高压共轨柴油机轨压控制策略研究

第６期　２０１０年１２月　内燃机　

Ｉｎｔｅｒｎａｌ　Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｓ　Ｎｏ．６　

Ｄｅｃ．２０１０　

摘要：针对柴油机高压共轨轨压控制设计了燃油喷射压力的控制策略，根据柴油机的运行参数计算目标喷射压力并选择相应的　控制模式。在Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真软件上进行仿真实验。从仿真的结果表明采用变参数ＰＩＤ控制，可以达到最佳控制效果。　关键词：高压共轨；控制策略；ＰＩＤ　中图分类号：ＴＫ４２１　文献标识码：Ａ　文章编号：１０００—６４９４（２０１０）０６—０００９—０３　

Ｔｈｅ　Ｓｔｒａｔｅｇｙ　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｈｉｇｈ—ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｃｏｍｍｏｎ－ｒａｉｌ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｙｓｔｅｍ　

ＨＵ　Ｈｅ，ＬＶ　Ｃａｉ－ｑｉｎ　（Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｎｏｒｔｈ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ，Ｔａｉｙｕａｎ　０３００５　１，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｄｅｓｉｇｎｓ　ａ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｃｏｍｍｏｎ－ｒａｉｌ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈ－ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｃｏｍｍｏｎ－ｒａｉｌ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ．　Ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｙ　ａｎｄ　ｍｏｄｅ　ｗａｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｅｔ　ｐｏｉｎｔ　ｆｕｅｌ　ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｗａｓ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｅｎｇｉｎｅ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｉｎ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｕｔ，ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｐｒｏｖｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｉｓ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃａｎ　ｏｂｔａｉｎ　ｑｕｉｔｅ　ｆｉｎｅ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｉｎ　ｃｏｎｔｒｏ１．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ－ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｃｏｍｍｏｎ　ｒａｉｌ　ｓｙｓｔｅｍ；ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｙ；ＰＩＤ　

随着世界石油资源Ｉ３益短缺和人们环保意识的　提高，对柴油机燃油经济性、动力性以及排放的要求　也不断提高。电控技术为柴油机的发展带来新的变　革，成为柴油机新的发展方向。其中，柴油机高压共　轨电喷技术以其高喷射压力、灵活喷射控制等特性　得到日益广泛的关注与应用。　在高压共轨系统中，采用压力一时间燃油计量方　式，共轨压力不仅决定了喷油压力的高低，而且是喷　油计量的重要参数，其稳定性和过度响应直接影响发　动机启动、怠速、加速等性能。共轨压力的精确控制室　共轨系统优于传统供油系统的重要因素，因此共轨压　力的控制是高压共轨电控系统开发的一个关键环节。　

ｌ控制策略总体方案　高压共轨轨压控制系统为典型的快速实时系统，　而且属于多任务系统，根据软件要实现的功能，采用　了模块化结构设计方法，控制系统的软件模块见图１。　主要包含工况采集模块、相位中断处理模块、轨压控　制模块、工况管理模块、通讯模块、故障处理模块等。　

作者简介：胡鹤（１９８６一），男，硕士研究生，主要研究方　向为发动机测控技术。　收稿日期：２０１０～０４—０６　

共　轨　柴　工　油　况　机　管　轨　理　压　模　电　块　控　盥　元　

图ｌ电控单兀软件模块　２控制算法的研究　目前共轨压力闭环控制一般采用ＰＩＤ控制，但由　于柴油机的非线性及时变性问题突出，随转速、负荷　及其他运行条件的变化，其内部参数发生较大的变　化，这使得ＰＩＤ控制性能不足以补偿参数的变化，导　致性能下降，甚至引起系统运行不稳定【”。因此采用　增量式变参数ＰＩＤ算法：　

Ａｕ（ｋ）＝Ｋ　（尼）＋ＫｉＥ（ｋ）＋Ｋ　［　（七）一　（｜ｊ｝一１）］　ｕ（ｋ）＝ｕ（ｋ一１）＋６ｕ（ｋ）　式中，　（　），Ａｕ（ｋ）分别为控制输出量和输出增　内燃机　２０１０年１２月　量。　，　，　分别为比例、积分和微分系数，为达到　较好的控制效果，应根据轨压偏差及偏差变化率及　时调整这些参数。根据参数　，　，　对系统输出特　性的影响情况，可归纳出如下的参数整定规律闭：　ａ．当存在较大偏差ｌＥｌ时，为加快响应速度应取　大的　；防止微分饱和应取较小的　，为防止积分饱　和应取　＝０。　ｂ．当存在较大偏差变化率Ｉ　ｌ时，为防止微分　饱和应取较小的　，而ｌ　Ｅ　ｌ较小时应取较大的　。　ｃ．当偏差ＩＥ　Ｊ存在增大趋势时，为消除系统误差　应适当增大　和Ｋ　；而当ＪＥｌ存在减小趋势时，为防　止系统回调过头应适当减小　和　。简单的处理方　法是当ｌ　Ｅ　ｌ存在减小趋势时取　Ｆ０。　３控制策略　轨压控制采用闭环与开环控制相结合的方式，　根据发动机的运行状态及故障诊断信息来决定。　３．１开环控制　开环控制是指控制装置与被控制对象之间只有　按顺序工作，没有反响联系的控制过程，见图２。在柴　油机起动初期，需要迅速建立轨压，在检测到压力传　感器出现故障时，无法进行压力闭环反馈，故采用开　环控制。开环控制即给压力调节阀一个固定的控制　脉宽，以使轨道重能够维持一定的压力，保证喷油器　能够继续喷油。　笪　匝褫　面　辱　

图２开环控制　３．２闭环控制　闭环控制就是输出量直接或间接地反馈到输入　端，形成闭环参与控制的系统，见图３。在正常运行的　情况下压力控制采用定相间隔采样，定周期压力反　馈闭环控制，应用增量式变参数ＰＩＤ算法，实现共轨　压力动态调节。　

图３闭环控制　共轨压力对柴油机的排放有重要影响，不同工　况和条件下，为达到最佳排放效果，需对目标轨道压　力进行修正和限制［３Ｉ４】。目标轨压设定策略见图４。　由发动机转速和当前的油量可以得到当前的目　标控制轨压基础值，再加上进气压力和温度、冷却水　温的修正及燃油温度、蓄电池电压限制后，与上一次　

图４轨压设定策略　第６期　胡鹤等：高压共轨柴油机轨压控制策略研究　－　１１・　的设定轨压比较，以确保压力变化梯度不能太大。如　果超出最大变化梯度，则以上次设定轨压与最大变　化梯度的和作为当前的设定值，最后再与当前工况　下可能的最大轨压相比，以此限制最大轨压不超出　范围。获得合适的目标轨压。　

４　ＳＩＭＵＬＩＮＫ建模仿真　以ＰＩＤ控制算法进行Ｍａｔｌａｂ／ｓＩＭＵＬＩＮＫ建模仿　真，见图５。　１５０　１２５　１００　７５　５０　２５　０　５　１０　ｌ５　２０　２５　３０　３５　时间／ｓ　（　＝１．０，　＝０．０５）　时间／ｓ　（／Ｇ＝０．５，Ｋｉｎ０．０２）　图５控制效果对比分析　由图５对比可知，不同的ＰＩＤ控制参数下，轨压的　响应速度和控制效果不同，因此，可以采用变参数　ＰＩＤ控制，以达到最佳控制效果。　５结论　ａ．综合考虑柴油机和车辆的各种工况，采用模　块化设计方法设计共轨柴油机的工况参数采集、相　位中断处理、轨压控制、工况管理、通讯、故障处理等　模块，基本完成了高压共轨轨压控制系统的核心内　容。　ｂ．针对研究的高压共轨系统制定了共轨压力控　制策略，开发了共轨压力闭环控制算法。　

ｅ．共轨系统压力控制策略将在随后开展的配机　试验中进行应用验证。　

【参考文献］　【１】宋秦中，隆武强，杨永平．高压共轨柴油机共轨压力闭环控　制算法的研究ｆＪ１．内燃机，２００７，（５）：１２—１４．　［２］李莹．高压共轨柴油机电控系统研究ｆＤ］．淄博：山东理工大　学，２００８．　【３】Ｍａｌｌａｍｏ　Ｆ，Ｂａｄａｍｉ　Ｍ，Ｍｉｌｌｏ　Ｆ．Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｒａｔｉｏ　ａｎｄ　ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｏｎ　ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ　ａｎｄ　ｆｕｅｌ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ｏｆ　ａ　ｓｍａｌｌ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｃｏｍｍｏｎ　ｒａｉｌ　ｄｉｅｓｅｌ　ｅｎｇｉｎｅ［Ｃ］．ＳＡＥ　２００５一Ｏ１—０３７９．　『４］Ｒｉｓｉ　Ａ　Ｄ，Ｎａｃｃａｒａｔｏ　Ｆ，Ｌａｆｏｒｇｉａ　Ｄ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｃｏｍｍｏｎ　ｒａｉｌ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｗａｖｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｎ　ｅｎｇｉｎｅ　ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ【Ｃ】．　ＳＡＥ　２００５—０１—０３７３．　［５］王洪荣，张幽彤，熊庆辉，等．共轨柴油机启动控制研究ｆＪ］．　汽车工程，２００７，８（２９）：６４５—６４８．　【６】张美娟．柴油机共轨压力模拟系统的开发【Ｄ】．江苏：江南大　学．２００６．　

（上接第８页）　５下一步研究工作　ａ．采用ＤＯＥ或优化算法，研究如何优化排气尾　管长度、直径设计参数，使其可以兼顾发动栅陛能和　排气噪声两方面要求。　ｂ．通过试验研究排气尾管长度、直径的变化对　发动机性能和排气噪声的影响，并与本研究的计算　研究进行对照。　

【参考文献】　【１】Ｂａｄｉｈ　Ｊａｗａｄ，Ｃｈｒｉｓｔｏｐｈｅｒ　Ｂｉｇｇｓ　ａｎｄ　Ｂｒａｄｌｅｙ　Ｋｌｅｉｎ．Ｅｘｈａｕｓｔ　ＳｙｓｔｅｍＤｅｓｉｇｎｆｏｒａＦｏｕｒＣｙｌｉｎｄｅｒＥｎｇｉｎ￣ＳＡＥ２００２－－０１－３３１６．　【２】Ｎａｋａｙａｓｕ，Ｔｅｔｓｕｙａ，Ｙａｍａｄａ，Ｈ￣ｉｍｅ，Ｓｕｄａ’Ｔｏｓｈｉｋａｚｕ，１ｗａｓｅ，　Ｎｏｒｉｔｏｓｈｉ，Ｔａｋａｈａｓｈｉ，Ｋｙｏ．Ｉｎｔａｋｅ　ａｎｄ　Ｅｘｈａｕｓｔ　Ｓｙｓｔｅｍｓ　Ｅ－　ｑｕｉｐｐｅｄ　ｗｉｔｈ　ａ　Ｖａｒｉａｂｌｅ　Ｖａｌｖｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｄｅｖｉｃｅ　ｆｏｒ　Ｅｎｈａｎｃｉｎｇ　

ｏｆ　Ｅｒｌｇｉｎｅ　Ｐｏｗｅｒ．ＳＡＥ　２００１－０１—０２４　７．　【３］Ｍｅｄａ　Ｌａｋｓｈｍｉｋａｎｔｈａ　ａｎｄ　Ｍａｔｈｉａｓ　Ｋｅｃ，Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｅｘｈａｕｓｔ　Ｓｙｓｔｅｍｓ．ＳＡＥ　２００２－０１－００５９．　『４】Ｈ．Ｋｉｍ，Ｓ．Ｐａｒｋ，Ｃ．Ｍｙｕｎｇ，Ｋ．Ｃｈｏ　ａｎｄ　Ｋ．Ｙｏｏｎ．Ａ　ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ｆｌｏｗ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｉｎｓｉｄｅ　ｔｈｅ　ｔｗｏ　ｔｙｐｅｓ　ｏｆ　ｅｘｈａｕｓｔ　ｍａｎｉｆｏｌｄ　ａｎｄ　ＣＣＣ　ｓｙｓｔｅｍｓ，１９９９　ＳＡＥ　Ｉｎｔｅｒｎａｌ　Ｃｏｎｇｒｅｓｓ　ａｎｄ　Ｅｘｐｏｓｉｔｉｏｎ，ＳＡＥ　１　９９９－０１－０４５７．　［５］Ｍａｒｔｉｎ，Ｎ．Ｗｉｌｌ　Ａ．Ｂｏｒｄｅｔ　ａｎｄ　Ｐ．Ｃｏｒｎｅｔ，Ｃ．Ｇｏｎｄｏｉｎ，ａｎｄ　Ｘ．　Ｍｏｕｔｏｎ，Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｆｌｏｗ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｎ　ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｃａｔａｌｙｔｉｃ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ．１　９９８　ＳＡＥ　Ｉｎｔｅｒｎａｌ　Ｃｏｎｇｒｅｓｓ　ａｎｄ　Ｅｘｐｏｓｉｔｉｏｎ，ＳＡＥ　９８０９３６．　［６］Ｍ．Ｌ．Ｍｕｎｊａ１．Ａｃｏｕｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｄｕｃｔｓ　ａｎｄ　ｍｕｆｆｌｅｒｓ　ｗｉｔｈ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｔｏ　ｅｘｈａｕｓｔ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｄｅｓｉｇｎ．Ｊｏｈｎ　Ｗｉｌｅｙ＆　Ｓｏｎｓ，Ｉｎｃ，１９８７．　ｆ７】ＧＴ－ＰＯＷＥＲ　Ｕｓｅｒ　Ｓ　ｍａｎｕａｌ　ａｎｄ　Ｔｕｔｏｒｉａｌ，Ｍａｒｃｈ　２００４．