畢業(yè)設(shè)計論文最終版-副本

1、柴油機高壓共軌系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)工況油量控制策略研究摘 要隨著節(jié)能、減排標準的不斷提高，對柴油機性能的改善提出了更高要求。高壓共軌電控噴油系統(tǒng)在提高柴油機性能方面具有獨特的優(yōu)勢，噴油系統(tǒng)的靈活控制會直接影響柴油機的性能。油量控制作為共軌系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，是實現(xiàn)高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)靈活控制研究的重要內(nèi)容。高壓共軌柴油機的噴油控制策略中，在穩(wěn)態(tài)工況時，噴油量控制通常采用閉環(huán)控制，能夠較好的實現(xiàn)穩(wěn)定控制，但仍存在可改善的地方。本文提出基于模糊PID控制的高壓共軌系統(tǒng)油量控制策略，根據(jù)柴油機的工況得到目標噴油量，并實現(xiàn)定量噴油，解決高壓共軌噴油系統(tǒng)噴穩(wěn)態(tài)工況油量的控制問題，提高共軌系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工況的工作性能。工

2、作內(nèi)容主要包括：（1）根據(jù)柴油機工作過程的數(shù)學(xué)模型，建立柴油機仿真模型；（2）在柴油機高壓共軌電控燃油噴射系統(tǒng)控制理論分析的基礎(chǔ)上，針對柴油機穩(wěn)定工作狀況，比較分析了油量PID和模糊PID的控制方法，結(jié)合柴油機的特點，采用了模糊PID復(fù)合的油量控制策略；（3）使用MATLAB/Simulink工具箱，建立油量控制策略模型，與柴油機模型連接，模擬柴油機穩(wěn)態(tài)工況時加速、減速和定轉(zhuǎn)速工況，進行仿真實驗。結(jié)果表明采用模糊PID控制，能夠達到更好的控制效果，并具有良好的動態(tài)響應(yīng)性，可以滿足工況需求。關(guān)鍵字：高壓共軌；油量控制；模糊控制；PID；仿真IAbstractWith the improvemen

3、t of energy saving and emission reduction standards, the improvement of the performance of diesel engine is put forward. High pressure common rail electronically controlled fuel injection system has a unique advantage in improving the performance of diesel engine, and the flexible control of fuel in

4、jection system will directly affect the performance of the diesel engine. Oil control as one of the key technologies of common rail system is an important part in the research of high pressure common rail fuel injection system. In the control strategy of high pressure common rail diesel engine, the

5、fuel injection quantity control usually adopts close loop control in steady state, which can achieve stable control, but there is still a place to improve.In this paper, the control strategy of high pressure common rail system based on fuzzy PID control is proposed, According to the diesel engine op

6、erating conditions to obtain the target fuel injection quantity, realize the quantitative fuel injection, solve the high pressure common rail injection system spray steady state oil quantity control problem, Improving the working performance of common rail system in steady state. The work mainly inc

7、ludes: (1) according to the mathematical model of the working process of the diesel engine, the diesel engine simulation model is established; (2) in diesel engine high-pressure common rail fuel injection system control theory based on the analysis of the stability of the working condition of the di

8、esel engine, a comparative analysis of the oil quantity control method of PID and fuzzy PID, combined with the characteristics of diesel engine, using the fuzzy PID composite oil control strategy; (3) using the MATLAB/Simulink toolbox, the establishment of the oil quantity control strategy model, an

9、d the diesel engine model is connected, simulation of diesel engine steady state conditions of acceleration, deceleration and fixed speed conditions, simulation experiment. The results show that the fuzzy PID control can achieve a better control effect, and has a good dynamic response, can meet the

10、requirements of the working conditions.Keywords: High pressure common rail; oil quantity control; fuzzy control; PID; simulation目錄摘 要IAbstractII第一章 緒論11.1 課題背景及意義11.2柴油機電控噴油系統(tǒng)類型及比較21.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀41.3.1 國外高壓共軌電控燃油噴射系統(tǒng)研究現(xiàn)狀41.3.2國內(nèi)高壓共軌電控燃油噴射系統(tǒng)研究現(xiàn)狀51.4本文工作內(nèi)容6第二章 柴油機仿真模型的建立72. 1柴油機整體模型72.1.1進氣模型的建立72.1.2柴油機扭

11、矩計算模型的建立8第三章 高壓共軌電控噴油系統(tǒng)噴油控制策略研究103.1高壓共軌電控噴油系統(tǒng)控制邏輯分析103.2噴油量的控制103.2.1噴油量的控制策略113.3噴油正時控制113.3.1 噴油正時控制策略12第四章 控制策略的模型建立與仿真134.1仿真軟件介紹134.1.1 Simulink介紹及特點134. 2柴油機模型建立134. 3高壓共軌噴油量控制策略建模與仿真144.2.1穩(wěn)定工況下噴油量控制模型144.2.1噴油量控制模型仿真結(jié)果14第五章 結(jié)論與展望215.1 結(jié)論215.2展望21參考文獻22II第一章 緒論1.1 課題背景及意義隨著工業(yè)的快速發(fā)展，能源危機和環(huán)境污染問

12、題也越來越嚴重，地球石油資源日趨枯竭。到目前為止，全世界都沒有應(yīng)對石油資源枯竭的可靠手段，因此通過改進技術(shù)來節(jié)省能源，減少石油資源的消耗，盡量推遲石油資源的時間，以實現(xiàn)為社會能源發(fā)展到下一個時代做好技術(shù)準備成為全球的一種共識。日益嚴重的能源問題和環(huán)境危機迫使內(nèi)燃機朝著低污染、低油耗和高功率的方向發(fā)展。汽車用動力的主流己經(jīng)開始慢慢轉(zhuǎn)向現(xiàn)代車用柴油機，目前歐美國家中100%重型車、90%輕型車采用柴油機，歐洲的柴油轎車在轎車保有量中比例超過40%，新車產(chǎn)量比例超過50%。到目前為止，中國市場上柴油車所占比例達到了25%，到目前為止，在美國輕型車輛和轎車領(lǐng)域，柴油車的市場份額大約為15%。隨著柴油機

13、各項技術(shù)不斷發(fā)展，原有的缺點得到比較好的解決，柴油機的優(yōu)勢日趨明顯：（1）柴油機因為燃燒機理的關(guān)系，在相同排量下平均比汽油機節(jié)約25%30%的燃油消耗，如果考慮價格因素，柴油機的油費只是汽油機的60%；（2）清潔柴油機的NOX、PM的排放已經(jīng)達到汽油機的排放水平，CO2排放量比汽油機低25%50%；（3）柴油機輸出轉(zhuǎn)矩比汽油機大50%，在整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，都能發(fā)揮其動力性，平穩(wěn)加速、噪聲很低、平順行駛。20世紀末以來，隨著世界各國對于內(nèi)燃機性能指標和排放指標的逐步提高，越來越多的新技術(shù)應(yīng)用在內(nèi)燃機上。近年來隨著廢氣再循環(huán)（EGR）技術(shù)、可變技術(shù)（VVT，VNT，VGT）以及以SCR和DPF為代表

14、的尾氣后處理技術(shù)的發(fā)展，使柴油機在性能和排放等各方面得到了相當大的改善。其中電控高壓共軌柴油機由于燃油噴射系統(tǒng)控制靈活，在一個工作循環(huán)中能夠?qū)崿F(xiàn)多次噴射，軌壓可高達160200MPa，燃油霧化質(zhì)量好，將供油與噴射獨立，在低速時也有較高的噴射壓力改善了低速性能，因此成為目前最先進的燃油噴射系統(tǒng)之一。高壓共軌電控燃油噴射系統(tǒng)綜合了電控、機械和液壓技術(shù)，在高壓供油泵和噴油器之間增加了一個具有較大容積的共軌管，其功能是蓄積從供油泵輸出的燃油，抑制油壓的波動，并通過高壓油管將燃油順序輸至各噴油器中，然后由電磁閥對噴油特性參數(shù)（如噴油壓力、噴油脈寬、噴油正時等）進行控制。另外，在共軌式電控系統(tǒng)的噴油過程中

15、，共軌管內(nèi)的燃油壓力不會受到發(fā)動機轉(zhuǎn)速的影響，僅由ECU控制。其優(yōu)點如下：（1）高壓噴油，噴油壓力可調(diào)節(jié)提高噴油率和噴油壓力，縮短噴油持續(xù)期，有利于提高燃油噴霧特性，優(yōu)化燃燒過程，減少NOX和碳煙顆粒的排放。電控高壓共軌噴油系統(tǒng)可以根據(jù)柴油機在各種不同工況下對共軌壓力進行反饋調(diào)節(jié)，燃油噴射壓力可以超過1200bar，并可實現(xiàn)對噴油壓力和噴油量的精確控制。（2）噴油持續(xù)期可實現(xiàn)自由調(diào)整電控高壓共軌噴油系統(tǒng)的噴油定時由ECU和電控噴油器進行控制。ECU根據(jù)柴油機轉(zhuǎn)速及進氣壓力等來設(shè)定正確的噴油量，得到最佳噴油持續(xù)期，然后電控噴油器在ECU發(fā)出電脈沖信號控制下進行動作，高壓燃油以最佳的噴油定時、噴油

16、規(guī)律、噴油量和噴霧狀態(tài)噴入氣缸中。（3）噴油規(guī)律可實現(xiàn)自由調(diào)節(jié)隨著電控噴油技術(shù)的不斷發(fā)展，許多適應(yīng)柴油機不同工況需要的噴油規(guī)律被提了出來，如主噴射、預(yù)噴射以及多段噴射等，并且不同工況時，各段噴射時間及噴射間的時間間隔都能進行調(diào)節(jié)，這種調(diào)節(jié)方法只能通過電控技術(shù)實現(xiàn)。電控高壓共軌噴油系統(tǒng)的噴油持續(xù)期和噴油始點由控制脈沖的脈寬、長度及位置來決定，并可自由調(diào)節(jié)。（4）噴油量可實現(xiàn)自由調(diào)節(jié)電控噴油器噴出的燃油經(jīng)過精確計量后噴入氣缸，燃燒情況會得到很到提高，從而改善柴油機的燃油經(jīng)濟性，提高其功率密度，降低噪聲。電控高壓共軌噴油系統(tǒng)以轉(zhuǎn)速和油門開度信號為依據(jù)，通過ECU得出最合適的噴油量并控制電控噴油器電磁

17、閥的通、斷電時間，實現(xiàn)對噴油過程的預(yù)噴射、主噴射和后噴射階段噴油量及噴油時間間隔的精確控制，從而實現(xiàn)噴油量的高精度控制調(diào)節(jié)。因此，尋求對高壓共軌電控噴油系統(tǒng)更優(yōu)的控制方法具有現(xiàn)實意義。1.2柴油機電控噴油系統(tǒng)類型及比較柴油機作為一種自動化控制設(shè)備主要由傳感器、執(zhí)行器和控制器三部分組成。傳感器和控制器與其他領(lǐng)域的電控技術(shù)沒有原理上的區(qū)別，只是在具體需求上有特殊性。但執(zhí)行器卻集中反映了柴油機電控系統(tǒng)的主要特征，其最主要的執(zhí)行器是柴油機電控噴油系統(tǒng)。于是，對柴油機電控技術(shù)的發(fā)展階段的劃分，主要按照柴油機電控噴油系統(tǒng)的發(fā)展來進行的，經(jīng)歷了以下三個階段。1. 位置控制式第一代位置控制式電控噴油系統(tǒng)中的電

18、子控制機構(gòu)替代了傳統(tǒng)噴油系統(tǒng)中的機械式調(diào)速器和提前器。ECU通過傳感器檢測，得到發(fā)動機工況和運轉(zhuǎn)環(huán)境等信息，計算并發(fā)出適用于當前狀態(tài)下的最佳供油指令，在電磁閥的驅(qū)動下，通過調(diào)節(jié)齒桿或溢油環(huán)位置以控制燃油的噴射特性。早期的電控系統(tǒng)一般被叫做電子調(diào)速器，其電控單元應(yīng)用的是模擬電子控制回路。這種系統(tǒng)的優(yōu)點是在原有結(jié)構(gòu)的改動較小，只需用有電控供油泵和相應(yīng)控制部件的電控系統(tǒng)來替代原有的機械式柱塞泵，產(chǎn)品升級改造較方便。該系統(tǒng)的缺點是控制精度和控制自由度均有待于提高。2. 時間控制式時間控制式電控噴油系統(tǒng)中帶有高速強力電磁閥的噴油器替代了原有的機械式噴油器。該類型的噴油系統(tǒng)是利用ECU發(fā)出的電子脈沖信號來

19、控制銜鐵的吸合與釋放，進而控制噴油器的開啟與關(guān)閉，這種方式優(yōu)化了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制能力，提高了柴油機整體性能的同時還能滿足降低排放的要求。但是時間控制式電控燃油噴射系統(tǒng)的噴射壓力仍將受到轉(zhuǎn)速的影響，制約了對噴油系統(tǒng)的進一步改善，這是由于該系統(tǒng)在原理和結(jié)構(gòu)上仍然是以脈沖高壓供油原理為基礎(chǔ)。3. 壓力_時間控制式（高壓共軌）壓力-時間控制式電控噴油系統(tǒng)拋棄了傳統(tǒng)的柱塞泵脈動供油原理，不再由高壓油泵直接控制噴油。高壓供油泵的功能是向共軌管定時定量供油以維持管內(nèi)持續(xù)高壓，采用壓力-時間式燃油計量的原理，通過對共軌管內(nèi)油壓的調(diào)控達到控制噴油壓力的目的。壓力-時間控制式電控噴油系統(tǒng)可以適時調(diào)配出與柴油機

20、運行工況相適應(yīng)的最優(yōu)參數(shù)數(shù)值，對系統(tǒng)的噴油特性進行合理有效的控制。壓力-時間控制式噴油系統(tǒng)大幅提高了系統(tǒng)的控制精度和控制自由度，是當前電控噴油系統(tǒng)應(yīng)用最廣泛的技術(shù)之一。目前，柴油機高壓共軌式電控噴射系統(tǒng)是研究的熱點，也被認為是未來最有前景的控制系統(tǒng)之一。對于燃油噴射的控制原理，各種共軌噴射系統(tǒng)的變化較小。將來的柴油機燃油噴射系統(tǒng)的一個趨勢將會是對高噴射壓力和噴油量以及噴油定時的靈活控制和對最佳噴油速率的控制。要實現(xiàn)柴油機燃油噴射過程的柔性控制，全電子控制的噴油系統(tǒng)是柴油機電控噴油技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。表1.1 高壓共軌電控柴油機與傳統(tǒng)柴油機的比較比較項目傳統(tǒng)柴油機高壓共軌電控柴油機高壓燃油產(chǎn)生方

21、式噴射泵或單體泵高壓油泵柴油計量方式機械式油量計量裝置，依轉(zhuǎn)速及負荷進行預(yù)設(shè)的噴油量調(diào)整ECU接收來自各個傳感器的信號，判斷柴油機目前的工作狀況，自由地進行壓力控制、噴油控制噴射階段單次噴射多次噴射：預(yù)噴、主噴、后噴噴油嘴內(nèi)壓力變化燃油壓力和燃油噴射同步，當轉(zhuǎn)速升高，噴油量增加時，噴射壓力會隨之升高，噴油結(jié)束后，噴油嘴的噴射壓力會下降燃油壓力由高壓供油泵加壓，與燃油噴射獨立分開；噴油結(jié)束后，噴油嘴內(nèi)的壓力仍保持高壓燃燒及廢氣排放情況柴油機轉(zhuǎn)速的高低，對燃燒影響很大，故燃燒效率變動大，造成較嚴重的空氣污染預(yù)噴可提升氣缸內(nèi)溫度和壓力，使主噴時的燃燒效率提升，功率增大；后噴使氣缸內(nèi)氣體完全燃燒，空氣

22、污染少1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.3.1 國外高壓共軌電控燃油噴射系統(tǒng)研究現(xiàn)狀20世紀60年代后半期，瑞士的Hiber教授開發(fā)成功了柴油機電控共軌系統(tǒng)的原型，目前國外己經(jīng)開發(fā)出多種共軌電噴系統(tǒng)，最具代表性的有：1、日本DENSO公司的ECD_U2高壓共軌電噴系統(tǒng)DENSO公司從1985年開始研制ECD_U2系統(tǒng)，采用直列柱塞泵產(chǎn)生高壓燃油，最高噴射壓力為135MPa，主要應(yīng)用于卡車柴油機：2003年投入生產(chǎn)的第二代共軌噴油系統(tǒng)ECD_U2P，采用了徑向柱塞供油泵，最高噴射壓力達到180MPa，能夠滿足歐IV法規(guī)，面向轎車柴油機。ECD_U2系統(tǒng)由高壓油泵、共軌管、ECU和噴油器等組成。系統(tǒng)電控單元

23、（ECU）根據(jù)柴油機工作狀況和其它信息（如冷卻水溫度、進氣壓力等），依據(jù)給定的油壓脈沖圖譜，通過供油泵上的壓力控制閥（PCV）在適當?shù)臅r刻啟閉來調(diào)整油泵供油量，以改變共軌管中的燃油壓力，因此油壓與柴油機轉(zhuǎn)速無關(guān)。該系統(tǒng)通過二位三通高速電磁閥對噴射正時、噴射量及噴射速率的柔性控制，使NOX和顆粒排放大大降低。2、BOSCH公司生產(chǎn)的CR高壓共軌電噴系統(tǒng)BOSCH公司在國際柴油機燃油噴射系統(tǒng)的領(lǐng)域內(nèi)一直處于領(lǐng)先地位，第三代CR系統(tǒng)采用了新型壓電晶體噴油器，最高噴射壓力達180MPa。目前最新的第四代高壓共軌電控燃油噴射系統(tǒng)（同軸可變噴嘴和增壓），已實現(xiàn)批量生產(chǎn)。該系統(tǒng)與ECD_U2很相似，但該系統(tǒng)

24、的高壓供油泵是帶有電控壓力調(diào)節(jié)器的徑向柱塞泵，可實現(xiàn)部分停缸控制。因此，可降低低壓時的功率消耗并成功地實現(xiàn)低的噴油率、預(yù)噴射和多次噴射。3、DELPH公司的DCR高壓共軌電噴系統(tǒng)DELPH工公司在收購英國LUCAS柴油機公司后，于2000年進入共軌燃油噴射系統(tǒng)市場。DCR系統(tǒng)顯著的特點就是利用轉(zhuǎn)速信號控制絕對扭矩，用加速度傳感器來監(jiān)控燃燒敲缸現(xiàn)象，通過進油計量閥調(diào)節(jié)供油泵出油量來控制共軌油壓，不僅提高了系統(tǒng)能量利用率，也提高了共軌壓力調(diào)整過程的響應(yīng)速度，具有良好的經(jīng)濟性，同時還可以降低油箱內(nèi)燃油溫度。整個系統(tǒng)采用積木式設(shè)計，便于應(yīng)用于不同形式和不同種類的柴油機。4、意大利Fiat公司的Unij

25、et高壓共軌電噴系統(tǒng)Unijet系統(tǒng)于1993年底投入工業(yè)化生產(chǎn)。該系統(tǒng)在預(yù)噴射噴油量和預(yù)噴射定時的控制方面具有極大的靈活性，有效降低NOX的排放和柴油機的燃燒噪聲。5、德國MTU4000高壓共軌電噴系統(tǒng)MTU公司在1996年投產(chǎn)的MTU系列柴油機上采用了共軌電控噴射系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以通過ECU對影響燃燒的所有燃油噴射參數(shù)單獨調(diào)節(jié)控制，使柴油機在各種運行工況下，經(jīng)濟性、動力性和尾氣排放都能滿足要求。1.3.2國內(nèi)高壓共軌電控燃油噴射系統(tǒng)研究現(xiàn)狀從20世紀末我國才進行柴油機高壓共軌電控燃油噴射系統(tǒng)的研究，起步較晚。目前主要在做一些共軌電控及其標定系統(tǒng)的研制開發(fā)、零部件的優(yōu)化調(diào)整、匹配、燃油及特性分

26、析和燃油系統(tǒng)的模擬計算方面的工作，整個系統(tǒng)的開發(fā)還有較大的困難。主要在一些關(guān)鍵技術(shù)上，比如高速電磁閥、新型壓電晶體式噴油器、執(zhí)行機構(gòu)的開發(fā)、泄漏問題及各學(xué)科分工合作問題等方面做的不夠。國內(nèi)進行此項研究的主要單位有：清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、天津大學(xué)、浙江大學(xué)、一汽大眾無錫油泵油嘴研究所、成都威特等。上海交通大學(xué)購買日本的ECD_U2系統(tǒng)，正在開發(fā)GD_1高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)，意圖匹配到玉柴6110柴油機上。清華大學(xué)也在進行GD_1高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)開發(fā)工作。天津大學(xué)推出了一種高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)FIRCRI，與BOSCH公司CR系統(tǒng)很相似，不同點在于采用了液力平衡式快速響應(yīng)電磁閥，它具有穩(wěn)定的

27、小油量預(yù)噴射功能，多次噴射控制功能。無錫油泵油嘴研究所和浙江大學(xué)聯(lián)合開發(fā)了FCRS共軌電噴系統(tǒng)。它還引進日本HINO公司的J08C柴油機，意圖仿照ECD-U2系統(tǒng)樣品進行開發(fā)。1.4本文工作內(nèi)容高壓共軌電控噴油系統(tǒng)的控制過程包括噴油壓力控制、噴油脈寬控制、噴油正時控制以及噴油速率控制。根據(jù)現(xiàn)有資料對電控柴油機高壓共軌系統(tǒng)的一些概括介紹和發(fā)展情況。我的課題旨在對電控柴油機高壓共軌系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作原理、控制策略等知識了解的基礎(chǔ)上，并通過MATLAB的Simulink工具箱的應(yīng)用對電控柴油機高壓共軌電控噴油系統(tǒng)控制的研究，研究討論電控柴油機高壓共軌電控噴油系統(tǒng)的控制策略，并針對控制策略建立模型與仿真

28、，為用以提高高壓共軌電控柴油機性能的試驗提供參考和指導(dǎo)。本課題基于上述研究重點，對高壓共軌系統(tǒng)控制策略進行研究，目的是加深對高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)控制技術(shù)的掌握。高壓共軌電控燃油噴射技術(shù)是一項復(fù)雜的技術(shù)，其噴油控制過程也很復(fù)雜，為了實現(xiàn)理想噴油，本文針對發(fā)動機穩(wěn)定工況下噴油控制進行了研究。根據(jù)上述研究內(nèi)容，本文章節(jié)安排如下：第一章，主要闡述高壓共軌電控噴油系統(tǒng)研究的背景及意義，描述電控噴油系統(tǒng)的發(fā)展歷程；分析高壓共軌電控噴油系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，并提出本課題的研究內(nèi)容及論文組織結(jié)構(gòu)。第二章，柴油機模型的建立。根據(jù)柴油機的結(jié)構(gòu)、原理和工作過程，建立各部分的數(shù)學(xué)模型。第三章，在對高壓共軌電控噴油系統(tǒng)工作過

29、程邏輯分析的基礎(chǔ)上，對發(fā)動機在穩(wěn)定工況條件下，確定出對噴油量和噴油正時的控制策略。 第四章，使用MATLAB/simulink工具箱，根據(jù)發(fā)動機的數(shù)學(xué)模型建立仿真模型，對噴油控制策略建立了仿真模型，并進行了仿真測試。第五章，本文的研究內(nèi)容的總結(jié)與展望。第二章 柴油機的數(shù)學(xué)模型建立柴油機理論模型，對認識、分析、設(shè)計和改進柴油機性能有著極大的幫助。柴油機的模型有的簡單，有的復(fù)雜，按照建立模型的用途，可分為理論研究分析用、性能預(yù)測用、控制分析用等。各種用途的模型都有各自的特色和著重點：理論分析用的模型注重建模的準確性和精確性，對局部的刻畫非常仔細，以便通過模擬計算能揭示某個或某些參數(shù)的變化對柴油機局

30、部，乃至整體性能的影響，但這也是計算成本最高的一種模型；性能預(yù)測用的模型則注重柴油機整體的輸入輸出關(guān)系，主要是對柴油機穩(wěn)態(tài)時的性能參數(shù)進行預(yù)測，計算中需要通過迭代計算來達到穩(wěn)定狀態(tài)，計算成本也較高；控制分析用的模型也是考慮柴油機整體的輸入輸出關(guān)系，但它更注重于柴油機的瞬時動態(tài)響應(yīng)特性，由于考慮到它的適時性要求，模型的建立不宜復(fù)雜，往往用表格或線性方程來擬合復(fù)雜的變量間關(guān)系，這種模型計算簡單，計算量小。根據(jù)發(fā)動機的工作過程建立模型，根據(jù)內(nèi)燃機各部分的工作原理，對物理過程清晰的環(huán)節(jié)用代數(shù)方程或微分方程表示，對物理過程復(fù)雜的環(huán)節(jié)則用經(jīng)驗公式或?qū)嶒灁?shù)據(jù)表示，重在描述柴油機的狀態(tài)變量值隨時間的變化過程。

31、2. 1柴油機整體模型柴油機模型包括進氣模型、動力學(xué)模型、燃燒模型幾部分。2.1.1進氣模型的建立控制輸入的是氣門開角，在較低的歧管壓力的情況下，通過節(jié)氣門體的流量是氣門開角的函數(shù)。該模型在壓縮性方程中具有一個開關(guān)條件的低壓力特性。經(jīng)驗公式為： (1) (2)；if (3)；if (4)；if (5)；if (6)式中：空氣進入歧管的流量質(zhì)量率(g/s)；氣門轉(zhuǎn)角開度(deg)；歧管壓力(bar)；大氣壓力(bar)；空氣流過進氣歧管的過程，把空氣作為理想氣體，根據(jù)理想氣體的定律，進氣歧管壓力變化率可以通過下面的公式求得： (7)式中：特定氣體常數(shù)；溫度；管路體積；空氣排出歧管的流量質(zhì)量率(g

32、/s)；歧管壓力變化率（bar/s）；空氣從歧管被泵入氣缸中，氣體排出歧管的流量質(zhì)量率，可通過一個經(jīng)驗公式對這個過程進行描述，此流量質(zhì)量率是歧管壓力和發(fā)動機轉(zhuǎn)速的函數(shù)： (8)式中：發(fā)動機角速度；進氣歧管壓力；要確定的總的空氣泵入氣缸的量，模擬進氣歧管和樣品在每個進氣沖程事件結(jié)束時的質(zhì)量流量，就可確定在進氣沖程和壓縮之前在每個氣缸內(nèi)的總的空氣質(zhì)量。2.1.2柴油機扭矩計算模型的建立柴油機的燃燒過程是決定其動力性、經(jīng)濟性和排放特性的關(guān)鍵。燃燒過程復(fù)雜多變，不僅受缸內(nèi)可燃氣體狀態(tài)的影響，還與柴油機的結(jié)構(gòu)參數(shù)、運行參數(shù)等許多因素有關(guān)。為簡化計算，燃燒扭矩的計算只考慮噴油量、轉(zhuǎn)速、空燃比、進氣量幾個主

33、要因素的影響。扭矩計算經(jīng)驗公式： (9)式中：燃燒室空氣質(zhì)量（g）；空燃比；噴油提前角（到上止點的角度）；內(nèi)燃機角速度；發(fā)動機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩；式（9）為燃燒扭矩的計算公式。2.1.3發(fā)動機動力學(xué)模型的建立根據(jù)發(fā)動機燃燒做功過程產(chǎn)生扭矩，與發(fā)動機帶動的負載扭矩，根據(jù)公式可以確定出發(fā)動機的角加速度，公式如下： (10)式中：發(fā)動機轉(zhuǎn)動慣量； 發(fā)動機角加速度；通過以上數(shù)學(xué)模型的介紹，可以根據(jù)發(fā)動機工作過程的原理，在軟件中建立發(fā)動機仿真模型，為仿真研究打下基礎(chǔ)。第三章 高壓共軌電控噴油系統(tǒng)噴油控制策略研究3.1高壓共軌電控噴油系統(tǒng)控制邏輯分析驅(qū)動電路各種傳感器噴油正時控制軌壓目標值的計算軌壓控制噴油控制閥

34、壓力傳感器噴油器目標噴油量的計算噴射控制噴油器控制電路對于高壓共軌柴油機的燃油噴射控制，就是通過ECU檢測柴油機的各種實時狀態(tài)參數(shù)（由各種傳感器得到的）實現(xiàn)對噴油壓力、噴油脈寬、噴油正時以及噴油規(guī)律等參數(shù)的靈活控制。圖3.1為高壓共軌柴油機電控噴油系統(tǒng)控制邏輯的框圖。圖3.1 高壓共軌柴油機電控噴油系統(tǒng)控制邏輯的框圖油量控制主要針對柴油機不同狀態(tài)和狀態(tài)轉(zhuǎn)換時的噴油量和噴油正時進行控制，以滿足各工況下的運行要求。在對各工況控制時，需要獲取柴油機當前的參數(shù)如轉(zhuǎn)速、水溫、環(huán)境參數(shù)以及加速踏板和車載附件狀態(tài)等信息。根據(jù)相關(guān)信息得到每個氣缸每循環(huán)基本噴油量和基本噴油正時，實現(xiàn)柴油機運行要求。3.2噴油量

35、的控制電控系統(tǒng)的噴油量就是在柴油機工作的時候，噴入每一個氣缸的油量。對柴油機工作而言，每一次的噴油量是最基本的與最重要的參數(shù)。對于電控柴油機來說，需要實現(xiàn)在不同的工況下，對每一次噴油量的有效控制。就是說噴油量的控制就是在不同的工況和不同的操作要求條件下，控制噴油量的多少，和控制實現(xiàn)噴油量的完成。每一次的噴油量主要由兩個因素決定：一個是當前的軌壓；另一個是噴油脈沖持續(xù)的時間。從理論上來說，如果軌壓穩(wěn)定，則每一次噴油量和噴油脈沖所能維持的時間是基本上成正比的。但實際上情況是發(fā)動機轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，使軌壓存在波動，導(dǎo)致每一次噴油量和噴油脈沖所能維持的時間存在誤差。噴油量的控制是利用MAP圖來表示的，先確定

36、基本的噴油量，然后推理出噴射脈寬，傳輸?shù)絿娪推?，然后利用電磁閥來達到噴油量的實現(xiàn)。3.2.1噴油量的控制策略首先由傳感器測量獲得柴油機的工況情況，也就是利用傳感器獲取油門踏板位置與平均轉(zhuǎn)速等信號。針對柴油機工作情況己經(jīng)知道的基礎(chǔ)上再結(jié)合油量的MAP圖，確定目標噴油量的基本值，再通過結(jié)合冷卻水的溫度對發(fā)動機工況的影響進行修正，得到修正值；然后再與當前轉(zhuǎn)速下的最大的噴油量進行比較，取較小的值作為最終的噴油量；最后再通過查詢共軌壓力、噴油量與噴油脈寬的MAP圖，即通過當前的共軌壓力，先查出噴油量與噴射脈寬的對應(yīng)關(guān)系的MAP圖，以確定噴射脈寬，即噴射脈沖的持續(xù)時間，然后輸出到噴油器，再由電磁閥來完成噴

37、油量的控制。冷卻水溫度油門開度轉(zhuǎn)速基本噴油量最大噴油量修正油量選擇小噴油量噴油器理論轉(zhuǎn)速PID控制器增減油量轉(zhuǎn)速傳感器柴油機圖3.2 噴油量控制策略圖由柴油機轉(zhuǎn)速與油門開度來判斷柴油機工作狀態(tài)。當對柴油機的工作狀態(tài)進行判斷后，根據(jù)油門和發(fā)動機轉(zhuǎn)速查詢MAP得到對應(yīng)工況下的噴油量。3.3噴油正時控制柴油機的噴油正時在很大的程度上決定著柴油機的燃燒，同時，噴油正時對于柴油機的排放性能、經(jīng)濟性以及運行的柔和度有著很大的影響。在噴油的過程中，噴油的提前角既不能太大，也不能太小。如果噴油的提前角太大，將會導(dǎo)致柴油機的工作粗暴，著火的延遲期可能變長，由此導(dǎo)致噴入氣缸內(nèi)的燃油太多，這樣會使柴油機的壓縮負功增

38、加，使功率下降，燃油的消耗率將會增加。若是噴油的提前角太小的話，則會導(dǎo)致后燃燒現(xiàn)象，使排氣溫度增加，同時燃油的消耗率也增加，還會對渦輪帶來負面的影響。因此，噴油的提前角既不能太大也不能太小，必須要慎重的選擇，也就是說，需要依據(jù)柴油機工況的不同來對噴油正時進行精確的控制。3.3.1 噴油正時控制策略對噴油正時的精確控制是共軌技術(shù)控制的關(guān)鍵之一，控制的基本原理就是采用基本值與補償值相加，其中的基本值是要通過柴油機的轉(zhuǎn)速和噴油量的MAP查詢得到的，補償值則主要包括：進氣溫度補償、冷卻水溫補償以及大氣壓力補償?shù)取Ｒ驗闇囟容^低時燃燒的延遲會受到影響，所以要引入進氣溫度補償，通過結(jié)合標定的MAP來獲得補償

39、量。當柴油機在運行時，由于行駛道路的海拔高度不一致，將會使進氣壓力發(fā)生變化，這樣就會導(dǎo)致柴油機某些硬件的損壞，所以要使用大氣壓力補償，來使由于海拔高度造成的進氣壓力變化帶來的影響降到最低。穩(wěn)定工況噴油提前角=基本量+補償量。其中基本量是柴油機噴油量和柴油機轉(zhuǎn)速的函數(shù)，通過標定MAP獲得。補償量包括冷卻水溫補償、進氣溫度補償、大氣壓力補償?shù)?，通過標定MAP查得。由于長途駕駛時，道路的海拔可能存在較大的起伏，這種起伏將引起進氣壓力的劇烈變化，從而造成渦輪增壓器的超速而導(dǎo)致系統(tǒng)硬件損壞，引進大氣壓力補償目的是為了將海拔高度變化的影響最小化。本章節(jié)對高壓共軌燃油噴射控制系統(tǒng)的噴油控制過程進行了分析，對

40、穩(wěn)定工況下的噴油量和噴油正時控制策略進行了設(shè)計，為后續(xù)控制策略建模提供依據(jù)。第四章 控制策略的模型建立與仿真4.1仿真軟件介紹4.1.1 Simulink介紹及特點1990年，MathWorks公司推出了Simulink，Simulink是以建立框圖的形式來進行建模、仿真和分析的動態(tài)多維系統(tǒng)交互工具，對于用戶來說，它具有功能強大、操作簡便的優(yōu)點。Simulink包含多樣的模塊庫和功能子模塊，提供圖形式的仿真工具，其操作平臺允許建立自定義子模型庫且仿真過程是交互的，這種方式方便了用戶對模型進行組建和改動，可大幅簡化動態(tài)系統(tǒng)的建模與仿真工作。Simulink模型可以讓用戶在觀察模型動態(tài)細節(jié)的同時，

41、清楚地了解到各系統(tǒng)、子系統(tǒng)之間的信息交換情況，對整體模型之間的交互影響有所掌握。Simulink是MATLAB的仿真工具箱，用來模擬線性或非線性以及連續(xù)或離散或兩者混合的動態(tài)系統(tǒng)仿真工具，能提供一個系統(tǒng)級的建模和動態(tài)仿真工作平臺，它提供控制系統(tǒng)圖形輸入方式，使建模變得容易、直觀，使系統(tǒng)模擬開發(fā)效率非常高。還具有非常高的開發(fā)擴充性，用框圖形式表達模型結(jié)構(gòu)，方便地更改和組建已有的或用戶自己創(chuàng)建的模型，并將仿真過程和結(jié)果可視化顯示。imulink能對系統(tǒng)模型進行分層描述、參數(shù)設(shè)置，使用戶能夠快速準確地創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)的計算模型，并能直接處理系統(tǒng)仿真流程框圖和動態(tài)控制系統(tǒng)。MATLAB/Simulink是

42、目前國際上最流行的控制器和控制算法開發(fā)的一個標準工具。4. 2柴油機模型建立根據(jù)第二章所描述的柴油機工作過程數(shù)學(xué)模型，使用simulink工具箱建立仿真模型，模擬柴油機工作過程，包括柴油機的進氣、壓縮、燃燒做功以及發(fā)動機動力模型產(chǎn)生扭矩的工作過程，并輸出發(fā)動機的轉(zhuǎn)速，為后續(xù)噴油系統(tǒng)的噴油制策略提供信息輸入?yún)?shù)。文中主要研究發(fā)動機在穩(wěn)定工況下的工作狀態(tài)，所以針對發(fā)動機常用轉(zhuǎn)速區(qū)間進行設(shè)定，使發(fā)動機能夠在穩(wěn)定轉(zhuǎn)速情況下運轉(zhuǎn)，且轉(zhuǎn)速波動較小，保證后續(xù)仿真內(nèi)容的準確。圖4.1 柴油機simulink模型4. 3高壓共軌噴油量控制策略建模與仿真4.2.1穩(wěn)定工況下噴油量控制模型使用MATLAB/simu

43、link工具箱建立噴油量控制策略模型，如下圖所示：圖4.2噴油量閉環(huán)控制模型4.2.1噴油量控制模型仿真結(jié)果1、同轉(zhuǎn)速、不同油門開度時的噴油量：（氣壓101kPa，水溫80，氣溫20）（1）轉(zhuǎn)速1500r/min，油門開度0%100%，間隔20%。 （2）轉(zhuǎn)速1600r/min，油門開度0%100%，間隔20%。 （3）轉(zhuǎn)速1700r/min，油門開度0%100%，間隔20%。 （4）轉(zhuǎn)速1800r/min，油門開度0%100%，間隔20%。 （5）轉(zhuǎn)速1900r/min，油門開度0%100%，間隔20%。 （6）轉(zhuǎn)速2000r/min，油門開度0%100%，間隔20%。 （7）轉(zhuǎn)速2100r

44、/min，油門開度0%100%，間隔20%。 （8）轉(zhuǎn)速2200r/min，油門開度0%100%，間隔20%。 （9）轉(zhuǎn)速2300r/min，油門開度0%100%，間隔20%。 （10）轉(zhuǎn)速2400r/min，油門開度0%100%，間隔20%。 從結(jié)果圖中可以看出，在轉(zhuǎn)速相同的情況下，柴油發(fā)動機在油門開度為0%時沒有噴油，這是由于此時油門開度過低，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速達不到期望值，所以不噴油；隨著油門開度增大，發(fā)動機可以穩(wěn)定工作，并且隨著油門開度增大噴油量增大。控制策略中添加了PID控制，可保證噴油量的變化與轉(zhuǎn)速的波動趨勢相反，當實際轉(zhuǎn)速正向偏離期望轉(zhuǎn)速時，噴油量降低，使轉(zhuǎn)速降低；當實際轉(zhuǎn)速反向偏離期望轉(zhuǎn)速時，噴油量升高，使轉(zhuǎn)速升高，能夠更好地穩(wěn)定發(fā)動機轉(zhuǎn)速。2、不同轉(zhuǎn)速、同油門開度時的噴油量：（氣壓101kPa，水溫80，氣溫20）（1）油門開度0%，轉(zhuǎn)速為1500r/min2400r/min，間隔100r/min,循環(huán)噴油量的仿真結(jié)果：（2）油門開度20%，轉(zhuǎn)速1500r/min2400r/min時，間隔100r/min,循環(huán)噴油量的仿真結(jié)果：