1、實用標準文檔文案大全高壓共軌燃油噴射系統新型壓力調節 裝置的建模與控制研究Vivek Kumar Gupta 1, 張震 2，孫宗軒 21、機械工程系，明尼蘇達大學，明尼蘇達州，美國2、精密儀器與機械學系，清華大學，北京，中國摘要： 本文介紹了內燃機高壓共軌燃油噴射系統的一種新型壓力調節裝置的模型和控制方法。軌道內進入 和傳出的流量造成的壓力脈動對噴入氣缸內燃料的數量和流量的精確度產生負面影響。這項工作的目的是 設計一個新的調節裝置，以遏制軌道內壓力脈動。我們首先利用流體流動方程提出了高壓共軌的一維分布 模型，它可以捕捉軌道內的壓力脈沖分布動態，并根據 AMESim 模型獲得物理證明。然后我們

2、提出一個類 似壓電傳動裝置的自動的流體存儲裝置的概念，以減少壓力波動。該執行器在軌道上的位置也被評估，以 最大限度地發揮其作用。燃油噴射的周期性性質取決于發動機運行中每一沖程產生的軌道壓力脈沖，脈沖 也是周期性的出現在旋轉角范圍內。為改變這種異常的動力學現象，我們設計了一個隨時間變化的內部模 型為基礎的控制器，以補償的壓力脈動。關鍵詞： 分布模型；高壓共軌；壓力控制；時間控制1. 引言內燃機燃油噴射系統已經從一個機械系統發展到電子控制的機電一體化系統 。無論對汽油機還是柴油機， 精確和靈活的燃油噴射系統對于提高燃油經濟性和減少污染物排放是至 關重要的 1,2 。鑒于我們所面臨的交通運輸能源可持

3、續發展的挑戰，發展高效、精確、靈活 的高壓高速燃油噴射系統將會對未來的發動機行業、 交通運輸業及流體動力領域產生深遠的 影響。直接噴射（ DI ），特別是高壓共軌燃油噴射系統將燃料在高壓下直接噴入燃燒室內 1,3 。 在這個系統中軌道作為一個壓力聚集器， 來存儲噴射時所需要的高壓燃料液體。 從噴油泵和 噴油器的流入和流出的流體在軌道內產生短暫的高壓， 這會對發動機不同循環的燃料噴射行 為和流量狀況產生影響 4,5 。雖然關于高壓共軌燃油噴射系統動力學的文獻資料很豐富， 但大都把焦點放在發展燃 油噴射系統的組件模型上，而對油軌分布類型的研究只有相當少的關注 6,7 。集總式模型不 能預測在軌道中

4、的實際動態， 由于高壓泵出來的入口流體和流到噴油器的出口流體產生的干 擾，壓力在沿著油軌的不同位置不斷變化 8 。這種現象周期性的發生對應于發動機旋轉角度 （曲軸角度） ，該轉角取決于發動機運行中的沖程運動 9,10 。然而，壓力脈沖產生的時期在時因此對脈沖壓力的精確控制是很難實間范圍不斷變化， 由于發動機轉速隨時間變化而變化，現的11,12與燃油噴射系統相關的主要挑戰是在壓力脈沖出現時如何實現對射入汽缸內燃料的數 量和流量的精確控制。目前的慣例是通過控制一個電控液壓閥13 或者壓力調節器 14 來控制軌道內部的壓力， 由于有限的帶寬和與運行有關的能源消耗， 這種方法是在補償壓力波動方面是有限

5、的。作為減緩共軌壓力脈沖的替代物，可以設計一種活躍的像基于執行器的壓電換能器的流體能量存儲裝置，能夠實時吸收和供應高壓流體以補償壓力脈沖16。從本質上講，問題是要控制執行器來改變液量，從而補償壓力擾動，使軌道內部的壓力是保持恒定。為了實現這一目標，獲得軌道內部精確的壓力動力學特性是必須的。一維分布模型用于描述軌道中的波傳播，這將有助于尋求執行器的最佳位置，以便由執行機構提供的效果最大化（假設只有一個驅動器和一個傳感器可以安裝），這種設計有可能用于內燃機的下一代高壓燃油噴射系統。為了利用壓力脈動在旋轉角度域的周期性，我們設計了一個基于角度變化的內部模型的控制器來生成所需的執行機構的運動。一旦從時

6、間轉換成角從域， 設計上的挑戰在于執行器（裝置）的動態隨時間變化的事實（實際上是隨角度變化）。它可以證明，我們最近開發的以時間變化內部模型為基礎的設計可用于彌補這種壓力脈動17,11。本文的其余部分組織如下： 第2節中，基于流體流動方程， 開發了一種高壓共軌的分布 式數學模型，并在 AMESim中的一個物理模型上得到驗證。第 3節中，提出了一種快速反 應的壓電陶瓷驅動器， 旨在補償在軌道上的壓力脈動。 在第4節中，內部基于模型的控制方 法論被應用于控制執行器。在第5節，提供了模擬實驗驗證了該新型壓力調節裝置的有效性。2. 共軌系統中燃油動態的一維分布模型為了了解在軌道內的燃料動力，我們開發了高

7、壓共軌一維分布模型（約305毫米長，直徑為9.2毫米的管）。這種分布式模型將有助于在軌道上找到關于壓力最大補償量的執行器 的位置，而這個位置不能通過集總模型獲得。圖1高壓共軌燃油噴射系統結構圖由描述 模型的細節 開始，我們 簡要的介紹 了內燃機高 壓共軌燃油 噴射系統。 圖1展示了 高壓共軌系 統的結構 圖，其中的主要部件包括一個高壓泵，一個出油閥，一條共用軌道，一個電動液壓閥和電子 控制燃油噴射器。 高壓泵將流體壓力升高到1000-2000Pa的范圍，這樣高的高壓燃料然后進入軌道內，軌道作為一個蓄壓器將燃料在高壓下存儲起來為噴射做準備。電子控制燃油噴射器與油軌相連接將燃料噴入燃燒室。通常情況

8、下在最短的噴射時間不盡相同，在0.8-1.2毫秒之間。理論上說，進出油軌的高速流體引起的壓力脈動從而造成噴射器計量誤差、流量變化和噪聲。這種補償壓力脈沖的做法是可取的，這樣噴射的燃油量可以精確控制，而且可以針對不同的發動機轉速和負荷條件下保持適當的空燃比。與大多數文獻建模工作相同，以整個噴射系統為模型，我們主要集中在軌道上的燃料動力，利用模擬可壓縮流體的流動方程，在 AMESim系統與整個系統的基礎物理模型并進行比較。該方程包括燃油的連續性和動力性平衡將在下文介紹。當與壓力動態相比較時，由于與溫度變化相關的遲鈍動力，能量存儲被忽略掉。衛W q“.：t Acr ；X丄也王2f¥=0Ac

9、r t:xAc, D這里的聲速c -：是代表壓力的一組偏微分方程（ PDE）和兩個獨立的變量4 ¥ 珀+KP）（x，t）的質量流量率，其中 Acr，D和K分別是油軌的面積，直徑和剛度。 f是范寧摩擦系 數;q和b分別代表燃料的密度和體積系數。一種有限差分格式應用于轉換偏微分方程為一 組常微分方程組（ODE ）。要達到這個長度，油軌被分散成20段，如圖2所示，而且該解決方案在每一個時刻都要是協調一致的。高壓泵中的質量流量率如圖 3所示。流量率輪廓隨發動機的轉速在變化。 這是一個連接 到曲軸上的三柱塞泵，流量率由出油閥控制，而軌道尾端的壁面條件作為邊界條件。 向前差 分技術應用到油軌段，

10、產生以下形式：q(O,t)二 qpump,q(N,t) =0.xPi _ Pi 1 - Pi:xx其中pi（ t ）和qi（ t ）對應于第一段i= 1，2N，是相關的狀態變量， 如果有一個噴油器丫 i= 1，另一個丫 i= 0。因此第i段公式近似如下:Pi(t 1) - Pi(t)&2CsAcr x(qi _ qi 1 i qinj ,i )qt 1) 7i(t) t(Pi 一 Pi 1) 一2fAcr D，qqi對噴油器的動力學模型使用如下形式的質量流量孔板公式:qinj ,i (t) =Cd A J2|pi - P P圖2油軌的離散化05010015020025Q30035Ct

11、th*# A deg圖3高壓泵的流量率tn Ims4軌道內的壓力分布（a）角度域時間域這里Cd =0.7, Ai =o.119mm2, P =30bar是燃油噴射器的性質和在模擬中使用的變 量的值，結合Eqs（2）和（3），我們獲悉了油軌中的燃料動力。基于上述模型（2）及（3），在軌道內的壓力動力學在Matlab動進行了模擬。從圖4a所示的結果可以看出，該基本壓力脈沖的周期（由于燃油噴射運動壓力下降）關于發動機的旋轉角是不斷變化的。在時間域上表示時，由于在發動機轉速變化（當t = 0 ，0.1，0.2，0.3，0.4時發動機轉速輪廓的線性變化為600,1200,600,600,1200 轉/分

12、，如圖 4）。這兩個圖標表明，只有一個噴油器在活躍的情況下才會產生壓力脈沖，從而得到合理解釋。為了驗證數學模型（2 ）和（3）的結果，在 AMESim的環境下一個基于物理的模型得到應用，整個燃料噴射系統采用液壓和電子元件為藍本。與噴油器的孔板方程的數學模型不同的是，該模型刻畫了燃油噴射器的全部物理動態。分布式波動方程的子模型也應用于研究I圖5燃油噴射系統的 AMESim模型高壓共軌動態式分布。圖 5顯示了為簡單起見只用一個噴油器的燃油噴射系統AMESim模型布局。該AMESim的模型和MATLAB模型對比結果將在下文呈現。通過模擬壓力脈沖，對這項工作的目標是顯然是要補償這些脈沖。為了實現這一目

13、標，目前在其他研究中的做法是控制燃料流過節流閥以調整壓力。但是，這種方法只有一個相對緩慢的壓力變化，影響有限，因為閥門的帶寬相對較低，限制行動也造成能量損失。在這項 工作中，我們建議增加一個緊湊的和活躍的流體存儲裝置，通過實時運動以改變軌道容量使其帶寬高到足以彌補壓力脈沖，。高莊 泵傳就叢置嘴油理圖6油軌上的傳動裝置最初的模擬是當只有一個處 于活動狀態的噴油器而且執行器 安裝在噴油器前的一個位置，如圖6所示。執行器的模型的特點是流 體流量，保持活躍的流入和流出狀 態。為驗證所提出的執行機構的 有效性，我們實施了一組模擬顯示 執行機構位置和相應的壓力補償 之間的關系。圖7顯示了油軌在一 個噴油器

14、情況下，模擬模型裝有執 行機構和沒有執行機構時壓力的* 訕曲顯村越廉1500SOO10GO甲巾訶F，w咚卑卜建杲05001QOT15W圖7油軌的壓力及傳動裝置的影響細節變化，此時預設的執行機構安 裝在噴油器前的一小節。可以看 出，在執行器存在時油軌的壓力干 擾有相當大的減少。我們也可以看 到，分析模型（2）及（3）與 AMESim 中的基礎物理模型匹配的很好。圖8顯示了噴油器的質量流 量率。ECU發送一個控制信號到 燃料噴射器的螺線管，使噴油器開 始噴油到燃燒室，從而使軌道內的實用標準文檔0050010001500油世捐轉苗ritd圖9傳動裝置安置位置的細節因素5001攻詁轉埼Htgl3051

15、 1150010001500圖10不同循環的軌道壓力一一四個噴油器的情況訓H卻nJ?裂薩姑*8021-4026321Q 50 1QO 150 2OQ 250 3QQ 勒遠長用mJ漫0圖11在軌道長度上壓力對于平均值的偏差壓力下降。噴油器的典型信號是一 種雙向的價值，即開啟或關閉。噴 油持續性在時間范圍內的變化取 決于軌道上發動機轉速變化對壓 力下降重要性的影響。 在這個短暫 的壓力期間，油軌上的壓力傳感器 將信息傳到ECU，ECU控制著高 壓泵的出油泵，使其流出燃料的需 要量從而使壓力回歸正常值。由于燃油噴射時間的發生 主要是周期性的對應于發動機曲 軸旋轉角度域，此時不考慮發動機 的轉速。執行

16、器位移在旋轉角度域 內也是周期性的，即由于燃油噴射 導致油軌內的壓力波動才產生執 行器運動。執行器的位移時間等于 燃油噴射持續期，詳情如圖9所示。當燃油噴射時活塞向油軌運 動，因此油軌的容積減少以補償由 于燃油噴射運動的開始導致的壓 力下降。其結果是使油軌的整體壓 降降低，但由高壓泵流入相同 （假 設在沒有執行機構的情況下），試 圖把壓力回到平均值，執行機構控 制輸入量是相反的方向，因此使活 塞運動可以增加量以適應這種燃 料流入和控制壓力上升，因此大部 分的壓力振蕩可以減少。模擬擴展到四個噴油器的器 的情況下，如圖10所示。執行器 被放置在一個單元格和壓力補償 效果被記錄下來。然后，將驅動器

17、位置改變，以及相對于以前的位置 補償進行了比較。值得一提的是理 文案大全實用標準文檔論上的動態編程技術可以作為一個系統的方法找到執行器最佳位置。但是，由于尺寸限制， 在我們的例子中，系統考慮尺寸約為20，對于開展這樣的高階系統動態規劃，這是一項難以克服的任務。在發動機不同周期的整個油軌上，執行器在一個單元通過測量壓力對平均值的偏離量來 控制其他單元的的壓力脈沖如圖 11所示。結果表明，在有執行機構軌道壓力偏差比無執行 器偏差少。一個這樣的概念設計的執行器是在下一節討論。3、一種新型壓力控制裝置對于執行器設計的基本要求是有一個裝置能夠吸收和供應高壓流體以補償壓力脈動。這種裝置的一個可能的設計 在

18、圖12中給出，使用壓電 陶瓷（PZT）堆棧作為執 行機構的起動裝置，因為 其具有快速響應和抗高壓 的能力。壓電執行器由一 個盒子、活塞、壓電疊堆 和彈簧組成。當堆棧通電 時，它會縮小或擴大，而 且活塞移動增加或減少液 量使壓力脈動可以得到賠 償。只有一個而不是多個 執行器的原因是適應補償由于多個執行器引起的壓力脈沖及由于多個執行器和傳感器的使用成本增加。在噴油過程中，電子輸入應用于壓電堆棧， 執行機構的活塞位移幅度依據壓力值偏離具 體平均壓力而定（油軌的壓力保持恒定）。執行機構的偏離方向取決于壓力偏離的多少，這將影響流體流量，以保持壓力恒定。一種隨時間變化的控制設計， 生成所需的執行器的運動,

19、 這將在下一節提出。4. 隨時間變化的控制裝置設計有了上面的執行機構， 我們需要一個適當的控制， 讓執行機構在一個旋轉角度域內做周 期行的運動，如圖9所示。因此，在軌道的壓力脈動可以獲得顯著性的補償。然而，這是一 個具有挑戰性的控制問題， 因為由于發動機轉速在時間的變化，在旋轉角度域內執行機構呈周期性運動而在時域呈非周期性運動。為了解決這個問題，我們開發了一個執行機構的軌跡跟蹤配置文件，其在旋轉角度域呈周期性，但在時域呈周期性和非周期性變化。通過首先轉換執行器動態為角度域，執行機構運動周期性的性質在旋轉的角度域內其杠桿作用具體來說，我們認為裝置模型的形式：17,11。x(t)二 Ax(t) B

20、u(t)e(t)二 Cx(t) d(t)我們將裝置模型(4)轉換到旋轉角度域，如下dX(r)1-1-Ax(旳Bu(r)e(“ =cx(r)d(=)顯然，執行器模型是隨角度變化的線性關系。當沒有發生混亂，但我們仍然認為系統隨時間線性變化，此時的獨立變量0由t取代。它表明如果系統是可以控制和觀察的，那么整個系統是可控制和觀察的。為能夠執行，我們假設系統在，在角度域與系統的零階保持相對 應，是如下形式：x(k 1) = F(k)x(k) G(k)u(k)e(k)二 H (k)x(k) d(k)為了運用我們最近開發的設計通過 I /O表示的隨時間變化基于內部模型控制器，我們 改變空間模型的狀態，以多項

21、式分數表示。為此，我們簡要地介紹延遲算子多項式與多項式 求和算子的定義。定義4.1記前一步算子 乙zd(k) = d(k + 1)。左邊度數的多項式差分算子(PDO),定義為：P(z,k)二an(k)z一a1(k)z a°(k)同樣地，在右邊度數 n的多項式差分算子定義為：P(z,k)二zan(k)z'ak) a°(k)我們回顧一下最近對隨時間變化的跟蹤控制設計開發的成果命題4.1考慮裝置模型(7)和外源性信號模型(8)。如果PDO P(z, k), Q(z, k), N(z, k)和 M(z,k)滿足下列條件：A(z,k)Q(乙k) B(z,k)P(z,k)二上(

22、z)Q(乙k)上(z)Q(z, k)M(z,k) B(z,k)P(z,k)二 As(z,k)這里As4( z, k)是ES PSO,而且M(z, k)二Q(z,k)M (z, k),N(z,k)二Q(z,k)N(z,k)漸近線形狀帶到最佳位置，如5、模擬我們模擬壓電執行器為質量彈簧阻尼器系統，其中裝置保持R2的，統計的軸向位移和驅動器上的活塞速度，控制輸入u R的壓電陶瓷推力，調節位移誤差e R和執行器參考位移d R，和01 ( 0A= _匕_2 ,B =丄,C =(1,0) I mama丿g丿這里A(z, k) =1 z 1a1 (k) zJa2(k),圖13隨時間變化的內部模型補償裝置因為

23、a,k) fn(k)f22(k-1) f/k 1)a2（k）二f12(k 1)(k)fn(k)f22(k) - f/k 1)f21(k)和 B(z, k)二 zd(k) z'b(k)b1(k)二 gdk) 而且f12(k 1)b2(k)二一一廠 V g,k)f22(k) (k 1)g2(k) Mk)步驟一：解決 Q(z,k)和P(z,k)以滿足情況9。Q(z,k) =1 z 冷1(k)P(z,k)二 po(k) z(k) z'(k) z'p3(k) 然后代入式(9)。對應的丟番圖方程式使下式成立S(k) (k)二:(k)這里(k)二 col(q(k), po(k), p

24、jk), p2(k), p3(k)B(k) =col(a1(k),a2(k),0,1,0)'0b1(k)000 'a1(k+1)b2(k)d(k+1)00而且S(k)=a2(k+1)0b2(k+1)D(k+2)0000b2(k+2)b1 (k+3)< 1000b2(k+3)圖14 ( a)執行器的位移(紅色實線)和參照(黑色虛線)(b)對執行機構活塞的控制輸入步驟二：解決 N(z,k )和M(z,k)以符合情形(10)N(z,k) = n°(k)z'n i(k)z*n 4(k)選擇一二4M (z, k) = 1 z mMk)亠 亠 z m4 (k)和As

25、(z, k)=(1 +(cz)9，且C >1，然后將它們代入Eq.( 10)再次用對應的丟番圖方程證明在步驟一中解決方案和實現的矩陣是相似的，因此被省 略。為了驗證該算法，已經運用了積極的瞬態模擬。驅動器的位移、基準和控制輸入在圖 14所示。這里已獲得漸近軌跡和如預期的控制輸入的非周期性。6、結論顯示對應的拉丁字符的拼音高壓共軌的分布式數學模型已經開發出來，它在預測在壓力脈沖的特性上起至關重要的作用，并找到了有效補償的執行器位置。由于泵的沖程運動和角度基礎的噴射運動，該油軌動力學在旋轉角度域上周期性的表現出來。這種周期性的特點應用于設計一個角度變化為基礎的內部模型來控制執行機構的運動，這

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