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柴油机高压共轨压力控制的动态仿真与分析报告
柴油机高压共轨压力控制的动态仿真与分析
作者:
王军张幽彤仇滔王洪荣
摘要:
为提高高压共轨系统压力控制效果,进行了高压共轨系统的压力控制动态仿真研究。
简要分析了高压共轨压力控制的特征和要求;采用部件液压模型和流量边界模型组合法,给出了高压共轨系统压力控制计算模型;并用AMESim液压仿真软件建立了四缸柴油机高压共轨压力控制仿真模型,进行了PID的不同系数控制、控制周期和变目标控制仿真计算,对比了不同系数控制、控制周期和变目标控制的效果。
仿真结果表明,该模型能满足共轨压力控制要求,反映不同参数的控制效果。
关键词:
仿真;共轨压力;PID控制;柴油机
引言1
高压共轨电控喷油系统能柔性控制喷油参数,有效地降低柴油机排放,成为柴油机电控技术的主要手段。
共轨压力直接影响喷射压力、循环喷油量和喷油速率等参数的变化,精确地控制共轨压力能改善喷射特性,提高柴油机的动力性。
用PID闭环调节方法控制共轨压力,必须选择合适的PID系数,才能实现调节过程的快、准、稳。
目前调压PID系数整定常采用经验试凑法,它的盲目性大、技巧性很强,而且调试工作量较大。
通过借助计算机仿真,能有效地避免经验法的不足,能节约大量的人力、财力和时间,但在MATLAB/SIMULINK环境下建立调压PID控制模型,由于简化了系统的液压流体因素,控制效果与实际结果相差较大[1]。
笔者在兼顾了部件液压关系、流量边界和PID控制要求的基础上,建立共轨压力控制动态模型,研究控制参数对压力控制效果的影响,对实际共轨压力控制提供一定的指导作用。
1共轨压力PID控制
高压共轨喷油系统由高压泵、共轨管、高压油管和电控喷油器组成,它是一个典型的泵油、稳压、喷油各自独立的非线性液压系统。
共轨管能吸收高压油泵供油及燃油喷射引起的压力波动,保证喷油器在稳定压力下喷油。
电控单元(ECU)根据发动机转速脉冲信号,确定活塞压缩上止点位置,并发出信号控制共轨压力及喷油器喷油。
共轨压力控制是通过由压力调节阀、压力传感器、电控单元组成的闭环控制系统完成的,如图1所示。
电控单元依据共轨压力脉谱(MAP)所给定的目标值,进行共轨压力控制。
用PID方法来确定脉宽调制信号(PWM),控制压力调节阀开度,使共轨压力接近目标值。
共轨压力目标值是随发动机工况变化的,在不同工况点上,共轨压力控制是按变目标动态调节,在同一目标压力下,共轨压力控制要求快速性,能够迅速接近所要求的目标压力。
图1共轨压力闭环控制系统
理论设计PID调节器是要有被控对象的数学模型,经过数学变换得到被控对象的传递函数,才能获得准确的PID控制模型[2]。
在高压共轨系统中,压力波动是与高压泵供油量、喷油器喷油量的动态变化密切相关,共轨压力控制涉及到高压泵、共轨管、电磁阀、喷油器等部件,要建立准确的共轨管的传递函数模型,有一定难度,因此建立高压泵、共轨管、喷油器液压模型,代替共轨管的传递函数,为PID控制提供准确的响应。
2计算模型
高压共轨系统中喷油泵、喷油器的结构复杂,是柴油机各部件中最精密、最复杂的部件。
燃油在喷油泵和喷油器中流动,经过不同管径和有效截面,燃油被压缩和高压喷出,针对系统建压、喷油各自独立的特点和要解决压力稳定的问题,考虑燃油供给喷射过程的相关因素,作如下假设:
(1)管内燃油为一维非定常紊流流动;
(2)不考虑油温随时间的变化。
将高压共轨系统简化成共轨管和高压泵、喷油器边界组成的一个系统,共轨管按多支路管路建模,高压泵输入流量,喷油器输出部分流量,高压泵、喷油器边界是体积流量,建立高压泵、喷油器流量边界模型,可简化部件建模的复杂性,真实地反映共轨管的输入、输出,构成一个共轨系统的压力控制仿真系统。
2.1流体方程
燃油在高压共轨喷油系统中流动,其流动按一维流动计算。
2.1.1高压油管
燃油在管内流动,满足流体的可压缩性方程:
式中,E为燃油体积弹性模量;Δv/v为燃油体积变化率;Δp为燃油压力增量。
流体连续性方程:
动量方程:
式中,u为燃油流速;ρ为燃油密度,且ρ=ρ(p);P为压力;μ为燃油动力粘度;x为平行于油管轴线方向的坐标;t为时间;F为作用在受控流体上流动阻力的合力。
2.1.2共轨管
在共轨系统中,共轨管与喷油器的通道处采用“T”型接头简化为一进两出[3],流动方程:
式中,VCR为共轨管体积P为某处共轨压力;α为音速;u1为流入速度;u2、u3分别为流出速度;A为流通截面积。
共轨的入口边界为体积流量,由三柱塞泵供油,通过设置柱塞泵参数及泵控制阀(PCV)控制脉宽来设定共轨的入口体积流量,随着柱塞泵的行程变化和管道等其他因素的影响,入口体积流量是不断变化的。
出口边界属于压力边界,由高压油管和喷油器相接,通过设置环境压力设定高压共轨的出口压力,随着喷油和其他因素的影响,这个边界也是不断变化的。
共轨管内流体连续方程为:
式中,PCR为共轨压力;uin为流入速度;uout为流出速度。
2.2边界条件
2.2.1高压泵
BOSCH公司的三柱塞泵在凸轮一圈之内,三柱塞间隔120度供油,三缸均匀布置,结构紧凑,柱塞供油量随凸轮转角变化而变化,对应的体积油量变化关系分别为:
式中,ϕ为凸轮转角;柱塞最大供油量;Vmax为柱塞最大供油量;h为柱塞升程;Ap为柱塞截面积。
2.2.2喷油器
喷油器流出的流量方程:
式中,Kop为开关系数,Kop=0,仅当曲轴转角φ从喷油提前角开始,在喷油持续时间内,Kop=1;Cd为流量系数;A为流通面积;t为喷油持续时间;ΔP为液压腔之间的压差;ρ为燃油密度。
2.2.3PID控制
采用脉宽调制信号(PWM)控制压力调节阀,PWM信号的大小通过增量式PID算法确定,其算法如下:
式中,r(k)为给定目标共轨压力;y(k)为实测共轨压力;u(k-1)为k-1时刻的PWM输出量;Δu(k)为k时刻的输出PWM增量;e(k)、e(k-1)、e(k-2)分别为k、k-1、k-2时刻的共轨压力偏差;Kp、Ki、Kd分别为比例、积分、微分系数。
3仿真模型
以四缸柴油机为研究对象,采用通用液压软件AMESim建立喷油器、喷油泵等部件的液压模型[4]。
用管道、节流、容积,活塞、弹簧和电磁铁等基本元件,按相互之间的关系,通过液力、机械及特殊方式连接,构成喷油器和喷油泵模型,将共轨管各段分别视为集中容积,采用多分支管路构成共轨管模型,能够减少因数学近似和计算简化带来的误差,采用压力传感元件形成反馈,用比例、积分、微分元件构成PID边界条件。
图2所示是用AMESim软件建立的共轨压力控
制模型。
图2共轨压力闭环控制仿真模型
为验证仿真模型的正确性,进行了试验结果与仿真计算结果的对比,试验用发动机为YN4100QB柴油机,基本参数如表1所示,采用BOSCH的高压共轨系统,部件参数如表2所示,在凸轮转速1000r/min,喷油器循环喷油量为40mg,从共轨压力不控制和共轨压力PID控制两个方面进行模型验证。
当目标共轨压力为100MPa时,不同方法的共轨压力变化对比如图3所示,从图中看出:
当共轨压力不控制时,随着喷油过程的进行,共轨压力逐渐降低,不能稳定在100MPa左右;采用PID压力控制,尽管共轨压力有波动,但仍在目标压力100MPa上下波动,表明共轨压力控制动态模型的有效性。
当目标共轨压力分别为80、120MPa时,喷油脉宽为1.0ms,比例、积分、微分系数分别0.05、0.9、0时,压力控制的效果分别如图4所示。
在80MPa共轨压力下,实际测试压力与仿真曲线有一些偏移,但两条变化趋势一致,而在共轨压力由80MPa提高为120MPa后,仿真结果与实际测试值有较好的一致趋势,说明仿真模型是基本合理。
图3共轨压力控制对比
图4共轨压力控制效果
4仿真分析
当闭环控制采用增量PID方法时,PID的采样周期、PID系数决定了共轨压力的控制效果,变目标对PID系数有不同要求。
4.1控制周期
喷油量和喷油频率取决于柴油机的负荷和转速,在高压共轨喷油系统中,喷油量和喷油频率直接决定着共轨压力变化。
为使共轨压力稳定在一定范围内,采用每缸喷油后压力调节1次的控制方法,分别选取柴油机怠速、最大扭矩转速、最大转速对应的时间42ms、13.6ms、9.3ms作为控制周期,对共轨压力80MPa、120MPa、135MPa进行PID控制,不同周期下共轨压力控制效果的对比如图5所示。
从图5中看出:
在控制周期为42ms条件下,在共轨压力80MPa时,共轨压力波动较小;但当共轨压力提高到120MPa时,由于喷油频度增大,共轨压力波动较大。
在控制周期为13.6ms条件下,在共轨压力为80MPa、120MPa时,共轨压力波动较小。
在控制周期9.3ms的条件下,当共轨压力为120MPa时,共轨压力波动较小;当共轨压力为80MPa时、虽然也能保证共轨压力波动较小,但小控制周期会造成调压阀动作过于频繁,影响电磁阀可靠性。
所以采用最大扭矩转速时对应的控制周期比较适合,稳定共轨压力效果好。
图5不同控制周期共轨控制效果
4.2控制参数
PID系数中的比例系数、积分解数和微分系数对控制效果影响不同,本文只对PI系数进行研究,不同PID系数对目标压力80MPa的控制效果对比如图6所示。
在积分系数不变的条件下,当比例系数增加对应的控制增量加大时,控制稳定时间和压力波动都会增大。
当积分系数增加,对应的控制增量加大时,压力超调会减小,压力波动都会减小。
图6不同PI系数共轨压力控制效果
4.3目标控制
当柴油机在不同工况时,共轨压力目标值是变化的,如在怠速工况和正常工况的共轨压力分别设定为60MPa、100MPa。
图7所示的是同一套PID系数对60、100MPa变化过程的控制效果。
当PID比例、积分、微分系数分别为0.03、0.5、0.1时,对60MPa共轨压力控制效果较好,而对100MPa共轨压力控制跟踪响应较慢。
当PID比例、积分、微分系数分别为0.06、0.7、0.1时,对100MPa共轨压力控制效果较好。
对不同压力目标值,应采用不同的PID系数,具有良好的动态控制效果。
图7变目标值共轨压力控制效果
5结论
采用流量边界法,代替复杂的喷油系统元件模拟计算,采用液压管路法,建立共轨管仿真模型,研究了高压共轨系统的压力PID闭环控制,并采用AMESim软件建立四缸柴油机共轨压力控制的动态仿真模型,分析了PID控制中的控制周期、PID系数和控制目标对控制效果的影响,从仿真数据看出,该模型能满足共轨压力控制仿真要求,反映不同参数的控制效果。
参考文献:
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电子工业出版社,2003:
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66-68.
[3]王好战,肖文雍.高压共轨电控柴油机稳态油压模拟计算及分析[J].内燃机工程,2003:
23(6):
9-10.
[4]AMSIM4.0参考手册[K].IMAGINE公司,2003.(end)
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