伺服技術(shù)在燃氣噴射領(lǐng)域的應(yīng)用
2017-7-4 來源：勝利油田勝利動力機械集團有限公司 作者：肖廣云
摘要:在燃氣發(fā)動機領(lǐng)域,“燃氣缸內(nèi)直噴”技術(shù)一直是國內(nèi)外研究的重要課題,目前常見的是方法是采用驅(qū)動快速電磁閥來實現(xiàn)缸內(nèi)噴射。本文引入伺服控制技術(shù),以臺達的伺服元件為例,從理論上闡述如何采用伺服驅(qū)動凸輪噴射系統(tǒng)實現(xiàn)燃氣發(fā)動機的缸內(nèi)噴射,從硬件、軟件兩個方面剖析伺服噴射系統(tǒng),并對該系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)做深入分析。
關(guān)鍵詞:伺服;運動控制;凸輪;進氣相位
在燃氣發(fā)動機領(lǐng)域,如何有效改善高含氫量燃氣的燃氣利用、如何更好地解決“缸內(nèi)混合”方案一直以來是一個重要的課題,目前主要是采用燃氣缸內(nèi)噴射技術(shù)避免燃氣爆燃出現(xiàn)回火現(xiàn)象,而常見的噴射方法主要是電動噴射,而電動噴射采用的電磁閥對燃氣的品質(zhì)要求較高,在低品質(zhì)的燃氣場合中,往往故障率較高。
本文提出一種伺服驅(qū)動噴射方法,從硬件及軟件上分析了伺服驅(qū)動噴射系統(tǒng)的模型,分析了伺服驅(qū)動噴射的關(guān)鍵技術(shù),為解決“缸內(nèi)混合”提供了新的思路。
1.伺服噴射技術(shù)簡介
1.1伺服系統(tǒng)
伺服系統(tǒng)是精確地跟隨或復現(xiàn)某個過程的反饋控制系統(tǒng),又稱隨動系統(tǒng)。采用伺服系統(tǒng)主要可以實現(xiàn)以下三個功能1[一2〕:l)以小功率指令信號控制大功率負載;2)在沒有機械連接的情況下,由輸入軸控制位于遠處的輸出軸,實現(xiàn)遠距離同步傳動;3)使輸出機械位移精確地跟蹤電信號。
1.2伺服噴射系統(tǒng)控制思想
基本控制思想:伺服主控制器通過編碼器采集到發(fā)動機凸輪軸的實時相位,在控制器內(nèi)部建立了一條與發(fā)動機凸輪實際相位相關(guān)的虛擬主軸,在開機之前各噴射閥凸輪自動完成找原點和按發(fā)動機配氣相位排隊,而當發(fā)動機運轉(zhuǎn)起來后,各噴射閥凸輪只需要根據(jù)發(fā)動機凸輪原點的觸發(fā)信號適時跟隨虛擬主軸運轉(zhuǎn)即可。
2.伺服噴射系統(tǒng)硬件及軟件構(gòu)成
2.1伺服噴射系統(tǒng)的硬件基本構(gòu)成
以12v190燃氣發(fā)動機為例,伺服噴射系統(tǒng)硬件基本構(gòu)成(伺服系統(tǒng)采用臺達產(chǎn)品)包括:伺服主控制器(運動控制器)、伺服驅(qū)動器、伺服電機、噴射閥、增量型旋轉(zhuǎn)編碼器、發(fā)動機凸輪軸原點傳感器、噴射閥凸輪軸原點傳感器、觸摸屏。
2.2伺服噴射系統(tǒng)的軟件構(gòu)成
該系統(tǒng)的軟件部分主要包括兩大部分:觸摸屏軟件和伺服主控制器軟件。各部分實現(xiàn)的主要功能如:l)觸摸屏軟件:該部分主要實現(xiàn)伺服系統(tǒng)參數(shù)采集,并能實現(xiàn)對伺服系統(tǒng)手動控制功能。2)伺服主控制器軟件:該部分主要負責運動控制部分。
3.伺服驅(qū)動凸輪噴射系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)
3.1虛擬電子主軸的定義與建立
伺服噴射系統(tǒng)中,發(fā)動機凸輪的運動軌跡作為參考對象,而噴射閥凸輪的運動軌跡作為控制對象,因此我們定義發(fā)動機凸輪為主軸(實軸),噴射閥的凸輪為從軸(實軸)。而噴射閥的凸輪軸與發(fā)動機的凸輪軸沒有任何機械關(guān)聯(lián),為了使從軸跟隨主軸的運動軌跡,我們就需要引出一個虛擬的主軸,這個虛擬主軸的運動軌跡與主實軸的運動軌跡相關(guān)聯(lián)(虛擬主軸與編碼器之間的變比在程序中設(shè)定),而從軸就以虛擬主軸為參考做運動。
3.2原點的定義與回歸
根據(jù)控制需要,我們對發(fā)動機凸輪和各噴射閥凸輪定義參考0點,即原點。原點的定義如:l)發(fā)動機凸輪軸的原點:將發(fā)動機凸輪軸磁釘與霍爾傳感器相遇時定為進氣上止點。2)噴射閥凸輪軸的原點:將噴射閥凸輪軸磁釘與霍爾傳感器相遇時定為超前凸輪上止點(凸輪最高行程)35。。由于慣性的作用,當傳感器檢測到原點的瞬間,控制器并不能讓立即伺服電機停下來,但是控制器己經(jīng)記錄下觸發(fā)瞬間對應(yīng)的那個點為0點,并且控制器有一個原點回歸的過程試圖回到原點。
3.3噴射閥凸輪軸的排隊與跟隨
根據(jù)控制需要,將發(fā)動機凸輪原點信號作為各噴射閥凸輪跟隨觸發(fā)信號。而各噴射閥凸輪是同時跟隨的(跟隨速度、加速度都是一致的),因此就需要在跟隨之前將各噴射閥凸輪按規(guī)定的相位關(guān)系進行排隊。12V190發(fā)動機凸輪進氣角度(相對于凸輪軸)為102.5。,而噴射閥凸輪進氣角度(相對于凸輪軸)為70。。根據(jù)定義,發(fā)動機凸輪原點與噴射閥凸輪原點均為各自的參考0點,即當發(fā)動機凸輪原點觸發(fā)時,噴射閥的凸輪應(yīng)在360。一35。二325。的位置,為了方便計算,估算為16。的位置,因此可建立噴射閥凸輪軸的排隊相位表如表1所示。
表1噴射閥凸輪軸排隊相位表
3.4各缸進氣相位的控制
發(fā)動機的凸輪進氣角度巧0。是噴射閥的理論允許噴射行程,如果噴射閥凸輪在通過該段行程內(nèi)的運行速度得到控制,即實現(xiàn)對進氣相位的控制。
在程序內(nèi)給虛擬主軸任意一個虛擬的疊加相位,可任意控制所選取從軸的相位。關(guān)鍵的是主軸的實際相位并沒有改變,因此對某一個氣缸進行相位控制并不影響其它氣缸的相位。
另一方面,雖然噴射閥凸輪在通過允許行程內(nèi)的運行速度得到控制改變后,但是必須保證:噴射閥凸輪工作循環(huán)時間二發(fā)動機凸輪工作循環(huán)時間,因此還需要在不允許進行燃氣噴射的210。行程內(nèi)進行逆向補償,將先前的相位補償?shù)窒簟?/font>
4.結(jié)束語
將伺服技術(shù)應(yīng)用于燃氣噴射領(lǐng)域還僅僅是一個起點,伺服驅(qū)動凸輪噴射系統(tǒng)逐漸走向成熟的同時,將對高含氫量燃氣的燃燒利用、缸內(nèi)混合模式提供更多的選擇,為研究“可變噴氣正時”具有一定參考價值。
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