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1、柴油机高压共轨系统稳态工况油量控制策略研究摘 要随着节能、减排标准的不断提高，对柴油机性能的改善提出了更高要求。高压共轨电控喷油系统在提高柴油机性能方面具有独特的优势，喷油系统的灵活控制会直接影响柴油机的性能。油量控制作为共轨系统的关键技术之一，是实现高压共轨燃油喷射系统灵活控制研究的重要内容。高压共轨柴油机的喷油控制策略中，在稳态工况时，喷油量控制通常采用闭环控制，能够较好的实现稳定控制，但仍存在可改善的地方。本文提出基于模糊PID控制的高压共轨系统油量控制策略，根据柴油机的工况得到目标喷油量，并实现定量喷油，解决高压共轨喷油系统喷稳态工况油量的控制问题，提高共轨系统在稳态工况的工作性能。工
2、作内容主要包括：（1）根据柴油机工作过程的数学模型，建立柴油机仿真模型；（2）在柴油机高压共轨电控燃油喷射系统控制理论分析的基础上，针对柴油机稳定工作状况，比较分析了油量PID和模糊PID的控制方法，结合柴油机的特点，采用了模糊PID复合的油量控制策略；（3）使用MATLAB/Simulink工具箱，建立油量控制策略模型，与柴油机模型连接，模拟柴油机稳态工况时加速、减速和定转速工况，进行仿真实验。结果表明采用模糊PID控制，能够达到更好的控制效果，并具有良好的动态响应性，可以满足工况需求。关键字：高压共轨；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目录摘 要IAbstractII第一章 绪论11.1 课题背景及意义11.2柴油机电控喷油系统类型及比较21.3国内外研究现状41.3.1 国外高压共轨电控燃油喷射系统研究现状41.3.2国内高压共轨电控燃油喷射系统研究现状51.4本文工作内容6第二章 柴油机仿真模型的建立72. 1柴油机整体模型72.1.1进气模型的建立72.1.2柴油机扭
11、矩计算模型的建立8第三章 高压共轨电控喷油系统喷油控制策略研究103.1高压共轨电控喷油系统控制逻辑分析103.2喷油量的控制103.2.1喷油量的控制策略113.3喷油正时控制113.3.1 喷油正时控制策略12第四章 控制策略的模型建立与仿真134.1仿真软件介绍134.1.1 Simulink介绍及特点134. 2柴油机模型建立134. 3高压共轨喷油量控制策略建模与仿真144.2.1稳定工况下喷油量控制模型144.2.1喷油量控制模型仿真结果14第五章 结论与展望215.1 结论215.2展望21参考文献22II第一章 绪论1.1 课题背景及意义随着工业的快速发展，能源危机和环境污染问
12、题也越来越严重，地球石油资源日趋枯竭。到目前为止，全世界都没有应对石油资源枯竭的可靠手段，因此通过改进技术来节省能源，减少石油资源的消耗，尽量推迟石油资源的时间，以实现为社会能源发展到下一个时代做好技术准备成为全球的一种共识。日益严重的能源问题和环境危机迫使内燃机朝着低污染、低油耗和高功率的方向发展。汽车用动力的主流己经开始慢慢转向现代车用柴油机，目前欧美国家中100%重型车、90%轻型车采用柴油机，欧洲的柴油轿车在轿车保有量中比例超过40%，新车产量比例超过50%。到目前为止，中国市场上柴油车所占比例达到了25%，到目前为止，在美国轻型车辆和轿车领域，柴油车的市场份额大约为15%。随着柴油机
13、各项技术不断发展，原有的缺点得到比较好的解决，柴油机的优势日趋明显：（1）柴油机因为燃烧机理的关系，在相同排量下平均比汽油机节约25%30%的燃油消耗，如果考虑价格因素，柴油机的油费只是汽油机的60%；（2）清洁柴油机的NOX、PM的排放已经达到汽油机的排放水平，CO2排放量比汽油机低25%50%；（3）柴油机输出转矩比汽油机大50%，在整个转速范围内，都能发挥其动力性，平稳加速、噪声很低、平顺行驶。20世纪末以来，随着世界各国对于内燃机性能指标和排放指标的逐步提高，越来越多的新技术应用在内燃机上。近年来随着废气再循环（EGR）技术、可变技术（VVT，VNT，VGT）以及以SCR和DPF为代表
14、的尾气后处理技术的发展，使柴油机在性能和排放等各方面得到了相当大的改善。其中电控高压共轨柴油机由于燃油喷射系统控制灵活，在一个工作循环中能够实现多次喷射，轨压可高达160200MPa，燃油雾化质量好，将供油与喷射独立，在低速时也有较高的喷射压力改善了低速性能，因此成为目前最先进的燃油喷射系统之一。高压共轨电控燃油喷射系统综合了电控、机械和液压技术，在高压供油泵和喷油器之间增加了一个具有较大容积的共轨管，其功能是蓄积从供油泵输出的燃油，抑制油压的波动，并通过高压油管将燃油顺序输至各喷油器中，然后由电磁阀对喷油特性参数（如喷油压力、喷油脉宽、喷油正时等）进行控制。另外，在共轨式电控系统的喷油过程中
15、，共轨管内的燃油压力不会受到发动机转速的影响，仅由ECU控制。其优点如下：（1）高压喷油，喷油压力可调节提高喷油率和喷油压力，缩短喷油持续期，有利于提高燃油喷雾特性，优化燃烧过程，减少NOX和碳烟颗粒的排放。电控高压共轨喷油系统可以根据柴油机在各种不同工况下对共轨压力进行反馈调节，燃油喷射压力可以超过1200bar，并可实现对喷油压力和喷油量的精确控制。（2）喷油持续期可实现自由调整电控高压共轨喷油系统的喷油定时由ECU和电控喷油器进行控制。ECU根据柴油机转速及进气压力等来设定正确的喷油量，得到最佳喷油持续期，然后电控喷油器在ECU发出电脉冲信号控制下进行动作，高压燃油以最佳的喷油定时、喷油
16、规律、喷油量和喷雾状态喷入气缸中。（3）喷油规律可实现自由调节随着电控喷油技术的不断发展，许多适应柴油机不同工况需要的喷油规律被提了出来，如主喷射、预喷射以及多段喷射等，并且不同工况时，各段喷射时间及喷射间的时间间隔都能进行调节，这种调节方法只能通过电控技术实现。电控高压共轨喷油系统的喷油持续期和喷油始点由控制脉冲的脉宽、长度及位置来决定，并可自由调节。（4）喷油量可实现自由调节电控喷油器喷出的燃油经过精确计量后喷入气缸，燃烧情况会得到很到提高，从而改善柴油机的燃油经济性，提高其功率密度，降低噪声。电控高压共轨喷油系统以转速和油门开度信号为依据，通过ECU得出最合适的喷油量并控制电控喷油器电磁
17、阀的通、断电时间，实现对喷油过程的预喷射、主喷射和后喷射阶段喷油量及喷油时间间隔的精确控制，从而实现喷油量的高精度控制调节。因此，寻求对高压共轨电控喷油系统更优的控制方法具有现实意义。1.2柴油机电控喷油系统类型及比较柴油机作为一种自动化控制设备主要由传感器、执行器和控制器三部分组成。传感器和控制器与其他领域的电控技术没有原理上的区别，只是在具体需求上有特殊性。但执行器却集中反映了柴油机电控系统的主要特征，其最主要的执行器是柴油机电控喷油系统。于是，对柴油机电控技术的发展阶段的划分，主要按照柴油机电控喷油系统的发展来进行的，经历了以下三个阶段。1. 位置控制式第一代位置控制式电控喷油系统中的电
18、子控制机构替代了传统喷油系统中的机械式调速器和提前器。ECU通过传感器检测，得到发动机工况和运转环境等信息，计算并发出适用于当前状态下的最佳供油指令，在电磁阀的驱动下，通过调节齿杆或溢油环位置以控制燃油的喷射特性。早期的电控系统一般被叫做电子调速器，其电控单元应用的是模拟电子控制回路。这种系统的优点是在原有结构的改动较小，只需用有电控供油泵和相应控制部件的电控系统来替代原有的机械式柱塞泵，产品升级改造较方便。该系统的缺点是控制精度和控制自由度均有待于提高。2. 时间控制式时间控制式电控喷油系统中带有高速强力电磁阀的喷油器替代了原有的机械式喷油器。该类型的喷油系统是利用ECU发出的电子脉冲信号来
19、控制衔铁的吸合与释放，进而控制喷油器的开启与关闭，这种方式优化了系统的响应速度和控制能力，提高了柴油机整体性能的同时还能满足降低排放的要求。但是时间控制式电控燃油喷射系统的喷射压力仍将受到转速的影响，制约了对喷油系统的进一步改善，这是由于该系统在原理和结构上仍然是以脉冲高压供油原理为基础。3. 压力_时间控制式（高压共轨）压力-时间控制式电控喷油系统抛弃了传统的柱塞泵脉动供油原理，不再由高压油泵直接控制喷油。高压供油泵的功能是向共轨管定时定量供油以维持管内持续高压，采用压力-时间式燃油计量的原理，通过对共轨管内油压的调控达到控制喷油压力的目的。压力-时间控制式电控喷油系统可以适时调配出与柴油机
20、运行工况相适应的最优参数数值，对系统的喷油特性进行合理有效的控制。压力-时间控制式喷油系统大幅提高了系统的控制精度和控制自由度，是当前电控喷油系统应用最广泛的技术之一。目前，柴油机高压共轨式电控喷射系统是研究的热点，也被认为是未来最有前景的控制系统之一。对于燃油喷射的控制原理，各种共轨喷射系统的变化较小。将来的柴油机燃油喷射系统的一个趋势将会是对高喷射压力和喷油量以及喷油定时的灵活控制和对最佳喷油速率的控制。要实现柴油机燃油喷射过程的柔性控制，全电子控制的喷油系统是柴油机电控喷油技术发展的必然趋势。表1.1 高压共轨电控柴油机与传统柴油机的比较比较项目传统柴油机高压共轨电控柴油机高压燃油产生方
21、式喷射泵或单体泵高压油泵柴油计量方式机械式油量计量装置，依转速及负荷进行预设的喷油量调整ECU接收来自各个传感器的信号，判断柴油机目前的工作状况，自由地进行压力控制、喷油控制喷射阶段单次喷射多次喷射：预喷、主喷、后喷喷油嘴内压力变化燃油压力和燃油喷射同步，当转速升高，喷油量增加时，喷射压力会随之升高，喷油结束后，喷油嘴的喷射压力会下降燃油压力由高压供油泵加压，与燃油喷射独立分开；喷油结束后，喷油嘴内的压力仍保持高压燃烧及废气排放情况柴油机转速的高低，对燃烧影响很大，故燃烧效率变动大，造成较严重的空气污染预喷可提升气缸内温度和压力，使主喷时的燃烧效率提升，功率增大；后喷使气缸内气体完全燃烧，空气
22、污染少1.3国内外研究现状1.3.1 国外高压共轨电控燃油喷射系统研究现状20世纪60年代后半期，瑞士的Hiber教授开发成功了柴油机电控共轨系统的原型，目前国外己经开发出多种共轨电喷系统，最具代表性的有：1、日本DENSO公司的ECD_U2高压共轨电喷系统DENSO公司从1985年开始研制ECD_U2系统，采用直列柱塞泵产生高压燃油，最高喷射压力为135MPa，主要应用于卡车柴油机：2003年投入生产的第二代共轨喷油系统ECD_U2P，采用了径向柱塞供油泵，最高喷射压力达到180MPa，能够满足欧IV法规，面向轿车柴油机。ECD_U2系统由高压油泵、共轨管、ECU和喷油器等组成。系统电控单元
23、（ECU）根据柴油机工作状况和其它信息（如冷却水温度、进气压力等），依据给定的油压脉冲图谱，通过供油泵上的压力控制阀（PCV）在适当的时刻启闭来调整油泵供油量，以改变共轨管中的燃油压力，因此油压与柴油机转速无关。该系统通过二位三通高速电磁阀对喷射正时、喷射量及喷射速率的柔性控制，使NOX和颗粒排放大大降低。2、BOSCH公司生产的CR高压共轨电喷系统BOSCH公司在国际柴油机燃油喷射系统的领域内一直处于领先地位，第三代CR系统采用了新型压电晶体喷油器，最高喷射压力达180MPa。目前最新的第四代高压共轨电控燃油喷射系统（同轴可变喷嘴和增压），已实现批量生产。该系统与ECD_U2很相似，但该系统
24、的高压供油泵是带有电控压力调节器的径向柱塞泵，可实现部分停缸控制。因此，可降低低压时的功率消耗并成功地实现低的喷油率、预喷射和多次喷射。3、DELPH公司的DCR高压共轨电喷系统DELPH工公司在收购英国LUCAS柴油机公司后，于2000年进入共轨燃油喷射系统市场。DCR系统显著的特点就是利用转速信号控制绝对扭矩，用加速度传感器来监控燃烧敲缸现象，通过进油计量阀调节供油泵出油量来控制共轨油压，不仅提高了系统能量利用率，也提高了共轨压力调整过程的响应速度，具有良好的经济性，同时还可以降低油箱内燃油温度。整个系统采用积木式设计，便于应用于不同形式和不同种类的柴油机。4、意大利Fiat公司的Unij
25、et高压共轨电喷系统Unijet系统于1993年底投入工业化生产。该系统在预喷射喷油量和预喷射定时的控制方面具有极大的灵活性，有效降低NOX的排放和柴油机的燃烧噪声。5、德国MTU4000高压共轨电喷系统MTU公司在1996年投产的MTU系列柴油机上采用了共轨电控喷射系统。该系统可以通过ECU对影响燃烧的所有燃油喷射参数单独调节控制，使柴油机在各种运行工况下，经济性、动力性和尾气排放都能满足要求。1.3.2国内高压共轨电控燃油喷射系统研究现状从20世纪末我国才进行柴油机高压共轨电控燃油喷射系统的研究，起步较晚。目前主要在做一些共轨电控及其标定系统的研制开发、零部件的优化调整、匹配、燃油及特性分
26、析和燃油系统的模拟计算方面的工作，整个系统的开发还有较大的困难。主要在一些关键技术上，比如高速电磁阀、新型压电晶体式喷油器、执行机构的开发、泄漏问题及各学科分工合作问题等方面做的不够。国内进行此项研究的主要单位有：清华大学、上海交通大学、天津大学、浙江大学、一汽大众无锡油泵油嘴研究所、成都威特等。上海交通大学购买日本的ECD_U2系统，正在开发GD_1高压共轨燃油喷射系统，意图匹配到玉柴6110柴油机上。清华大学也在进行GD_1高压共轨燃油喷射系统开发工作。天津大学推出了一种高压共轨燃油喷射系统FIRCRI，与BOSCH公司CR系统很相似，不同点在于采用了液力平衡式快速响应电磁阀，它具有稳定的
27、小油量预喷射功能，多次喷射控制功能。无锡油泵油嘴研究所和浙江大学联合开发了FCRS共轨电喷系统。它还引进日本HINO公司的J08C柴油机，意图仿照ECD-U2系统样品进行开发。1.4本文工作内容高压共轨电控喷油系统的控制过程包括喷油压力控制、喷油脉宽控制、喷油正时控制以及喷油速率控制。根据现有资料对电控柴油机高压共轨系统的一些概括介绍和发展情况。我的课题旨在对电控柴油机高压共轨系统的结构、工作原理、控制策略等知识了解的基础上，并通过MATLAB的Simulink工具箱的应用对电控柴油机高压共轨电控喷油系统控制的研究，研究讨论电控柴油机高压共轨电控喷油系统的控制策略，并针对控制策略建立模型与仿真
28、，为用以提高高压共轨电控柴油机性能的试验提供参考和指导。本课题基于上述研究重点，对高压共轨系统控制策略进行研究，目的是加深对高压共轨燃油喷射系统控制技术的掌握。高压共轨电控燃油喷射技术是一项复杂的技术，其喷油控制过程也很复杂，为了实现理想喷油，本文针对发动机稳定工况下喷油控制进行了研究。根据上述研究内容，本文章节安排如下：第一章，主要阐述高压共轨电控喷油系统研究的背景及意义，描述电控喷油系统的发展历程；分析高压共轨电控喷油系统的研究现状，并提出本课题的研究内容及论文组织结构。第二章，柴油机模型的建立。根据柴油机的结构、原理和工作过程，建立各部分的数学模型。第三章，在对高压共轨电控喷油系统工作过
29、程逻辑分析的基础上，对发动机在稳定工况条件下，确定出对喷油量和喷油正时的控制策略。 第四章，使用MATLAB/simulink工具箱，根据发动机的数学模型建立仿真模型，对喷油控制策略建立了仿真模型，并进行了仿真测试。第五章，本文的研究内容的总结与展望。第二章 柴油机的数学模型建立柴油机理论模型，对认识、分析、设计和改进柴油机性能有着极大的帮助。柴油机的模型有的简单，有的复杂，按照建立模型的用途，可分为理论研究分析用、性能预测用、控制分析用等。各种用途的模型都有各自的特色和着重点：理论分析用的模型注重建模的准确性和精确性，对局部的刻画非常仔细，以便通过模拟计算能揭示某个或某些参数的变化对柴油机局
30、部，乃至整体性能的影响，但这也是计算成本最高的一种模型；性能预测用的模型则注重柴油机整体的输入输出关系，主要是对柴油机稳态时的性能参数进行预测，计算中需要通过迭代计算来达到稳定状态，计算成本也较高；控制分析用的模型也是考虑柴油机整体的输入输出关系，但它更注重于柴油机的瞬时动态响应特性，由于考虑到它的适时性要求，模型的建立不宜复杂，往往用表格或线性方程来拟合复杂的变量间关系，这种模型计算简单，计算量小。根据发动机的工作过程建立模型，根据内燃机各部分的工作原理，对物理过程清晰的环节用代数方程或微分方程表示，对物理过程复杂的环节则用经验公式或实验数据表示，重在描述柴油机的状态变量值随时间的变化过程。
31、2. 1柴油机整体模型柴油机模型包括进气模型、动力学模型、燃烧模型几部分。2.1.1进气模型的建立控制输入的是气门开角，在较低的歧管压力的情况下，通过节气门体的流量是气门开角的函数。该模型在压缩性方程中具有一个开关条件的低压力特性。经验公式为： (1) (2)；if (3)；if (4)；if (5)；if (6)式中：空气进入歧管的流量质量率(g/s)；气门转角开度(deg)；歧管压力(bar)；大气压力(bar)；空气流过进气歧管的过程，把空气作为理想气体，根据理想气体的定律，进气歧管压力变化率可以通过下面的公式求得： (7)式中：特定气体常数；温度；管路体积；空气排出歧管的流量质量率(g
32、/s)；歧管压力变化率（bar/s）；空气从歧管被泵入气缸中，气体排出歧管的流量质量率，可通过一个经验公式对这个过程进行描述，此流量质量率是歧管压力和发动机转速的函数： (8)式中：发动机角速度；进气歧管压力；要确定的总的空气泵入气缸的量，模拟进气歧管和样品在每个进气冲程事件结束时的质量流量，就可确定在进气冲程和压缩之前在每个气缸内的总的空气质量。2.1.2柴油机扭矩计算模型的建立柴油机的燃烧过程是决定其动力性、经济性和排放特性的关键。燃烧过程复杂多变，不仅受缸内可燃气体状态的影响，还与柴油机的结构参数、运行参数等许多因素有关。为简化计算，燃烧扭矩的计算只考虑喷油量、转速、空燃比、进气量几个主
33、要因素的影响。扭矩计算经验公式： (9)式中：燃烧室空气质量（g）；空燃比；喷油提前角（到上止点的角度）；内燃机角速度；发动机产生的转矩；式（9）为燃烧扭矩的计算公式。2.1.3发动机动力学模型的建立根据发动机燃烧做功过程产生扭矩，与发动机带动的负载扭矩，根据公式可以确定出发动机的角加速度，公式如下： (10)式中：发动机转动惯量； 发动机角加速度；通过以上数学模型的介绍，可以根据发动机工作过程的原理，在软件中建立发动机仿真模型，为仿真研究打下基础。第三章 高压共轨电控喷油系统喷油控制策略研究3.1高压共轨电控喷油系统控制逻辑分析驱动电路各种传感器喷油正时控制轨压目标值的计算轨压控制喷油控制阀
34、压力传感器喷油器目标喷油量的计算喷射控制喷油器控制电路对于高压共轨柴油机的燃油喷射控制，就是通过ECU检测柴油机的各种实时状态参数（由各种传感器得到的）实现对喷油压力、喷油脉宽、喷油正时以及喷油规律等参数的灵活控制。图3.1为高压共轨柴油机电控喷油系统控制逻辑的框图。图3.1 高压共轨柴油机电控喷油系统控制逻辑的框图油量控制主要针对柴油机不同状态和状态转换时的喷油量和喷油正时进行控制，以满足各工况下的运行要求。在对各工况控制时，需要获取柴油机当前的参数如转速、水温、环境参数以及加速踏板和车载附件状态等信息。根据相关信息得到每个气缸每循环基本喷油量和基本喷油正时，实现柴油机运行要求。3.2喷油量
35、的控制电控系统的喷油量就是在柴油机工作的时候，喷入每一个气缸的油量。对柴油机工作而言，每一次的喷油量是最基本的与最重要的参数。对于电控柴油机来说，需要实现在不同的工况下，对每一次喷油量的有效控制。就是说喷油量的控制就是在不同的工况和不同的操作要求条件下，控制喷油量的多少，和控制实现喷油量的完成。每一次的喷油量主要由两个因素决定：一个是当前的轨压；另一个是喷油脉冲持续的时间。从理论上来说，如果轨压稳定，则每一次喷油量和喷油脉冲所能维持的时间是基本上成正比的。但实际上情况是发动机转速不稳定，使轨压存在波动，导致每一次喷油量和喷油脉冲所能维持的时间存在误差。喷油量的控制是利用MAP图来表示的，先确定
36、基本的喷油量，然后推理出喷射脉宽，传输到喷油器，然后利用电磁阀来达到喷油量的实现。3.2.1喷油量的控制策略首先由传感器测量获得柴油机的工况情况，也就是利用传感器获取油门踏板位置与平均转速等信号。针对柴油机工作情况己经知道的基础上再结合油量的MAP图，确定目标喷油量的基本值，再通过结合冷却水的温度对发动机工况的影响进行修正，得到修正值；然后再与当前转速下的最大的喷油量进行比较，取较小的值作为最终的喷油量；最后再通过查询共轨压力、喷油量与喷油脉宽的MAP图，即通过当前的共轨压力，先查出喷油量与喷射脉宽的对应关系的MAP图，以确定喷射脉宽，即喷射脉冲的持续时间，然后输出到喷油器，再由电磁阀来完成喷
37、油量的控制。冷却水温度油门开度转速基本喷油量最大喷油量修正油量选择小喷油量喷油器理论转速PID控制器增减油量转速传感器柴油机图3.2 喷油量控制策略图由柴油机转速与油门开度来判断柴油机工作状态。当对柴油机的工作状态进行判断后，根据油门和发动机转速查询MAP得到对应工况下的喷油量。3.3喷油正时控制柴油机的喷油正时在很大的程度上决定着柴油机的燃烧，同时，喷油正时对于柴油机的排放性能、经济性以及运行的柔和度有着很大的影响。在喷油的过程中，喷油的提前角既不能太大，也不能太小。如果喷油的提前角太大，将会导致柴油机的工作粗暴，着火的延迟期可能变长，由此导致喷入气缸内的燃油太多，这样会使柴油机的压缩负功增
38、加，使功率下降，燃油的消耗率将会增加。若是喷油的提前角太小的话，则会导致后燃烧现象，使排气温度增加，同时燃油的消耗率也增加，还会对涡轮带来负面的影响。因此，喷油的提前角既不能太大也不能太小，必须要慎重的选择，也就是说，需要依据柴油机工况的不同来对喷油正时进行精确的控制。3.3.1 喷油正时控制策略对喷油正时的精确控制是共轨技术控制的关键之一，控制的基本原理就是采用基本值与补偿值相加，其中的基本值是要通过柴油机的转速和喷油量的MAP查询得到的，补偿值则主要包括：进气温度补偿、冷却水温补偿以及大气压力补偿等。因为温度较低时燃烧的延迟会受到影响，所以要引入进气温度补偿，通过结合标定的MAP来获得补偿
39、量。当柴油机在运行时，由于行驶道路的海拔高度不一致，将会使进气压力发生变化，这样就会导致柴油机某些硬件的损坏，所以要使用大气压力补偿，来使由于海拔高度造成的进气压力变化带来的影响降到最低。稳定工况喷油提前角=基本量+补偿量。其中基本量是柴油机喷油量和柴油机转速的函数，通过标定MAP获得。补偿量包括冷却水温补偿、进气温度补偿、大气压力补偿等，通过标定MAP查得。由于长途驾驶时，道路的海拔可能存在较大的起伏，这种起伏将引起进气压力的剧烈变化，从而造成涡轮增压器的超速而导致系统硬件损坏，引进大气压力补偿目的是为了将海拔高度变化的影响最小化。本章节对高压共轨燃油喷射控制系统的喷油控制过程进行了分析，对
40、稳定工况下的喷油量和喷油正时控制策略进行了设计，为后续控制策略建模提供依据。第四章 控制策略的模型建立与仿真4.1仿真软件介绍4.1.1 Simulink介绍及特点1990年，MathWorks公司推出了Simulink，Simulink是以建立框图的形式来进行建模、仿真和分析的动态多维系统交互工具，对于用户来说，它具有功能强大、操作简便的优点。Simulink包含多样的模块库和功能子模块，提供图形式的仿真工具，其操作平台允许建立自定义子模型库且仿真过程是交互的，这种方式方便了用户对模型进行组建和改动，可大幅简化动态系统的建模与仿真工作。Simulink模型可以让用户在观察模型动态细节的同时，
41、清楚地了解到各系统、子系统之间的信息交换情况，对整体模型之间的交互影响有所掌握。Simulink是MATLAB的仿真工具箱，用来模拟线性或非线性以及连续或离散或两者混合的动态系统仿真工具，能提供一个系统级的建模和动态仿真工作平台，它提供控制系统图形输入方式，使建模变得容易、直观，使系统模拟开发效率非常高。还具有非常高的开发扩充性，用框图形式表达模型结构，方便地更改和组建已有的或用户自己创建的模型，并将仿真过程和结果可视化显示。imulink能对系统模型进行分层描述、参数设置，使用户能够快速准确地创建动态系统的计算模型，并能直接处理系统仿真流程框图和动态控制系统。MATLAB/Simulink是
42、目前国际上最流行的控制器和控制算法开发的一个标准工具。4. 2柴油机模型建立根据第二章所描述的柴油机工作过程数学模型，使用simulink工具箱建立仿真模型，模拟柴油机工作过程，包括柴油机的进气、压缩、燃烧做功以及发动机动力模型产生扭矩的工作过程，并输出发动机的转速，为后续喷油系统的喷油制策略提供信息输入参数。文中主要研究发动机在稳定工况下的工作状态，所以针对发动机常用转速区间进行设定，使发动机能够在稳定转速情况下运转，且转速波动较小，保证后续仿真内容的准确。图4.1 柴油机simulink模型4. 3高压共轨喷油量控制策略建模与仿真4.2.1稳定工况下喷油量控制模型使用MATLAB/simu
43、link工具箱建立喷油量控制策略模型，如下图所示：图4.2喷油量闭环控制模型4.2.1喷油量控制模型仿真结果1、同转速、不同油门开度时的喷油量：（气压101kPa，水温80，气温20）（1）转速1500r/min，油门开度0%100%，间隔20%。 （2）转速1600r/min，油门开度0%100%，间隔20%。 （3）转速1700r/min，油门开度0%100%，间隔20%。 （4）转速1800r/min，油门开度0%100%，间隔20%。 （5）转速1900r/min，油门开度0%100%，间隔20%。 （6）转速2000r/min，油门开度0%100%，间隔20%。 （7）转速2100r
44、/min，油门开度0%100%，间隔20%。 （8）转速2200r/min，油门开度0%100%，间隔20%。 （9）转速2300r/min，油门开度0%100%，间隔20%。 （10）转速2400r/min，油门开度0%100%，间隔20%。 从结果图中可以看出，在转速相同的情况下，柴油发动机在油门开度为0%时没有喷油，这是由于此时油门开度过低，导致转速达不到期望值，所以不喷油；随着油门开度增大，发动机可以稳定工作，并且随着油门开度增大喷油量增大。控制策略中添加了PID控制，可保证喷油量的变化与转速的波动趋势相反，当实际转速正向偏离期望转速时，喷油量降低，使转速降低；当实际转速反向偏离期望转
45、速时，喷油量升高，使转速升高，能够更好地稳定发动机转速。2、不同转速、同油门开度时的喷油量：（气压101kPa，水温80，气温20）（1）油门开度0%，转速为1500r/min2400r/min，间隔100r/min,循环喷油量的仿真结果：（2）油门开度20%，转速1500r/min2400r/min时，间隔100r/min,循环喷油量的仿真结果： （3）油门开度40%，转速1500r/min2400r/min，间隔100r/min,循环喷油量的仿真结果： （4）油门开度60%，转速1500r/min2400r/min，间隔100r/min,循环喷油量的仿真结果： （5）油门开度80 %，转速
46、1500r/min2400r/min，间隔100r/min,循环喷油量的仿真结果： （6）油门开度100%，转速1500r/min2400r/min，间隔100r/min，循环喷油量的仿真结果： 仿真结果分析：从仿真结果可以看出，油门开度为0%时，柴油机的状态为怠速工况，转速达不到1500r/min及以上，油门开度为20%时，转速达不到2000r/min，所以此时控制策略提供的循环喷油量为0，不执行该控制策略；当油门开度可保证柴油机达到测试转速时，在相同油门开度条件下，随着转速升高，循环喷油量逐渐降低，这是因为在相同喷油持续角时，转速升高，对应的单次喷油时间减少，导致喷油量降低，但是单位时间内
47、的喷油次数增加，可以保证发动机的功率需求。当油门开度达到最大时，在仿真的转速区间内，循环喷油量随转速变化的幅度降低。第五章 结论与展望5.1 结论本文对高压共轨电控喷油系统进行研究，了解了高压共轨电控柴油机的节能优势、经济优势、环保优势。高压共轨燃油喷射系统是柴油机燃油喷射系统的发展方向。本文对柴油机工作过程以及稳定工况喷油控制策略进行了建模和仿真。使用MATLAB/Simulink工具箱建立了柴油机模型。仿真模型根据柴油机工作过程数学模型建立，并能够正常运转，为控制策略仿真提供输入参数。喷油量的控制，针对柴油机工作的稳定工况，设计了控制方案。并在喷油策略中添加转速PID控制，保证柴油机的动态稳定性能。仿真结果表明，喷油控制策