第33卷第1期 2016年1月 机 电 工 程 Vo1.33 No.1 Journal of Mechanical&Electrical Engineering Jan.2016 DOI:10.3969/j.issn.1001—4551.2016.O1.023 基于模型的共轨柴油机主喷油量 控制算法研究 张 岳 ,聂 飞2,贺 敏 (1.中国人民解放军镇江船艇学院装置保障系,江苏镇江212003; 2.浙江大学能源工程学院,浙江杭州310027) 摘要:针对目前高压共轨柴油机电控系统开发周期较长以及开发成本较高的问题,通过研究基于模型的软件开发流程,在Matlab/ Simulink环境下建立了高压共轨柴油机主喷油量控制算法模型,其中包括烟度限值控制模型、启动油量控制模型、怠速油量控制模 型、怠速PID控制模型以及油量脉宽转换模型;对控制算法模型的关键MAP图进行了标定以验证该控制算法模型的有效性,并在 使用INCA标定软件建立监控和标定的发动机试验台架上进行了一系列试验。试验结果表明,发动机启动过程迅速,且正常工况下 转速稳定,并能根据环境情况和发动机的当前需求自动调节目标油量;该控制算法能够较好地满足发动机起动、怠速以及正常工况 的控制需求。 关键词:电控柴油机;基于模型的软件开发;主喷油量;控制模型 中图分类号:TP391;TK429 文献标志码:A 文章编号:1001—4551(2016)01—0l16—07 Optimization for model-based main fuel injection quantity control algorithm of common rail diesel engine ZHANG Yue ,NIE Fei ,HE Min (1.College of Equpment Support,PLA Zhenjiang watercraft College,Zhenjiang 2 1 2003,China; 2.Department of Energy Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China) Abstract:Aiming at the problem that the development period of the electronic control system of high pressure common rail diesel engine is longer and the development cost is higher,through the research on the model based software development process,the model of the main fuel injection quantity control of high pressure common rail diesel engine was established under the Matlab/Simulink environment.The control al— gorithm model includes the model of the limit value of smoke,starting the oil quantity control model,the model of the idle oil quantity con— trol,the PID control model and the pulse width conversion mode1.The key MAP diagram of the control algorithm model was calibrated to ver- ify the validity of the proposed control algorithm.A series of experiments were carried out on the engine test bench using INCA calibration software.The results indicate that,the engine starts up quickly and steadily,and can adjust the target oil automatically according to the envi— ronment and the current requirement of the engine.The algorithm can meet the requirement of engine starting,idle and normal operation. Key words:electronically controlled diesel engine;software development based Oil model;main fuel injection quantity;control model 0 引 言 随着国VI标准即将颁布,我国废气排放法规已经 逐渐与国际标准接轨,作为一个能够通过灵活地控制 收稿日期:2015—10—08 喷油压力和喷油规律提高发动机工作稳定性和排放性 能的燃油喷射系统,高压共轨电控系统在柴油机上得 到了广泛运用…。高压共轨电控柴油机最核心的部 分就是其电控系统的开发,精确可靠的控制系统才能 作者简介:张岳(1987一),男,江苏镇江人,主要从事发动机电控方面的研究.E-mail:zhangyueyyt@163.corn 第1期 张岳,等:基于模型的共轨柴油机主喷油量控制算法研究 保证准确地调节喷油速率、喷油正时以及喷油压力,而 主喷油量控制则是高压共轨电控系统实现稳定控制的 关键部分 。 传统软件开发模式的各个开发环节都是各自独立 编译后下载到硬件平台,以测试代码的实时陛指标,即 硬件在环仿真。完成以上开发环节以后,研究人员在 发动机试验台架或者实车上进行实机验证和标定。 完成的,各部分分别开发完成后再拼接成为整体,这种 开发模式不便于在系统设计早期发现产品设计的缺 2 主喷油量控制模型的建立 高压共轨喷油系统能够实现对柴油机喷油定时、 陷,必须把所有代码编写完成后才能测试设计的正确 性以及有效性。基于模型的软件开发模式先建立模 型,然后采用建模和仿真来完成从需求到设计的实现 喷油脉宽、喷油率和喷射次数的柔性控制,是当前柴油 机提高经济性、优化燃烧、减少有害排放主要研究方向 之一_5 。高压共轨喷油系统对循环喷油量的灵活、精 与测试,将模型进行系统验证后再将模型自动生成代 码。基于模型的软件开发模式能够使模块得到重复使 用,而自动代码生成技术使产品的代码生成和验证都 由计算机自动完成,这样可以大大提高产品开发速度, 同时保证代码的正确性 。 基于模型的软件开发模式,本研究建立发动机主 喷油量控制模型,并通过发动机试验台架展开试验以 及使用标定软件对控制算法模型进行标定,验证该控 制算法模型的有效性。 1 基于模型的软件开发流程介绍 基于模型的开发流程特点是整个开发调试过程都 是在相同的环境下完成的,可以对每个步骤的开发过 程都进行验证…。 基于V模式的软件开发流程如图1所示。 图l基于V模式的软件开发流程 所有发动机对象和控制策略都需要建立模型,即 功能设计,在这个流程中,基于模型的控制算法设计和 软件在环仿真可以使用图形化建模工具(如Matlab/ Simulink等)设计需要实现的功能并先在仿真环境下 验证。控制原型可以从图形化建模工具中自动生成代 码,然后下载到硬件设备上进行测试,并在实际车辆中 方便、可靠地进行测试和优化各种功能。目标硬件的 代码自动生成部分是开发流程的中心环节,它能利用 自动代码生成技术直接在Simulink/Stateflow中生成可 执行的代码。而将这些生成的代码加载到IDE环境, 确控制是其改善柴油机性能的关键 。 而基于模型的开发模式最基础的环节即第一阶段 就是基于模型的控制功能设计,即建立需求文档,并设 计出可执行的技术规范,完成算法建模并设定有效的控 制参数,最后进行模型验证。为此本研究在Simulink上 建立的主喷油量控制模型如图2所示。该模型主要包 括烟度限值控制模型,启动油量控制模型,怠速油量控 制模型,怠速PID控制模型以及油量脉宽转换模型。 图2主喷油量的控制模型原理 2.1烟度限值控制模型 为了满足废气排放法规的要求,研究人员必须将 发动机排放的烟度控制在一定范围之内,而发动机烟 度过大有几方面的原因,其中进气压力的变化便会对 发动机烟度产生影响,特别在高海拔地区,由于大气压 力较小,空气密度也会较小,这样进人燃烧室混合气浓 度较海拔低的地区会更浓,导致燃烧不完全,发动机冒 黑烟。而进气温度下降,空气密度增大,进气量就增 大,但同时混合气混合质量也会变差。为了控制发动 机烟度,本研究设计了主喷油量的烟度限值控制部分, 如图3所示。 该部分主要包括以下3个方面。 ・l18・ 机 电 工 程 第33卷 (1)TMAP烟度对油量的限值。根据增压压力BP. SCD_(2)大气压力烟度对油量的限值。由大气压力 APSCD—pFhVal与发动机转速Eng_nAvrg mp查表EngCtl— _pVal和发动机转速查表EngCtl—qAPSLim—MAP qSmokeLimqBPSLim__MAP得到增压压力产生烟度的限值InjCtl— CUR得到的校正因子InjCtl—facATSCor— 得到油量的大气压力烟度限值InjCtl_qAPSLim_mp。 mp,再乘以进气温度IATSCD_tAir查表EngCtl —(3)冷却水温烟度对油量的限值。由冷却水温 CTSCD—facATSCortClnt和发动机转速查表EngCtl—qCTSLim— mp,得到油量的TMAP烟度限值InjCtl_qSmokeLim_mp。 MAP得到油量的水温烟度限值InjCtl—qCTSLim—mp。 图3 主喷油量的烟度限值控制模型 最后笔者取三者中的最小值,即整体烟度对油量 动性能。根据冷却水温度和启动时间设计的控制算法 如图4所示。 的限值InjCtl—qSmokeLimFinal—mp,通过该限值限制主 喷油量,使发动机提高燃烧效果、改善排放性能。 2.2启动油量控制模型 由冷却水温和发动机转速查表EngCtl—qStrtBase— MAP得到发动机启动基本油量InjCtl—qStrtBase—mp,再 根据启动时间TCRANK查表EngCtl—qStrtAdd—CUR得 在启动过程中,若发动机机体的温度较低,可能会 出现冷启动困难的情况,这是由于活塞环与气缸壁之 到对启动油量的补偿值InjCtl—qStrtAdd—mp,启动时间 间的密封油膜尚未形成,不仅会造成压缩混合气泄漏, 还会使润滑油黏度过大,引起起动机倒拖转速较低、气 缸内混合气雾化不良等等问题;若发动机启动转速过 低,也会导致发动机温度较低,拖长启动时间,影响启 E 越长,油量逐渐增加,两者相加得到启动油量InjCtl— qStrtmp。为了限值启动时转速冲的过高,需要对最高转 _速进行限值,因此需要与最高转速油量限值InjCtl一 qSpeedLim mp比较,取较小值为发动机的最终启动油量。 曜』 - ̄Ctl_qSpeecu—im-m 习 — 』 啦 - I Jl 舢 MinMax4 - Slnt EngCtlqStrtBAseMAP —。 删 厂]lnjCtl Strt_mp U Add ~ 一 K EngCtlqStrtAdd CUR .mp 图4发动机启动油量控制模型 第1期 张岳,等:基于模型的共轨柴油机主喷油量控制算法研究 具体的启动试验效果如图9所示。从图9中可以 3.3怠速油量控制试验 看出,启动油量的设定比较合理,当发动机启动后,转 速由0迅速上升到780 r/min,油量则从100 mm’迅速 降低到10 mm 左右。启动后,发动机经过一个短暂的 怠速工况下油量控制效果图如图11所示。从图 11中可以看出,发动机空载,转速维持在800 r/min左 右,此时油量也能够保持稳定在5 mm 附近的范围之 调整过程,平稳地进入到怠速工况,整个过程用时大约 内,波动非常小。整个怠速工况的油量供给情况比较 平稳,说明本研究建立的主喷油量控制模型具有很好 的控制效果。 3 s~4 S。启动效果非常好,达到了预期的设计要求。 襄 毒 s 百 襄 t}s 图9发动机启动试验效果图 图11怠速油量控制效果图 3.2主喷油量基本MAP标定 4结束语 本研究的工作是在柴油机电控系统对于软件开发 的需求的大背景下展开的,采用基于模型的开发模式 完成了高压共轨柴油机控制算法中主喷油量控制部分 的研究。本研究主要针对烟度限值控制模型,启动油 量控制模型,怠速油量控制模型,怠速PID控制模型以 发动机正常工况下的基本油量能根据发动机转速 和油门开度查发动机主喷油量基本MAP图得出。完 整的发动机主喷油量基本MAP图标定需要根据整车 的性能要求和驾驶员的驾驶性能进行标定,本研究只 在发动机台架上进行实验,该MAP图只要满足发动机 调速型线规律,能够稳定控制发动机即可。标定得到 的发动机主喷油量基本MAP图如图1O所示。从图 1O看出随着转速的升高所需主喷油量减小,而随着油 门加大所需主喷油量增大,这是由柴油机控制型线决 定的。 及油量脉宽转换模型,在Simulink环境下建立了高压 共轨柴油机主喷油量控制模型。在此基础上,在使用 INCA标定软件建立监控和标定的发动机试验台架上 进行了一系列试验。在试验中,发动机启动时,经过 3 S~4 S的短暂调整,快速平稳地进入到怠速工况。发 动机空载时,转速维持在780 r/min左右,此时油量也 能够保持稳定在5 mm 附近的范围之内,波动非常小。 实验结果表明,该控制算法模型能够满足发动机启 动、怠速、以及正常工况的主喷油量控制需求,为建立完 整的高压共轨柴油机ECU控制算法模型打下了基础。 参考文献(References): [1]CTANIA A E,FERRARI A,MANNO M,et a1.Experimental investigation of dynamics effects on multiple・-injection com・- mort rail system performance[J].Journal of Engineering 图10发动机主喷油量基本MAP图 for Gas Turbines and Power,2008,130(032806):1—13. (下转第126页) 本文引用格式: 张岳,聂飞,贺敏.基于模型的共轨柴油机主喷油量控制算法研究[J].机电工程,2016,33(1):116—121,126. ZHANG Yue,NIE Fei,HE Min.Optimization for model—based main fuel injection quantity control algorithm of common rail diesel engine[J].Journal of Me— chanical&Electircal Engineeirng,2016,33(1):116—121,126. 《机电工程》杂志:http://www.meem.eom.cn ・126・ 机 电 工 程 峰,郁第33卷 磊,等.Matlab神经网络30个案例 度跟踪效果好,且侧向加速度和质心侧偏角比无控制 [7]王小川,史时的收敛性能好,明显地提高了汽车转向时的行驶稳 定性,也有效地降低了驾驶员的操作负担。 参考文献(References): [1] ZUO G,KUMAMOTO H,NISHIHARA O,et a1.Quantita— tive reliability analysis of different design altematiyes for 分析[M].北京:北京航空航天大学出版社,2010. [8]刘弈君,赵(2):56-60. 强,郝文利.基于遗传算法优化BP神经网 络的瓦斯浓度预测研究[J].矿业安全与环保,2015,42 [9]余志生.汽车理论[M].4版.北京:机械工业出版社, 2006. steer—by-wire system[J].Reliability Engineering and Sys- tern Safety,2005,89(3):241—247. [10]李喜盼,刘新侠,张安兵,等.遗传算法神经网络在滑坡 灾害预报中的应用研究[J].河北工程大学学报:自然科 学版,2009,26(1):69-71. 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