车用柴油机轨压控制技术研究综述.pdf
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1、书书书车用柴油机轨压控制技术研究综述李瑞川,陈兰正,李德芳,王琳,李正宇,张鹏(齐鲁工业大学(山东省科学院)机械工程学部,山东 济南 ;日照海卓液压有限公司,山东 日照 ;智能农业动力装备国家重点实验室,河南 洛阳 ;潍柴雷沃智慧农业科技股份有限公司,山东 潍坊 )摘要:高压共轨系统是大型拖拉机柴油机的重要组成部分,分析轨压控制技术的发展历程,研究系统内压力波动的产生及轨压控制方式,并以抑制轨压波动和提高压力控制的响应速度为目标,对优化轨压控制的策略进行了深入研究,详细分析了现有的轨压控制回路和轨压控制算法的优化方案,最后提出轨压控制的发展趋势将向着更高精度控制算法、更多变量控制、更智能化控制
2、、更加节能与环保的方向发展,可为轨压控制技术的发展提供一定参考。关键词:高压共轨;控制技术;节能环保中图分类号:文献标志码:文章编号:(),(,(),;,;,;,):,:;近年来,国家大力推行绿色发展模式,建设人与自然和谐共生的现代化社会,促使汽车排放标准不断升级,需要在保证出色动力性能的前提下研发排放更低、燃烧更充分的拖拉机用柴油机。柴油机电控技术作为柴油机的核心技术,是解决废气污染以及动力性能等问题的重要手段,因此开展柴油机电控技术研究具有十分重要的意义 。目前柴油机基本采用“时间 压力控制式”的电控高压共轨系统,在该系统中,燃油压力的产生与喷射相互独立,燃油压力大小与发动机转速和喷油量无
3、关,因而可大幅减小供油压力随转速的变化程度,使轨压更容易控制 。轨压控制是指对高压共轨中的燃油压力进行调节和控制的过程,燃油喷射的质量、时间和持续时间直接受轨压控制的影响。精确且灵敏的轨压控制可以精确控制燃油喷射、提升燃油燃烧效率、降低尾气排放、提升车辆动力性能 ,而实现轨压精确控制就需要对现有的轨压控制策略、控制回路、控制算法以及相关设备等进行研究与优化。基于轨收稿日期:基金项目:农业部重点研发计划项目();年度山东省重点研发计划项目();山东省自然科学基金面上项目();济南市科技局高校院所创新团队项目()第 卷第 期拖 拉 机 与 农 用 运 输 车 年 月 ,压控制对柴油机的重要性,本文
4、综述分析了目前已有的轨压控制的方式,并重点分析了不同种类的优化策略在轨压控制方向上的应用。轨压控制技术的发展历程高压共轨系统轨压控制技术是柴油机电控技术发展的重要方向之一,目前柴油机电控技术的发展历程主要经历了位置控制式电控技术、时间控制式电控技术、时间 压力控制式电控技术三个阶段 。在早期的柴油机电控技术中,高压共轨系统的轨压控制主要依靠机械调节或简单的电子控制方式,精度和稳定性相对较低。随着柴油机电控技术的进步,高压共轨系统的轨压控制得到了显著提升 。现代柴油电控技术结合了传感器、电子控制单元和算法的创新,实现了对高压共轨系统轨压的精确控制。电子控制单元通过实时监测和反馈机制,精确调节高压
5、共轨系统的轨压,以适应不同工况和负载需求。高压共轨系统轨压控制的发展历程可主要概述为以下阶段:()初期阶段:最早的高压共轨系统采用机械式控制,通过机械调节来实现轨压控制。这种控制方式的精度和响应性有限,无法满足更高性能的要求 。()电子控制阶段:随着电子控制技术的发展,高压共轨系统开始采用电子控制单元()来实现轨压控制。可以根据不同的工况和需求,通过电磁阀调节高压油泵的工作,从而实现对轨压的精确控制。这种控制方式提高了控制的精度和灵活性 。()高精度控制阶段:新一代高压共轨系统采用更精确的传感器和更高性能的 ,实现了对轨压的更加精细和快速的控制 。同时,一些高级控制算法和策略也被引入,如闭环控
6、制和预测控制,以进一步提高控制性能和燃油效率。柴油机电控技术的发展推动了高压共轨系统轨压控制的进步,而高压共轨系统的轨压控制又进一步提高了柴油机的燃油喷射精度、燃烧效率和排放性能。这种相互促进的关系推动了柴油电控技术和高压共轨系统轨压控制的共同发展,使得现代柴油机在节能、环保和性能方面取得了显著的进步 。轨压控制原理 柴油机高压共轨系统的组成柴油机高压共轨系统主要由低压油泵、高压油泵、燃油计量阀()、压力控制阀()共轨管、喷油器、传感器以及电子控制单元()组成 ,如图 所示。燃油系统可以分为低压和高压两个部分。低压油路从油箱开始,通过低压油泵和燃油滤清器将燃油供应到高压油泵。同时,高压油泵和喷
7、油器之间的回油也通过低压油路返回到油箱。另一部分为高压油路,从高压油泵开始,经共轨管最终到达喷油器。系统中的 根据发动机的运行状况选择相应的控制模式,分析传感器输入的各种参数,并计算出目标的轨压。然后电子控制单元会控制 、和喷油器的动作,以实现所需的燃油喷射 。图 柴油机高压共轨系统 压力波动的产生与控制方式在柴油机高压共轨系统中,高压油泵的供油是脉动式的,喷油器的喷油方式是间歇性的,这就使得轨内容易产生压力波动,影响喷油器的喷油量,尤其当发动机工况发生变化时,喷油量和目标轨压也会发生变化,更会加剧轨压波动。在发动机启动阶段或瞬态工况下,需要轨压迅速调整到目标轨压,这就需要轨压控制要有很好的瞬
8、态响应。因此,轨压控制的关键问题是如何抑制轨压波动和提高瞬态响应速度。而柴油机高压共轨系统轨压控制的实现主要方式一是通过调节共轨管前后 和 的开闭时间与程度,进而调节进出入共轨管的流量大小实现轨压控制;二是通过开环、闭环回路实现对轨压的预控制和反馈控制。和 控制 通过调节流出轨的燃油量实现对轨压的控制,为高压侧调节。当电磁阀总成不通电时,电磁阀弹簧将钢球压在计量阀上,密封泄压阀组件,此时共轨管不泄压。当电磁阀总成通电时,电磁阀将钢球带离计量阀,无法密封泄压阀组件,共轨管开始泄压。调节 的开度,可使多余的燃油在柴油机供油量和喷油量发生变化时流回到低压油路,在发动机转速发生变化时迅速调节轨压。但会
9、造成高压泵能量浪费,难以抑制来自高压泵和喷油器的轨压波动 。拖拉机与农用运输车第 期 年 月 通过调节进入高压泵的燃油量来控制进入共轨管的燃油量,从而实现对低压侧的精确调节。高压泵仅提供发动机实际需要的燃油量,消耗的驱动功率较少,轨压波动较小。但当发动机负荷急剧减小时,轨内压力降低时间长,动态响应时间长。目前主要采用双调节器系统,实现更为精确的燃油量调节,能很好的抑制轨压波动,且在工况变化时,轨压的动态响应灵敏。在柴油机起动时,通过将 阀口开度调节至最大,以最大供油效率供应燃油,同时 控制轨压,无需进行额外的燃油加热。在正常工况下,可根据需要将 开度调节至适当的位置,以使供油量达到实际需要的数
10、值,从而节省高压泵的能量消耗,并降低发动机燃油的消耗 。开环、闭环控制轨压开环控制没有反馈回路,被控对象不对控制主体产生反作用,系统输出仅由输入决定。开环控制用于快速建立轨压的工况,如柴油机启动阶段和瞬态工况,可迅速将轨压调整到目标轨压附近,控制时间较短。此控制方式能够快速响应变化,并在短时间内达到所需的调节效果,但由于没有反馈回路,当目标值发生变化时,无法及时做出改变,缺乏抗干扰能力 。轨压闭环控制中输出值以一定的方式反馈到控制主体,控制主体根据反馈信息来调节被控对象,有较强的抗干扰能力。反馈控制可用于消除稳态工况时的控制偏差,抑制系统本身以及环境变化对系统的影响,减小轨压波动。通过使用传感
11、器获取实际的轨压信息,并与目标轨压进行比较,反馈控制可以实时调整控制信号,以使轨压保持在期望值附近。这种控制方法能够自动纠正系统的误差,并对外界变化做出适应,从而提高系统的稳定性和准确性。闭环控制是先接受反馈信息再做出调整,所以有一定滞后性 。因此,为减少轨压闭环控制的滞后性,可采取优化传感器的选择和安装位置、增加控制器的采样频率、使用预测控制算法、加强系统建模和仿真等方法,从而提高系统的响应速度和控制性能。实际轨压控制常采用开环与闭环控制相结合的控制结构,这样既有开环控制的预控制功能,又有闭环控制的反馈作用,可适应不同工况下的控制需要。轨压控制策略 轨压控制整体框架高压共轨系统的轨压控制模块
12、包括目标轨压生成、预控值计算、控制算法参数计算和限制、控制回路选择以及轨压监测。针对柴油发动机启动、怠速、加减速和稳态运行等不同工况,采用不同的控制策略。轨压控制的整体框架如图 所示。图 轨压控制整体框架 柴油机高压共轨系统轨压变化具有时变性、滞后性、非线性等特点,且内、外部有诸多不确定性因素存在。瞬态工况时,要提高轨压控制的瞬态响应速度和跟随性;稳定工况时,要提高轨压控制精度和抑制轨压波动。本文主要针对高压共轨系统轨压控制回路和控制算法进行相关的研究。轨压控制回路为了解决单闭环轨压控制系统中的问题,可以采用轨压 电流双闭环控制系统。在该系统中,外环控制轨压,内环控制电流。外环轨压控制负责控制
13、轨道压力,通过监测实际轨压与目标轨压之间的误差,并相应调整控制策略,使得实际轨压与目标轨压保持接近。这可以解决受到被控过程滞后性和泵油、喷油扰动带来的问题。内环电流控制负责控制压力调节阀的电流,监测实际电流与目标电流之间的差异,并调整控制策略,以使实际电流逐渐接近目标电流。这可以解决由于燃油计量电磁阀或压力控制电磁阀电阻变化引起的电流变化响应较慢的问题。为了防止积分饱和现象的发生,可以在外环和内环中增加积分饱和处理。这样可以有效地控制系统的响应速度和稳定性,减小实际轨压与目标轨压之间的误差 。控制回路如图 所示。李瑞川等:车用柴油机轨压控制技术研究综述图 轨压 电流双闭环控制回路 在采用轨压电
14、流双闭环控制的基础上加入前馈控制可减少控制器延迟、加快轨压的响应速度 。前馈控制是依据被控过程中某种或多种已知或可测的干扰量,经过计算,在实际值与目标值出现偏差前,提前对控制输出进行补偿修正,从而使被控量维持稳定。前馈控制算法主要由泄漏流量计算和喷射流量计算两部分组成,燃油的泄漏量可通过二位查表的方式获取,喷油器的喷油量是实时计算的。由于计量阀内的线圈在长时间得电的情况下会有升温,导致线圈的电阻和电流变化,从而导致流量也发生变化,需要对该现象最大燃油喷射压进行补偿,即对电流进行反馈控制。采用该种控制回路后的试验结果表明:动态响应为 ,稳态偏差为 ,起动轨压超调小,过渡时间短,控制精度和可靠性都
15、较好。其控制回路如图 所示。图 带有前馈控制的双闭环控制回路 华海德等设计了一种积累式分布燃油喷射系统及其数学模型,为控制该模型设计了双回路控制系统 。该控制系统将轨压回路作为主回路,用于细调节;电流回路作为辅助回路,用于粗调节。两回路将高阶对象的控制问题转化为一阶对象的控制问题。主回路采用基于工作点的预控制方式对调速器进行控制,减少调速器的延迟时间,保持调速器的偏差较小。这种控制方式能够在工作点的基础上进行预测性的调节,使系统能够更加迅速地响应变化。另外,电流回路可以调节测量线圈因温度变化而引起的电阻变化,以克服系统本身所带来的扰动。通过对电流进行调节,系统能够更好地适应环境和自身的变化,提
16、高整个系统的稳定性和可靠性。试验结果表明:在轨压跃迁状态时,稳态误差在 以内,轨压超调量在 以内;瞬态工况时,瞬态跟踪误差在 以内。该回路如图 所示。图 轨压双闭环控制回路 徐劲松提出?用“双闭环串级控制策略”“开环控制策略”的不同控制策略自动切换的轨压控制总框架 ,如图 所示。发动机启动时采用开环控制,启动结束后自动切换到串级控制。在串级控制图 带有串级控制的双闭环控制回路 拖拉机与农用运输车第 期 年 月系统中,副回路作为主调节器的随动调节系统被引入到系统中,后一个控制器接收前一个控制器的输出作为设定值。主调节器为定值控制,可根据被控对象工作条件和负荷的变化纠正副调节器的给定值,抑制进入副
17、回路的扰动,增强其鲁棒性。主调节器利用轨压作业点与轨压反馈值进行比较得到的偏差值进行可变 控制,使整个调节过程快速、灵活。试验结果表明:在达到给定轨压且保持稳态时的稳态偏差在 之间,误差小于 ;瞬态时,轨压的跟随误差在 之间,且无轨压超调现象。、等人根据轨压经验模型提出了由 和 控制算法组成的控制器 ,如图 所示。控制算法由反馈部分和前馈部分组成。前馈部分是为了减少稳定状态下的轨道压力变化,而反馈部分则是为了加强跟踪性能 。采用基于模型的前馈控制和 反馈控制的策略,以减少稳态工况下轨压波动并保证良好的跟踪性能。通过前馈控制,系统可以根据模型预测的需求提前调整控制量,以抵消系统的动态特性和非线性
18、影响。同时,反馈控制可以根据实际轨压与目标轨压之间的误差进行修正,保持系统稳定。采用抗积分饱和 算法,以提高响应速度。抗积分饱和技术可以避免在积分项的累积过程中出现饱和现象,保持控制系统的响应速度,并有效抑制系统的超调量。和 的电流闭环回路用于保证在电源电压和电磁线圈电阻发生变化时,电流不偏离设定值。通过监测和调整电流反馈信号,控制系统可以实时对电流进行调节,以保持稳定的电流输出。试验结果表明,在稳定工况下,稳态偏差小于 ,各工况下的平均轨压误差小于 ,平均轨压标准差小于 ,稳定时间约为 ,但有轻微轨压超调出现。和 控制策略有望减小轨压误差和降低燃油消耗。图 轨压双反馈控制回路 轨压控制算法柴
19、油机轨压的被控过程在受到扰动后过程参数和模型结构均会发生变化,因此实现轨压的有效控制需采用非线性控制器或将线性控制进行非线性整定后的控制器。为适应柴油机轨压被控过程的特点,需对传统 控制进行优化,可采用对 控制进行非线性整定、与其他算法相结合构成联合控制算法、利用优化算法对 控制的参数进行寻优等方法。轨压控制常用到的算法有 控制、模糊 控制、神经网络优化的 控制、自适应控制、滑模控制等。控制算法由 频繁控制带来的轨压波动可采用带死区的 控制消除,通过实际试验确定可调参数 的值。(),()(),()()控制中的微分项可加快控制的响应速度,但在稳定状态下过于灵敏的微分项会导致系统震荡,引入微分分离
20、的 ,在微分项前乘一个系数 ,使微分项只在轨压变化时起作用,而在轨压稳定时只采用 控制。()()()()()(),(),()()李鸿怀针对微分环节的缺点改进瞬态的 算法,将一阶惯性环节加在微分项的输入以及输出路径上 。将 一 阶 惯 性 环 节()()加在输出路径上,构成不完全微分 控制算法,如图 所示。试验结果表明:稳态工况下,轨压控制精度在 之间;动态工况下,轨压控制精度在 之间,小于最大轨压 ,且在急加速急减速时无超调现象和轨压波动。李瑞川等:车用柴油机轨压控制技术研究综述图 不完全微分控制 优化 控制算法()遗传算法优化 参数传统 控制,由于控制参数不可调整,故控制精度相对一般。为提高
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