喷油系统模型与高压共轨喷油系统的关系及可靠性要求

喷油系统模型的建立与所采用的喷油系统类型和工作原理紧密相关。目前，柴油机喷油系统种类繁多，喷油系统的类型主要分为机械式和电子控制式，其中电子控制式又可分为位置控制式、时间控制式及时间－压力控制式。

1.机械式

机械式喷油系统主要由油箱、低压输油泵、燃油滤清器、高压燃油泵、喷油器及油管等组成。其工作过程是：柴油机曲轴通过传动机构带动喷油泵的凸轮轴转动，把燃油从油箱送到输油泵，形成低压；经过燃油滤清器，一部分供给高压的喷油泵，另一部分回到油箱；进入喷油泵的燃油通过高压油管输送到喷油器，当压力超过喷油器的开启压力时，喷油器开启，进行喷油。

2.位置控制式

位置控制式保留了原直列喷油泵和分配泵的基本结构，在喷油泵上装有齿杆位移传感器和凸轮轴相对曲轴的转角位移传感器、线性和旋转电磁铁的执行器及微处理器组成的控制系统，对喷油量进行调节。喷油量的计量按位置控制方式，以柱塞的供油始点和供油终点间的物理长度（即有效行程）确定。

位置控制式系统模型一般建立在两个串联的PID控制算法上。外环为转速环，将脚踏板的设定转速与转速传感器输出的柴油机实际转速信号比较，其差值经模糊PID运算后，得出外环输出值，该值与功率限制、辅助功能（冷却水温保护、排气温度保护等）输出数值比较后，得到喷油泵齿杆的目标位置。内环为位置环，将外环得到的喷油泵齿杆位置作为位置环的理论输入，与位移传感器输出的喷油泵实际齿杆位置作比较，其差值经PID运算，可得出执行器的输出电流，从而控制齿杆位移、调节柴油机转速。电控系统控制原理如图4－4所示。

图4－4　电控系统控制原理

3.时间控制式

时间控制式电控喷油系统依靠传统的脉动泵产生高压，喷油量和喷油脉宽完全由电磁阀控制，电磁阀的关闭时刻决定喷射定时，电磁阀关闭持续时间决定喷油量。时间控制式电控喷油系统主要有电控分配泵、电控直列泵、电控单体泵（图4－5）和电控泵喷嘴（图4－6）等。

图4－5　电控单体泵

1—转速传感器；2—冷却水温传感器；3—增压压力传感器；4—喷油器；5—ECU；6—单体泵；7—凸轮转速传感器；8—加速踏板传感器

图4－6　电控泵喷嘴

1—增压压力传感器；2—泵喷嘴；3—ECU；4—凸轮转速传感器；5—冷却水温传感器；6—转速传感器；7—加速踏板传感器

4.时间－压力控制式

时间－压力控制式有中压共轨喷油系统和高压共轨喷油系统（图4－7）。其中，高压共轨喷油系统采用可调的高压油泵压力控制阀调节共轨内压力并由压力传感器检测，根据柴油机负荷和转速要求将共轨中的油压控制在预定值，实现反馈控制。在喷油器上方有一个高速电磁开关阀，共轨中的燃油经该阀进入喷油器，喷油量和喷油定时均由该电磁阀控制：利用电磁开关阀控制喷油器的背压变化可以改变喷油量和喷油定时，改变施加在电磁开关阀上的控制脉宽可以调节喷油量，改变脉冲时刻可以控制喷油定时。高压共轨喷油系统可以实现轨压、喷油量和喷油定时的全面控制，但整个系统处于高压环境下，对控制精度及系统的可靠性要求非常高。

图4－7　高压共轨喷油系统

1—燃油箱；2—滤网；3—低压输油泵；4—低压油管；5—燃油滤清器；6—高压油泵；7—高压油管；8—共轨管；9—电控喷油器；10—ECU；11—回油管

在以上介绍的几种喷油系统中，高压共轨喷油系统最复杂，接下来着重对其数学模型进行介绍，其他喷油系统的计算可以在此基础上进行简化和改进。

1）高压油泵数学模型

柱塞腔内燃油连续方程：

式中，VP——柱塞腔容积；

PP——柱塞腔压力；

E——燃油弹性模量；

FP——柱塞截面积；

vP——柱塞速度；

ρ——燃油密度；

Pr——共轨管压力；

Pl——输油管压力；

（μF）pr——柱塞腔到共轨管的流通面积，与单向阀升程有关；

（μF）pl——柱塞腔到进回油管的流通面积，与柱塞升程有关；

（μF）po——柱塞腔到低压油道的流通面积；

PO——低压油道的压力；

QP——柱塞腔泄漏油量；

ζ，γ，η——阶跃函数。

2）共轨管数学模型

共轨管内燃油连续性方程：

式中，Vr——共轨管的容积；

Pb——控制腔内的压力；(www.xing528.com)

Pn——喷嘴腔的压力；

（μF）rn——共轨管到喷嘴腔的流通面积；

（μF）pb——共轨管到控制腔的流通面积；

κ，λ——阶跃函数。

3）电控喷油器数学模型

喷嘴腔内燃油连续性方程：

式中，Vn——针阀的集中容积；

Pnj——压力室压力；

（μF）nj——喷油嘴至压力室的流通面积；

δ——阶跃函数；

Fn——针阀截面积；

Vnk——针阀锥部的容积；

hn——针阀升程；

Qln——针阀偶件泄漏量。

压力室燃油连续方程：

式中，Vnj——压力室的容积；

（μF）nh——喷油嘴有效流通面积；

Pc——气缸中平均压力。

控制腔燃油连续方程：

式中，Vb——控制腔集中容积；

（μF）b——控制腔至回油道的有效流通面积。

式中，dv——电磁阀座面直径；

Xv——电磁阀升程；

θ——电磁阀座面夹角。

针阀运动方程：

式中，mn——针阀组件质量；

hn——针阀升程；

Fnb——针阀密封带以下投影面积；

Kn——针阀弹簧刚度；

hn0——针阀弹簧预紧量；

Ab——控制活塞截面积；

Cn——针阀阻尼系数。

电磁阀运动方程：

式中，mv——电磁阀的总运动质量；

F——动态电磁吸力；

Fy——电磁阀所受液动力；

Fk——弹簧力和其他阻力。