高压共轨柴油机喷油系统硬件在环仿真研究

王凯 张允富 高洋 马越

摘 要：为满足高压共轨柴油机对环保和经济等方面日益提升的性能，ECU的功能以及复杂程度都在不断提高，导致开发难度也在不断增加，用台架试验方法来逐步调试ECU这一传统方法耗费巨大人力物力，且开发周期长、调试环境不稳定，还有可重复性差的缺点，难以适应ECU系统频繁升级换代的需要。硬件在环仿真测试，可以对生成的快速控制原型测试，经过反复试验及逐渐逼近的方式来验证ECU功能，最终可以生成目标代码下载到硬件中。本研究针对Sofim8140.43S系列高压共轨柴油机ECU燃油喷射系统进行在环仿真的测试验证。

关键词：高压共轨柴油机;喷油系统;硬件在环仿真

引言

硬件在电机的开发中在回路仿真中起着重要作用。该硬件模拟循环测试系统中受控对象的状态，向控制器返回逼真的反馈，并通过模拟各种复杂情况来检测控制中的缺陷，从而缩短开发周期。为了保证发动机的硬件测试，发动机模型是仿真的重要组成部分，必须保证模型的准确性和实时性。

1硬件在环仿真系统架构

高压协同柴油机ECU硬件主要由高压协同柴油机机油机ECS、开关柜、hil-ECS、PC机等外围设备组成，它们在一个封闭的开发试验系统中相互连接。在系统运行时，机柜向ECU提供模拟发动机ECU工作所需的各种信号，包括温度传感器模拟信号、压力传感器模拟信号和模拟开关信号。ECU还生成开关控制信号，用于控制控制机箱上相应的继电器、指示灯和仪器。同时，ECU通过数据采集卡将筒体电磁阀的驱动信号发送到PC，HIL-ECU将采集控制箱生成的传感器仿真信号发送到PC，后者根据从双方收到的信号计算电机模型，计算电机的仿真速度，并通过HIL-EC控制电机、驱动凸轮和凸轮旋转驱动电机。此外，电动机ECU从曲轴和凸轮中采集旋转信号，并根据其自身的环仿真系统硬件闭合控制策略生成喷雾器电磁阀驱动信号。

2油门信号建模

供油量大小可由加速踏板传感器信号反应，作为位置类传感器，其数学模型成线性关系。位移量可以反映0-5V间连续可调电压信号，由下式表示：

其中：V0—传感器输出电压;K—位移系数;S—位移量。

为便于应用到硬件在环仿真实验台使用过程中，用电位器来代替实际踏板。电位器满量程为10KΩ，于是有以下电阻电压换算：

3燃油计量单元模型

燃油计量单元是用于控制流入高压油泵燃油的燃油量，通过ECU（ElectronicControlUnit）控制脉冲打开或关闭阀门保持轨道压力的平衡。为了保证整个模型的实时性，燃油计量单元控制阀的工作特性由MAP形式给出：

式中：QFMU——通过燃油计量阀的燃油体积流量;neng——发动机转速，r/min;Acor——当前电流值，mA。

软件用户界面设计

采用LabVIEW8.5在生态仿真系统的主程序中开发了高压协同柴油机的ECU硬件。其中包括“软件操作”菜单、寻呼标签、系统名称、“模拟显示”页和“软件操作”菜单（在五个部分中选择一个文本文件来存储与系统运行时有关的数据），或退出软件的选项。「分页」页签可让您选取模拟的第1页、模拟的第2页或其中一个资料清单页面做为模拟的主要显示页面。仿真侧1包含发动机转速计、轴图、温度信号、指示灯、继电器和开关信号。仿真侧2包含压力信号、霍尔信号（转速）、油磁驱动信号。「资料清单」页面使用多栏清单方块来显示系统作业期间的重要资料参数。软件操作控制栏包括水平操纵杆开关、数据文件保存路径、数据保存按钮、加载初始参数按钮、程序启动/停止按钮以及控制软件操作的系统退出按钮。

4軌道模型

轨道中的燃料流动主要由进入轨道和处于轨道中的燃料流动决定，这种流动由高压泵、从辐射管流出的燃料流动和从轨道流出的燃料流动决定。在计算燃料压力时，应考虑燃料物理特性变化的影响。柴油喷射过程非常快。因此，假设注射温度保持不变，并且注射压力仅随注射压力而变化。为了确保及时要求，通过系统实验室的石油流量测量不同压力下流出的流量。铁路压力计算如下：

式中：pp——轨道压力;Qall——高压油泵供体积油流量;Qinj——流出喷油器的体积流量;Qlos——损失流量由实验MAP测试得到;K——此时燃油体积弹性模量。

5传感器信号的发生

对于模拟输入量，在本文中有进气温度、冷却液温度、油门踏板位置以及共轨压力等信号。由式4知道，温度传感器输出的物理量与电压直间的换算关系，且为U的单一函数，在进行标定后进行函数拟合，得出进气温度和冷却液温度与电压U之间的函数关系。并且两路电压量都在0-5V之间。为了保证输出信号的可靠性，ECU同时检测踏板内部2套滑动电阻，随着踏板开度的增大，两组信号线的输出电压也随之增大，且在正常情况下始终保持电阻1的电压为电阻2电压的2倍。

6高压共轨供油仿真模型

使用Simulink软件环境中的MATLAB/Simulink软件编译高负荷燃油系统毛坯模型。为确保高压油料系统的实时能力，采用气缸倒运法建立了高压储罐泵的毛坯模型。型腔的燃油流量是根据已知物理参数计算的，结果放入机箱中，模块模型由触发存储和读取阶段的角度确定，凸轮相位位置每2度存储一次，索引值为180，索引间隔由速度和配置的步长间隔计算，存储的燃油流量数据由读取阶段确定，并输出值。该模型需要设置以下子模块：角确定模块、存储数据模块、读取数据模块、相位计算模块等。

7软件程序流程

发动机硬件不应在循环仿真系统中的单个仿真周期内过长，否则将忽略发动机的动态响应时间，这会影响系统的实时性能，并影响硬件丢失在循环仿真中的重要性。为此，开发了高性能柴油机ECU硬件在Echo仿真系统环境中采用多线程技术，作为其主要程序中的引擎仿真模型、用户界面模块、数据采集卡模块和CAN通信模块，同时作为四个独立的while循环运行。round robin功能允许您设置模块运行的优先级，以确保整个系统的实时性能。如图1所示，软件操作分为软件启动、软件初始化、程序启动、程序退出和软件退出等几个部分。

8柴油机喷油量仿真测试

为了验证柴油机毛坯模型中喷水装置的可靠性，准确模拟高压活塞式输送系统中喷水装置的喷水装置设计，需要测试喷嘴模型。该测试控制器模块采用PID油量控制器，通过转速偏差控制筒体每周期的推力。柴油机仿真将25%转速下的燃油量与实际转速进行了比较。指定起点保持恒定，目标压力来自轨道贴图。仿真结果表明，油量小于实际误差，表明从公共管道流出的燃油流量的计算值和实际值与实际值相匹配，以满足后续测试。

结束语

本文提出了一种基于虚拟网格的LEACH改进算法。将无线传感器网络划分为若干个网格，每个网格是一个簇，簇头的选取考虑了剩余能量和距离，最后对本文算法进行了仿真，并与CEED算法和LEACH算法进行了比较。结果表明，本文提出的算法在平衡网络能耗和延长网络生存期方面具有很大的优势。但本文考虑的网络简单，传感器节点同构，下一步实际应用中应考虑异构节点的情况。

参考文献

[1]郑子元.高压共轨柴油机电控系统设计开发研究[D].哈尔滨工程大学，2019

[2]蒋方毅.基于模型的柴油机硬件在环仿真与控制研究[D].华中科技大学，2019.

[3]顾宗林.高压共轨柴油机电控技术的研究[D].山东理工大学，2019.