伺服技术在燃气喷射领域的应用
2017-7-4 来源：胜利油田胜利动力机械集团有限公司 作者：肖广云
摘要:在燃气发动机领域,“燃气缸内直喷”技术一直是国内外研究的重要课题,目前常见的是方法是采用驱动快速电磁阀来实现缸内喷射。本文引入伺服控制技术,以台达的伺服元件为例,从理论上阐述如何采用伺服驱动凸轮喷射系统实现燃气发动机的缸内喷射,从硬件、软件两个方面剖析伺服喷射系统,并对该系统的关键技术做深入分析。
关键词:伺服;运动控制;凸轮;进气相位
在燃气发动机领域,如何有效改善高含氢量燃气的燃气利用、如何更好地解决“缸内混合”方案一直以来是一个重要的课题,目前主要是采用燃气缸内喷射技术避免燃气爆燃出现回火现象,而常见的喷射方法主要是电动喷射,而电动喷射采用的电磁阀对燃气的品质要求较高,在低品质的燃气场合中,往往故障率较高。
本文提出一种伺服驱动喷射方法,从硬件及软件上分析了伺服驱动喷射系统的模型,分析了伺服驱动喷射的关键技术,为解决“缸内混合”提供了新的思路。
1.伺服喷射技术简介
1.1伺服系统
伺服系统是精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统,又称随动系统。采用伺服系统主要可以实现以下三个功能1[一2〕:l)以小功率指令信号控制大功率负载;2)在没有机械连接的情况下,由输入轴控制位于远处的输出轴,实现远距离同步传动;3)使输出机械位移精确地跟踪电信号。
1.2伺服喷射系统控制思想
基本控制思想:伺服主控制器通过编码器采集到发动机凸轮轴的实时相位,在控制器内部建立了一条与发动机凸轮实际相位相关的虚拟主轴,在开机之前各喷射阀凸轮自动完成找原点和按发动机配气相位排队,而当发动机运转起来后,各喷射阀凸轮只需要根据发动机凸轮原点的触发信号适时跟随虚拟主轴运转即可。
2.伺服喷射系统硬件及软件构成
2.1伺服喷射系统的硬件基本构成
以12v190燃气发动机为例,伺服喷射系统硬件基本构成(伺服系统采用台达产品)包括:伺服主控制器(运动控制器)、伺服驱动器、伺服电机、喷射阀、增量型旋转编码器、发动机凸轮轴原点传感器、喷射阀凸轮轴原点传感器、触摸屏。
2.2伺服喷射系统的软件构成
该系统的软件部分主要包括两大部分:触摸屏软件和伺服主控制器软件。各部分实现的主要功能如:l)触摸屏软件:该部分主要实现伺服系统参数采集,并能实现对伺服系统手动控制功能。2)伺服主控制器软件:该部分主要负责运动控制部分。
3.伺服驱动凸轮喷射系统的关键技术
3.1虚拟电子主轴的定义与建立
伺服喷射系统中,发动机凸轮的运动轨迹作为参考对象,而喷射阀凸轮的运动轨迹作为控制对象,因此我们定义发动机凸轮为主轴(实轴),喷射阀的凸轮为从轴(实轴)。而喷射阀的凸轮轴与发动机的凸轮轴没有任何机械关联,为了使从轴跟随主轴的运动轨迹,我们就需要引出一个虚拟的主轴,这个虚拟主轴的运动轨迹与主实轴的运动轨迹相关联(虚拟主轴与编码器之间的变比在程序中设定),而从轴就以虚拟主轴为参考做运动。
3.2原点的定义与回归
根据控制需要,我们对发动机凸轮和各喷射阀凸轮定义参考0点,即原点。原点的定义如:l)发动机凸轮轴的原点:将发动机凸轮轴磁钉与霍尔传感器相遇时定为进气上止点。2)喷射阀凸轮轴的原点:将喷射阀凸轮轴磁钉与霍尔传感器相遇时定为超前凸轮上止点(凸轮最高行程)35。。由于惯性的作用,当传感器检测到原点的瞬间,控制器并不能让立即伺服电机停下来,但是控制器己经记录下触发瞬间对应的那个点为0点,并且控制器有一个原点回归的过程试图回到原点。
3.3喷射阀凸轮轴的排队与跟随
根据控制需要,将发动机凸轮原点信号作为各喷射阀凸轮跟随触发信号。而各喷射阀凸轮是同时跟随的(跟随速度、加速度都是一致的),因此就需要在跟随之前将各喷射阀凸轮按规定的相位关系进行排队。12V190发动机凸轮进气角度(相对于凸轮轴)为102.5。,而喷射阀凸轮进气角度(相对于凸轮轴)为70。。根据定义,发动机凸轮原点与喷射阀凸轮原点均为各自的参考0点,即当发动机凸轮原点触发时,喷射阀的凸轮应在360。一35。二325。的位置,为了方便计算,估算为16。的位置,因此可建立喷射阀凸轮轴的排队相位表如表1所示。
表1喷射阀凸轮轴排队相位表
3.4各缸进气相位的控制
发动机的凸轮进气角度巧0。是喷射阀的理论允许喷射行程,如果喷射阀凸轮在通过该段行程内的运行速度得到控制,即实现对进气相位的控制。
在程序内给虚拟主轴任意一个虚拟的叠加相位,可任意控制所选取从轴的相位。关键的是主轴的实际相位并没有改变,因此对某一个气缸进行相位控制并不影响其它气缸的相位。
另一方面,虽然喷射阀凸轮在通过允许行程内的运行速度得到控制改变后,但是必须保证:喷射阀凸轮工作循环时间二发动机凸轮工作循环时间,因此还需要在不允许进行燃气喷射的210。行程内进行逆向补偿,将先前的相位补偿抵消掉。
4.结束语
将伺服技术应用于燃气喷射领域还仅仅是一个起点,伺服驱动凸轮喷射系统逐渐走向成熟的同时,将对高含氢量燃气的燃烧利用、缸内混合模式提供更多的选择,为研究“可变喷气正时”具有一定参考价值。
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