基于高压共轨柴油发动机控制策略研究

基于高压共轨柴油发动机控制策略研究于正同，喻明（中航工业西安航空计算技术研究所，陕西西安710119）摘要：基于微处理器MPC55XX设计了高压共轨柴油发动机控制器硬件，并对喷油控制策略进行了深入研究,根据控制器硬件特点和高压共轨柴油发动机控制策略完成了控制软件的设计，并实现了对发动机起动工况、怠速工况和调速工况等控制。通过发动机台架起动试验，怠速实验和调速等实验表明了高压共轨柴油发动机控制策略的可行性,控制效果达到了预期的效果。关键字：高压共轨；发动机；控制策略Abstract:ThehardwareofthehighpressurecommonraildieselenginecontrollerisdesignedbasedonmicroprocessorMPC55XX,atthesametimethefuelinjectioncontrolstrategyisstudied.theSoftwareisdesignedaccordingtothehardwarecharacteristicsofthecontrollerandthecontrolstrategyofhighpressurecommonraildieselengine,andfinishedtheenginestartingcondition,idlespeedandspeedcontrolmode.Thefeasibilityofthecontrolstrategyofthehighpressurecommonrailengineisdemonstratedbythetestoftheenginebenchtest,theidlespeedandthespeedoftheengine.Controlresultachievedthedesiredeffect.Keywords:Highpressurecommonrail;Engine;Controlstrategy0前言随着我国对汽车排放法规要求越来越严【1】，目前我国汽车排放标准已经要求国四，传统的机械式柴油发动机已经远远满足不了要求，而高压共轨柴油发动机通过对喷油压力，喷油时刻，喷油量，喷油次数实现精确控制，让发动机工作处于最佳工作状态，从而实现发动机排放特性，经济性和动力性不断提高。当前越来越多的柴油动机生产厂家采用高压共轨控制系统。1高压共轨控制器总体方案高压共轨控制器从总体上分为CPU模块、数字信号调理电路，模拟量信号调理电路接口、频率信号调理电路，CAN通讯接口电路和功率输出驱动电路具体图1所示。其中处理器模块是采用微处理器MPC5554，MPC5554具有丰富接口，可以满足发动机控制器要求，控制器通过采集发动机曲轴和凸轮信号，模拟量信号（例如：油轨压力，进气压力，进气温度等），和离散量信号，控制器根据采集信号通过一定的控制策略,计算出喷油量和有轨压压力,然后控制器通过驱动电路对喷油器和油量计量阀进行驱动，通过CAN总线与整车通讯并且可是实现诊断和标定功能。离离离离离离离离离离离离离离离离离离离e200Z6eDMAFlashSRAMeQADCFlexCANDSPIeTPUDSPIMPC55XXCAN离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离EGR离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离ECU图2总体结构2控制策略设计在高压共轨柴油发动机控制系统开发过程中，控制策略的设计及非常重要的地位，它决定了发动机工作的可靠性，经济性，排放性和动力性等【2】。根据共轨系统的优势和软硬件控制平台的特点，综合考虑柴油机的各种运行工况,采用基于扭矩控制策略，通过软件编程设计实现了发动机油轨压力，起动工况，怠速工况和调速工况的综合控制。2.1轨压控制轨压控制是共轨发动机控制算法中最核心的逻辑之一，整个结构比较复杂，图3是轨压控制算法主要的结构。轨压控制算法中采用双闭环的设计，即IMV阀（燃油计量阀）电流闭环+共轨压力闭环两种闭环，两种闭环均采用PID的控制算法。其工作过程如下：电流闭环：根据当前工况计算出MV阀需求电流，同时通过AD采样得到IMV阀实际电流，通过PID算法控制IMV阀的占空比，从而使其实际电流和需求电流一致。轨压闭环：根据当前工况计算出目标轨压，同时通过AD采样得到实际轨压，通过PID算法计算高压泵的需求流量，进而通过IMV阀控制其实际流量，最终影响实际轨压的变化，从而使得实际轨压和目标轨压尽可能的接近，为了降低PID算法的工作强度，提高轨压的稳定性和快速响应能力，采用了前馈值计算模块计算出当前工况下不考虑PID因素的高压泵需求流量预值。目标轨压计算轨压闭环控制轨压监控修正及限制值计算前馈计算参数及限制值计算发动机及环境参数发动机转速总喷油量目标流量图4轨压控制框图逻辑2.2起动控制柴油机起动是一个瞬态动态响应过程【3】。起动是指从驾驶员拧动起动开关使起动机拖动发动机转动，一直到发动机开始着火燃烧，转速上升到起动结束转速的这一过程。当车辆发动机静置了较长时间，发动机温度已经与外界环境温度一致，此时如果起动发动机称之为冷起动。起动工况所采用的控制策略是在一定转速以前采用开环控制，即喷油量和喷油角度是固定，当发动机转速达到一定转速后进入闭环控制。在进入闭环过程中，起动控制需求扭矩主要受发动机转速和冷却液的影响，在发动机转速低时需求扭矩大，喷油量大，随着发动机转速提高需求扭矩减小，发动机喷油量随之逐渐减少直到怠速转速；冷起动功能模块根据发动机水温和进气温度确定增加补偿喷油量。柴油发动机机起动过程由3个阶段组成，如图3所示。第一阶段控制策略是检测到曲轴和凸轮信号，迅速建立发动机轨压，但是发动机没有喷油量；第二阶段是发动机开始喷油，喷油量是固定，发动机转速迅速上升，发动机脱离起动机；第三阶段是发动机大于一定转速后，进入闭环控制，保证发动机转速从起动工况向怠速工况的平稳过渡。第一阶段第二阶段第三阶段转速每冲程喷油量时间(s)转速（r/min）喷油量（mg/stroke）图3轨压控制框图逻辑2.3怠速控制怠速控制的主要目的让发动机保持一个比较低稳定的转速，对于柴油发动机一般是(700~900)r/min。影响发动机怠速转速的主要因素为水温变化，进气温度变化。怠速工况所用的控制策略是用得比较传统PID闭环算法【4】。PID算法主要缺点是调节时间长，同时也容易产生超调。为克服这一问题采用了“前馈＋反馈”的控制方法，并且在反馈控制中同时采用了PI控制与PD控制。怠速控制主要根据水温和空调开关状态确定目标怠速。根据发动机其他负载计算出相应的扭矩，与怠速扭矩之和作为前馈目标扭矩。反馈控制以PI控制为主，同时进行PD控制油量的计算，并且将微分控制量作为积分控制量的上下限值。采用这样的控制流程，当发动机负载变化时，前馈扭矩值会迅速进行补偿，需要反馈参与调节的量很小，不致引起大的转速波动；当转速从起动过渡到怠速或者从高速回到怠速时，转速偏差大引起的过大积分调节量会被微分调节量所抑制，从而有效防止转速超调，使过渡平缓。整个怠速控制的结构如错误!未找到引用源。所示。确定怠速控制器的状态怠速控制参数目标怠速转速计算怠速控制模块怠速控制器状态目标怠速部分初始值图4怠速控制逻辑2.4调速控制对于发动机的状态而言，可以将起动和怠速以外的所有正常运行过程都划归调速状态。因此调速状态控制是发动机整机控制的核心之一。调速过程的扭矩控制与扭矩协调模块密不可分。根据调速控制得到的基本扭矩最终必须满足扭矩协调模块的要求才能用于后续的喷射驱动中。因此可以将扭矩协调部分也作为调速控制的一个部分来看待。这样调速状态的扭矩控制既包括根据驾驶需求确定基本需求扭矩的过程，也包括考虑排放、经济性、舒适性的要求对基本需求扭矩进行修正得到目标需求扭矩的过程。在喷油系统常用的有两级和全程两种调速特性，它们各有优缺点。在电控喷射系统中可以根据发动机性能的需求灵活设计调速特性。3试验验证台架试验基于康明斯高压共轨柴油发动机，发动机型号为ISDE200，该发动机排量为4.5L，最大输出功率为200马力，发动机台架系统采用AVL型号S22-4/0934-1BS-1，对试验结果进行分析，试验结果如图5和图6所示，发动机在起动后0.2秒左右开始喷油，表明已经同步，在1.8秒左右发动机已经达到700r/min。再经过稳定在700r/min左右,油轨压力在1秒迅速建立，提高到目标轨压以在怠速阶段油轨压力与目标轨压波动不大于20bar,在调速特性试验，发动机在油门开度100%时最大扭矩达到，其曲线符合两极转速调节控制规律。图5目标轨压与实测轨压对比图6发动机调速特写4结论通过对高压共柴油发动机轨压控制，起动工况，怠速工况和调速等工况控制策略进行了深入研究,完成了控制器的硬件和控制软件的设计。同时将高压工况柴油发动机控制策略通过发动机台架试验，试验结果验证了控制策略的可行性,控制效果达到了预期的要求,为全新进行高压共轨柴油机的性能试验提供了基础。该策略对于其他发动机控制策略设计同样具01002003004005006007008009001336597129161193225257289321353385转速轨压0.00100.00200.00300.00400.00500.00600.00700.009001400190024002900有一定的参考价值。参考文献【1】仇涛，雷燕，彭憬，李旭初，高压共轨燃油系统轨压控制策略研究【J】.内燃机工程，2013；34（2）83-87.【2】陈黎君，袁银男，朱磊，李鸿怀，共轨柴油机起动油量控制策略优化及试验研究【J】.车用发动机，2010:191（6）83-87.【3】徐权奎，于世涛，龚元明，卓斌，基于MPC5XX的高压共轨柴油机电控单元设计【J】.农业机械雪豹，2007:38（3）52-55.【4】刘俊明，徐劲松，张学文，何琪，申立中，高压共轨柴油机的保护策略研究【J】.内燃机工程，2007:30（5）36-40.作者简介：于正同（1983-），男，江苏盐城市人，硕士研究生,工程师，主要从事发动机控制方向的研究。通信地址：陕西省西安市锦业二路15号中航工业西安航空计算机研究所十八室于正同收邮编：710119手机：[phone]固定电话：[phone]