-1-2-1-2-1的顺序工作，任何时刻总是

收稿日期：2010-03-11 修订日期：2010-11-29

作者简介：韦雄（1983－），广东人，男，博士，主要科研方向为柴油机电子控制。上海上海交通大学机械与动力工程学院，200240。

Email：weixiong6616398@https://www.360docs.net/doc/764013876.html, 一腔吸油而另一腔压油，因此凸轮轴圆周载荷分布均匀，每次喷油过程总与其中一腔的压油行程对应，具体的泵油量由压油腔顶端的油泵控制电磁阀（pump control valve，PCV）控制[3]。

如图1所示，在高压油泵内部，燃油由2个并列的泵油柱塞进行压缩，柱塞由互相成120°间隔角度的三作用凸轮驱动，因此每一转发生6次供油冲程，驱动扭矩的峰值比较低，在泵驱动过程中出现的应力能够保持均匀。与传统的喷油系统相比，共轨燃油喷射系统对泵驱动装置的负荷小得多，驱动泵所要求的功率与施加在共轨中的压力和泵的转速（供油量）成正比上升[4]。

图1 GD-1高压共轨柴油机系统高压油泵示意图

Fig.1 Diagram of high pressure pump for GD-1 high pressure

common-rail diesel engine system

在高压共轨喷射系统中，由于喷射压力的产生和喷射过程完全分离，无论是维持共轨管的稳定高压，还是控制喷油过程的电磁阀等电液元件高速工作，都会消耗很大一部分的高压燃油。因此，高压油泵的供油效率会

燃油调节阀

PCV

溢流阀

凸轮轴

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有较大的下降。所以，高压油泵的供油能力必须比常规的喷油泵有较大的增加。而且必须考虑各种各样的泄漏和环境因素对目标供油量的影响，因此要通过软件策略控制的方式对其进行补偿[5]。

高压油泵向共轨管中提供所需要的目标供油量。这个需要量除了供燃烧推动活塞作功的喷油量Q 1外，还包括各种液力调节过程所消耗的高压燃油Q 2以及各种高压密封面处的泄漏流量Q 3损失，另外还有因压力和温度等因素对液体密度的影响所造成的供油泵几何供油能力的损失Q 4[6-7]。因此，供油泵的目标供油量Q PUMP 可用下式计算

41

31

21

1Q Q Q Q Q n

k k n j j n i i PUMP +++=∑∑∑===

式中，n 为喷油系统的缸数；i 、j 、k 为当前缸号。

根据试验标定得到的数据，制定相应的修正脉谱，就可以随时随地针对不同工况对高压油泵的PCV 有效供油脉宽进行控制和修正。

2 控制策略

目前几乎所有的柴油机电控喷油系统控制策略都是基于目标喷油量进行设计的，即以发动机某工况下所需要的喷油量来决定相关控制参数。然而随着越来越多的功能构件附加到电控柴油机上，输出扭矩受到一定程度的影响。另外混合动力系统中对电机只能采取基于扭矩分配的控制方法，因此对柴油机电控系统采用基于扭矩的控制方法显得很有必要。

本文计算高压油泵在各种工况和环境条件下所需的驱动扭矩，这样就可以对负载扭矩进行补偿，更加精确地控制电控系统进行喷油。另外根据当前工况的瞬时转速和燃油温度，计算油泵的极限泵油量。与此同时，为了适应多次喷射系统的要求，还对油泵的供油和喷油器的出油进行平衡判断，从而确定每循环喷油次数的限制值。如图2所示。

图2 高压油泵控制策略总图

Fig.2 Overall control strategy flowchart of high pressure pump

2.1 油泵驱动扭矩

决定油泵驱动扭矩的主要有：发动机转速、当前油

压、设定泵油脉宽。当发动机转速小于或等于油泵扭矩的限制转速时，油泵驱动扭驱取0值，因为此时发动机转速过小，不需要对共轨管进行泵油；当发动机转速大于油泵的限制转速时，油泵的驱动扭矩根据发动机转速、设定的泵油脉宽、当前油压等参数计算得到。具体的计算逻辑如图3所示。

图3 驱动扭矩的控制流程图

Fig.3 Control strategy flowchart of driving torque

2.2 极限泵油量

极限泵油量由转速和油温共同决定。最大的泵油极限量是转速的函数，即在每个转速下泵油脉宽取最大值时的泵油量；油温限制的泵油极限量则是为了防止油温过高而设置的，它是转速和油温的函数，油温越高，极限泵油量越小。这样可以保证油泵可靠工作，延长使用寿命。具体的计算逻辑如图4所示。

图4 极限泵油量的控制流程图

Fig.4 Control strategy flowchart of maximum fuel

2.3 多次喷射次数限制

根据高压油泵的实际泵油能力来判断是否足够给共轨管和喷油器提供预定的供油量，以满足油压和多次喷射总喷油量的要求。如果供油量不能够满足要求，则每循环的多次喷油次数就要受到限制，以避免不正常喷射造成的排放恶化和发动机性能下降。

如图5所示，经过最大值限制的设定泵油脉宽，先后乘以2个修正系数。其一是泵油脉宽的转速修正系数，其二是燃油温度对泵油脉宽的修正系数。经过修正的泵油量与预先估算的“老化油泵泵油脉宽”作比较。根据比较结果以及当时油压偏差值和油压控制模式3个条件来对“喷油限制次数”进行操作限制。具体的状态机和状态切换条件如图6中所示。

无论进入哪个状态，都要经过延时滤波的处理，确认某一状态后，才对喷油次数执行“减0或1”操作。

min

农业工程学报 2010年

122状态机输出的“多次喷射次数限制减少值”在输出前还要经过选择限制。即当高压油泵泵油能力严重退化的时候（油泵性能评估状态字为1），多次喷射的喷油次数为1，即不进行远预喷或近预喷。

图5 多次喷射次数限制的控制流程图

Fig.5 Control strategy flowchart of injecting number for multiple

injection

图6 喷油次数限制模块状态流图 Fig.6 Stateflow of injection number limit

2.4 高压油泵工作性能评估

高压油泵性能测试单元包括2个测试项目，油压的建立和释放，借此可以及时了解高压油泵的实际工作性能水平。在油压建立测试中，首先将当前油压调整到“测试油压下限”，待其稳定片刻后，立即给出“测试油压上限”的目标油压，记录油压上升的时间。因为此时高压油泵处于全负荷运行状态（即压油柱塞满行程），因此油压上升时间的长短直接反映了油泵的泵油能力，也从侧面反映出油泵磨损或者劳损的情况。其中包括电磁阀的响应性，进油阀闭合的密封程度等等。油压释放测试时，目标油压突然跳回到“测试油压下限”，此时油泵不供油，即柱塞泵油有效行程为0，于是油压迅速释放，记录油压下降的时间，也可以反映出电磁阀的响应特性，以及出油阀密封程度，如图7所示。

高压油泵性能测试一般在怠速热机工况下才能进行，而且需要选择几个不同的转速下进行多次测试，才能将测试结果作为判断高压油泵泵油能力的参考条件。

高压油泵性能测试的使能条件：

1）高压油泵性能测试启动状态字置1； 2）发动机处于低怠速热机工况；

3）车速等于0，且车速传感器工作正常。 测试过程中随时监控的条件： 1）油门处于最小位置； 2）离合器松开；

3）车速等于0，且车速传感器工作正常； 4）冷却水温度足够高（热机）； 5）变速箱不工作；

6）刹车/制动踏板信号为1。

图7 高压油泵性能测试示意图

Fig.7 Sketch map of performance test of high pressure pump

为了防止高压油泵性能测试过程中可能出现的转速和油压不可控制甚至陷入死循环的状况，必须保证测试过程时时刻刻被监控，通过软件看门狗实现。每隔固定时间，看门狗返回一个负脉冲信号表示测试情况正常，测试结束退出任务时，看门狗返回一个正脉冲信号。如果在测试过程中，一定时间内看门狗没有负脉冲信号反馈，则立刻停止测试，返回主程序。

高压油泵的性能测试评估结果反映在“油泵性能评估状态字”中，当其为1时，表示油泵泵油量已经严重不足，油泵单元严重老化，不能再满足多次喷射的泵油量要求，因此“多次喷射次数限制值”取1，即不允许远预喷或近预喷进行，以保证主喷油量充足。与此同时，油泵性能不足的信号指示灯亮起，提醒驾驶员油泵的工作性能已经严重退化，需要及时的维修或者更换。

3 实验验证

在对油泵单元工作特点进行系统分析的基础上，基于V 型开发平台，有针对性地设计了相应的控制策略。首先利用MATLAB/Simulink 软件平台编写了策略框图；然后通过Targetlink 自动代码生成工具将Simulink 模型生成C 代码，并集成到已有的GD-1柴油机电控单元ECU （electronic control unit ）中，最后在发动机实验台架上进行了验证，检验控制策略，测试控制系统的实际工作状态[8-9]。

如图8所示为在各种工况下对油泵单元的控制效果。一开始发动机起动进入怠速工况运行，此时泵单元处于正常运行模式，系统实现多次（3次）喷射；在第10 s 后，发动机进入急加速状态，在急加速期间油泵单元的实际泵油量受到极限泵油量限制，同时经过修正的泵油量大于预先估算“老化油泵泵油脉宽”对应的泵油量，为了避免不正常喷射造成的排放恶化和发动机性能下降，喷油次数减1；在第30～50 s 期间，高压油泵性能测试功能被激活，系统计算得到的油压建立和释放的时间

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分别为6和7 s ，因为正常油泵单元油压建立的时间不会大于5 s ，而油压释放的时间不会小于10 s ，因此系统认为油泵单元已严重老化，不能再满足多次喷射的泵油量要求，此后的喷油次数被限制为1，即不进行预喷射和后喷射。试验结果表明，控制策略达到了预期的控制目标，同时控制策略的可行性和可靠性也得到了验证。

图8 发动机台架测试结果 Fig.8 Test results on engine platform

4 结 论

本文首先对高压油泵单元的工作特性进行了系统分析，设计了控制逻辑算法。然后基于MATLAB/Simulink 软件平台，对整个控制系统进行了建模。最后利用TargetLink 软件将仿真模型自动生成的C 代码集成到电控系统ECU 中，在发动机台架上进行实验验证，成功在GD-1电控柴油机控制系统中实现了对高压油泵单元基于多次喷射系统的控制功能。该功能的实现有利于提高电控柴油机高压油泵单元的运行的可靠性和安全性，完善了整个电控系统的控制功能。另外，基于扭矩控制方法为系统的扩展打了良好的基础。

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Control strategy of high pressure pump unit applied to high pressure

common rail multiple injection system

Wei Xiong, Mao Xiaojian, Xiao Wenyong, Zhu Keqing, Zhuo Bin

(School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

Abstract: In order to meet the new requirements of multiple injections technology on high pressure pump, the control strategy based on high pressure pump of GD-1 electronic controlled diesel engine was designed and further tested on engine platform. The test results demonstrated that this control strategy achieved an effective control on the high-pressure pump, in which, not only the performance of high-pressure pump was improved, but also the reliability of fuel injection system was ensured. This control strategy can also provide a basis for common rail diesel engine to further improve the multiple injection control and emission.

Key words: pumps, injection, control systems, diesel engines, multiple injection, high pressure pump, control strategy, high pressure common-rail diesel engine