一种柴油机高压共轨系统的实时仿真模型

1. 2 燃油共轨管模型
共轨管内的压力波动取决于供油 、 喷油事件 ,和通 过轨压控制阀的燃油回流量 , 以维持轨压在正确的水 平 。轨压动态方程可用下式描述 :
Q leak = f ( p)
式中 , < 为凸轮轴旋转速度 , 单位 : rad / s。其它柱塞与 此类似 , 区别仅为相位上的滞后 , 因此当供油事件触发 时 , 柱塞 2 和柱塞 3 供油流量分别为 :
Q ram2_out = Q ram3_out = Vmax
・ π 2 ) ・< 3 ・ π 4 ) ・< 3
( 5)
3 3
全部被柱塞 1 接受 。当 < = 180 ° CaA 柱塞 1 转入压油 行程 ,此时并不立即供油 ,在柱塞 1 压油腔当前容积小 于油腔内的燃油量时触发供油事件 。供油流量为 :
Q ram1_out =
・
Vmax
2
sin ( < ) ・<
・
为零 , ET = 1 时 Q serv取经验值为单次喷射量的 7. 5% 。 燃油泄漏量是燃油压力和温度的函数 , 若不考虑 燃油温度的影响 ,燃油泄漏量仅由压力 p决定 :
http://www.cnki.net
第 1期
黄铁雄等 : 一种柴油机高压共轨系统的实时仿真模型
47
一个高效的控制用实时仿真模型必须真实地反映系统 内部离散事件和连续过程的交互 。本文在分析了共轨 燃油系统工作过程特点的基础上 , 针对某直列 4 缸柴 油机 (排量 4. 5L , 缸径 106mm , 行程 127mm , 压缩比
17. 2,水冷增压 ,四冲程 ) 匹配在线的高压共轨燃油系
供油事件 。输油泵按既定的流量 Q inlet向高压油泵输 送燃油 ,实际进入高压油泵的燃油流量由油泵效率决 定。 η ( n, prail ) Q in = Q inlet ・
3
( 1)
- 1
统 ,建立起基于离散事件和连续过程的混合型数学模 型 ,并在 MATLAB / SI MUL I N K环境下编程实现 。最后 在油泵试验台架上对仿真模型的稳态和动态性能进行 了验证 。
图 2 高压油泵模型框图
图 3 高压油泵柱塞模型
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
http://www.cnki.net
48
小 型 内 燃 机 与 摩 托 车 第 38 卷 式中 ,ρ 10 kg /m ; p 0 为常温常压下燃油密度 , 0. 853 × 为燃油压力 , Pa。 控制腔回流量在电磁阀未被激活 ( ET = 0 ) 时取值
[ 1 ～3 ]
。
高压共轨系统是一个同时包含离散事件和连续过 程的混合系统 。高压油泵的供油 、 喷油器的燃油喷射 事件是离散的 ,共轨管内的压力波动过程是连续的 。
作者简介 : 黄铁雄 ( 1982 - ) ,男 ,博士研究生 ,主要研究方向为发动机电子控制及其相关技术 。
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
式中 , Q in为实际进入高压油泵的燃油流量 , mm ・ s ; 油泵泵油效率 η为发动机转速 n 和轨压 prail的函数 , 将油泵试验曲线以 MAP 图的形式存储并采用插值算 法求解 。 柱塞压油腔容积与凸轮轴相位的关系为 :
V ram_1 = V ram_2 = V ram_3 = Vmax
1. 1 电动输油泵和高压油泵模型
和 3、 柱塞 1 和 2 同时处于吸油行程 ,因此 ,柱塞 1 进油 阀的燃油流量仅为 Q in的一半 ; 60 ° CaA ≤ < < 120 ° CaA 时仅柱塞 1 处于吸油行程 ,进入高压油泵的燃油流量
该系统采用电动输油泵 , 其内置的磙子叶片泵由 电机驱动 ,燃油输送流量为常数不受发动机转速影响 , 该值由试验测出 。 高压油泵 (见图 2, 高压油泵模型框图 ) 由偏心凸 轮和径向间隔 120 ° 均匀分布的 3 个压油柱塞组成 , 凸 轮轴以 1 ∶ 2 传动比由曲轴驱动 ,每旋转 1 周发生 3 次
( 13 )
模wenku.baidu.com计算中根据 5 个试验工况点数据插值求解 。
( 6) ( 7) 1. 4 轨压控制阀模型
2
Vmax
sin ( < sin ( < -
轨压控制阀的原理如图 4 示 ,钢球阀在液压力 、 弹 簧力和电磁力的作用下保持相应的开度 。通过球阀的 高压燃油流量 Qpcv满足下述关系式 :
Q pcv = Cpcv ・Am ax ・ ( 1 - λ) ・10
第 38 卷 第 1期 2009 年 2 月
小型内燃机与摩托车 S MALL I N TERNAL COMBUSTI ON ENGI N E AND MOTORCYCLE
Vol . 38 No. 1 Feb. 2009
一种柴油机高压共轨系统的实时仿真模型
黄铁雄 高世伦 蒋方毅 张 鹏
引言
柴油机高压共轨燃油系统中 , 轨压的控制完全独 立于燃油喷射过程控制 , 轨压控制的好坏直接影响到 燃油喷射压力和喷射持续时间 , 进而影响缸内燃烧放 热规律及发动机的排放 、 动力性能指标 。因此 ,在共轨 柴油机电控单元 ( ECU ) 开发阶段 ,需要对不同轨压控
制策略的有效性执行验证 , 并完成燃油喷射参数的初 步标定 。为适应高效率开发的需要 , 电控单元基于模 型而开发 ,优势明显
1 系统建模
高压共轨燃油系统仿真模型主要由 5 个子系统模 块组成 : 电动输油泵 、 高压油泵 、 燃油共轨管 、 4 个独立 喷油器和轨压控制阀 ,如图 1 所示 。
2
Vmax
( 1 - cos< ) ( 1 - cos ( < ( 1 - cos ( < -
( 2)
2
Vmax
π 2 )) 3 π 4 )) 3
(华中科技大学能源与动力工程学院 湖北 武汉 430074 )
摘 要 : 柴油机高压共轨系统是一个兼有离散事件和连续过程的混合系统 。针对这一特点 ,采用模块化 设计方法建立了共轨系统实时仿真模型 。该模型将喷油器的燃油喷射事件看作轨压的一种扰动 ,调节 轨压控制阀的高压燃油回流量作为对扰动的补偿 ,因此能客观地反映共轨管内的压力波动特性 。仿真 分析及油泵台架试验结果表明 : 该模型具有较高的计算精度和效率 , 适合 ECU 硬件在环测试中轨压控 制策略的确定和可控燃油喷射参数的初步标定 。 关键词 : 高压共轨燃油系统 实时仿真 模型 轨压控制 中图分类号 : TK421. 44 文献标识码 : A 文章编号 : 1671 - 0630 ( 2009 ) 01 - 0046 - 05
图 1 共轨燃油系统模型
3
～180 ° CaA 范围内时柱塞 1 处于吸油行程 , 180 ° CaA ～
360 ° CaA 范围内处于压油供油行程 。吸油行程内 , 当 0 ≤< < 60 ° CaA 及 120 ° CaA ≤ < < 180 ° CaA 时 , 柱塞 1
根据共轨系统内部离散事件和连续行为交互的混 合特性 ,该模型将喷油器的喷油事件视为轨压的一种 扰动 , ECU 调节 PCV 占空比输出作为对扰动的补偿 。 燃油共轨管内压力在高压油泵 、 喷油器和 PCV 阀作用 下动态变化 。因此能客观地反映高压油泵的供油 、 喷 油器的喷油事件 ,精确地再现共轨管内压力瞬态波动 特性 。
3
( 3) ( 4)
2
式中 , V ram _ i为第 i个柱塞压油腔当前容积 , mm ; Vmax为 压油腔最大容积 , mm ; < 为油泵凸轮轴相位 。上述 ( 2 ) ～ ( 4 )式简化了凸轮型线计算 ,其牺牲的仿真精度 可以换得计算速度的显著提升 。 由于 3 柱塞径向均匀分布 ,每个柱塞的压油 、 吸油 行程均为 180 ° CaA 凸轮轴转角 , 因此吸油行程存在重 叠现象 。如图 3 示以柱塞 1 为例 , 凸轮轴相位 < 在 0
A Type of Rea l2tim e S im ula tion M odel of H igh2pressure Comm on Ra il I n jection System for D iesel Eng i n es
Huang T iex iong, Gao Sh ilun, J iangFangy i, Zhang Peng School of Energy and Power Engineering, Huazhong University of Science and Technology (W uhan, Hubei, 430074, China ) Abstract: The high 2 p ressure common rail injection system for diesel engines is a hybrid system that contains discrete and continuous behaviors interactively . This paper p resents a real2tim e model of a common rail system based on the system hybrid characteristics, by using the blocking design method. The model is established by considering the injection events as a disturbance to the rail p ressure, and the well tuned fuel flow from the p ressure control valve ( PCV ) as a balance compensation to the disturbance. Sim ulation results show that it nicely rep resents the pulsating behaviors of the rail p ressure. The experim ent was carried out on a test bench. Sim ulation analysis and experi m ental results indicate that the model has p referable computational accuracy as well as high perfor m ance, and is very suitable for the deter m ination of the control strategy of rail p ressure in ECU ( Electronic Control Unit) hardware in the loop system s and the p relim inary calibration of controllable in2 jection param eters as well . Keywords: H igh 2 p ressure common rail injection system , Real2tim e sim ulation, Model, Rail p ressure control
3
2
高压油泵输送给高压共轨管的燃油流量 Qpump为 3 个柱塞的供油流量之和 :
Q pump = Q ram l_out + Q ram2_out + Q ram3_out
Δp 2 ρ
( 14 )
( 8)
式中 , Cpcv为流量系数 ; Amax为球阀保持最大开度时的
2 流通面积 , mm ; △p 为球阀两端压力差 , Pa; ρ为燃油 - 3 密度 , kg・m ;λ为控制器占空比信号 , 取值在 0 ～1