高壓共軌柴油機(jī)噴油系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真研究

王凱 張?jiān)矢?高洋 馬越

摘 要：為滿足高壓共軌柴油機(jī)對(duì)環(huán)保和經(jīng)濟(jì)等方面日益提升的性能，ECU的功能以及復(fù)雜程度都在不斷提高，導(dǎo)致開發(fā)難度也在不斷增加，用臺(tái)架試驗(yàn)方法來逐步調(diào)試ECU這一傳統(tǒng)方法耗費(fèi)巨大人力物力，且開發(fā)周期長(zhǎng)、調(diào)試環(huán)境不穩(wěn)定，還有可重復(fù)性差的缺點(diǎn)，難以適應(yīng)ECU系統(tǒng)頻繁升級(jí)換代的需要。硬件在環(huán)仿真測(cè)試，可以對(duì)生成的快速控制原型測(cè)試，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)及逐漸逼近的方式來驗(yàn)證ECU功能，最終可以生成目標(biāo)代碼下載到硬件中。本研究針對(duì)Sofim8140.43S系列高壓共軌柴油機(jī)ECU燃油噴射系統(tǒng)進(jìn)行在環(huán)仿真的測(cè)試驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：高壓共軌柴油機(jī);噴油系統(tǒng);硬件在環(huán)仿真

引言

硬件在電機(jī)的開發(fā)中在回路仿真中起著重要作用。該硬件模擬循環(huán)測(cè)試系統(tǒng)中受控對(duì)象的狀態(tài)，向控制器返回逼真的反饋，并通過模擬各種復(fù)雜情況來檢測(cè)控制中的缺陷，從而縮短開發(fā)周期。為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)的硬件測(cè)試，發(fā)動(dòng)機(jī)模型是仿真的重要組成部分，必須保證模型的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。

1硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)架構(gòu)

高壓協(xié)同柴油機(jī)ECU硬件主要由高壓協(xié)同柴油機(jī)機(jī)油機(jī)ECS、開關(guān)柜、hil-ECS、PC機(jī)等外圍設(shè)備組成，它們?cè)谝粋€(gè)封閉的開發(fā)試驗(yàn)系統(tǒng)中相互連接。在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，機(jī)柜向ECU提供模擬發(fā)動(dòng)機(jī)ECU工作所需的各種信號(hào)，包括溫度傳感器模擬信號(hào)、壓力傳感器模擬信號(hào)和模擬開關(guān)信號(hào)。ECU還生成開關(guān)控制信號(hào)，用于控制控制機(jī)箱上相應(yīng)的繼電器、指示燈和儀器。同時(shí)，ECU通過數(shù)據(jù)采集卡將筒體電磁閥的驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)送到PC，HIL-ECU將采集控制箱生成的傳感器仿真信號(hào)發(fā)送到PC，后者根據(jù)從雙方收到的信號(hào)計(jì)算電機(jī)模型，計(jì)算電機(jī)的仿真速度，并通過HIL-EC控制電機(jī)、驅(qū)動(dòng)凸輪和凸輪旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。此外，電動(dòng)機(jī)ECU從曲軸和凸輪中采集旋轉(zhuǎn)信號(hào)，并根據(jù)其自身的環(huán)仿真系統(tǒng)硬件閉合控制策略生成噴霧器電磁閥驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

2油門信號(hào)建模

供油量大小可由加速踏板傳感器信號(hào)反應(yīng)，作為位置類傳感器，其數(shù)學(xué)模型成線性關(guān)系。位移量可以反映0-5V間連續(xù)可調(diào)電壓信號(hào)，由下式表示：

其中：V0—傳感器輸出電壓;K—位移系數(shù);S—位移量。

為便于應(yīng)用到硬件在環(huán)仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)使用過程中，用電位器來代替實(shí)際踏板。電位器滿量程為10KΩ，于是有以下電阻電壓換算：

3燃油計(jì)量單元模型

燃油計(jì)量單元是用于控制流入高壓油泵燃油的燃油量，通過ECU（ElectronicControlUnit）控制脈沖打開或關(guān)閉閥門保持軌道壓力的平衡。為了保證整個(gè)模型的實(shí)時(shí)性，燃油計(jì)量單元控制閥的工作特性由MAP形式給出：

式中：QFMU——通過燃油計(jì)量閥的燃油體積流量;neng——發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min;Acor——當(dāng)前電流值，mA。

軟件用戶界面設(shè)計(jì)

采用LabVIEW8.5在生態(tài)仿真系統(tǒng)的主程序中開發(fā)了高壓協(xié)同柴油機(jī)的ECU硬件。其中包括“軟件操作”菜單、尋呼標(biāo)簽、系統(tǒng)名稱、“模擬顯示”頁和“軟件操作”菜單（在五個(gè)部分中選擇一個(gè)文本文件來存儲(chǔ)與系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)有關(guān)的數(shù)據(jù)），或退出軟件的選項(xiàng)。「分頁」頁簽可讓您選取模擬的第1頁、模擬的第2頁或其中一個(gè)資料清單頁面做為模擬的主要顯示頁面。仿真?zhèn)?包含發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)、軸圖、溫度信號(hào)、指示燈、繼電器和開關(guān)信號(hào)。仿真?zhèn)?包含壓力信號(hào)、霍爾信號(hào)（轉(zhuǎn)速）、油磁驅(qū)動(dòng)信號(hào)?！纲Y料清單」頁面使用多欄清單方塊來顯示系統(tǒng)作業(yè)期間的重要資料參數(shù)。軟件操作控制欄包括水平操縱桿開關(guān)、數(shù)據(jù)文件保存路徑、數(shù)據(jù)保存按鈕、加載初始參數(shù)按鈕、程序啟動(dòng)/停止按鈕以及控制軟件操作的系統(tǒng)退出按鈕。

4軌道模型

軌道中的燃料流動(dòng)主要由進(jìn)入軌道和處于軌道中的燃料流動(dòng)決定，這種流動(dòng)由高壓泵、從輻射管流出的燃料流動(dòng)和從軌道流出的燃料流動(dòng)決定。在計(jì)算燃料壓力時(shí)，應(yīng)考慮燃料物理特性變化的影響。柴油噴射過程非常快。因此，假設(shè)注射溫度保持不變，并且注射壓力僅隨注射壓力而變化。為了確保及時(shí)要求，通過系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的石油流量測(cè)量不同壓力下流出的流量。鐵路壓力計(jì)算如下：

式中：pp——軌道壓力;Qall——高壓油泵供體積油流量;Qinj——流出噴油器的體積流量;Qlos——損失流量由實(shí)驗(yàn)MAP測(cè)試得到;K——此時(shí)燃油體積彈性模量。

5傳感器信號(hào)的發(fā)生

對(duì)于模擬輸入量，在本文中有進(jìn)氣溫度、冷卻液溫度、油門踏板位置以及共軌壓力等信號(hào)。由式4知道，溫度傳感器輸出的物理量與電壓直間的換算關(guān)系，且為U的單一函數(shù)，在進(jìn)行標(biāo)定后進(jìn)行函數(shù)擬合，得出進(jìn)氣溫度和冷卻液溫度與電壓U之間的函數(shù)關(guān)系。并且兩路電壓量都在0-5V之間。為了保證輸出信號(hào)的可靠性，ECU同時(shí)檢測(cè)踏板內(nèi)部2套滑動(dòng)電阻，隨著踏板開度的增大，兩組信號(hào)線的輸出電壓也隨之增大，且在正常情況下始終保持電阻1的電壓為電阻2電壓的2倍。

6高壓共軌供油仿真模型

使用Simulink軟件環(huán)境中的MATLAB/Simulink軟件編譯高負(fù)荷燃油系統(tǒng)毛坯模型。為確保高壓油料系統(tǒng)的實(shí)時(shí)能力，采用氣缸倒運(yùn)法建立了高壓儲(chǔ)罐泵的毛坯模型。型腔的燃油流量是根據(jù)已知物理參數(shù)計(jì)算的，結(jié)果放入機(jī)箱中，模塊模型由觸發(fā)存儲(chǔ)和讀取階段的角度確定，凸輪相位位置每2度存儲(chǔ)一次，索引值為180，索引間隔由速度和配置的步長(zhǎng)間隔計(jì)算，存儲(chǔ)的燃油流量數(shù)據(jù)由讀取階段確定，并輸出值。該模型需要設(shè)置以下子模塊：角確定模塊、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)模塊、讀取數(shù)據(jù)模塊、相位計(jì)算模塊等。

7軟件程序流程

發(fā)動(dòng)機(jī)硬件不應(yīng)在循環(huán)仿真系統(tǒng)中的單個(gè)仿真周期內(nèi)過長(zhǎng)，否則將忽略發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間，這會(huì)影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能，并影響硬件丟失在循環(huán)仿真中的重要性。為此，開發(fā)了高性能柴油機(jī)ECU硬件在Echo仿真系統(tǒng)環(huán)境中采用多線程技術(shù)，作為其主要程序中的引擎仿真模型、用戶界面模塊、數(shù)據(jù)采集卡模塊和CAN通信模塊，同時(shí)作為四個(gè)獨(dú)立的while循環(huán)運(yùn)行。round robin功能允許您設(shè)置模塊運(yùn)行的優(yōu)先級(jí)，以確保整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能。如圖1所示，軟件操作分為軟件啟動(dòng)、軟件初始化、程序啟動(dòng)、程序退出和軟件退出等幾個(gè)部分。

8柴油機(jī)噴油量仿真測(cè)試

為了驗(yàn)證柴油機(jī)毛坯模型中噴水裝置的可靠性，準(zhǔn)確模擬高壓活塞式輸送系統(tǒng)中噴水裝置的噴水裝置設(shè)計(jì)，需要測(cè)試噴嘴模型。該測(cè)試控制器模塊采用PID油量控制器，通過轉(zhuǎn)速偏差控制筒體每周期的推力。柴油機(jī)仿真將25%轉(zhuǎn)速下的燃油量與實(shí)際轉(zhuǎn)速進(jìn)行了比較。指定起點(diǎn)保持恒定，目標(biāo)壓力來自軌道貼圖。仿真結(jié)果表明，油量小于實(shí)際誤差，表明從公共管道流出的燃油流量的計(jì)算值和實(shí)際值與實(shí)際值相匹配，以滿足后續(xù)測(cè)試。

結(jié)束語

本文提出了一種基于虛擬網(wǎng)格的LEACH改進(jìn)算法。將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)劃分為若干個(gè)網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格是一個(gè)簇，簇頭的選取考慮了剩余能量和距離，最后對(duì)本文算法進(jìn)行了仿真，并與CEED算法和LEACH算法進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，本文提出的算法在平衡網(wǎng)絡(luò)能耗和延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存期方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。但本文考慮的網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)單，傳感器節(jié)點(diǎn)同構(gòu)，下一步實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)考慮異構(gòu)節(jié)點(diǎn)的情況。

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