陳叢金　徐勁松　魏　亮　董志輝（昆明理工大學云南省內燃機重點實驗室　云南　昆明　650500）

高壓共軌柴油機軌壓控制策略及參數(shù)研究*

陳叢金徐勁松魏亮董志輝
（昆明理工大學云南省內燃機重點實驗室云南昆明650500）

通過對高壓共軌柴油機軌壓控制的需求進行分析，設計了軌壓雙閉環(huán)控制策略，研究了軌壓控制參數(shù)之間的關系，并提出了軌壓控制的主要評價指標，即用“穩(wěn)態(tài)誤差”評價穩(wěn)態(tài)性能，用“超調量”和“調節(jié)時間”評價動態(tài)性能。運用ASCET軟件和自制的ECU，在YN33CR型高壓共軌柴油機上進行了臺架試驗。試驗結果表明：軌壓控制策略滿足需求，前饋流量補償策略和雙閉環(huán)控制可以改善軌壓的控制性能，提出的評價指標能夠反映軌壓控制特性。

高壓共軌柴油機軌壓控制雙閉環(huán)控制前饋流量補償

引言

隨著汽車排放法規(guī)的日益嚴格，高壓共軌燃油噴射技術因其靈活可控的噴油規(guī)律、良好的燃油霧化、低排放和低噪音等特點，成為了柴油機滿足國Ⅲ以上排放法規(guī)的關鍵技術之一[1]。高壓共軌系統(tǒng)中共軌燃油壓力不僅決定著燃油的霧化程度，也是噴油量的重要計量參數(shù)，其軌壓控制的穩(wěn)定和動態(tài)響應直接影響發(fā)動機各工況的性能[2-3]。

高壓共軌系統(tǒng)中的軌壓控制具有一定的獨立性，其控制過程不依賴于轉速的變化。目前的研究者主要通過采用“前饋+反饋”的控制策略加快軌壓的響應速度，并輔以瞬態(tài)修正算法避免軌壓的過度超調[4]。針對高壓泵的泵油量進行PID參數(shù)修正，改進PID反饋控制，降低了穩(wěn)態(tài)軌壓的波動[5]，并采用多級開/閉環(huán)的軌壓控制策略，進一步提高了軌壓的動態(tài)響應以及控制精度[6-7]。

本文通過對軌壓的控制需求進行分析，設計了高壓共軌燃油系統(tǒng)的軌壓雙閉環(huán)控制策略，即：在傳統(tǒng)的軌壓單閉環(huán)控制策略中加入了針對高壓泵驅動電流的內環(huán)控制，在反饋PID控制中新增了前饋流量補償算法，并提出了軌壓控制的穩(wěn)態(tài)性能與動態(tài)性能的評價指標，在發(fā)動機臺架試驗中驗證了控制策略的正確性以及控制參數(shù)對軌壓控制性能的影響。

1　軌壓控制需求分析

根據(jù)高壓共軌柴油機的運行特點，結合軌壓控制要求，把軌壓的控制需求分為三個工況。

1）穩(wěn)態(tài)工況：發(fā)動機轉速和扭矩都不隨時間變化的工況稱為穩(wěn)態(tài)工況。此時，發(fā)動機的需求噴油量穩(wěn)定，相應的軌壓需求穩(wěn)定，波動越小越好，可用穩(wěn)態(tài)誤差進行衡量。

2）瞬態(tài)工況：發(fā)動機轉速或扭矩隨時間變化的工況稱為瞬態(tài)工況，即在兩個穩(wěn)態(tài)工況之間的轉換過程。發(fā)動機大部分時間都是運行在這個工況，其對應的需求噴油量變化較大，控制系統(tǒng)要求軌壓具有良好的動態(tài)性能，可用超調量和調節(jié)時間進行衡量。

3）故障工況：發(fā)動機發(fā)生故障時（如傳感器故障），發(fā)動機根據(jù)故障狀態(tài)把軌壓設定在一個安全的范圍，以便發(fā)動機可運行，跛行回家。

圖1　軌壓控制總框圖

2　軌壓控制策略

高壓共軌系統(tǒng)的軌壓控制是通過油量計量單元（如：常閉型）控制進入高壓油泵的燃油流量，進而控制流入共軌管的進油量，達到控制軌壓的目的。因此，軌壓控制策略中，通過控制油量計量單元的驅動參數(shù)能夠獲得最終的目標軌壓。

軌壓控制總框圖如圖1所示。首先，根據(jù)噴油量和轉速計算出目標軌壓，并在計算過程中加入軌壓限值計算和軌壓修正值計算，從而使計算的目標軌壓更準確和安全。其次，目標流量由共軌壓差△P（目標軌壓-軌壓檢測值）輸入到PID控制器，計算得到目標流量。再經(jīng)過油量計量單元的“流量-電流”特性計算出目標驅動電流。最后，通過目標驅動電流計算得到驅動計量單元的PWM控制參數(shù)，由硬件驅動電路實現(xiàn)軌壓的控制。

軌壓控制策略中的兩個閉環(huán)控制，分別由共軌壓差△P和高壓泵電磁閥驅動電流差△I控制組成。共軌壓差的閉環(huán)控制是傳統(tǒng)的軌壓控制方法，以共軌壓差輸入，采用PID控制器，實現(xiàn)對軌壓的外環(huán)控制。電流差△I的閉環(huán)控制，主要是從內環(huán)控制的角度對于油量計量單元的驅動電流進行控制，使得實際電流與目標驅動電流盡快達到一致，從而提供軌壓控制的執(zhí)行精度。

2.1軌壓限值計算

軌壓限值計算模塊的目的是把目標軌壓值限制在高壓泵的供油安全范圍內。如圖2所示，根據(jù)轉速和噴油量，通過插值相應的MAP得到相應的最大軌壓與最小軌壓。當軌壓發(fā)生故障時（如軌壓傳感器失效），控制系統(tǒng)識別故障后，通過故障執(zhí)行器切換到故障最大軌壓替代值與故障最小軌壓替代值。

圖2　軌壓限值計算

2.2軌壓修正值計算

軌壓修正值計算的目的是考慮大氣壓力、發(fā)動機溫度、進氣溫度和燃油溫度對當前軌壓的噴射霧化影響，即：軌壓會影響氣缸內的燃油和氣體的混合效果，從而影響燃燒效果，這些影響因素對燃油和氣體的物理性質有重要影響，軌壓修正計算可以適應不同的環(huán)境因素。如圖3所示，各影響因素插值相關曲線得到各自的軌壓修正值，之后求和得到總的軌壓修正值。

圖3　軌壓修正計算

2.3目標軌壓計算

目標軌壓計算的目的是確定發(fā)動機各個工況下的目標軌壓值。如圖4所示，根據(jù)轉速和噴油量對軌壓基礎MAP插值得到基礎軌壓?；A軌壓與軌壓修正值相加之后通過一系列軌壓限值后得到目標軌壓。噴油器的正常工作是電池電壓與油壓共同作用的結果，電壓不足時將影響噴油器工作，修正基礎軌壓經(jīng)過電壓最小值限值和油溫限值得到最終的目標軌壓。

圖4　目標軌壓計算

2.4目標流量計算

目標流量計算的目的是控制進入共軌管的燃油流量，使軌壓達到目標軌壓。目標流量計算是軌壓控制的核心部分，以實際軌壓與目標軌壓的的壓差作為輸入，采用PID控制器，計算出目標流量（如圖5所示）。以下是幾個重要部分的功能描述：

圖5　目標流量計算

1）積分凍結器。PID中積分項的作用是不斷累計偏差，加大控制力度，消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度。但是，發(fā)動機轉速及負荷大幅變化時，目標軌壓有大幅的增減，壓差較大，導致積分值累計較大，計算得到的流量會超過高壓泵的限值，出現(xiàn)積分飽和。積分凍結器可以避免這種情況，當發(fā)動機轉速小于凍結轉速或者是計算的控制流量不在范圍內時，積分凍結器打開，使積分環(huán)節(jié)失效。

2）PID參數(shù)選擇器。轉速或負荷的變化都會有不同的軌壓值需求。由于發(fā)動機的轉速及負荷的范圍大，固定PID控制參數(shù)很難使每個工況的軌壓控制達到要求。因此，通過參數(shù)選擇器，可以實現(xiàn)變PID參數(shù)控制，滿足各個工況的軌壓控制要求。

3）前饋補償流量模塊。發(fā)動機實際工作過程中，不同工況的劇烈變化會引起噴油量的大幅變化，導致軌壓劇烈變化。例如，瞬態(tài)工況時，有時噴油量突然變化很大，造成軌壓的迅速下降或升高。在反饋PID控制的基礎上加入前饋補償流量，可以提高控制系統(tǒng)的響應速度和提前抵消軌壓擾動。

圖6　軌壓開閉環(huán)開關狀態(tài)轉換圖

2.5軌壓開閉環(huán)開關

軌壓開/閉環(huán)開關目的是實現(xiàn)共軌壓差的開/閉環(huán)控制。根據(jù)發(fā)動機的運行工況，結合軌壓控制需求，把軌壓控制分為4種狀態(tài)（如圖6所示）。開環(huán)狀態(tài)為0，點火鑰匙打開之后；開/閉環(huán)預控狀態(tài)為3，開環(huán)與閉環(huán)轉換之間的短暫狀態(tài)；閉環(huán)狀態(tài)為5，正常運行狀態(tài)；停機狀態(tài)為7，發(fā)動機停機。各狀態(tài)之間的轉換條件如表1所示。

表1　軌壓開閉環(huán)狀態(tài)轉換條件

2.6目標驅動電流計算

目標驅動的計算目的是將目標流量轉換成驅動油量計量單元的電流。如圖7所示，目標電流是通過由計量單元的“流量-電流”特性進行曲線插值得到目標驅動電流。

圖7　目標驅動電流計算

2.7計量單元驅動計算

計量單元驅動計算的目的是將目標驅動電流轉換成硬件驅動電流芯片執(zhí)行的PWM參數(shù)（占空比與頻率）。如圖8所示，對占空比計算運用了PID控制，目標電流與計量單元電阻以及電壓計算后，進行PID計算，然后經(jīng)過限制計算得到最后的PWM占空比。延遲微分（DT1）延遲的作用是減弱計量單元通電時電磁感應造成的影響。把電流差作為積分（I）的輸入，并輔以電流差開閉環(huán)控制是為了對積分進行飽和切除的作用。

圖8　計量單元驅動計算

3　軌壓控制參數(shù)的影響關系

高壓共軌燃油系統(tǒng)需要進行標定試驗來確定控制策略中的各種控制參數(shù)，即：通過標定試驗使柴油機達到所要求的性能，如系統(tǒng)控制性能、動力性能和經(jīng)濟性能等。下面將分析各個控制參數(shù)對這些性能的影響關系。軌壓控制策略中控制參數(shù)主要針對參數(shù)MAP，曲線和控制狀態(tài)等，其軌壓的參數(shù)標定關系如圖9所示。

圖9　軌壓控制策略中的主要控制參數(shù)

針對軌壓控制性能的評價可以分為動態(tài)性能指標與穩(wěn)態(tài)性能指標兩類。動態(tài)性能指標主要表征軌壓控制過程中瞬態(tài)響應特性，穩(wěn)態(tài)性能指標主要表征軌壓穩(wěn)定后的實際值與目標值之間的偏差特性。

如圖10所示，穩(wěn)態(tài)性能使用“穩(wěn)態(tài)誤差”評價，動態(tài)性能使用"超調量"和"調節(jié)時間"評價，其各指標定義如下：

1）穩(wěn)態(tài)誤差：發(fā)動機穩(wěn)態(tài)工況時，實際軌壓與目標軌壓的上下偏差。

2）超調量：軌壓調節(jié)過程中，實際最大軌壓偏離目標軌壓的差值與目標軌壓之比的百分數(shù)，即：（實際最大軌壓-目標軌壓）/目標軌壓×100%。

3）調節(jié)時間：實際軌壓從開始變化到達到并保持在目標軌壓偏差范圍內所需的時間。

圖10　軌壓控制系統(tǒng)性能評價指標示意圖

在標定試驗中，需要知道各參數(shù)對評價指標的影響才能調整相關參數(shù)得到適合的性能。圖11是軌壓控制中最為重要的控制參數(shù)對控制系統(tǒng)性能的影響關系，具體參數(shù)的描述如下：

圖11　軌壓控制參數(shù)對控制性能的影響

1）軌壓基礎值決定了目標軌壓的大小。每個工況，柴油機都需要有一個合適的軌壓值，太大或太小都會影響軌壓控制性能及發(fā)動機性能。起動過程中，隨著目標軌壓的變化存在一個軌壓值使得起動性能最好，過大或過小都會使起動時間增大[8]。

2）PID參數(shù)是PID控制的關鍵，使用變參數(shù)PID可以使發(fā)動機各工況軌壓控制都能達到要求。因此，各工況都需一組合適的PID參數(shù)，這些參數(shù)對于軌壓控制的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能有所影響。

3）△P、△I開閉環(huán)狀態(tài)實現(xiàn)了軌壓的多級開/閉環(huán)控制。合理的開閉環(huán)策略，可以提高軌壓的穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)性能。

4　試驗驗證

使用德國ETAS公司的ASCET軟件編寫了"軌壓控制策略"，并與高壓共軌其它控制策略進行系統(tǒng)集成，編譯軟件生成可寫入ECU板的“.hex”文件，下載到自制的標定ECU上。在4缸高壓共軌柴油機YN33CR機型上進行了臺架試驗驗證。

4.1起動試驗

如圖12所示，進行起動目標軌壓40MPa的起動試驗。起動電機倒拖柴油機轉速達到250r/min，且軌壓達到15MPa以上時開始噴油，轉速、軌壓都有明顯的變化。發(fā)動機轉速在達到370r/min時，開閉環(huán)狀態(tài)字從0變?yōu)?，發(fā)動機轉過一定轉速后，狀態(tài)字從3變?yōu)?，表示軌壓控制從開環(huán)控制變?yōu)殚]環(huán)控制。實際軌壓上升達到峰值之后，軌壓向變怠速目標軌壓40MPa調節(jié)。起動過程采用較大的噴油量30mg/cyc，可以使柴油機快速起動，之后進入怠速工況，轉速為800r/min、噴油量為8mg/cyc左右。柴油機起動順利，軌壓在1s左右達到峰值，軌壓開/閉環(huán)控制自動切換，油量和轉速變化趨勢基本一致。

圖12　 40MPa起動目標軌壓的起動試驗

4.2不同目標軌壓的起動試驗

環(huán)境溫度25℃，起動油量為定值30mg/cyc，柴油機起動結束轉速為800r/min。起動目標軌壓分別設置為30、35、40、50、60和70MPa。

如圖13所示，起動過程中軌壓首先快速升高到一個峰值，然后再下降到起動目標軌壓值附近波動，之后軌壓向怠速目標軌壓調節(jié)，穩(wěn)定在怠速軌壓；隨著設定的目標軌壓升高，超調軌壓量有所增加，這主要是因為目標軌壓越高，增加進入共軌管的流量才能使軌壓快速建立，這樣就會造成超調軌壓量的增加。

圖13　不同起動目標軌壓的軌壓控制試驗

如圖14所示，不同起動目標軌壓的評價曲線中，調節(jié)時間為發(fā)動機開始起動到軌壓穩(wěn)定在怠速軌壓40MPa的時間。圖中軌壓調節(jié)時間呈現(xiàn)先減后增的現(xiàn)象，當目標軌壓小于40MPa時，調節(jié)時間隨著目標軌壓的增大而減小，40MPa時最小為1.6s；當目標軌壓大于40MPa時，調節(jié)時間隨著目標軌壓的增大而增大，主要原因是目標軌壓越高，燃油噴出速度越快，燃油的霧化程度越好，燃油燃燒更充分，釋放能量越高，發(fā)動機起動時間縮短，相應的軌壓調節(jié)時間縮短。然而，隨著軌壓的增大，噴出的油滴貫穿距離增大，起動時柴油機轉速低，缸內空氣流動小，超過一定軌壓后，會有較多的油滴噴射到氣缸壁上，而此時氣缸內溫度不是太高，不利于氣缸壁上的燃油蒸發(fā)，噴射的油滴不能充分燃燒，發(fā)動機起動時間將會增長，軌壓的調節(jié)時間也增長。

圖14　不同起動目標軌壓的軌壓控制評價曲線

在圖14中，隨著目標軌壓的增加，超調量逐漸減小，結合圖13可知隨著設定的目標軌壓的升高，最大軌壓值有所增加，但是這個增加量沒有目標軌壓的增加幅度大，所以計算得到的超調量逐漸減小。

4.3前饋補償流量試驗

如圖15所示，分別采用“反饋PID”和“前饋+反饋PID”兩種方式進行控制軌壓試驗，目標軌壓從40MPa階躍到60MPa。從圖中可以看出從目標軌壓突變到實際軌壓，調節(jié)有時間延遲，而“前饋+反饋PID”的延遲時間比“反饋PID”延遲短，采用前饋流量控制后的軌壓超調峰值減小，超調量從11.7%減小到6.7%，軌壓調節(jié)時間從0.8s減小到0.6s。因此，在反饋PID的基礎上加上前饋流量補償可以提高軌壓控制的動態(tài)性能。

圖15　反饋PID與前饋-反饋PID軌壓控制結果

4.4恒扭矩增轉速試驗

試驗時柴油機輸出扭矩為40N·m，轉速從2200r/min增加到2 500r/min、2 800r/min，分別采用單閉環(huán)和雙閉環(huán)控制軌壓，結果如圖16和圖17所示。

在兩個試驗結果中，隨著轉速的上升，實際軌壓分別上升到67MPa、77MPa和84MPa，而占空比幾乎沒有增加。因為隨著發(fā)動機轉速升高，高壓泵轉速也隨之增加，相同占空比下，高壓泵的泵油能力提高。因此，不用增加占空比就可以使軌壓升高。此外，單閉環(huán)控制與雙閉環(huán)控制比較而言，單閉環(huán)控制的穩(wěn)態(tài)誤差大，軌壓上升相對緩慢，有明顯超調量，調節(jié)時間長。所以，采用軌壓雙閉環(huán)控制可以獲得更好的軌壓穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)性能。

圖16　軌壓單閉環(huán)控制結果

圖17　軌壓雙閉環(huán)控制結果

4.5恒轉速增扭矩試驗

試驗時柴油機恒定轉速1 600r/min，輸出扭矩從55N·m增加到125N·m、210N·m。圖18為1 600r/min增扭矩試驗結果。從圖中可以看出，隨著扭矩的升高，噴油量和軌壓相應增加，軌壓控制參數(shù)占空比和實際電流也增大。穩(wěn)態(tài)工況時，穩(wěn)態(tài)誤差小；瞬態(tài)工況時，噴油量大幅增加，軌壓平穩(wěn)過渡，沒有超調量。發(fā)動機恒轉速增扭矩時，隨著扭矩升高，噴油量需求增加，需要更高的噴油壓力才能獲得合適的噴油速率以及噴油角度，使得缸內燃燒不惡化。由于高壓泵的轉速穩(wěn)定，增大占空比可以使軌壓升高。軌壓控制策略中，轉速變化對軌壓控制影響幾乎沒有了，只有噴油量變化對控制策略計算及控制有

圖18　 1 600r/min增扭矩試驗結果

影響，控制參數(shù)變化相對簡單，因此，軌壓控制有很好的穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)性能。

5　結論

1）使用自主開發(fā)的軟/硬件控制系統(tǒng)，在發(fā)動機臺架上進行了相關試驗，驗證了軌壓控制策略的正確性及軌壓控制參數(shù)對軌壓控制性能的影響。

2）在軌壓控制策略中，在反饋PID控制器中加入前饋流量補償，可以縮短軌壓調節(jié)的延遲時間和調節(jié)時間，減小超調量，提高軌壓的動態(tài)性能。在軌壓單閉環(huán)控制中，加入電流閉環(huán)，形成軌壓的雙閉環(huán)控制可以提高軌

1平濤,方祖華,金江善,等.高壓共軌燃油系統(tǒng)共軌壓力控制技術研究[J].內燃機工程,2005,26(3):46-48

2徐勁松,申立中,王貴勇,等.高壓共軌柴油機軌壓復合控制策略的研究[J].內燃機工程,2012,33(2):54-59

3王洪榮,張幽彤,王軍,等.共軌柴油機軌壓控制研究[J].北京理工大學學報,2008,28(9):778-781

4劉鎮(zhèn),張曉峰,趙寅未.共軌溢流閥控制軌壓策略及試驗[J].海軍工程大學學報,2010,22(4):60-64

5孟長江,褚全紅,白思春,等.VM高壓共軌式柴油機共軌壓力控制算法研究[J].內燃機工程,2010，31(4):96-99，104

6仇滔,雷艷,彭璟,等.高壓共軌燃油系統(tǒng)軌壓控制策略研究[J].內燃機工程,2013,34(2):83-87

7韋雄,冒曉建,祝軻卿,等.基于多級閉環(huán)的柴油機軌壓控制策略的研究[J].內燃機工程,2015,36(1):64-69

8董偉,于秀敏,張斌,等.共軌油壓對高壓共軌柴油機起動特性影響[J].內燃機工程,2008,29(5):11-14

Study of Rail Pressure Control Strategy and Parameters on High-Pressure Common-RailDiesel Engine

Chen Congjin,Xu Jinsong,W ei Liang,Dong Zhihui
Yunnan Province Key Laboratory ofEngine,Kunming University of Scienceand Technology (Kunming,Yunnan,650500,China)

Through analyzing the requirements of rail pressure control of high-pressure common-rail diesel,double closed-loop control strategy of rail pressurewas designed.The relationship of rail pressure control parameters was studied,and the evaluation indexes of rail pressure control were proposed:the“steady-state error”,which isan evaluation index for the steady performance;the“overshoot”and“setting time”,which are evaluation indexes for the dynamic performance.Rail pressure control strategy was realized in the ASCET software environment and the independently developed ECU circuit board. Experimental validation of rail pressure control strategy was conducted on YN33CR high pressure common rail diesel engine.Experimental results show that this control strategy can meet expected requirements, feed-forward flow compensation and double closed-loop control strategies can improve the performance of railpressure control,evaluation indexes can reflect the characteristicsof railpressure control.

High-pressure common-rail,Dieselengine,Railpressure control,Double closed-loop control, Feed-forward flow compensation

TK421+.44

A

2095-8234（2016）02-0026-07

2016-01-28）

國家自然科學基金資助項目（61263026），云南省教育廳重點基金（2014Z025），昆工校人培基金（KKZ3201402021）資助。

陳叢金（1990-），男，碩士研究生，主要研究方向為柴油機電控技術。

徐勁松（1973-），男，博士，副教授，碩士生導師，主要從事柴油機電控技術的研究。