高压喷射控制单元台架试验研究.pdf
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1、第 5 期2023 年 10 月内燃机Internal Combustion EnginesNo.5Oct.2023效能提升高压喷射控制单元台架试验研究熊旭民1,2,杜兵2,张鹏2,3,雷友军2,3(1.上海船舶设备研究所,上海,200030;2.重庆红江机械有限责任公司,重庆,402162;3.船舶与海洋工程特种装备和动力系统国家工程研究中心,重庆,402162)摘要:作为低速机高压共轨系统中的喷油关键控制件,喷射控制单元的性能决定各缸喷射量的均匀性与稳定性。在其性能测试过程中,存在三个电磁阀需要同时驱动以及大喷油量下轨压波动较大的问题。针对以上两个问题,本文进行了测试用控制系统设计,包括电
2、磁阀驱动的硬件设计以及加入前馈控制的轨压闭环控制策略设计,并在台架试验装置上进行了控制系统验证和喷射控制单元的性能测试。试验结果表明,本文设计的控制系统可以达到驱动延时为 40s,解决了三个电磁阀的同时驱动问题,以及满足喷油瞬时压降小于 10MPa 和响应时间 1.7s 的轨压控制精度。整个试验台架结合控制系统能够满足喷油器的一致性检测和喷射控制单元的性能测试需要,验证了采用喷射控制单元和机械式喷油器高压共轨系统的可行性。关键词:喷射控制单元;喷油量;闭环控制;前馈控制;台架试验中图分类号:TK402 文章编号:1000-6494(2023)05-0022-06收稿日期:2023 年 9 月
3、3 日基金项目:工信部高技术船舶项目(CBG5N21-1-3)作者简介:熊旭民(1998),硕士,主要从事燃油喷射系统电子控制技术研究,E-mail:1541446371 。Bench Test Study of High-pressure Injection Control Unit XIONG Xumin1,DU Bing2,ZHANG Peng2,3,LEI Youjun2,3(1.Shanghai Institute of Ship Equipment,Shanghai 200030,China;2.Chongqing Hongjiang Machinery Co.,Ltd.,Chon
4、gqing 402162,China;3.National Engineering Research Center for Special Equipment and Power Systems for Ship and Ocean Engineering,Chongqing 402162,China)Abstract:As the key control part of fuel injection in the high-pressure common rail system of low-speed diesel engine,the perform-ance of the inject
5、ion control unit determines the uniformity and stability of the injection volume of each cylinder.During its performance test,there are three solenoid valves that need to be driven at the same time and the rail pressure fluctuates greatly under the large injec-tion volume.In view of the above two pr
6、oblems,this paper carries out the design of the control system for testing,including the hard-ware design of the solenoid valve drive and the design of the rail pressure closed-loop control strategy with feed-forward control.And the control system verification and the performance test of the injecti
7、on control unit are carried out on the bench test device.The test re-sults show that the control system designed in this paper can achieve a driving delay of 40s,solve the problem of simultaneous driving of three solenoid valves,and meet the rail pressure control accuracy of less than 100Bar and res
8、ponse time of 1.7s for fuel injection.The whole test bench combined with the control system can meet the consistency detection of injectors and the performance testing needs of injection control units,and verify the feasibility of adopting injection control units and mechanical injector high-pressur
9、e common rail systems.Key words:injection control unit;fuel injection quantity;closed loop control;feed-forward control;bench testDOI:10.20082/ki.nrj.2023.05.004第 5 期熊旭民,等:高压喷射控制单元台架试验研究23 0 前言在各种运输工具中,远洋船舶具有制造运维经济性好、可靠性高和使用寿命长的特点,承载了全球贸易运输总量的 80%90%1。其中,90%的远洋船舶都由低速机驱动,这是因为低速机具备可靠耐用和可燃烧重油等特点2。然而,由于
10、排放法规不断严格化以及高压共轨技术的优良性能,远洋低速机逐渐采用共轨技术来替代传统调速器。目前,高压共轨喷射控制有两种技术路线,它们都采用了 peak-hold 电流方式来控制喷油时刻和喷油量,主要区别在于是采用电控喷油器还是机械喷油器。一种是以车用机为代表,在中、高速机上使用的,将电磁阀集成在喷油器内部,即电控喷油器;另一种则在船用低速机上广泛使用,将喷射控制放在喷油器与蓄压容器之间,使用传统的机械式喷油器。针对前一种方式,国内外已经开展了大量研究,主要应用在中、高速柴油机上,其中代表有 BOSCH 的共轨喷射系统 CRS1-20。然而,在远洋低速机中,燃油喷射系统出现问题必须在船上及时维修
11、解决,因为电控喷油器与高压轨管直接相连,维修难度较大,因此广泛使用的是喷射控制单元与喷油器分离的方式。现阶段,国内在高压共轨系统的研究主要集中在中、高速柴油机上。通过先进的控制算法,已经能够根据当前工作条件和环境参数自动调整轨压。但对于船用低速机及其核心配套产品的自主研发起步较晚,尚未有相关研究报道。国外关于低速机燃油喷射系统技术也主要掌握在几家大公司手中,鲜有技术报道。低速机的可靠性要求极高,无法直接采用中、高速机的控制策略。喷射控制单元是低速机在高压端实现喷油控制的关键部件,本文在中、高速机燃油共轨系统的技术研究基础上,对该模块进行了结构介绍,分析了采用该模块的共轨喷射原理及其优点,并对轨
12、压控制和电磁阀驱动进行了控制策略分析、硬件设计以及软件设计。在此基础上,搭建了试验台架,并在该台架上进行了电磁阀的同时驱动试验,测试了该模块的回位性能,比较了驱动试验下的喷油量,还测试了控制策略下的轨压变化,并对试验数据进行了分析和总结。1 工作原理介绍1.1 喷射控制单元结构介绍喷射控制单元作为核心零部件,在高压共轨系统中具有两项主要功能:一是能够测量燃油喷射量并形成闭环控制,以实现对喷油量的精确控制;二是当燃油喷射量过大时,能够关闭喷射回路,使柴油机封缸运行。喷射控制单元的动态响应性能影响着电控燃油喷射系统的响应特性、寿命和控制精度。单个喷射控制单元模块包括燃油块、伺服油块、燃油活塞、三个
13、电磁阀以及一个燃油活塞位移传感器。喷射控制单元置于轨管上,通过高压油接口和喷油器接口与机械喷油器连接。图 1 为喷射控制单元的组成示意图。在电控化发展的过程中,这一模块结合高压共轨喷射技术被用作电控智能柴油的燃油喷射系统。图 1 喷射控制单元组成示意图1.2 共轨喷射原理介绍在采用喷射控制单元的电控燃油喷射系统中,每个电磁阀连接一个喷油器。每个喷射控制单元通过三个电磁阀来控制燃油从油轨到喷嘴之间的通断,因此可以采用传统机械式喷油器,这是与常规电控燃油喷射系统采用电控喷油器的主要区别。同时,对于每次喷射,由电磁阀的驱动电流脉宽确定单次喷射的喷油量,而自带的燃油活塞和位移传感器可以精确测量喷射量,
14、并结合控制系统计算和修正下一次的喷油量。这一系统也被称为容积式喷射系统。图 2 为电控系统的结构。图 2 电控系统图24 内燃机2023 年 10 月对于容积式喷射系统,可以采用基于容积的轨压控制策略。通过喷射控制单元内部的位移活塞传感器来测量每次具体的喷油量,并将这一信息反馈给控制系统,调整电磁阀的驱动脉宽,修正下一次的喷油量。由于瞬时的大喷油量可能引起瞬 间 轨 压 下 降,仅 依 靠 比 例、积 分 和 微 分(PID)控制系统无法做出及时响应,因此引入了前馈控制,与 PID 轨压闭环反馈控制系统进行结合。在这种控制策略中,前馈控制有助于降低大喷油量下轨压控制的难度,而反馈控制则有助于减
15、小其他扰动的影响。1.3 喷射控制单元应用特点能够精确测量每次喷油量,这是喷射控制单元与常规高压共轨系统最大的区别,尤其是与以BOSCH 系统为代表的车用机系统相比。这种区别的产生原因在于船用低速机对可靠性有着极高的要求。通过测量喷油量,可以检测系统是否出现故障,并在性能发生变化时进行动态调节和补偿,以维持远洋主机的正常运行。应用喷射控制单元的特点如下:(1)保留了常规高压共轨系统的主要优点,其中燃油压力的生成与喷射过程完全分离,从而大幅降低了柴油机供油压力随发动机转速变化的问题,优化了发动机的低速性能。(2)将共轨喷射控制功能与喷油器功能解耦合,这意味着可以采用传统机械式喷油器,而非电控喷油
16、器。当喷射控制阀发生故障时,喷油器仍然可以继续使用,只需更换控制阀,而无需更换整个电控喷油器。此外,由于低速机使用重油燃烧,喷油器喷嘴容易磨损,因此将喷射控制阀分开可以很好地解决更换喷嘴的问题。(3)常规的电控共轨式喷油器通常采用开环的方式进行控制,无法实时闭环检测实际的喷油量,不利于在远洋航行过程中对燃油系统故障进行检测。而喷射控制单元自带的燃油计量活塞能够精确测量每次喷油量,并对下一次的喷油量进行修正。2 控制系统设计2.1 控制器硬件设计控制系统的控制器硬件设计总体分为四个电路模块,包括控制器电路、通讯电路、电磁阀驱动电路和信号采集与处理电路。控制器模块和通讯模块的监控与诊断主要由软件实
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