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.doc

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1、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

2、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

3、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

4、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

5、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，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

6、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

7、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

8、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