王學廣

（淮安生物工程高等職業(yè)學校，江蘇 淮安 223200）

1 引言

為滿足高壓共軌柴油機對環(huán)保和經(jīng)濟等方面日益提升的性能，ECU的功能以及復(fù)雜程度都在不斷提高，導致開發(fā)難度也在不斷增加，用臺架試驗方法來逐步調(diào)試ECU這一傳統(tǒng)方法耗費巨大人力物力，且開發(fā)周期長、調(diào)試環(huán)境不穩(wěn)定，還有可重復(fù)性差的缺點，難以適應(yīng)ECU系統(tǒng)頻繁升級換代的需要[1]。硬件在環(huán)仿真測試，可以對生成的快速控制原型測試，經(jīng)過反復(fù)試驗及逐漸逼近的方式來驗證ECU功能，最終可以生成目標代碼下載到硬件中[2]。本研究針對Sofim8140.43S系列高壓共軌柴油機ECU燃油噴射系統(tǒng)進行在環(huán)仿真的測試驗證。

2 模型的構(gòu)建

噴油器結(jié)構(gòu)保持不變的情況下，噴油量的大小只取決于噴油脈寬和噴油壓力。噴油壓力可通過共軌管控制，由油壓傳感器測量；脈寬即噴油器開啟時間，影響因素有：油門開度，進氣量，進氣溫度、壓力，冷卻液溫度等。

2.1 油門信號建模

供油量大小可由加速踏板傳感器信號反應(yīng)，作為位置類傳感器，其數(shù)學模型成線性關(guān)系。位移量可以反映0-5V間連續(xù)可調(diào)電壓信號，由下式表示：

其中：V0—傳感器輸出電壓；K—位移系數(shù)；S—位移量。

為便于應(yīng)用到硬件在環(huán)仿真實驗臺使用過程中，用電位器來代替實際踏板。電位器滿量程為10KΩ,于是有以下電阻電壓換算：

2.2 進氣量建模

使用本實驗用發(fā)動機的平均值模型，引入氣缸充氣效率、中冷器出口溫度T3、壓力P3等來建立簡化仿真模型。忽略殘余廢氣，進氣量計算為：

式中，R—空氣氣體常數(shù)；Фc—氣缸充氣效率；V—發(fā)動機排量；n—發(fā)動機轉(zhuǎn)速。

2.3 進氣溫度和冷卻水溫建模

冷卻水溫傳感器和燃油溫度傳感器為熱電式，通過擬合方法，得到了NTC材料熱敏電阻的溫度（攝氏溫標）和電壓之間的關(guān)系：

其中，R—熱敏電阻的溫度值；U—傳感器電壓測得值；a，b，c，d 為系數(shù)。

在試驗中，主要用到冷卻液溫度傳感器和進氣溫度傳感器。分別對兩路傳感器做標定，測得它們的溫度與電壓變化曲線，經(jīng)曲線擬合后為如下數(shù)學關(guān)系：

其中，TIATS為進氣溫度傳感器的溫度,TECTS為冷卻液溫度傳感器的溫度。

2.4 共軌管壓力模擬

該柴油機的燃油壓力傳感器為壓電式。在實際系統(tǒng)的仿真過程中，由軟件設(shè)計模型，通過改變滑塊位置來模擬系統(tǒng)所需要的溫度信號。電壓與壓力的關(guān)系可以表示為：

式中：V—壓力為P時的輸出電壓；K—壓力系數(shù)；P—被測壓力；V1—電阻不受壓時輸出電壓。

試驗中需要測量軌壓傳感器所顯示的電壓特征與實際軌壓值的數(shù)學關(guān)系，根據(jù)公式7，得到實際共軌壓力值PCR（單位為MPa）與電壓U存在以下關(guān)系：

2.5 曲軸信號和凸輪軸信號

曲軸轉(zhuǎn)速傳感器信號和凸輪軸位相傳感器信號在發(fā)動機控制系統(tǒng)中能夠采集曲軸轉(zhuǎn)動角度信息和凸輪軸轉(zhuǎn)動角度信息。這兩個傳感器都是霍爾傳感器，其輸出信號正比于輪盤角速度，即：

式中，f—信號輸出頻率；n—輪盤轉(zhuǎn)速；z—輪盤齒數(shù)。

經(jīng)過放大、整形、濾波，從示波器上實際顯示的傳感器波形為頻率與轉(zhuǎn)速成正比的TTL電平方波。

3 主要功能模塊的開發(fā)

采用圖形化編程軟件LabVIEW作為虛擬對象的程序編制工具，對于輸入信號的產(chǎn)生，臺架搭建中使用NI USB-6126采集卡聯(lián)接ECU提供。

3.1 傳感器信號的發(fā)生

對于模擬輸入量，在本文中有進氣溫度、冷卻液溫度、油門踏板位置以及共軌壓力等信號。由式4知道，溫度傳感器輸出的物理量與電壓直間的換算關(guān)系，且為U的單一函數(shù)，在進行標定后進行函數(shù)擬合，得出進氣溫度和冷卻液溫度與電壓U之間的函數(shù)關(guān)系。并且兩路電壓量都在0-5V之間。為了保證輸出信號的可靠性，ECU同時檢測踏板內(nèi)部2套滑動電阻，隨著踏板開度的增大，兩組信號線的輸出電壓也隨之增大，且在正常情況下始終保持電阻1的電壓為電阻2電壓的2倍。

實際通信與電氣接口，使用USB-6216的AO1（模擬輸出1路）作為冷卻液溫度模擬量，連接ECU接口的A1，同時將AO/GND接口和ECU的A30連接。再將USB-6216的AO2口和ECU的A34相連，作為進氣溫度的模擬量。同時，將A19與GND接地。

由于冷卻液溫度信號和進氣溫度信號有著同樣的物理性質(zhì)和相似的模擬方法，故其程序框圖1和圖2也是基本相似的，不同的是，由于冷卻液溫度不能高于100℃，為了跟實際的發(fā)動機環(huán)境相一致，這里把處理后的溫度限定在373.15K內(nèi)。如果高于這個數(shù)字，將會報警，用紅色的報警燈顯示在前面板中。

圖1 進氣溫度模擬信號處理

圖2 冷卻液溫度模擬信號處理

了更真實的反應(yīng)柴油機的工況，使用依維柯汽車真實油門踏板與ECU連接用于信號傳遞，并連接一個分壓電阻RD進行限流。

共軌管的壓力不僅決定噴油壓力，還是噴油計量的重要參數(shù)。圖3為各種主要信號和其他的輔助信號的模擬程序框圖。作為影響噴油脈寬控制的主要參數(shù)，冷卻液溫度信號，轉(zhuǎn)速信號等必不可少。為了能更加接近地模擬出這些信號，在實際標定過程中，又適當添加了諸多參數(shù)用以修正。

圖3 信號采集與處理

3.2 噴油器信號的檢測

在搭建好的硬件在環(huán)仿真平臺上，正時信號由一路傳感器檢測，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，將缺齒信號傳遞到ECU，當進行判別后，根據(jù)凸輪軸信號，給相應(yīng)的噴油器發(fā)出控制信號。依靠NI USB-6216采集卡，其16路多通道輸入接口可以精準地對發(fā)動機在真實環(huán)境下的溫度信號、轉(zhuǎn)速信號、噴油器開啟和關(guān)閉信號進行采集，能夠滿足系統(tǒng)對實時性的要求。

先從單缸信號入手，對單個噴油器的開啟關(guān)閉時刻的檢測，其流程圖4如下：

圖4 噴油器信號檢測流程

由于在實際操作過程中，存在一定的誤差，故在數(shù)據(jù)采集之后，還要進行數(shù)據(jù)的保存，以方便優(yōu)化和滿足離線處理的功能。圖5和圖6為噴油信號的檢測以及采集處理程序框圖。

圖5 噴油信號的檢測程序框圖

圖6 噴油脈寬的采集與處理

3.3 模型的調(diào)用

在運行前還需要調(diào)用柴油機各模塊的模型，通過DLL動態(tài)鏈接庫進行調(diào)用，運用SIT模型初始化控件可以設(shè)置柴油機仿真模型文件DLL的仿真結(jié)束時間參數(shù)以及DLL的文件路徑等，并且可以顯示出來模型的輸入與輸出個數(shù)。仿真模型DLL文件的單步調(diào)用則由SIT模型單步控制控件負責，步長時間則由SIT時鐘設(shè)置控件設(shè)置。SIT模型時鐘設(shè)置控件提供了兩種軟件時鐘（1kHz與1MHz）供單步仿真步長的選用。將SIT模型單步控制控件、SIT時鐘設(shè)置控件設(shè)置在while循環(huán)中，從而實現(xiàn)固定步長的模型仿真調(diào)用。SIT模型結(jié)束控件負責結(jié)束仿真調(diào)用并釋放內(nèi)存。

調(diào)用柴油機仿真模型，在其內(nèi)部預(yù)先輸入正確的“Model DLL path”（所建模型的路徑）即可，仿真模型調(diào)用程序可作為底層程序通用于各處需要調(diào)用DLL文件的程序中。在實驗過程中采集的數(shù)據(jù)需要存儲到指定的文件夾中，可便于離線處理。除了采集的波形，基本上都屬于數(shù)字量，轉(zhuǎn)化成十進制浮點式數(shù)據(jù)，保存為excel文檔表格。由于需要保存的數(shù)據(jù)多，且數(shù)據(jù)刷新快，在存儲時選用高速數(shù)據(jù)流文件（TDMS）。它能夠?qū)討B(tài)類型的信號數(shù)據(jù)存儲為二進制文件，同時可以為每一個信號添加一些附注信息，譬如信號名稱、單位或注釋，這些信息以XML的格式存儲在擴展名為.tdms的文件中，在查詢時可以通過這些附加信息來查詢所要的數(shù)據(jù)[3]。

4 仿真結(jié)果分析

4.1 單噴油器脈寬仿真試驗

HIL硬件在環(huán)仿真利用虛擬控制對象和接口軟硬件等構(gòu)建了仿真環(huán)境。通過模擬踏板油門以及外部負載等變化，可預(yù)先測算開發(fā)的控制系統(tǒng)在實時環(huán)境下的反應(yīng)。噴油脈寬的目標值通過仿真得出，設(shè)定模擬和采集的時間等待為500ms，將離散的點用曲線描繪。初次仿真誤差較大，在設(shè)定目標脈寬為1100μs時，采集脈寬與1100μs差值抖動幅度開始偏大；當目標脈寬設(shè)定值降至1000μs以下時，采集脈寬數(shù)據(jù)明顯開始趨于平穩(wěn)。經(jīng)過反復(fù)論證和調(diào)試再次運行實時仿真和采集程序。

對修正后的圖形進行采集分析：

表1 修正后脈寬數(shù)據(jù)采集

從獲得的數(shù)據(jù)來看，仿真值和實測值誤差控制在2%之內(nèi)，響應(yīng)速度小于電磁閥開啟時間。對于噴油特性試驗，需要將高壓共軌管與噴油器實物相連接才能進行不同軌壓下不同噴油脈寬的噴油量和噴油規(guī)律的測試，本試驗所得出的脈寬值能夠滿足為后續(xù)研究工作試驗要求。

4.2 不同輸入信號下脈寬試驗

因噴油脈寬獨立于噴油壓力，這里假定噴油壓力不變?yōu)?00MPa。對不同冷卻水溫、油門開度兩種輸入信號下，進行噴油器電磁閥的噴油脈寬的試驗。

分為不同冷卻水溫條件，假設(shè)發(fā)動機轉(zhuǎn)速為固定值1500r/min，節(jié)氣門開度為55%。試驗中給出水溫為 75℃、80℃、85℃、90℃、95℃和 100℃六種情況下的不同噴油器噴油脈寬的變化及比較。

從表2中的數(shù)據(jù)來看，在噴油壓力等其余因素相同的情況下，各噴油器的噴油脈寬誤差設(shè)為△，稱為脈寬脈動。

表2 不同冷卻溫度下噴油器脈寬

式中，Wmax—最大噴油脈寬；Wmin—最小噴油脈寬；Warv—平均噴油脈寬。

得出各冷卻溫度下的4個噴油器的噴油脈寬誤差均在2%以內(nèi)，間接說明各噴油器的噴油脈動比較平穩(wěn)。

圖7 噴油脈寬隨冷卻溫度變化曲線

從上圖，可以看出，在試驗時冷卻液溫度變化范圍內(nèi)，各噴油器電磁閥的開啟時間隨著溫度升高呈現(xiàn)負相關(guān)的變化，且是一種非線性變化關(guān)系?？v觀整個試驗區(qū)間，在75℃至90℃這一相對低溫區(qū)間的變化要比高溫區(qū)間明顯?？傮w看來，噴油脈寬隨冷卻液溫度的變化區(qū)間不到0.1ms。

分為不同節(jié)氣門開度條件，假設(shè)發(fā)動機轉(zhuǎn)速為固定值1500r/min，冷卻水溫95℃不變。試驗中給出節(jié)氣門開度為20%、30%、40%、50%、60%、70%和100%幾種情況下的不同噴油器噴油脈寬的變化及比較。

表3 不同節(jié)氣門開度噴油器脈寬

從實驗獲得的數(shù)據(jù)來看，當節(jié)氣門開度由小逐漸增大時，各噴油器的噴油脈寬隨之增大，且不同噴油器的脈寬在相同條件下有不同程度的跳動量，但總體誤差保持在2.1%之內(nèi)，間接表明各噴油器的噴油脈動性能較穩(wěn)定?？v向比較，各噴油器噴油脈寬均隨節(jié)氣門開度成線性增長關(guān)系。當節(jié)氣門全開時，該狀態(tài)下的噴油脈寬最大值達到1630μs左右。

試驗表明，相同條件下，冷卻溫度對噴油脈寬影響呈非線性負相關(guān)變化；節(jié)氣門開度對噴油脈寬影響呈線性正相關(guān)變化。