CN105422296B - 一种高压共轨喷油压力控制方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压共轨喷油压力控制方法和系统，以直流电机驱动的电动输油泵为执行元件，通过调节低压输出油量进行高压共轨喷油压力调节，其特征在于，通过采集发动机运行参数计算喷油压力设定值及电动输油泵的目标驱动PWM信号值，PWM信号占空比的控制逻辑随发动机运行工况模式的切换发生变化。本发明控制电动输油泵的供油量进行共轨喷射压力调节，避免发动机不必要的负载，提高发动机的能量转换效率，契合汽车执行器的智能化、集成化、模块化的发展趋势。这改变了传统的共轨喷油压力控制、标定模式，降低了对高压共轨喷油系统供应商的技术依赖，有助于提高发动机及柴油车制造商的自主设计、开发能力。

Description

一种高压共轨喷油压力控制方法和系统

技术领域

本发明涉及高压共轨喷油压力控制，尤其涉及一种通过调节低压燃油系统供油量来实现高压共轨喷油压力控制的方法和系统。

背景技术

电控高压共轨系统以其喷油压力高，喷油压力可独立于发动机转速进行调节，可实现柔性喷油的精确控制而成为柴油车节能减排的主流技术。高压共轨系统通过调节高压油轨中进油流速来实施油轨压力及喷油压力的控制，执行器是流量控制阀以及电控单元。输油泵负责向高压回路传输油量以维持设定的喷油压力及喷油量等，输油泵的驱动模式有机械驱动和电机驱动两种，工程中普偏使用的是前者。电磁计量阀负责将共轨系统需求的流量提供给高压油泵，其安装位置位于输油泵的后端。

出于通用设计的考虑，一款高压共轨燃油喷射系统可匹配的发动机性能跨度大，其输油泵的泵油能力并不是按照发动机的实际需求进行匹配：喷油量+共轨系统液压控制流量+输油泵冷却、润滑流量。当输油泵传输油量大于共轨系统需求时，富余油量通过回油阀后回到输油泵进油渠道反复泵送。这种输油泵后油量调节的方式造成多余油量被反复泵送，工作温度增加，泵油系统效率低，柴油发动机不必要负载增加。国内也有使用电动输油泵的系统，这些系统中对电动泵输油量不做调节，和机械输油泵一样在泵后进行被动油量调节。这造成在发动机低负荷时供油量与高负荷供油量相当，回油量更高，泵油效率甚至比机械输油泵系统低。

传统的电控高压共轨系统轨压控制燃油回路如附图1所示，机械输油泵的供油量不止覆盖共轨系统的需求油量，还负责输油泵的润滑冷却油量。因机械输油泵的供油能力主要受驱动转速影响，不能按照系统需求进行流量调整，造成机械泵油的无用功，这在发动机高转速，低负荷运行区域表现得尤为明显。

发明内容

本发明目的是：提供一种通过调节低压燃油系统供油量来实现高压共轨喷油压力控制的方法和系统，以实现共轨系统喷油压力精确调节，提高高压共轨系统的燃油经济性，降低CO₂排放。

本发明的技术方案是：

一种高压共轨喷油压力控制方法，以直流电机驱动的电动输油泵为执行元件，通过调节低压输出油量进行高压共轨喷油压力调节，通过采集发动机运行参数计算喷油压力设定值及电动输油泵的目标驱动PWM信号值，PWM信号占空比的控制逻辑随发动机运行工况模式的切换发生变化；发动机的运行工况模式包括以下7类：起动工况、在档滑行工况、怠速起停工况、发动机正常工作工况、排放后处理再生工况，诊断模式工况和发动机超速工况；在不同的工况下，共轨喷油压力的设定值不同，控制模式包括开环前馈控制、前馈控制与闭环反馈控制共同进行的组合控制模式，前馈控制负责在瞬态工况时快速调节输油泵的供油流量，闭环反馈控制负责在小幅度的扰动工况下共轨喷油压力对设定喷油压力的实时跟随性，具体的：

1.1)开环前馈控制方法包括：

电控单元根据发动机转速、负荷信号查3维表得到前馈控制流量Rail_dvolPreCtl，所述3维表需经过专业标定流程生成；

1.2)前馈控制+闭环反馈控制方法包括：

a.电控单元根据发动机转速、负荷信号查轨压前馈控制3维表得到前馈控制流量Rail_dvolPreCtl；

b.电控单元根据发动机转速、负荷信号查喷油压力设定3维表得到目标控制轨压Rail_pSetPointBas，根据发动机工作温度，大气压力信号对目标控制轨压Rail_pSetPointBas进行修正，再经过数据合理性检查合格后得到修正后的目标控制轨压Rail_pSetPoint；

c.闭环控制器使用PID控制器，PID控制器的输入参数轨压偏差值rail_pGov，具体含义是修正后的目标控制轨压Rail_pSetPoint与共轨压力传感器采集的实时压力RailCD_pPeak的差值；

d.PID控制器的参数参考Ziegler-Nichols整定法进行并写入存储器中；控制器根据发动机转速、负荷查PID控制器各个控制环节的2维表得到该工况下的控制参数Kp，Ki，Kd，通过离散数学公式：

进行控制器的需求流量实时更新；

1.3)电控单元控制流量的计算方法包括：

电控单元控制流量为开环前馈控制流量Psp_dvolPreCtl或开环前馈控制流量Psp_dvolPreCtl与PID控制流量Psp__dvolCtl之和，控制单元结合发动机运行工况模式进行控制模式的选择；控制单元根据控制流量及油温传感器信号查找电动输油泵工作特性的3维表Psp_iPspCnvflow_Map得到电动输油泵的等效工作电流Psp_iDes；PWM调节模型自动将电流值转换成PWM占空比控制信号；通过最大允许PWM占空比值Psp_dcycMax_C和最小允许PWM占空比值Psp_dcycMin_C进行占空比范围限制。

优选的，在正常工作状态下,当高压油轨压力与设定值偏差过大或其绝对值超过上限，电控单元根据发动机转速信号及负荷信号进行轨压的故障控制模式，限制发动机的动力输出，危急情况下停止喷油器喷油。

优选的，所述电控单元通过调节脉冲宽度占空比改变执行元件的工作电压，实现对低压燃油系统的输油量。

一种采用上述所述控制方法的高压共轨喷油压力的控制系统，包括，共轨压力传感器、电控单元、功率驱动模块、电动输油泵、两个CAN通讯模块以及两个串行接口电路，其中，

共轨压力传感器，采集共轨内的压力信号并通过第一CAN通讯模块发送到电控单元；

第一CAN通讯模块负责进行微处理器与发动机控制单元间信息传输，传输信息包括发动机运行工况，故障模式、发动机转速、发动机负荷信号，共轨压力传感信号；第二CAN通讯模块用于电控单元数据标定；

电控单元，根据发动机运行实际工况和共轨压力传感信号通过功率驱动模块进行电动输油泵流量实时调节；

功率驱动模块，负责PWM的脉宽调制及驱动信号输出，其输出与电动输油泵的功率输入端相连；

所述电动输油泵由直流电机驱动，通过调节低压输出油量进行高压共轨喷油压力调节；

两个串行接口电路,均与电控单元连接，第一串行接口电路通用串口电路,用于通用串口监控,第二串行接口电路为针对KWP2000通信协议的电路,用于故障诊断通信。

优选的，所述功率驱动模块采用半桥式功率驱动模块。

优选的，所述电动输油泵的直流电机连接有电流控制器，防止温度变化和电磁线圈绕组电感的存在导致实际工作电流变化。

优选的，所述电动输油泵的直流电机还连接有PWM驱动工作频率调节器，防止工作时电能消耗过大导致电控单元馈电。

本发明的优点是：

本发明控制电动输油泵的供油量进行共轨喷射压力调节，避免发动机不必要的负载，提高发动机的能量转换效率，契合汽车执行器的智能化、集成化、模块化的发展趋势。这改变了传统的共轨喷油压力控制、标定模式，降低了对高压共轨喷油系统供应商的技术依赖，有助于提高发动机及柴油车制造商的自主设计、开发能力。在整体设计上,依据国家电磁兼容性实验规范进行电磁兼容设计。系统与标定软件之间采用国际标准协议,可方便地实现数据的在线显示、标定修改。

本发明与现有技术相比,具有以下优点和有益效果：1、低压燃油系统对共轨喷射压力控制的影响在传统的轨压控制模式中很难体现出来，本发明克服了这方面的不足；2、通过电动输油泵供油量，对发动机的燃油经济性也有一定改善；3、不再需要高压燃油喷射中电磁计量单元以及回油阀，整个输油系统的部件减少，有助于降低开发成本。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为现有的电控高压共轨喷油压力控制燃油回路示意图；

图2为本发明是所述电控高压共轨喷油压力控制燃油回路示意图；

图3为本发明是所述高压共轨喷油压力控制系统的硬件连接图；

图4为本发明是所述共轨压力控制逻辑框图；

图5为本发明是所述喷油压力设定值逻辑图；

图6为本发明是所述PID闭环喷油压力控制逻辑图；

图7为本发明是所述电动输油泵PWM脉宽控制调节框图；

图8为本发明是所述输油泵功率驱动模块；

图9为本发明是所述电动输油泵自清洁逻辑控制图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明,本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

如图2所示，为本发明所述的电控高压共轨喷油压力控制燃油回路示意图，输油泵的供油量恰等于共轨系统的需求流量。本发明控制电动输油泵的供油量进行共轨喷射压力调节，避免发动机不必要的负载，提高发动机的能量转换效率，契合汽车执行器的智能化、集成化、模块化的发展趋势。这改变了传统的共轨喷油压力控制、标定模式，降低了对高压共轨喷油系统供应商的技术依赖，有助于提高发动机及柴油车制造商的自主设计、开发能力。

本发明公开了一种新的电控高压共轨喷油压力控制方法与系统。电控高压共轨喷油压力控制系统核心机电部件连接、通讯方式如附图3所示，以直流电机驱动的电动输油泵为执行元件，以共轨压力传感器为控制环节的传感部件；控制单元根据发动机运行实际工况进行电动输油泵流量实时调节，从而保证喷油压力达到设定目标，为柴油的喷射、雾化、燃烧打好基础。

本发明开发了工况运行状态机，细化发动机的运行工况同时定义了各工况的切换路径。柴油发动机的运行工况除了正常驾驶工况，还包括：起动工况、在档滑行工况、怠速起停工况、排放后处理再生工况、诊断模式工况、发动机超速工况等。在发动机点火钥匙断电，但ECU供电继电器保持吸合的情况在行业内通称为afterrun。不同工况模式下共轨喷油压力的设定值及控制逻辑不同。

共轨喷油压力设定的逻辑框图如附图4所示，首先需要进行发动机的工况识别，据此确定喷油压力目标值的设定。比如诊断实验需进行高压测试，发动机负荷小但喷射压力大；在档滑行模式中轨压设定值为非连续的跳跃值，以有限的工作点覆盖喷油压力变动的全范围；排放后处理再生模式下轨压设定值较正常模式下偏低以提高发动机排气温度。一旦检测到发动机出现超速，电动输油泵应立即停止泵油。怠速起停时，虽然发动机转速为零，但高压油轨里需要维持一定的压力(柴油)为绿灯亮时发动机快速启动做准备。

一旦故障诊断系统识别出发动机电控系统运行异常时会进入降级保护模式，喷油压力设定值使用替代值。喷油压力的设定值还需要综合考虑系统工作的温度及大气压力的修正，以保证最佳的燃油喷射从而实现最佳的燃油、空气混合燃烧。一旦轨压设定值超过共轨系统的安全工作范围内，会导致发动机机械部件故障，造成巨大的损失。本发明进行轨压设定值的合理性检查，一切正常后，喷油压力设定的3维数据表才能写入控制单元存储器中。

本系统通过调节输油泵的泵油量来进行高压油轨内压力的调节，共轨系统的需求流量可分为：1、参与燃烧做功的喷油量；2、液压电磁阀喷油器的控制流量及泄露流量。3、维持共轨腔内一定喷射压力的流量；4、机械输油泵的润滑、冷却流量等。发动机稳定运行时，转速一定，负荷一定，共轨系统的需求流量通过特定的测试流程获得，基于此本发明进行了前馈控制的应用。发动机实际运行时转速、负荷在实时变化，喷油压力设定值也不例外，PID闭环控制器的正确使用可以保证轨压的实时跟随性。本发明的共轨喷射压力控制逻辑如附图5所示，分为前馈控制及闭环控制，控制单元查3维数据表得到前馈控制量快速消除静态偏差，PID控制器负责小幅偏差的小幅调节。一般地当前馈控制及PID闭环控制同时工作时，前馈控制流量需达到PID控制流量的2倍以上。

喷油压力的闭环PID逻辑控制图如图6所示，比例、积分环节的输入为喷油压力设定值与实测值的偏差值ΔP。比例系数Kp随转速变化而不同，比例环节调节流量为Kp*ΔP；积分系数Ki系数随转速变化，积分环节调节流量为Ki*ΔP。积分环节的工作重点是对轨压偏差进行累加，无限制的持续累加会导致计数器清零重置。本发明进行了比例环节的抗重置设计，比例环节输出流量达到设定上、下限值后，积分环节输出流量值被冻结，防止积分环节的输出重置引起的轨压大幅波动。微分环节对轨压偏差的变化速率进行预测调节，有效地控制轨压超调。但微分环节对干扰噪声敏感，使系统抑制干扰的能力降低，因此微分环节的输入经过惯性滤波等预处理。

本发明所设计的控制单元通过调节半桥驱动芯片的输出电压实现对执行电机的转速控制，执行电机电阻随工作温度变化，导致实际工作电流存在差异，实际电机转速与设定值不相符，为此本发明设计了电流控制器，其工作逻辑图如附图7所示。Psp_iAct为电流测量电路所测，电流偏差值Psp_iDvt做为电流控制器的输入，Psp_iDvtCor是电流控制器的输出，直接改变占空比的设定值。对于变化的工作电流，电机线圈绕组的电感阻碍了电流实时跟随性，本发明通过一阶惯性数字滤波器可以有效去除电感的影响。

电动输油泵的驱动电路原理图详见附图8：本发明使用半H桥驱动模式，驱动电机单向转动。PMOS管在栅极为低电平时导通，高电平时关闭；NMOS管在栅极为高电平时导通，低电平时关闭。IN为电控输入信号以控制PMOS管通段，当IN输入低电平时，PMOS导通，N管断开，MOS电机驱动电压为电池组件提供的电压，IN输入高电平时，PMOS管断开，电机驱动电压为0。IN即为PWM输入信号，从而实现电机驱动电压的PWM控制。

固体颗粒物等杂质的存在会造成输油泵工作有效容积变小，输油泵性能下降；控制单元一旦识别到轨压偏低，会调节PWM占空比控制信号以提高电机工作电流以加大泵油量。为保护电机部件，本发明设计了电动输油泵自清洁功能，如图9所示，为电动输油泵自清洁逻辑控制图，当发动机处于Afterrun工况时该功能激活。其基本工作原理是：以一定的时间间隔驱动、关闭电机，通过交变的流量冲刷，配合独特设计的输油泵油槽，颗粒物被冲出输油泵腔。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高压共轨喷油压力控制方法，以直流电机驱动的电动输油泵为执行元件，通过调节低压输出油量进行高压共轨喷油压力调节，其特征在于，通过采集发动机运行参数计算喷油压力设定值及电动输油泵的目标驱动PWM信号值，PWM信号占空比的控制逻辑随发动机运行工况模式的切换发生变化；发动机的运行工况模式包括以下7类：起动工况、在档滑行工况、怠速起停工况、发动机正常工作工况、排放后处理再生工况，诊断模式工况和发动机超速工况；在不同的工况下，共轨喷油压力的设定值不同，控制模式包括开环前馈控制、前馈控制与闭环反馈控制共同进行的组合控制模式，前馈控制负责在瞬态工况时快速调节输油泵的供油流量，闭环反馈控制负责在小幅度的扰动工况下共轨喷油压力对设定喷油压力的实时跟随性，具体的：

1.1)开环前馈控制方法包括：

电控单元根据发动机转速、负荷信号查3维表得到前馈控制流量Rail_dvolPreCtl，所述3维表需经过专业标定流程生成；

1.2)前馈控制+闭环反馈控制方法包括：

a.电控单元根据发动机转速、负荷信号查轨压前馈控制3维表得到前馈控制流量Rail_dvolPreCtl；

b.电控单元根据发动机转速、负荷信号查喷油压力设定3维表得到目标控制轨压Rail_pSetPointBas，根据发动机工作温度，大气压力信号对目标控制轨压Rail_pSetPointBas进行修正，再经过数据合理性检查合格后得到修正后的目标控制轨压Rail_pSetPoint；

c.闭环控制器使用PID控制器，PID控制器的输入参数轨压偏差值rail_pGov，具体含义是修正后的目标控制轨压Rail_pSetPoint与共轨压力传感器采集的实时压力RailCD_pPeak的差值；

d.PID控制器的参数参考Ziegler-Nichols整定法进行并写入存储器中；控制器根据发动机转速、负荷查PID控制器各个控制环节的2维表得到该工况下的控制参数Kp，Ki，Kd，通过离散数学公式：

进行控制器的需求流量实时更新；

1.3)电控单元控制流量的计算方法包括：

电控单元控制流量为开环前馈控制流量Psp_dvolPreCtl或开环前馈控制流量Psp_dvolPreCtl与PID控制流量Psp__dvolCtl之和，控制单元结合发动机运行工况模式进行控制模式的选择；控制单元根据控制流量及油温传感器信号查找电动输油泵工作特性的3维表Psp_iPspCnvflow_Map得到电动输油泵的等效工作电流Psp_iDes；PWM调节模型自动将电流值转换成PWM占空比控制信号；通过最大允许PWM占空比值Psp_dcycMax_C和最小允许PWM占空比值Psp_dcycMin_C进行占空比范围限制；

电控单元一旦识别到轨压偏低，会调节PWM占空比控制信号以提高电机工作电流以加大泵油量；当发动机处于Afterrun工况时自清洁功能激活，以一定的时间间隔驱动、关闭电机，通过交变的流量冲刷，配合输油泵油槽，颗粒物被冲出输油泵腔。

2.根据权利要求1所述的高压共轨喷油压力控制方法，其特征在于，在正常工作状态下,当高压油轨压力与设定值偏差过大或其绝对值超过上限，电控单元根据发动机转速信号及负荷信号进行轨压的故障控制模式，限制发动机的动力输出，危急情况下停止喷油器喷油。

3.根据权利要求1所述的高压共轨喷油压力控制方法，其特征在于，所述电控单元通过调节脉冲宽度占空比改变执行元件的工作电压，实现对低压燃油系统的输油量。

4.一种采用如权利要求1所述控制方法的高压共轨喷油压力的控制系统，其特征在于，包括，共轨压力传感器、电控单元、功率驱动模块、电动输油泵、两个CAN通讯模块以及两个串行接口电路，其中，

共轨压力传感器，采集共轨内的压力信号并通过第一CAN通讯模块发送到电控单元；

第一CAN通讯模块负责进行微处理器与发动机控制单元间信息传输，传输信息包括发动机运行工况，故障模式、发动机转速、发动机负荷信号，共轨压力传感信号；第二CAN通讯模块用于电控单元数据标定；

电控单元，根据发动机运行实际工况和共轨压力传感信号通过功率驱动模块进行电动输油泵流量实时调节；

功率驱动模块，负责PWM的脉宽调制及驱动信号输出，其输出与电动输油泵的功率输入端相连；

所述电动输油泵由直流电机驱动，通过调节低压输出油量进行高压共轨喷油压力调节；

两个串行接口电路,均与电控单元连接，第一串行接口电路通用串口电路,用于通用串口监控,第二串行接口电路为针对KWP2000通信协议的电路,用于故障诊断通信；

还包括自清洁功能模块，电控单元一旦识别到轨压偏低，会调节PWM占空比控制信号以提高电机工作电流以加大泵油量；当发动机处于Afterrun工况时自清洁功能激活，以一定的时间间隔驱动、关闭电机，通过交变的流量冲刷，配合输油泵油槽，颗粒物被冲出输油泵腔。

5.根据权利要求4所述的高压共轨喷油压力的控制系统，其特征在于：所述功率驱动模块采用半桥式功率驱动模块。

6.根据权利要求5所述的高压共轨喷油压力的控制系统，其特征在于：所述电动输油泵的直流电机连接有电流控制器，防止温度变化和电磁线圈绕组电感的存在导致实际工作电流变化。

7.根据权利要求6所述的高压共轨喷油压力的控制系统，其特征在于，所述电动输油泵的直流电机还连接有PWM驱动工作频率调节器，防止工作时电能消耗过大导致电控单元馈电。