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伺服技術在燃氣噴射領域的應用

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:在燃氣發動機領域,“燃氣缸內直噴”技術一直是國內外研究的重要課題,目前常見的是方法是采用驅動快速電磁閥來實現缸內噴射。本文引入伺服控制技術,以臺達的伺服元件為例,從理論上闡述如何采用伺服驅動凸輪噴射系統實現燃氣發動機的缸內噴射,從硬件、軟件兩個方面剖析伺服噴射系統,并對該系統的關鍵技術做深入分析。

關鍵詞:伺服;運動控制;凸輪;進氣相位

在燃氣發動機領域,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噴射技術避免燃氣爆燃出現回火現象,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要求較高,在低品質的燃氣場合中,往往故障率較高。

本文提出一種伺服驅動噴射方法,從硬件及軟件上分析了伺服驅動噴射系統的模型,分析了伺服驅動噴射的關鍵技術,為解決“缸內混合”提供了新的思路。

1.伺服噴射技術簡介

1.1伺服系統

伺服系統是精確地跟隨或復現某個過程的反饋控制系統,又稱隨動系統。采用伺服系統主要可以實現以下三個功能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動機凸輪軸的實時相位,在控制器內部建立了一條與發動機凸輪實際相位相關的虛擬主軸,在開機之前各噴射閥凸輪自動完成找原點和按發動機配氣相位排隊,而當發動機運轉起來后,各噴射閥凸輪只需要根據發動機凸輪原點的觸發信號適時跟隨虛擬主軸運轉即可。

2.伺服噴射系統硬件及軟件構成

2.1伺服噴射系統的硬件基本構成

以12v190燃氣發動機為例,伺服噴射系統硬件基本構成(伺服系統采用臺達產品)包括:伺服主控制器(運動控制器)、伺服驅動器、伺服電機、噴射閥、增量型旋轉編碼器、發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伺服噴射系統的軟件構成

該系統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。各部分實現的主要功能如:l)觸摸屏軟件:該部分主要實現伺服系統參數采集,并能實現對伺服系統手動控制功能。2)伺服主控制器軟件:該部分主要負責運動控制部分。

3.伺服驅動凸輪噴射系統的關鍵技術

3.1虛擬電子主軸的定義與建立

伺服噴射系統中,發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動機的凸輪軸沒有任何機械關聯,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聯(虛擬主軸與編碼器之間的變比在程序中設定),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

根據控制需要,我們對發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)發動機凸輪軸的原點:將發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,但是控制器己經記錄下觸發瞬間對應的那個點為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

根據控制需要,將發動機凸輪原點信號作為各噴射閥凸輪跟隨觸發信號。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定的相位關系進行排隊。12V190發動機凸輪進氣角度(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。。根據定義,發動機凸輪原點與噴射閥凸輪原點均為各自的參考0點,即當發動機凸輪原點觸發時,噴射閥的凸輪應在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