设计－研究Ｉ缸内直喷汽油机轨压控制策略仿真　ｄｏｉ：１０．３９６９８．ｉｓｓｎ．１００５—２５５０．２０１７．０５．００５　收稿日期：２０１７－０６—１９　

缸内直喷汽油机轨压控制策略仿真　

叶磊．黄玉强　（武汉理工大学汽车工程学院内燃机实验室，武汉４３００７０）　摘要：缸内直喷汽油机，ＮＩＧＤＩ（Ｇａｓｏｌｉｎｅ　Ｄｉｒｅｃｔ　Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ）汽油机，相对于传统ＰＦＩ（Ｐｏｒｔ　Ｆｕｅｌ　Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ）发动机具有动力性能好，燃油经济性好，低排放等优点，轨压控制是ＧＤＩ汽油　机的控制的重要一环。本文提出了一种前馈控制与ＰＩ反馈控制结合的复合控制策略，采用　Ｍａｄａｈ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ与ＧＴ—ＦＵＥＬ联合仿真的方式验证该控制策略的可行性。联合仿真中，进行了　轨压阶跃信号跟踪仿真，复合控制策略达到了理想的效果。　关键词：缸内直喷汽油机；联合仿真；轨压；复合控制策略　中图分类号：ＴＰ３９１．９　文献标识码：Ａ　文章编号：１００５—２５５０（２０１７）０５—０００８—０４　

Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｒａｉｌ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｙ　ｆｏｒ　ＧＤＩ　Ｅｎｇｉｎｅ　ＹＥ　Ｌｅｉ，ＨＵＡＮＧ　Ｙｕ・ｑｉａｎｇ　（Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｉｎｔｅｒｎａｌ　Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅ，Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｗｕｈａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ４３００７０，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ＰＦＩ（Ｐｏｒｔ　Ｆｕｅｌ　Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ）ｅｎｇｉｎｅ，ＧＤＩ（Ｇａｓｏｌｉｎｅ　Ｄｉｒｅｃｔ　Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ）ｅｎｇｉｎｅ　ｈａｓ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ｏｎ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｆｕｅｌ　ｅｃｏｎｏｍｙ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ａｎｄ　ｅｍｉｓｓｉｏｎ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ｒａｉｌ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｉｓ　ｏｎｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｏｓｔ　ｃｒｕｃｉａｌ　ｐａｒｔｓ　ｆｏｒ　ＧＤＩ　ｅｎｇｉｎｅ．Ａ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｙ　ｔｈａｔ　ｃｏｎｓｉｓｔｓ　ｏｆ　ａ　ｆｅｅｄ—ｆｏｒｗａｒｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｙ　ａｎｄ　ＰＩ　ｃｌｏｓｅ・－ｌｏｏｐ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｙ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ　ａｎｄ　ｔｅｓｔｅｄ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ＣＯ－－ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ　ａｎｄ　ＧＴ－ＦＵＥＬ．Ｉｎ　ｔｈｅ　ＣＯ－ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｓｔｅｐ　ｓｉｇｎａｌ　ｔｒａｃｋｉｎｇ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｗｅｒｅ　ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｒｅａｃｈｅｄ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｃｔａｔｉｏｎ．　Ｋｅｙ　Ｗｏｒｄｓ：ＧＤＩ　ｅｎｇｉｎｅ；Ｃｏ—ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；Ｒａｉｌ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ；Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｙ　

３２　引言　随着我国经济水平的不断提高，汽车在普通　家庭中逐渐普及，能源和环境问题日益成为人们　关注的焦点。缸内直喷汽油汽油机因为具有动力　性好，燃油经济性好，低排放等优势，成为各大　研究机构的研究热门…。　ＧＤＩ汽油机直接将汽油喷到汽缸内，能够精确　汽车科技，ＡＵＴ０　ＳＣＩ—ＴＥＣＨ　２０１　７年第５期　

控制喷油量和进气量两个方而，从而调节空燃　比，具有良好的瞬态响应性能。在低负荷时采用　分层燃烧模式，车辆减速时断油减少燃油消耗，　其燃油经济性优于传统ＰＦＩ发动机　。。因为汽缸内部　压力高，ＧＤＩ汽油机所需喷油压力远大于ＰＦＩ发动　机，所以ＧＤＩ汽油机油雾颗粒小，雾化程度高，　ＧＤＩ汽油机油雾颗粒达到２０ｕｍ一２５ｕｒｎ，而ＰＦＩ发动　机油雾颗粒为２００ｕｒｎ．其可燃混合气形成Ｈ２ＰＦＩ发　动机更容易　。。　ＧＤＩ汽油机的轨压直接影响了喷油器喷油压　力，进而影响了发动机性能，因此轨压控制是一　个重要的课题。由于台架试验周期长，成本高　仿真成为了发动机管理系统开发不可缺少的一部　分，本文采用的复合控制策略南基于ＭＡＰ的前馈　控制策略与具有自整定功能的ＰＩ反馈控制策略组　成，采用Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ控制器模　与ＧＴ—ｎ］ＥＬ共　轨系统模型联合仿真的方式，验证该控制策略的　可行性，仿真试验达到了理想控制效果。　１高压燃油共轨系统及模型　１．１　ＧＴ—ＳＵｌＴＥ简介　ＧＴ－ＳＵ１ＴＥ系列软件是由美国Ｇａｍｍａ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ　公司开发的汽车仿真分析系列套装软件，能进行发　动机，动力系统以及车辆仿真，涵盖了流体、机　械、电、磁热和控制等方面。　１．２高压燃油共轨系统简介　ＧＤＩ汽油机共轨系统主要由油箱、低压油泵、　高压油泵、共轨、轨压传感器、喷油器、ＥＣＵ电控　单元以及管路等。低压油泵与油箱等部分组成了　低压油路，高压油泵、高压油轨等部分组成了高　压油路，高压油泵连接了低压油路与高压油路两　个部分。　共轨系统燃油流向及控制原理如图ｌ所示。低　压油泵将油箱内的汽油泵出，向高压油泵提供　０．３８—０．６２ＭＰａ的低压汽油，作为高压油泵汽油来　源。汽油经过高压油泵的压力调节电磁阀（ＭＳＶ１，　进入高压油泵泵体内部，高压油泵在凸轮带动的　活塞挤压下，形成小于２０ＭＰａ的高压燃油，再经过　单向阀（ｃＶ）进入到高压油路中，给共轨提供高压燃　油。共轨中的燃油通过喷油器喷入汽油机汽缸内　实现供油。为了保护共轨系统不受到损伤，高压　泵和共轨的安伞Ｊｉｊ｛Ｉ（ＳＶ）在轨压大Ｔ２０ＭＰａ时开启，　多余的汽油回流到低压油路中，起到泄压的作　用。　ＥＣＵ通过接收轨压传感器采集到的轨压信　号，控制压力调节电磁阀（ＭＳＶ）开启和关闭时间，　来调节轨压，形成闭环控制。　

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图１高压燃油共轨系统燃油流动及控制原理图　１．３高压燃油共轨系统模型　本文目标发动机为　缸发动机，采用ｉ叶轮　式高压油泵。图２所示为高压燃油共轨系统模型。　

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图２高压燃油共轨系统模型　１．３．１低压泵模型　低压油泵泵油压力低（０．３８—０．６２ＭＰａ），供油　压力小，对高　燃油共轨系统轨压波动的影响　小，采用ＥｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ模块作为低压油泵的简化　模型，向高压油泵提供稳定压力的燃油，设置供　油压力为０．４ＭＰａ。冈３所示为低压油泵模型。　

图３低压油泵模型　１．３．２高压泵模型　柱塞式高压油泵由泵体、压力调节电磁阀、　柱塞、凸轮、单向阀组成。执行机构为压力调节　电磁阀，如图４所示，为高压泵的结构及与Ｔ作原　理示意图。图５为高压泵柱塞升程图，泵油过程如　

３３　设计・研究Ｉ缸内直喷汽油机轨压控制策略仿真　卜：　①进油阶段：当柱塞从　止点下行时，压力　调节电磁阀在弹簧作用下保持开启，单向阀保证　高压油路中的汽油不会倒流进入高压油泵中，泵　体内油压急剧下降，低压油路中的汽油通过进油　Ｉ　１进入泵体内。　②回油阶段：柱塞到达下止点之后，开始ｔ　行，泵体内油压大于低　油路中的油压时，压力　调　电磁阀未关闭，则燃油通过进油口同流到低　压油路中。　③供油阶段：在柱塞　行某一时刻，压力调　电磁阀获得一个电磁力，在电磁力的作用下，　力调节电磁阀关闭，泵体内油压急剧上升，当　油　大于高压油路油压时，泵内汽油进入高压油　路中，实现供油。进入下一个循环后，缸内压力　下降，压力调节电磁阀开启，重复以卜过程。如　Ｉ￣．Ｉ５中供油阶段包含的曲轴转角，称为控制角，记　作０。０越大，高压泵供油越多，高压油路中油　越高。　

３４　●０　Ｏ　ｌ　

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图４高压泵结构与工作原理示意图　Ｉ　ｌ　ｒ　ｌ　ｊ｝ｌ！　

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幢■量　３８０　图５高压油泵柱塞升程图　冈６为（　一ＦＵＥＬ中高压油泵的模型。Ｏｒｉｆｉｃｅ　Ｃｏｎｎ为孔连接模块，通过控制其孔径大小模拟压　力调节电磁阀的开闭状态，作为压力调节电磁阀　的简化模　。ＯｕｔＬｅｔＶｏｌｕｍｅ—ｌ模块作为出油孔与高　压油路连接，单向阀由冈６Ｎ出的三个　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ模块组成。ＳａｉｌｅｙＶａｌｖｅ—ｌ为安全阀，　ＰｌｕｎｇｅｒＩ　ｉｆｔ为凸轮。表１为高压泵参数：　

安全阀　吩　

图６高压油泵的模型　表１高压泵参数　

ｆ奉　●　电磁阀　

悻寒　叶轮　

名称　参数　凸轮形式　ｉ叶轮式　凸轮最大升程　４ｍｍ　最大腔内体积　７３０ｍｍ　柱塞直径　９ｎｌｎｌ　

１．３．３共轨与喷油器模型　高压燃油共轨采用Ｐ　ｉ　Ｐ　ｅ　Ｒ　ｎ　ｃ｛和　ＦｌｏｗＳｐｌｉｔＴＲｉｇｈｔ模块串联，构成共轨的主体．　ＦｌｏｗＳｐｌｉｔＴＲｉｇｈｔ模块用于喷油器连接。喷油器采取　简化模型，ＦｌｏｗＳｐｌｉｔＧｅｎｅｒａｌ与ＰｉｐｅＲｏｕｎｄ模块作为　喷油器腔体，ＩｎｊＮｏｚｚＣｏｎｎ模块作为喷浦嘴。　ｌ一　７所示为共轨与喷油器模型。表２为共轨与喷油器　参数。　

目　粤　函　

血　＠　

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图７共轨与喷油器模型　表１　２共轨与喷油器参数　名称　参数　共轨总长度　２７９ｍｍ　相邻喷油器间距离　８５ｍｍ　共轨内腔直径　２２ｒａｍ　共轨进油口直径　３ｍｍ　喷油器数量　３　喷油器进油孑Ｌ直径　０．６９ｍｍ　喷孔直径　（）．１９ｒａｍ　喷孔数　７　

出　一　恩　昌怠　～阜．１　

息　

星息点孟王，．｛　０｝｛