高压共轨燃油喷射系统新型压力调节装置的建模与控制研究

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...高压共轨燃油喷射系统新型压力调节装置的建模与控制研究,1、机械工程系，明尼苏达大学，明尼苏达州，美国2、精密仪器与机械学系，清华大学，北京，中国摘要：本文介绍了内燃机高压共轨燃油喷射系统的一种新型压力调节装置的模型和控制方法。轨道内进入和传出的流量造成的压力脉动对喷入气缸内燃料的数量和流量的精确度产生负面影响。这项工作的目的是设计一个新的调节装置，以遏制轨道内压力脉动。我们首先利用流体流动方程提出了高压共轨的一维分布模型，它可以捕捉轨道内的压力脉冲分布动态，并根据AMESim模型获得物理证明。然后我们提出一个类似压电传动装置的自动的流体存储装置的概念，以减少压力波动。该执行器在轨道上的位置也被评估，以最大限度地发挥其作用。燃油喷射的周期性性质取决于发动机运行中每一冲程产生的轨道压力脉冲，脉冲也是周期性的出现在旋转角范围内。为改变这种异常的动力学现象，我们设计了一个随时间变化的内部模型为基础的控制器，以补偿的压力脉动。关键词：分布模型；高压共轨；压力控制；时间控制1.引言内燃机燃油喷射系统已经从一个机械系统发展到电子控制的机电一体化系统[1]。无论对汽油机还是柴油机，精确和灵活的燃油喷射系统对于提高燃油经济性和减少污染物排放是至关重要的[1,2]。鉴于我们所面临的交通运输能源可持续发展的挑战，发展高效、精确、灵活的高压高速燃油喷射系统将会对未来的发动机行业、交通运输业及流体动力领域产生深远的影响。直接喷射（DI），特别是高压共轨燃油喷射系统将燃料在高压下直接喷入燃烧室内[1,3]。在这个系统中轨道作为一个压力聚集器，来存储喷射时所需要的高压燃料液体。从喷油泵和喷油器的流入和流出的流体在轨道内产生短暂的高压，这会对发动机不同循环的燃料喷射行为和流量状况产生影响[4,5]。虽然关于高压共轨燃油喷射系统动力学的文献资料很丰富，但大都把焦点放在发展燃油喷射系统的组件模型上，而对油轨分布类型的研究只有相当少的关注[6,7]。集总式模型不能预测在轨道中的实际动态，由于高压泵出来的入口流体和流到喷油器的出口流体产生的干扰，压力在沿着油轨的不同位置不断变化[8]。这种现象周期性的发生对应于发动机旋转角度（曲轴角度），该转角取决于发动机运行中的冲程运动[9,10]。然而，压力脉冲产生的时期在时间范围不断变化，由于发动机转速随时间变化而变化，因此对脉冲压力的精确控制是很难实现的[11,12]。与燃油喷射系统相关的主要挑战是在压力脉冲出现时如何实现对射入汽缸内燃料的数量和流量的精确控制。目前的惯例是通过控制一个电控液压阀[13]或者压力调节器[14]来控制轨道内部的压力，参考学习 ...由于有限的带宽和与运行有关的能源消耗，这种方法是在补偿压力波动方面是有限的。作为减缓共轨压力脉冲的替代物，可以设计一种活跃的像基于执行器的压电换能器的流体能量存储装置，能够实时吸收和供应高压流体以补偿压力脉冲[16]。从本质上讲，问题是要控制执行器来改变液量，从而补偿压力扰动，使轨道内部的压力是保持恒定。为了实现这一目标，获得轨道内部精确的压力动力学特性是必须的。一维分布模型用于描述轨道中的波传播，这将有助于寻求执行器的最佳位置，以便由执行机构提供的效果最大化（假设只有一个驱动器和一个传感器可以安装），这种设计有可能用于内燃机的下一代高压燃油喷射系统。为了利用压力脉动在旋转角度域的周期性，我们设计了一个基于角度变化的内部模型的控制器来生成所需的执行机构的运动。一旦从时间转换成角从域，设计上的挑战在于执行器（装置）的动态随时间变化的事实（实际上是随角度变化）。它可以证明，我们最近开发的以时间变化内部模型为基础的设计可用于弥补这种压力脉动[17,11]。本文的其余部分组织如下：第2节中，基于流体流动方程，开发了一种高压共轨的分布式数学模型，并在AMESim中的一个物理模型上得到验证。第3节中，提出了一种快速反应的压电陶瓷驱动器，旨在补偿在轨道上的压力脉动。在第4节中，内部基于模型的控制方法论被应用于控制执行器。在第5节，提供了模拟实验验证了该新型压力调节装置的有效性。2.共轨系统中燃油动态的一维分布模型为了了解在轨道内的燃料动力，我们开发了高压共轨一维分布模型（约305毫米长，直径为9.2毫米的管）。这种分布式模型将有助于在轨道上找到关于压力最大补偿量的执行器的位置，而这个位置不能通过集总模型获得。由描述模型的细节开始，我们简要的介绍了内燃机高压共轨燃油喷射系统。图1展示了高压共轨系统的结构图，其中的主要部件包括一个高压泵，一个出油阀，一条共用轨道，一个电动液压阀和电子控制燃油喷射器。高压泵将流体压力升高到1000-2000Pa的范围，这样高的高压燃料然后进入轨道内，轨道作为一个蓄压器将燃料在高压下存储起来为喷射做准图1高压共轨燃油喷射系统结构图备。电子控制燃油喷射器与油轨相连接将燃料喷入燃烧室。通常情况下在最短的喷射时间不尽相同，在0.8-1.2毫秒之间。理论上说，进出油轨的高速流体引起的压力脉动从而造成喷射器计量误差、流量变化和噪声。参考学习 ...这种补偿压力脉冲的做法是可取的，这样喷射的燃油量可以精确控制，而且可以针对不同的发动机转速和负荷条件下保持适当的空燃比。与大多数文献建模工作相同，以整个喷射系统为模型，我们主要集中在轨道上的燃料动力，利用模拟可压缩流体的流动方程，在AMESim系统与整个系统的基础物理模型并进行比较。该方程包括燃油的连续性和动力性平衡将在下文介绍。当与压力动态相比较时，由于与温度变化相关的迟钝动力，能量存储被忽略掉。这里的声速是代表压力的一组偏微分方程（PDE）和两个独立的变量（x，t）的质量流量率，其中Acr，D和K分别是油轨的面积，直径和刚度。f是范宁摩擦系数;q和b分别代表燃料的密度和体积系数。一种有限差分格式应用于转换偏微分方程为一组常微分方程组（ODE）。要达到这个长度，油轨被分散成20段，如图2所示，而且该解决方案在每一个时刻都要是协调一致的。高压泵中的质量流量率如图3所示。流量率轮廓随发动机的转速在变化。这是一个连接到曲轴上的三柱塞泵，流量率由出油阀控制，而轨道尾端的壁面条件作为边界条件。向前差分技术应用到油轨段，产生以下形式：其中pi(t)和qi(t)对应于第一段i=1，2……N，是相关的状态变量，如果有一个喷油器γi=1，另一个γi=0。因此第i段公式近似如下：对喷油器的动力学模型使用如下形式的质量流量孔板公式：图3高压泵的流量率参考学习 ...图4轨道内的压力分布（a）角度域（b）时间域图2油轨的离散化这里是燃油喷射器的性质和在模拟中使用的变量的值，结合Eqs（2）和（3），我们获悉了油轨中的燃料动力。基于上述模型（2）及（3），在轨道内的压力动力学在Matlab动进行了模拟。从图4a所示的结果可以看出，该基本压力脉冲的周期（由于燃油喷射运动压力下降）关于发动机的旋转角是不断变化的。在时间域上表示时，由于在发动机转速变化（当t=[0，0.1，0.2，0.3，0.4]时发动机转速轮廓的线性变化为[600,1200,600,600,1200]转/分，如图4）。这两个图标表明，只有一个喷油器在活跃的情况下才会产生压力脉冲，从而得到合理解释。图5燃油喷射系统的AMESim模型为了验证数学模型（2）和（3）的结果，在AMESim的环境下一个基于物理的模型得到应用，整个燃料喷射系统采用液压和电子元件为蓝本。与喷油器的孔板方程的数学模型不同的是，该模型刻画了燃油喷射器的全部物理动态。分布式波动方程的子模型也应用于研究高压共轨动态式分布。图5显示了为简单起见只用一个喷油器的燃油喷射系统AMESim模型布局。该AMESim的模型和MATLAB模型对比结果将在下文呈现。图6油轨上的传动装置通过模拟压力脉冲，对这项工作的目标是显然是要补偿这些脉冲。为了实现这一目标，目前在其他研究中的做法是控制燃料流过节流阀以调整压力。参考学习 ...但是，这种方法只有一个相对缓慢的压力变化，影响有限，因为阀门的带宽相对较低，限制行动也造成能量损失。在这项工作中，我们建议增加一个紧凑的和活跃的流体存储装置，通过实时运动以改变轨道容量使其带宽高到足以弥补压力脉冲，。图7油轨的压力及传动装置的影响最初的模拟是当只有一个处于活动状态的喷油器而且执行器安装在喷油器前的一个位置，如图6所示。执行器的模型的特点是流体流量，保持活跃的流入和流出状态。图8喷油器质量流量率为验证所提出的执行机构的有效性，我们实施了一组模拟显示执行机构位置和相应的压力补偿之间的关系。图7显示了油轨在一个喷油器情况下，模拟模型装有执行机构和没有执行机构时压力的细节变化，此时预设的执行机构安装在喷油器前的一小节。可以看出，在执行器存在时油轨的压力干扰有相当大的减少。我们也可以看到，分析模型（2）及（3）与AMESim中的基础物理模型匹配的很好。图8显示了喷油器的质量流量率。ECU发送一个控制信号到燃料喷射器的螺线管，使喷油器开始喷油到燃烧室，从而使轨道内的压力下降。喷油器的典型信号是一种双向的价值，即开启或关闭。喷油持续性在时间范围内的变化取决于轨道上发动机转速变化对压力下降重要性的影响。在这个短暂的压力期间，油轨上的压力传感器将信息传到ECU，ECU控制着高压泵的出油泵，使其流出燃料的需要量从而使压力回归正常值。图11在轨道长度上压力对于平均值的偏差图10不同循环的轨道压力——四个喷油器的情况图9传动装置安置位置的细节因素由于燃油喷射时间的发生主要是周期性的对应于发动机曲轴旋转角度域，此时不考虑发动机的转速。执行器位移在旋转角度域内也是周期性的，即由于燃油喷射导致油轨内的压力波动才产生执行器运动。执行器的位移时间等于燃油喷射持续期，详情如图9所示。参考学习 ...当燃油喷射时活塞向油轨运动，因此油轨的容积减少以补偿由于燃油喷射运动的开始导致的压力下降。其结果是使油轨的整体压降降低，但由高压泵流入相同（假设在没有执行机构的情况下），试图把压力回到平均值，执行机构控制输入量是相反的方向，因此使活塞运动可以增加量以适应这种燃料流入和控制压力上升，因此大部分的压力振荡可以减少。模拟扩展到四个喷油器的器的情况下，如图10所示。执行器被放置在一个单元格和压力补偿效果被记录下来。然后，将驱动器位置改变，以及相对于以前的位置补偿进行了比较。值得一提的是理论上的动态编程技术可以作为一个系统的方法找到执行器最佳位置。但是，由于尺寸限制，在我们的例子中，系统考虑尺寸约为20，对于开展这样的高阶系统动态规划，这是一项难以克服的任务。在发动机不同周期的整个油轨上，执行器在一个单元通过测量压力对平均值的偏离量来控制其他单元的的压力脉冲如图11所示。结果表明，在有执行机构轨道压力偏差比无执行器偏差少。一个这样的概念设计的执行器是在下一节讨论。3、一种新型压力控制装置图12一种紧凑活跃的流体能量存储装置设计图对于执行器设计的基本要求是有一个装置能够吸收和供应高压流体以补偿压力脉动。这种装置的一个可能的设计在图12中给出，使用压电陶瓷（PZT）堆栈作为执行机构的起动装置，因为其具有快速响应和抗高压的能力。压电执行器由一个盒子、活塞、压电叠堆和弹簧组成。当堆栈通电时，它会缩小或扩大，而且活塞移动增加或减少液量使压力脉动可以得到赔偿。只有一个而不是多个执行器的原因是适应补偿由于多个执行器引起的压力脉冲及由于多个执行器和传感器的使用成本增加。在喷油过程中，电子输入应用于压电堆栈，执行机构的活塞位移幅度依据压力值偏离具体平均压力而定（油轨的压力保持恒定）。执行机构的偏离方向取决于压力偏离的多少，这将影响流体流量，以保持压力恒定。一种随时间变化的控制设计，生成所需的执行器的运动，这将在下一节提出。4.随时间变化的控制装置设计有了上面的执行机构，我们需要一个适当的控制，让执行机构在一个旋转角度域内做参考学习 ...周期行的运动，如图9所示。因此，在轨道的压力脉动可以获得显著性的补偿。然而，这是一个具有挑战性的控制问题，因为由于发动机转速在时间的变化，在旋转角度域内执行机构呈周期性运动而在时域呈非周期性运动。为了解决这个问题，我们开发了一个执行机构的轨迹跟踪配置文件，其在旋转角度域呈周期性，但在时域呈周期性和非周期性变化。通过首先转换执行器动态为角度域，执行机构运动周期性的性质在旋转的角度域内其杠杆作用[17,11]。具体来说，我们认为装置模型的形式：我们将装置模型（4）转换到旋转角度域，如下显然，执行器模型是随角度变化的线性关系。当没有发生混乱，但我们仍然认为系统随时间线性变化，此时的独立变量θ由t取代。它表明如果系统是可以控制和观察的，那么整个系统是可控制和观察的。为能够执行，我们假设系统在，在角度域与系统的零阶保持相对应，是如下形式：为了运用我们最近开发的设计通过I/O表示的随时间变化基于内部模型控制器，我们改变空间模型的状态，以多项式分数表示。为此，我们简要地介绍延迟算子多项式与多项式求和算子的定义。定义4.1记前一步算子z，z[d](k)=d(k+1)。左边度数的多项式差分算子（PDO），定义为：同样地，在右边度数n的多项式差分算子定义为：我们回顾一下最近对随时间变化的跟踪控制设计开发的成果命题4.1考虑装置模型（7）和外源性信号模型（8）。如果PDOP(z,k),Q(z,k),N(z,k)和M(z,k)满足下列条件：这里是ESPSO，而且参考学习 ...渐近线形状带到最佳位置，如5、模拟我们模拟压电执行器为质量弹簧阻尼器系统，其中装置保持的，统计的轴向位移和驱动器上的活塞速度，控制输入的压电陶瓷推力，调节位移误差和执行器参考位移，和这里图13随时间变化的内部模型补偿装置因为和而且步骤一：解决Q(z,k)和P(z,k)以满足情况9。然后代入式（9）。对应的丢番图方程式使下式成立这里参考学习 ...而且图14（a）执行器的位移（红色实线）和参照（黑色虚线）(b)对执行机构活塞的控制输入步骤二：解决和以符合情形(10)选择和，且，然后将它们代入Eq.（10）再次用对应的丢番图方程证明在步骤一中解决方案和实现的矩阵是相似的，因此被省略。为了验证该算法，已经运用了积极的瞬态模拟。驱动器的位移、基准和控制输入在图14所示。这里已获得渐近轨迹和如预期的控制输入的非周期性。6、结论朗读显示对应的拉丁字符的拼音高压共轨的分布式数学模型已经开发出来，它在预测在压力脉冲的特性上起至关重要的作用，并找到了有效补偿的执行器位置。由于泵的冲程运动和角度基础的喷射运动，该油轨动力学在旋转角度域上周期性的表现出来。这种周期性的特点应用于设计一个角度变化为基础的内部模型来控制执行机构的运动，这可以弥补与油轨的压力脉冲。参考文献[1]N.Guerrassi,P.Dupraz,Acommonrailinjectionsystemforhighspeeddirectinjectiondieseleninges,SAE,1998-08-03,1998.[2]Q.Hu,S.F.Wu,S.Stottler,R.Raghupathi,Modellingofdynamicresponsesofanautomotivefuelrailsystem.PartI:Injector,J.SoundVib.245(5)(2001)801–814.[3]G.Stumpp,M.Ricco,Common-railanattractivefuelinjectionsystemforpassengercarDIdieselengines.SAEpaper960870,1986.[4]K.Huhtala,M.Vilenius,Studyofcommonrailfuelinjectionsystem,SAE2001-01-3184,2001.[5]A.E.Catania,A.Ferrari,M.Manno,E.Spessa,Experimentalinvestigationofdynamicseffectsonmultiple-injectioncommonrailsystemperformance,J.Eng.GasTurbPower,ASME参考学习 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