（动力机械及工程专业论文）集成scr模块的高压共轨柴油机电控系统研究.pdf

学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件1 ；电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密口。 学位论文作者签名：阉确文 加j 年6 。月乙目 指导教师签名：多廷节 ；h 年多月1 2 日 集成s c r 模块的高压共轨柴油机电控系统研究 r e s e a r c ho fe l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e mo fh i g hp r e s s u r ec o m m o n r a i ld i e s e le n g i n ew i t hs c rc o n t r o lm o d u l e 姓 2 0 1 1 年6 月 江苏大学硕士学位论文 摘要 高压共轨燃油喷射系统代表着柴油机燃油喷射技术的发展方向，可在提高柴 油机性能的同时降低排放。高压共轨系统能灵活控制喷油压力、喷油量以及喷油 规律，可实现多次喷射，被誉为2 0 世纪末内燃机行业三大突破之一。研究高压共 轨电控系统关键技术对于提高我国汽车产业自主研发能力具有十分重要的意义。 本文在深入研究高压共轨电控系统工作特性基础之上，进行高压共轨e c u ( 电 控单元) 硬、软件系统的研究。根据高压共轨系统功能需求，将e c u 划分为5 个 层次：控制策略层、控制软件层、嵌入式前后台实时系统、底层软件层以及e c u 硬件层。底层软件为控制软件建立基本工作环境，控制软件通过调用底层软件资 源对硬件系统进行操作和实现控制策略，应用以中断为核心的前后台实时系统对 应用程序进行管理。在e c u 硬件方面，完成m c u ( 微控制器) 模块，时钟电路 模块、电源电路模块、复位电路模块、c a n 通讯电路模块、信号处理电路模块以 及驱动电路模块的设计。将s c rd e n o x ( 选择性催化还原脱除氮氧化物) 控制 作为高压共轨系统控制软件的一个任务模块，实现高压共轨e c u 对s c r 系统集成 式控制。 将高压共轨控制策略分为两大部分进行研究：中断层控制策略与任务层控制 策略。在中断层策略中，应用滚动平均法进行曲轴与凸轮轴转速计算；综合曲轴 缺齿信号与凸轮轴多齿信号，实现曲轴以及凸轮轴相位识别策略；应用e c t ( 增 强型捕捉定时器) 模块输出比较功能，实现喷油驱动与s c r 喷射驱动；应用实时 中断r t i 定时激活周期性执行的任务。在任务层策略中，模拟量采用剔除高、低 异常值的滤波方法，开关量采用延迟采样的滤波方法；基于负荷与转速控制模式， 进行柴油机运行工况划分，并研究各工况之间转换策略；详细讨论不同工况下喷 油参数和s c r 尿素喷射参数的更新处理流程；采用基于m a p 表的p i d 闭环控制 方式控制共轨压力与怠速喷油量，保证共轨压力快速稳定和怠速喷油量精确控i 剐。 最后通过e c u 仿真平台模拟调试与发动机台架试验，对控制单元软、硬件模 块具体功能进行试验验证。试验结果表明：电控单元具有较好地信号采集与处理 功能，实现了喷油器电磁阀最优电流驱动、s c r 尿素喷嘴电磁阀中位电压p w m 驱动以及轨压比例电磁阀p w m 电压驱动等控制功能。并且进行共轨压力控制试 集成s c r 模块的高压共轨柴油机电控系统研究 验、怠速转速控制试验以及s c r 脱硝控制试验研究。 关键词：e c u ，控制策略，高压共轨，s c r ； 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eh i l g l l p r e s s u r ec o m m o nr a i ls y s t e m ( c r s ) r e p r e s e n t st h ed e v e l o p m e n t d i r e c t i o no ff u e li n j e c t i o nt e c h n o l o g y , a n di tc o u l de n h a n c ep e r f o r m a n c es i m u l t a n e o u s l y r e d u c i n gp o l l u t a n te m i s s i o n f u e li n j e c t i o nc o n t r o lo fc r si s f l e x i b l er e g u l a t i o n r e s e a r c h i n gc r i t i c a lt e c h n i q u e so fc r sh a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ef o ri m p r o v i n g i n d e p e n d e n tr e s e a r c ha b i l i t yo fa u t o m o b i l ei n d u s t r y o nt h ep r e m i s eo ft h o r o u g hs t u d yi np r i n c i p l eo fc r s ，h a r d w a r ea n ds o f t w a r eo f c r s se c ua r er e s e a r c h e d ，a n de c ui sd i v i d e di n t of i v es u b m o d u l e s ：c o n t r o ls t r a t e g y l a y e r , c o n t r o ls o f t w a r el a y e r , e m b e d d e ds y s t e mo ff o r e - b a c k g r o u n dl a y e r , b o t t o m s o f t w a r el a y e ra n de c uh a r d w a r el a y e r d e v e l o p i n ge n v i r o n m e n to fc o n t r o ls o f t w a r ei s e s t a b l i s h e db yb o t t o ms o f t w a r e ；b ym e a n so fc a l l i n gb o t t o ms o f t w a r e ，c o n t r o ls o f t w a r e r e a l i z e sc o n t r o ls t r a t e g i e s a p p l i c a t i o np r o g r a m sa r em a n a g e db ye m b e d d e ds y s t e mo f f o r e b a c k g r o u n dw h o s ec o r ei si n t e r r u p ts y s t e m i nh a r d w a r es y s t e ma s p e c t , h a r d w a r e c i r c u i t sa r ed e s i g n e d ，i n c l u d i n gm i c r o p r o c e s s o rm o d u l e ，c l o c kc i r c u i tm o d u l e ，p o w e r s u p p l yc i r c u i tm o d u l e ，r e s e tc i r c u i tm o d u l e ，c a nc o m m u n i c a t i o nd i v i n gm o d u l e ，s i g n a l p r o c e s s i n gm o d u l e ，d r i v i n gc i r c u i tm o d u l ea n ds oo n c o m b i n i n gc o n t r o lc h a r a c t e r i s t i c s o fs c r ，a u t h o ra d d ss c r d e n o xc o n t r o lt a s ki n t oc r s ，a n dt h ee c uo fc r sc o u l d c o n t r o lb o t hc r sa n ds c r s y s t e ms i m u l t a n e o u s l y t ob es p e c i f i c ，s c r d e n o xc o n t r o l t a s ki sa r r a n g e da sam o d u l eo fc o n t r o ls o f t w a r e t h ec o n t r o ls t r a t e g yi n c l u d e si n t e r r u p tl a y e ra n dt a s kl a y e r i nc o n t r o ls t r a t e g i e so f i n t e r r u p t i o n ：r o l l i n ga v e r a g em e t h o di sa p p l i e dt oc a l c u l a t ec r a n k s h a f ta n dc a m s h a f t s p e e d ；c r a n k s h a f tp h a s ei si d e n t i f i e db yd e f i c i e n c yt e e t ho fc r a n k s h a f ta n de x t r at o o t ho f c a m s h a f t ；f u e li n j e c t i o nd r i v i n ga n ds c ri n j e c t i o nd r i v i n ga p p l ye c to u t p u tc o m p a r e f u n c t i o n ；c u r r e n td r i v i n go fd o u b l e v o l t a g ep w m i su s e dt od r i v ef u e li n j e c t o rm a g n e t i c v a l v e ，a n dv o l t a g ep w md r i v i n gi su s e dt od r i v es c rm a g n e t i cv a l v e ；p e r i o d i ct a s k sa r e a c t i v a t e db yr t ii n t e r r u p t i nc o n t r o ls t r a t e g i e so ft a s k ：s t r a t e g i e so fs i g n a lp r o c e s s i n g a r es t u d i e d ；f o ra n a l o gs i g n a l s ，r e j e c t i n ga b n o r m a lm e t h o di sa p p l i e dt of i l t e rc l u t t e r ；f o r s w i t c h i n gs i g n a l ，d e l a ys a m p l i n gm e t h o di sa p p l i e dt o f i l t e rd i s t u r b a n c e ；o p e r a t i n g c o n d i t i o ns e t t i n gb a s e so ns p e e d l o a dm o d e l ，a n dc o n v e r s i o ns t r a t e g yo fc o n d i t i o n si s r e s e a r c h e d ；t h er e n e w a lf l o w so ff u e li n j e c t i o np a r a m e t e ra n ds c ri n j e c t i o np a r a m e t e r i nd i f f e r e n tc o n d i t i o n sa r es t u d i e d ；c o m m o nr a i lp r e s s a r ea n di d l i n gs p e e da d o p tp i d d o s e d l o o pc o n t r o lm e t h o dw h i c hb a s e so nm a p , t oe n s u r eq u i c ks t a b i l i t yo fr a i l p r e s s u r ea n da c c u r a c yc o n t r o lo fi d l i n gi n j e c t i o nq u a n t i t y f u n c t i o n so fs o f t w a r ea n dh a r d w a r em o d u l e sa r ev e r i f i e db ys i m u l a t i o nt e s t i n ga n d 1 1 i 集成s c r 模块的高压共轨柴油机电控系统研究 b e n c ht e s t e c ur e a l i z e so p t i m a lc u r r e n td r i v i n go fi n j e c t o rm a g n e t i cv a l v e ，v o l t a g e p w md r i v i n gs c ri n j e c t o rm a g n e t i cv a l v ea n dv o l t a g ep w md r i v i n go fp u m p p r o p o r t i o nm a g n e t i cv a l v e ，a n ds i g n a l sa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n ga r ea c h i e v e d b e n c h t e s tv e r i f i e sp i dd o s e d l o o pc o n t r o lo fc o m m o nr a i lp r e s s u r e ，p i dd o s e d - l o o pc o n t r o l o fi d l i n gs p e e d ，s c r d e n o xc o n t r 0 1 k e yw o r d ：e c u ，c o n t r o ls t r a t e g y , h i g h - p r e s s u r ec o m m o n r a i ls y s t e m ，s c r ； 江苏大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 1 2 1 3 1 4 第2 章 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 第3 章 目录 课题研究的背景1 课题研究的意义1 1 2 1 柴油机电控技术的优势。1 1 2 2 柴油机电控燃油喷射技术发展3 国内外高压共轨电控系统的发展状况5 1 3 1 国外高压共轨系统的发展以及研究现状5 1 3 2 国内高压共轨系统的发展以及研究现状7 本文主要研究工作。7 电控高压共轨系统结构以及工作原理9 传感器1 0 电控单元1 2 执行器1 4 低压油路1 5 高压油路1 6 本章小结1 7 电控单元e c u 硬件系统设计。1 8 3 1e c u 硬件模块化结构1 8 3 2 微处理器模块。1 9 3 2 1 微处理( m c u ) 芯片选型1 9 3 2 2 控制芯片主要特点1 9 3 3 时钟电路模块2 0 3 4 电源管理模块2 1 3 4 1 电源的分类2 1 3 4 2 低压电源设计。2 2 3 4 3 高压电源设计。2 4 3 5 复位电路2 7 3 6c a n 通信模块2 8 3 7 信号输入预处理模块2 9 3 7 1 数字信号处理模块。2 9 3 7 2 模拟信号处理模块3 1 v 集成s c r 模块的高压共轨柴油机电控系统研究 3 8 3 9 第4 章 信号驱动模块。3 2 3 8 1 喷油器电磁阀驱动电路3 2 3 8 2s c r 喷嘴电磁阀驱动电路3 4 3 8 3 油泵比例电磁阀驱动电路3 5 本章小结3 5 电控单元e c u 软件系统设计。3 6 4 1e c u 的底层软件资源3 6 4 1 1m c u ( 单片机) 初始化模块。3 6 4 1 2 信号的输入模块3 7 4 1 3 喷油器电磁阀驱动模块3 7 4 1 4s c r 喷射驱动模块3 8 4 1 5p w m 功能输出模块3 8 4 1 6c a n 通讯模块3 8 4 1 7 f l a s h 模块3 9 4 1 8e c t 中断模块。3 9 4 2 基于任务调度机制的嵌入式前后台系统。4 1 4 2 1 嵌入式前后台系统的介绍4 2 4 2 2 基于优先级的任务调度机制4 3 4 3e c u 的控制层软件。4 3 4 3 1 前台中断系统4 3 4 3 2 后台任务系统：4 5 4 4 本章小结4 8 第5 章高压共轨系统控制策略的分析与实现。4 9 5 1 中断层控制策略4 9 5 1 1 转速计算与工作相位识别( 判缸) 模块4 9 5 1 2 依托凸轮轴中断的相位识别与转速计算。5 1 5 1 3 喷油驱动中断模块5 1 5 1 4s c r 喷射驱动中断模块。5 3 5 1 5 任务激活中断模块5 3 5 2 任务层控制策略5 4 5 2 1 模拟量采样与处理任务。5 4 5 2 2 开关量采样与处理任务5 5 5 2 3 工况判别与转换任务5 5 5 2 4 供油参数更新任务5 9 江苏大学硕士学位论文 5 2 5 s c r d e n o x ( 脱硝) 参数更新任务 6 3 5 2 6p i d 控制任务。6 6 5 3 本章小结。7 1 第6 章e c u 模拟调试与控制策略验证 6 1e c u 仿真模拟试验台7 2 6 2e c u 功能仿真模拟调试7 3 6 2 1 传感器信号采集与处理功能的检验。7 4 6 2 2 喷油器电磁阀的驱动检验。7 4 6 2 3s c r 电磁阀的驱动检验7 6 6 2 4 油泵比例电磁阀的驱动检验。7 7 6 3 控制策略以及控制软件的试验验证。7 8 6 3 1 试验发动机技术参数7 9 6 3 2 轨压闭环控制的检验7 9 6 3 3怠速闭环控制的检验8 1 6 3 4s c rd e n o x ( 脱销) 检验。8 2 第7 章工作总结与展望 7 1 工作总结8 4 7 2j 9 e 望8 ：5 参考文献 致谢 攻读硕士期间发表的论文 8 6 8 8 8 9 v 江苏大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景 面对能源危机和环境污染这两大问题，国际内燃机界一直在寻找使汽车工业 持续发展的先进技术。在新技术发展中，柴油机在青能环保方面的优势逐渐显现 出来。无论欧洲排放更清洁的经济型轿车开发，i 丕是美国“新一代汽车合作计 划”( p n c v ) 都将柴油机作为最佳选择方案。此外欧洲和日本等国家政府也计划在今 后相当长时期内继续实施低燃油税收的鼓励政策，以促进柴油机的持续发展。 在柴油车与新能源车竞争中，柴油车仍占有明显优势。准确地说，新能源汽 车是指一大类采用非常规车用燃料作为动力来源的汽车，包括氢动力汽车、混合 动力汽车、纯电动汽车、太阳能汽车以及其他新能源汽车等。由于新能源汽车研 发成本极高，转移到产品价格上就表现为比同级别汽车贵数万元甚至数十万元， 所以在短期内很难普及。相比较而言，柴油车技术成熟，具有油耗少、排放低等 优势，是当今保持汽车大批量、低成本生产中，解决环保与节能双重压力最有效、 最经济的手段。美国大众科学杂志指出：“至少在今后几十年内，对于燃料消 耗总量以及空气质量来说，新一代超洁净、超高效内燃机的影响，将远远超过新 技术替代手段。如果燃料经济性和排放仍存在问题的话，那么第一个解决途径将 是柴油机 【1 1 。 1 2 课题研究的意义 1 2 1 柴油机电控技术的优势 随着柴油机技术不断发展，柴油机性能也在日益完善，在这一过程中人们逐 渐发现，柴油机燃烧过程合理组织是柴油机性能提高的关键所在，这一直是人们 研究的重点问题。燃烧过程的合理组织涉及进排气系统、燃烧室结构以及燃油喷 射系统等诸多方面因素，其中燃油喷射是最重要的。由于柴油机燃烧过程直接受 到燃油喷射质量影响，所以柴油机的动力性、燃油经济性、排放与噪声以及可靠 性等都与燃油喷射系统有直接关系。实际上燃油喷射系统改进一直伴随着压燃式 内燃机发展，可以说每一次燃油喷射系统技术上的藿大突破都意味着柴油机性能 的根本性变革。 在柴油机结构日益完善条件下，柴油机控制性能逐渐成为决定柴油机性能进 一步提高关键所在，这一点尤其体现在燃油喷射系统上。随着排放法规和燃油经 集成s c r 模块的高压共轨柴油机电控系统研究 济性等方面要求的日益严格，传统机械式燃油喷射系统已无法满足对燃油喷射进 行精确控制的要求。因此柴油机燃油喷射系统电子控制e d c ( e l e c t r o n i cd i e s e l c o n t r 0 1 ) 成为发展的必然趋势。 与机械式控制相比，电控燃油喷射系统具有以下优点： 1 根据发动机转速、负荷、进气温度、冷却水温、燃油温度、大气压力等信 号计算出最佳喷油提前角和燃油喷射量，优化柴油机各项性能，使燃油耗降低、 有害物排放减少【2 】。 2 柔性地控制喷油压力和喷油速率，实现多次喷射和理想喷油规律，并随着 工况的变化而作出相应调节。 3 电控技术是基于多参数、多目标的优化，e c u 能对各种运行参数进行实 时监测，并依据检测结果迅速做出处理，实现对运行工况最优控制。 4 可实现从燃油喷射单独控制到包括起动控制、怠速控制、增压控制、排放 控制( e g r 或者s c r ) 、巡航控制、故障自诊、失效保护、发动机与自动变速器的 综合控制等在内的全方位集中控制，实现操作过程自动化且大大提高了控制的自 适应能力【3 】o 5 通过改变电控单元存储器中软件程序，适应不同用途、不同类型的发动机， 具有较好的移植性和匹配适应能力。 随着柴油机电控技术的发展，柴油机电控系统从基本的燃油喷射控制发展为 包括起动控制、怠速控制、进气控制、排放控n ( s c r 、e g r 控制系统) 、自动巡航 控制、故障自诊断、失效保护等在内的全方位集中控制系统。虽然柴油机电控系 统包含很多控制内容，但是燃油喷射控制是其中最重要的，以至于现在还有专业 人士习惯将柴油机电控系统称为电喷系统。 与汽油机相比，柴油机电喷技术发展的相对较晚，这主要是因为在柴油机上 应用电控技术难度很大。从控制内容来看，汽油机主要考虑空燃比和点火正时控 制，对喷油压力和喷油正时的要求不是很高。而柴油机燃油喷射系统为了保证燃 油的雾化效果，一般采用缸内高压直接喷射技术，为了达到国排放标准或更高 要求，喷有压力要求高达1 6 0 m p a 以上。而且柴油机喷射系统要求在毫秒级的时间 里完成对喷油量、喷油正时、喷油规律以及油束空间形态等精确控制，这对电控 系统要求很高，其控制难度要比汽油机大得多。 除此之外，传统柴油机燃油供给与调节系统种类很多，在此基础上发展起来 的电控系统也存在很多方案，例如电控直列泵喷射系统、电控分配泵喷射系统、 2 江苏大学硕士学位论文 电控单体泵喷射系统、电控泵喷嘴喷射系统以及电控共轨燃油喷射系统等，而且 每种系统又有多种不同结构，这使得柴油机电控喷射系统种类繁多，技术升级相 对汽油机要困难许多。 1 2 2 柴油机电控燃油喷射技术发展 按照喷油量控制方式，柴油机电控燃油喷射系统发展大致可分为三个阶段： 第一代“位置控制式 ，第二代“时间控制式 以及第三代“时间+ 压力控制式【刎。 1 2 2 1 第一代电控喷射系统：位置控制式( 凸轮压油+ 位置控制) 位置式电控燃油喷射系统不改变传统机械式喷油系统的基本结构，只是将机 械式的调速器和提前器转换成电子控制机构，保留了传统系统喷油泵、高压油管 以及喷油器，也保留了高压油泵中调节供油量的齿条、齿圈、柱塞偶件和供油斜 槽等。具体技术特征是： ( 1 ) 喷油量的控制：根据e c u ( 电控单元) 的指令，通过改变齿条或溢油环 ( 滑套) 位置对供油进行控制。 ( 2 ) 喷油正时的控制：根据e c u 指令，由曲轴和凸轮轴信号进行控制。 ( 3 ) e c u 通过各种传感器检测的信号，判断出驾驶员的工作意图、发动机的 状态以及二亡作环境等，计算出最优控制量，并且以相应的电信号向执行器发出控 制指令。 位置式控制系统主要应用在直列泵和分配泵上：对于直列泵，电控部件通过 控制喷油泵齿杆的位置来实现喷油量的控制；通过控制液压提前器实现喷油正时 的控制。对于分喷泵，电控部件通过滑套位移来控制喷油量；通过控制提前器或 改变凸轮相位进行喷油正时控制。该系统的优点是：无需对柴油机结构进行较大 改动，生产继承性较好，便于对现有柴油机进行技术升级。缺点是：控制自由度 与控制精度提高得不多、系统响应较慢：喷油压力和喷油速率难于控制，没有改 变传统喷油系统固有的喷射特性。 典型的位置控制式产品有：日本小松公司开发的k p 2 1 型电控直列泵，电装公 司开发的e c d 电控直列泵；德国b o s c h 公司开发的直列泵r p 4 3 等。此外在国 内，一汽无锡油泵油嘴研究所也曾研究过类似的系统，业内人士称之为“电调系 统。 1 2 2 2 第二代电控喷射系统：时间控制式( 凸轮压油+ 电磁阀时间控制) 第二代电控喷射系统是时间控制式，所谓时间控制是指用高速电磁阀取代传 3 集成s c r 模块的高压共轨柴油机电控系统研究 统系统调节油量的齿条、齿圈、柱塞套以及调节每次供油量的斜槽。在喷油时， 一般是电磁阀关闭，喷油开始；电磁阀打开，喷油结束。喷油始点由电磁阀关闭 时刻决定，喷油量由闭合持续时间决定。具体技术特征： ( 1 ) 通过喷油泵或者发动机凸轮来实现燃油的升压。 ( 2 ) 喷油量和喷油正时通过高速电磁阀进行控制。 这种电控喷油系统已经在一定程度上摆脱了机械结构对供油时机的影响，可 以实现在柱塞上升中任意一段供油，能够获得比较理想的供油正时；而且喷油压 力也提高了不少，像博世e u p l 3 电控单体泵最高喷射压力已经达到2 2 0 m p ，可以 明显改善燃油雾化效果。但是时间控制式系统依然属于“脉动式柱塞供油，喷 油压力建立受制于供油泵凸轮的结构和运行状态。燃油喷射压力对转速和负荷的 依赖性很大，无法独立控制。尤其在低速、低负荷时，喷油压力不高；而且不易 实现多次喷射，柴油机振动噪声较大，排放升级潜力不高。 时间式控制系统目前在分配泵、单体泵以及泵喷嘴上都有应用。在电控分配 泵上典型产品有日本丰田公司的e c d 2 、电装公司的e c d v 3 等；电控单体泵代 表产品有德国b o s c h 公司的e u p 系列产品；电控泵喷嘴有b o s c h 公司的 p d e 2 7 p d e 2 8 。 1 2 2 3 第三代电控喷射系统：时间+ 压力控制式( 燃油蓄压+ 电磁阀时间控制) 传统“位置控制式 和“时间控制式 电控系统很难满足现代柴油机对燃油 喷射系统的要求。在这种形势下，针对前两代控制系统存在的不足人们进一步推 出了第三代“时间+ 压力控制式”系统，即共轨式电控系统。共轨系统分为高压共 轨和中压共轨，尤其高压共轨喷油系统被认为是目前世界上最先进的燃油喷射系 统，是未来最有发展潜力的技术。 高压共轨系统不同于传统的泵管嘴脉动式供油系统，它使燃油压力的建立摆 脱了对转速与负荷的依赖，具体原理是用高压泵将燃油以一定传动比输送到共轨 管( 蓄压容器) ，高压燃油再通过共轨送入喷油器。轨压是通过进入共轨中的燃油 量来控制，与发动机负荷无关，这样喷油量和喷油正时控制就可以得到最大程度 的优化。 高压共轨系统具有良好排放升级潜力，而且满足了未来柴油机对动力性和经 济性的要求，被认为是最理想燃油喷射系统，是柴油机电控技术主要发展趋势之 一。与传统电控燃油喷射系统相比，高压共轨系统具有以下优点： 1 喷油压力建立与喷油量无关，可以针对不同工况确定最佳喷射压力，即使 4 f 江苏大学硕士学位论文 在低速、低负荷的工况下也能获得较高的喷油压力，克服传统柴油机不同 况喷 油压力咽差过大的问题，运转平稳性也大大提高。 2 能实现较高的喷油压力，目前国内投入使用的共轨系统，喷油压力已达 1 4 0 1 6 1 ) m p a ，未来还会有1 8 0 2 0 0 m p a 的产品出现。 3 具有良好的喷油控制能力，既可以精确地控制喷油量和喷油正时，又能灵 活地实现多次喷射，提高了发动机的动力性、经济性，降低了污染排放与振动噪 声。 4 高压共轨系统具有优异的匹配灵活性，广泛应用在小型乘用车、轻型载重 车、重型载重车、工程机械、内燃机车以及船舶等领域，适应性较强。 目前在欧洲，高性能的高压共轨柴油机已经大量地应用于轿车领域，与汽油 机动力相比，柴油轿车在舒适性、稳定性、动力性等方面丝毫不逊色，而且在可 靠性、经济性等方面有着更为优异的性能，代表着未来柴油机燃油喷射技术的发 展方向： 1 3 国内外高压共轨电控系统的发展状况 1 3 1国外高压共轨系统的发展以及研究现状 电控共轨系统与汽油机的燃油喷射系统极为相似，在2 0 世纪初的时候就有人 提出其工作原理。2 0 世纪6 0 年代后半期，瑞士教授h i b e r 开发出共轨燃油系统的 “原型 ，以后瑞士工业大学的g a n s e r 等人在此基础上对共轨系统进行了进一步的 研究。由于高压共轨系统的突出优点，世界主要的柴油机生产商都投入了大量的 人力和物力进行研究，目前已开发出多款成熟的产品并且已经投放市场。其中具 有代表性的产品是：德国b o s c h 公司的c r 高压共轨系统、日本电装公司( d e n s o ) 的e c d u 2 高压共轨喷射系统、美国d e l p h i 公司的高压共轨系统以及德国 m t u 4 0 0 0 高压共轨系统等。 ( 1 ) 德国b o s c h 公司的c r 高压共轨系统 b o s c h 公司作为燃油喷射系统领域的领军者，其高压共轨系统研究一直处于世 界领先水平。到目前为止b o s c h 公司已经设计完成并推出了四代高压共轨( c r s ) 系 统。2 0 0 3 年5 月第三代高压共轨系统c r s 3 0 问世，该系统能满足欧五排放法规， 并且能在很多情况下避免s c r 催化转换器的使用；后继推出的c r s 3 3 系统最高 喷油压力高达2 0 0 m p a ，可以灵活地实现多次喷射。在随后的产品研发中b o s c h 公 司逐渐将重点转移到系统的高精尖结构内涵上来，突出特点是高度集成化的压电 5 集成s c r 模块的高压共轨柴油机电控系统研究 t ；吉体式喷油器( p 型技术) 的研究。与电磁阀式喷油器相比压电驱动器具有位移控制 精度高、响应快以及功耗低等优点，而且易于实现闭环控制。目前压电式共轨系 统的最高喷射压力已经达到2 0 0 m p a 。 为了能满足未来柴油机对燃油喷射系统的高要求，b o s c h 公司在很早以前就开 始了第四代高压共轨电控系统的研究，目前方案集中在可变喷油器和液力增压喷 油器两个方案上。其中液力增压喷油器d 方案的喷油规律被设计为先慢后快 的形状，允许压力逐步上升，从而实现平稳的缸内燃烧，温度变化缓慢、n o x 生 产量较低；最高喷射压力可达2 5 0 m p a ，混合气形成得以明显改善，有较低p m 微 粒生成，综合性能最符合现代柴油机对燃油喷射规律的要求，因此被选择为主流 的技术方案阁。 ( 2 ) 日本电装公司的e c d 系统 日本电装公司从1 9 5 7 年开始推出柴油机系统产品，此后一直致力于柴油机系 统零部件的研究。电装公司是世界上高压共轨系统技术主要供应商之一，在全世 界最早实现了柴油发动机共轨系统商品化。e c d u 2 高压共轨系统的研究开始于 1 9 8 5 年，到1 9 9 5 年投放市场，主要用于满足商用车市场的需要。e c d u 2 p 系列 产品于1 9 9 8 年投放市场，主要满足轿车柴油机的配套使用。日本电装的e c d u 2 系统与b o s c h 公司的c r s 系统相似，只是不能实现部分停缸控制。目前电装公司 已经推出三代产品，其中第三代高压共轨系统突出特点是采用高速螺旋管，系统 响应性有很大提高，可以实现1 冲程9 级喷射，而且最高喷射压力可达2 0 0 m p a 。 电装公司第四代产品喷油压力要求控制在2 5 0 m p a 左右，而且可靠性和喷射精度较 前三代产品有很大提高，目前正处于研发中【倒。 ( 3 _ ) 美国d e l p h i 公司的d c r 系统 2 0 0 0 年美国德尔福公司兼并卢卡斯柴油机公司，随后开始进军共轨系统市场， 箕推出的d c r 系列产品以新颖设计理念和创新喷油控制策略，迅速得到了消费者 的认可。目前德尔福公司提供两个系列的产品，分别是高速伺服电磁阀喷油器的 m u l t e c 共轨系统和使用直接驱动压电晶体喷油器的直接驱动式系统。 德尔福开发的直接驱动式压电喷油器与其他公司的压电式喷油器不同，该系统 的喷油器针阀直接由压电晶体驱动，喷油器内部都是高压燃油，而且没有回油；燃 油的喷射速度和雾化质量提高了很多。相对于压电直接驱动式，平衡阀高速电磁阀 式性能更为优越，其系统喷油压力可达2 0 0 m p a ；而且平衡阀所需的驱动电能比非 平衡阀要少很多，只需要1 2 v 蓄电池电压就能驱动，具有广阔应用前景【7 捌。 6 江苏大学硕士学位论文 1 3 2 国内高压共轨系统的发展以及研究现状 高压共轨系统对设备的制造水准要求很高，需要投入大量资金，我国研究起 步晚于工业发达国家。这些因素造成我国在该领域的研究落后于国外。但是近年 来随着国家投入增加，以及市场需求方面增强，许多单位都开始重视共轨系统研 究，而且在某些关键领域取得了一定进展。目前参与电控共轨系统研究的主要是 部分企业、高校以及科研机构 在企业方面，一汽集团下属的无锡油泵油嘴研究所是国内最早开始柴油机高 压共轨燃油系统研究工作。研究所投入巨额资金，在国内率先自主完成了整套高 压共轨系统设计与装备。此外辽宁新风集团出资5 0 0 0 万元与德国装备巨头利勃海 尔集团签订了高压共轨系统的转让合同，拿到专利技术。通过不断地消化吸收新 技术，目前该集团已经具备年产4 0 万套高压共轨系统的能力。 在高校方面，天津大学是最早开始研究共轨系统的院校之一，他们仿照美国 b k m 公司的s e r v o j e t 系统，开发蓄压式共轨系统p a i r c u i 9 1 。上海交通大学与玉 林柴油机厂合作研发拥有自主知识产权的g d 1 高压共轨系统，目前该系统已经投 入批量生产。在此基础上，他们又开发出g d 2 型电子控制器，该电子控制器属于 组合控制器，既可控制高压共轨喷射系统，又能够控制单体泵系统，具有良好的 市场前景。另外北京理工大学、武汉理工大学、大连理工大学、江苏大学等，也 都进行了各自研究【埘。 v 目前国内研究总体上还处于起步阶段，大多停留在整体系统的研发和台架试 验阶段，距离产业化还有相当大距离。相信随着国内企业意识增强以及投入的增 多，我国未来具有自主知识产权的高压共轨电控系统会越来越多。 1 4 本文主要研究工作 作者借鉴国内外高压共轨系统研究经验，开发基于m c 9 s 1 2 x e p l 0 0 芯片电控 单元的软、硬件模块。采用模块化设计方法进行电控单元硬件、底层软件、控制 软件的设计，并实现高压共轨系统主要控制策略；将s c rd e n o x 脱硝任务加入 高压共轨系统控制中：最后进行e c u 仿真模拟平台与台架试验的验证检验。 具体工作如下： 1 进行高压共轨柴油机电控系统功能分析，完成高压共轨和s c rd e n o x 系 统有关硬件、底层软件以及控制软件等模块划分与设置。 2 e c u 硬件电路设计：根据功能需求选取合适的微处理芯片，设计时钟电路、 7 集成s c r 模块的高压共轨柴油机电控系统研究 电源管理电路、复位电路、通讯驱动电路、信号调理以及驱动电路等。 3 软件系统模块化设计：将软件系统划分为2 个模块进行研究设计，底层软 件和控制软件。具体关系为：底层软件为控制软件建立工作环境；控制软件通过 调用底层软件对硬件系统进行操作，实现控制策略；嵌入式前后台实时系统对控 制软件进行调度管理。 4 在高压共轨控制系统中增设s c rd e n o x 脱硝控制任务，实现高压共轨 e c u 对s c rd e n o x 系统的集成控制。 5 研究高压共轨系统的轨压控制、喷油控制、s c rd e n o x 控制以及相关控 制，并制定对应控制策略以及编写程序。 6 最后对e c u 进行仿真模拟调试与台架试验，研究e c u 各功能模块工作特 性以及控制策略正确性。 8 江苏大学硕士学位论文 第2 章电控高压共轨系统结构以及工作原理 高压共轨燃油喷射技术是一种全新燃油喷射技术，它成功将现代传感器测试 技术、计算机控制技术以及先进机械加工制造技术集成于一身。它可以实现很高 的燃油喷射压力，而且能进行喷油压力与喷油量的精确控制，可实现多次喷射， 从而优化喷油规律，因此发动机振动噪声降低、污染物排放大量减少。 如图2 1 所示，高压共轨系统主要由传感器、电