車用柴油發動機軌壓控制試驗研究

姚本容 王偉峰 陳守濤 劉威 孟宵

摘? 要：本文針對V型8缸車用柴油發動機，在滿足軌壓控制的基礎上，根據該發動機高壓共軌燃油系統的布置形式，建立了一種基于雙軌壓傳感器的軌壓控制優化策略，并開展基于此控制方法的試驗研究。試驗結果顯示：在中低發動機轉速、較低軌壓條件下，隨著軌壓傳感器2加權系數的增加，軌壓在階躍過程中的軌壓超調越??；但隨著發動機轉速的增大，此種影響越來越小，且在特定發動機轉速之后，隨著軌壓傳感器2加權系數的增加，軌壓在階躍過程中的軌壓超調越大。隨著軌壓傳感器2加權系數的增加，軌壓誤差隨著軌壓傳感器2加權系數的增大而增大。

關鍵詞：柴油發動機；軌壓傳感器；軌壓控制

中圖分類號：U464? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? 文章編號：1005-2550（2024）02-0085-07

Test Research of Rail Pressure Control of Diesel Engine for Vehicle

YAO Ben-rong， WANG Wei-feng， CHEN Shou-tao， LIU Wei， MENG Xiao

（Dong Feng Off-Road Vehicle Co.，Ltd.， Wuhan 430058， China）

Abstract： This article focuses on V-type 8-cylinder diesel engine used in vehicles. A rail pressure control optimization strategy based on dual rail pressure sensors is established according to the layout of the high-pressure common rail fuel system of the engine， on the base of rail pressure control. And test research based on the optimization strategy is carried out. The test results show that the rail pressure overshoot during the step process of rail pressure becomes smaller， as the weighting coefficient of rail pressure sensor 2 increases， when the engine run at low to medium engine speeds and low rail pressure. But this effect becomes smaller and smaller as the engine speed increases， and after a specific engine speed， the rail pressure overshoot during the step process of rail pressure becomes larger. As the weighting coefficient of rail pressure sensor 2 increases. The rail pressure error increases as the weighting coefficient of rail pressure sensor 2 increases.

Key Words： Diesel Engine; Rail Pressure Sensor; Rail Pressure Control

目前國內市場被廣泛應用的柴油發動機主要以直列型柴油發動機為主，V型8缸柴油機應用較少，相應研究較少。針對柴油發動機來說，高壓共軌系統是其關鍵的系統之一，直接關系到柴油發動機的動力性、經濟性、噪聲等關鍵性能指標[1]。其中，軌壓控制又是高壓共軌系統中的關鍵系統，因此對于軌壓控制尤為重要，許多研究者對柴油發動機的軌壓控制進行廣泛的研究，其中許文燕等[2]對單泵雙軌高壓共軌系統的匹配應用進行了研究；聶濤等[3]針對共軌管結構參數及噴油對軌壓波動進行了研究；李冠霖等[4]針對軌壓控制中軌壓超調進行了優化研究；熊建等[5]對一種基于積分分離PID的高壓共軌軌壓控制算法進行了研究。區別于直列型發動機所采用的高壓共軌系統來說，V型8缸柴油發動機常采用單高壓油泵、雙高壓油軌。 鑒于此種區別，常需要考慮高壓油軌中的壓力波動對于軌壓控制品質的影響，進而考慮對發動機動關鍵性能指標的影響，以期驗證軌壓的控制方法。本文主要針對車用V8柴油發動機軌壓控制進行試驗研究，并進行臺架試驗驗證，研究基于雙軌壓傳感器的軌壓控制優化策略對軌壓控制品質的影響。

1? ? 基于雙軌壓傳感器的軌壓控制原理

高油軌壓力是決定柴油發動機噴油加電時長的關鍵參數之一，影響柴油發動機的性能，因此高壓油軌壓力控制是柴油發動機控制中的關鍵技術之一。本文中研究的V型8缸柴油發動機的軌壓控制，總體上是根據軌壓傳感器檢測的軌壓實際值、目標軌壓MAP中的查詢值等進行PID調節，并通過燃油計量閥實時調節泵入高壓油軌中的燃油，從而實現對軌壓的閉環控制。而本文所述基于雙軌壓傳感器的軌壓控制系統，關鍵在于對2個軌壓傳感器采集的實際油軌壓力值進行處理。鑒于其高壓燃油系統的布置，進行基于雙軌壓傳感器軌壓控制的試驗研究，以期明確文中所述對于雙軌壓傳感器采集值的處理方法對所述V型8缸發動機軌壓控制的影響。其布置及總體控制原理如圖1所示：

2? ? 詳細方案設計

2.1? ?被控對象信息

本文中所述的V型8缸機，即為被控對象，如圖2所示。高壓共軌系統主要包括電控單元、1個高壓油泵、2個高壓油軌、1個IMV閥（計量閥）、1個MDV閥（泄壓閥）、8只噴油器、2個軌壓傳感器（軌壓傳感器1、軌壓傳感器2）及其它各種傳感器組成。其中軌壓傳感器1布置在靠近高壓油泵的高壓油軌的端部，軌壓傳感器2布置在遠離高壓油泵的高壓油軌的端部（安裝MDV閥相對的一端）。高壓共軌系統工作時，將油箱中的柴油通過低壓油路泵入到高壓油泵，然后通過高壓油泵壓入高壓油軌中，之后高壓油軌將高壓燃油分配到各噴油器中，最后在電控單元的控制下噴入汽缸中燃燒。

2.2? ?基于雙軌壓傳感器軌壓控制模塊

本文中所述的基于雙軌壓傳感器的軌壓控制，關鍵之處在于對2個軌壓傳感器對軌壓實際采集值的處理。由于的V8柴油發動機所述的V8柴油發動機2個高壓油軌的布置形式，2個軌壓傳感器分別采集實際軌壓值，之后對2個實際軌壓值進行加權處理，即設置軌壓傳感器2加權系數，最后將加權處理后的實際軌壓值作為軌壓控制的實際軌壓。其中雙軌壓傳感器軌壓控制模塊示意圖如圖3所示。發動機運行過程中，根據已標定好的軌壓MAP查詢軌壓命令值，并進行限值處理；同時根據軌壓實際值（軌壓傳感器采集電壓值，控制模塊通過采集的電壓值計算軌壓實際值）和軌壓命令值進行PID閉環計算；之后根據噴油量、發動機轉速確定燃油流量；最后通過燃油流量確定IMV閥的周期和占空比，從而實現軌壓的閉環控制。

2.3? ?試驗設計方案

本文針對V8柴油發動機進行的基于雙軌壓傳感器的軌壓控制試驗研究，主要研究軌壓傳感器1、軌壓傳感器2的加權系數對軌壓控制性能的影響。鑒于以上目的，試驗設計方案如表2所示。

3? ? 試驗分析

3.1? ?評價分析指標

本文研究軌壓傳感器2不同加權系數對油軌壓力控制的影響，主要從軌壓超調、軌壓誤差（命令軌壓與實際軌壓之間的誤差）兩個方面進行分析評價，本文不研究軌壓控制的響應時間，如圖4所示。主要分析：軌壓階躍時，軌壓傳感器2不同加權系數下對軌壓超調的影響；以及到達目標軌壓后，軌壓傳感器2不同加權系數下對軌壓誤差的影響。

3.2? ?穩定工況下軌壓傳感器電壓值分析

本文中選取在發動機轉速為1400rpm，油門分別為14%、40%、100%的穩定工況下，采集軌壓傳感器1、軌壓傳感器2檢測軌壓的單次采樣電壓值，直接反映軌壓傳感器監測的瞬時實際軌壓。但實際軌壓控制中，常常采用多次平均值，不采用瞬時值，消除因隨機誤差引起的軌壓波動，從而較好的控制軌壓。

通過圖5、圖6、圖7可知，從趨勢上分析，軌壓傳感器1檢測的軌壓電壓值較軌壓傳感器2檢測的軌壓電壓值高；但隨著油軌壓力控制命令值的增加，軌壓傳感器1檢測的軌壓電壓值整體高出軌壓傳感器2檢測的軌壓電壓值的程度逐漸減小。

究其原因，發動機轉速較低，高壓油泵供油速率??；且在命令軌壓低時，通過IMV閥控制計量閥進入到高壓油軌中的供油速率較小，同時隨著高壓燃油的流動以及燃油噴射，高壓油軌中的能量降低。兼顧考慮到2個高壓油軌之間連接的節流損失、2個軌壓傳感器的布置形式，從而使軌壓傳感器1檢測的軌壓電壓值較軌壓傳感器2檢測的軌壓電壓值高。但隨著命令軌壓升高，IMV閥控制計量閥進入到高壓油軌中的供油速率增大，在較短時間內即可達到對應工況下的最大值。從而軌壓傳感器1檢測的軌壓電壓值整體高出軌壓傳感器2檢測的軌壓電壓值的程度逐漸減小，并趨向一致；但隨著命令軌壓的升高，軌壓波動增大。

3.3? ?軌壓傳感器2不同加權系數對軌壓超調的影響

試驗中，發動機轉速1400rpm、油門100%，分別在不同穩定軌壓下進行軌壓超越，測試軌壓傳感器2不同加權系數對軌壓超調的影響。

通過圖8、圖9、圖10中可知，在轉速為1400rpm、 油門為100%的工況下：軌壓分別從800bar階躍到900bar、1100bar階躍到1200bar，隨著軌壓傳感器2加權系數的增加，軌壓在階躍過程中的軌壓超調越??；但當軌壓從1400bar階躍到1500bar過程，隨著軌壓傳感器2加權系數的增加，軌壓在階躍過程中軌壓超調越大。

軌壓分別從800bar階躍到900bar、1100bar階躍到1200bar過程中，隨著軌壓傳感器2加權系數的增大，實際軌壓減小，實際軌壓與命令軌壓之間的誤差增大，之后通過PID調節，增大軌壓控制的PID補償量。但發動機轉速較低時高壓油泵供油速率小，且命令軌壓低時，通過IMV閥控制計量閥進入到高壓油軌中的供油速率較小，因此燃油不能很快的進入到高壓油軌，從而使軌壓超調隨軌壓傳感器2加權系數增大而減小。但隨命令軌壓升高，軌壓從1400bar階躍到1500bar過程，IMV閥基本全開，燃油很快的進入到高壓油軌。隨著軌壓傳感器2加權系數的增大，軌壓超調反而增加。

3.4? ?軌壓傳感器不同加權系數不同工況下對軌壓超調的影響

試驗中，在不同工況下進行軌壓超調測試，工況1：轉速為1400rpm、油門100%；工況2：轉速為2000rpm、油門100%；工況3：轉速3200rpm、油門100%。分別在不同穩定軌壓下進行軌壓超越，測試軌壓傳感器2不同加權系數對軌壓超調的影響。工況1軌壓超調如本文3.3所述。

從圖11、圖12、圖13、圖14、圖15、圖16中可知，在工況2、工況3下：軌壓分別從800bar階躍到900bar、1100bar階躍到1200bar、1400bar階躍到1500bar，隨著軌壓傳感器2加權系數的增加，軌壓在階躍過程中軌壓超調越大。究其原因是，隨著軌壓傳感器2加權系數的增大，實際軌壓減小，實際軌壓與命令軌壓之間的誤差增大，之后通過PID調節，增大軌壓控制的PID補償量。隨著發動機轉速升高，高壓油泵供油速率增大，通過IMV閥控制計量閥進入到高壓油軌中的供油速率增大，燃油能很快的進入到高壓油軌，從而使軌壓超調隨軌壓傳感器2加權系數增大而增大。且發動機轉速增大對軌壓超調帶來的影響大于因IMV開度減小對軌壓超調帶來的影響。

3.5? ?不同工況下軌壓傳感器2不同加權系數對軌壓誤差的影響

試驗中，在不同工況下進行軌壓誤差測試，工況1：轉速為1400rpm、油門100%；工況2：轉速為2000rpm、油門100%；工況3：轉速為3200rpm、油門100%。分別在不同穩定軌壓下進行軌壓超越，測試軌壓傳感器2不同加權系數對軌壓誤差的影響。

工況1：轉速為1400rpm、油門100%，在轉速為1400rpm、油門100%工況下，采集軌壓傳感器2加權系數分別為0、0.25、0.5、0.75、1時的軌壓誤差。

從圖17、圖18、圖19、圖20、圖21、圖22、圖23、圖24、圖25中可知，在工況1、工況2、工況3下：軌壓分別為900bar、1200br、1500bar的條件下，隨著軌壓傳感器2加權系數的增加，軌壓誤差隨著軌壓傳感器2加權系數的增大而增大。究其原因是，在穩定工況、穩定軌壓命令值的條件下，綜合燃油噴射、高壓燃油的流動、高壓油軌之間連接的節流損失以及軌壓傳感器的布置位置的影響。燃油傳感器2監測的軌壓一定程度上低于軌壓傳感器1監測的軌壓值。軌壓控制過程中，將軌壓傳感器1、2監測的軌壓值進行加權處理后作為實際軌壓值，即設置軌壓傳感器的加權系數，之后計算出命令軌壓值與實際軌壓值的差值，并通過PID調節軌壓值。因此隨著軌壓軌壓傳感器2加權系數的增大，實際軌壓減小，PID調節的軌壓的補償量增大，從而使軌壓誤差一定程度上隨著軌壓傳感器2加權系數增大而而增大。

另從上圖所示可知，針對本文所述的柴油發動機，軌壓傳感器2加權系數分別為0、0.25時，軌壓誤差基本相當；軌壓傳感器2加權系數為0.25時的軌壓誤差稍大于軌壓傳感器2加權系數為0時的軌壓誤差。

4? ? 試驗結論

1）綜上所述分析可知，在中低發動機轉速、較低軌壓條件下，隨著軌壓傳感器2加權系數的增加，軌壓在階躍過程中的軌壓超調越??；但隨著發動機轉速的增大，此種影響越來越小，且在特定發動機轉速之后，隨著軌壓傳感器2加權系數的增加，軌壓在階躍過程中的軌壓超調越大。

2）綜上所述分析可知，隨著軌壓傳感器2加權系數的增加，軌壓誤差隨著軌壓傳感器2加權系數的增大而增大。

3）鑒于本文所述的試驗結果分析，針對本文所述的柴油發動機，軌壓傳感器2的加權系數取0.25時，兼顧軌壓超調和軌壓誤差，軌壓控制可取得較好的效果。

參考文獻：

[1]劉威，熊軍林，熊鋒等. 一種柴油機燃油系統軌壓控制方法研究 [J]. 汽車科技，2022： 32-38.

[2]許文燕，王尚學，任慶霜等. 單泵雙軌高壓共軌系統在某V型8缸柴油機上的集成應用研究 [J]. 內燃機與配件，2016： 4-9.

[3]聶濤，劉振明，安士杰. 高壓共軌系統軌腔內壓力波動特性研究 [J]. 計算機仿真，2021，38： 197-202.

[4]李冠霖，張貴華. 電控共軌系統軌壓優化標定 [J]. 現代車用動力，2022： 15-19.

[5]熊建，顧宏. 積分分離PID算法在共軌壓力控制中的應用研究 [J]. 柴油機，2021，43： 15-18，25.