（动力机械及工程专业论文）高压共轨柴油机最小控制系统研究与设计.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 当前能源问题已经成为各个国家面对的首要问题，伴随着市场供应的不足和国 际原油价格的不断上涨，逐渐演变成了世界性的能源危机。加之排放法规的日益 严格，迫使柴油机朝着低油耗，低排放，高功率的方向发展。做为2 0 世纪未内燃 机行业的三大突破进展之一的高压共轨电控柴油机技术，由于能够对喷油量、喷 油时刻进行柔性控制，被认为是解决环保和节能双重压力的最经济、最有效的措 施之一。为此高压共轨电控柴油机关键技术研究对提高我国汽车产业自主研发能 力具有十分重要的意义。 高压共轨系统一般分为三部分：传感器、咖( 发动机控制单元) 和执行器， 而e c u 的设计是整个电控系统的重点和难点，本文以满足发动机起动和基本怠速 运行为目标，设计高压共轨柴油机的最小控制系统。 以“模块 概念设计最小控制系统的硬件部分。其包含电源模块、m c u ( 微处 理器单元) 模块、输入信号处理模块、输出信号处理模块。喷油器电磁阀做为整 个高压共轨电控柴油机核心部件，本文对其驱动电路进行深入的研究。运用 m u l t i s i i n 电路仿真软件，分析电感和电容值变化对升压速率的影响，优化高压源电 路设计。并通过电磁阀驱动电路模型对电磁阀的驱动进行仿真分析，为电磁阀驱 动电路设计的准确性提供依据。 以“层 的概念设计最小控制系统的软件部分，其包含硬件驱动层、任务调度层、 应用函数层。在硬件驱动层设计过程中，重点说明各个硬件模块的功能、程序编 写过程中关键寄存器和变量的设置及使用方法。在应用层函数编写方面，对p d 计算，m a p 插值函数，转速计算函数进行算法分析，并设计起动，怠速工况下的 控制策略及相关的程序模块。 最后，在柴油机信号模拟平台上对控制系统软件和硬件进行试验验证，结果表 明：m u t i s i i n 软件仿真波形与驱动波形与实际驱动结果一致，输入信号量能通过 e c u 控制系统能被e c u 正确的识别和处理计算，输出驱动模块中的喷油器电磁阀 驱动测试结果与仿真结果基本一致。软件系统中的硬件驱动层函数和任务调度层 函数符合功能需求，可以满足发动机基本运行要求。 本文通过m u l t i s i m 软件对喷油器电磁阀的驱动进行仿真分析，并依据仿真结 高压共轨柴油机最小控制系统研究与设计 果设计硬件系统，同时根据发动机需求设计软件系统。最后制作最小控制系统电 路板和烧写程序，并利用发动机模拟平台对其进行验证分析。 关键字：高压共轨，e c u ，最小控制系统，硬件系统，软件系统，m u l t i s i m ，模拟 平台 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y s ，t l l e 铋e 唱yp r o b l e mh 弱b e e nt l l ep r i m a 哆p r o b l e mm a te v e r yc o u n t r y h 弱t 0f a c e a tt h es 锄et i m e ，w n ht l l es h o n 跚p p l y 细dt i l er i s i n gp r i c co fm c i r l t e m a t i o n a ic m d eo n ，t h ee r g yp 玎0 b l e mi sv e r yu 唱c n t 锄di th 觞b e e nb c c 0 i n j h g e n e 唱yc r i s i s ”g r a d u a l l y h la d d i t i o nt 0t h ci i l c r e 弱i i 培s t r i c te x h a u s tl a w d i e lc n 酉鹏 h 勰b e e nf o r o e dt 0l o wp o l l u t i o n ，l o wo nc o n s 啪p t i o n 锄dp r o m o t cm em t i op 0 1 w e r e l e c t r 0 i l i cc o n t r o lt l i 曲p r e s s u r ec o m m o nr a i ls y s t e mf o rd i e 1w 弱c o n s i d e r e d 弱t l l e o mo ft h eb r ea ：k t h r o u 曲s0 fh l t e m a l - c o m l 姗t i o ne n g i i l eh l d u s t r yi i lm ee n d0 f2 1 s t c e m u 哆b e c a u i ti s d b l et 0c 0 呲r o l 量u e li n j e c 舶nq u 枷t ya n di n j e c t i o nt i i n “l g n e x i b l y ，w l l i c hi sc 0 咖o i l l yc 0 必i d e 似lt ob eo n e 0 ft h em o s te 骶c t i v e 锄de c o n o m i c a l m e 弱u r e l n e n tt 0f e l v c 血ep r o b l e m s0 fp r o t c c t i n ge n v 打0 i 髓e m 锄ds a v i n g 姐e 略y a t t h es 锄e 血n e ，陀撒l i i n gc r i t i c a lt i e “q so ft l i g l l - p r c s 踟他c 0 咖0 nr a i ls y s t c mh 硒 i m p o n 锄ts 睁l i f i 啪c e f o ri i n p r 0 v i i l gi 1 1 d 印e n d e n t 陀鲫c ha b i l 时o f 她t o m o b n e h l d u s 呼 h i g l lp 他豁u r cc o m m o nr a i ls y s t c mm a i n l yi l l d u d e st h l 优p a r t s ：s e n r e c ua n d i i n p l 锄e n 伽彻d e v i c e ，b c c a 嗽m ed e s 啦0 f 也ce c ui s 恤c 九i x 柚dh 弱鲈a t d i 伍c i l l t i e s ，1 n h eo r d e ro ft h i sp a p e ri st 0d e s 弛t h e 疵洒啪c 0 n 仃0 ls y s t e mo f 龇h i g h c o m m o nr a i ld i e 辩le n g i n ew h i c hc 0 i l l dm a k et h ee i 目g i i l e 蜘u pq u i c l 【l ya n dk p 恤 e n g i i l ei d l es p c c do p e m 廿o n i nt l l i sp a p e r t h ec o n c e p t0 f ”m o d u l e ”i s 惦e dt 0d e s i 鲫t i i eh 莉w 批s y s t e m0 ft i l e m i i l i n l 哪c 0 n 仃0 ls y s t e m ，w h i c l li i l d u d ep o w e r 跚p p l ym o d l i l e ，m c u ( m i c r o p r 0 c e s r c o n t r o lu i l i t ) m o d i l l e ，m ei i l p u ts i 印a lp r 0 c e s s m gm o d u l e ，t l l eo u t p u ts i 阴a lp r o c e 豁i n g m o d u l e i n j e c t o r l e n o i dv a l v e 弱t l l ec o r ec o m p o n e n to ft h el i i g i lp 髑s u r ec 0 咖o nr a i l d i e le n g i 鹏，i t sd r i v ec i r c u i ti sd o n ei i lt l l ed c p t i i 他a 玎c h i i lt i i i sp c r i o d ，u s i n g 圮 c i 帆i ts i i i l u l a t i o n 脚a 佗o ft l i em u l t i s i i n 锄m y s i st h el l i g l lv o i t a g e w 。c cc i r c u i t ，ig e t t h ec o n d u s i o nm a tt l i ed i f f b r e n ti n d u c ：t a n c ec a p a c i t 锄c ev a l u ei sh o wt 0i 蚶l u e r l 倪也e s t e p - u pm t ei i lt i i eb 0 0 s tc i r c u i t a c c o r d i n gt t i ec o n c l u s i o n ，w l l i c hh e l p 峨t 00 p t i m 娩e m ed e s i 鲷o f h i g l l - v o l t a g e u r o cc i 豫i i t a tt i i es 锄et i m e ，e s 油l i s h i n gt i l em o d e lo f s o l e n o i dv a l v ed u a lv o l t a g ep w md r i v ec i 豫l i ti i lt l l es o f t v y a 陀o fm u i t i s i m ，w h i c hi s 高压共轨柴油机最小控制系统研究与设计 s i i i l i l l a t e d 锄d 觚a l y s i s ，m e 佗s u l t sp r o v i d et h eb 觞i sf o r t h ed e s i 印o ft h cs 0 1 e n o i dv a l v e 埘v ec i “：u i t i nt h i sp a p l c r ，t h ec o n c e p to f ”l a y e r i i s 惦e dt 0d e s i 伊t h es o f t w a 坨o ft l l em 询岫u m c o n 仃o ls y s t e m w l l i c hi i l d u d e sh 抓i w a r ed 巾e rl a y c r t a s ks c h 【e d u l l a y e r a p p l i t i o n 劬i o 璐l a y e r i n “sp e r i o do fm ed e s 枷o f h a r d w a r c 拍e rl a y e r d e s c 曲e di i ld e t a i l t h ef u n c t i o n0 fe a c hm o d u l e ，t h ep r o c e 鸥o fp r 0 伊猢i i l g ，h o wt 0 t 廿l ek e yr e 百s t e r 姐dt h ev 撕a b l e i i lt l l i sp e r i o do ft l l ed e s i 驷0 fa p p l i 训0 nf i l i l c l i o 鹏l a y e r ，锄a l y s i s s o m ea l g o r i t t 吼sw m c hi i l d u d ep i dc a l c u l a t i o nf 蛆c t i o n 、m a pi i l t e i p o l 撕o nf l l i l c t i o n 、 m c 哪棚c a l 饥l a t i o nf u n 甜o n 锄dd e s i 鲥n g 雠咖仃0 ls 仃a t e g y 0 ft l l e s t a n - 印 c o n d i t i o n 锄di d l es p e e dc o n d i t i o n ，w r i t i i 培t h ep r o g r a mr e l a t c dt 0t h ec o n t f o ls 仃a t c g y a tl 撼t ，t l l e f t w a 坨锄dh a r d w a r co fm ee n 咖ec 0 n 仃o ls y s t e mw 舔t e s t e di i lt h e s i 弘a ls i i n i l i a t i o np l a t f b 瑚0 ft l l em e le n g i n e n l er e 辄l t ss h o wt l l a tn 地i i l p u ts i 印a l c 柚b ep r o p c d yi d e n 衄e d 锄dc a l c i d a t c 沮c 0 盯e c t l yb yt l l e 剃c o n 仃0 ls y s t e md e s i 印c d i nt l l i s p a p e r i l lt h eo u t p u td r i v c rm o d u l e ，m e 陀s u l to fi i l j e c t o r “v c rc i 舰i ta n d s i n l l l l a t i o n 陀s l l l ta f eb 弱i c a l l ym es 锄e mt l l es o f t w a 佗s y s t e m ，h a r d w a r e “v el a y c r 缸1 c t i o n 觚dt h et a s ks c h e d l l l i n gl a y e r 缸l c t i o nc o u l dm e e tt l l ed c s i 弘o ff u n 萌o n a l r e q u i r e m e n t t 1 l e 陀f o f en 圮s y s t e mc 姐m e e t t h eb 觞i ce n g i n eo p e r a t i o n 1 1 1 i sp a p e rs 岫u l a l e 孤d 锄a l y z et l l ei n j e c t o r l e n o i dv a l v ed 巾ec i i c u i tb yt l l e m u l t i s i i ns o 触a 陀觚dd e s i 鲷t h eh a r d w a r es y s t e mb 弱e d 傩t l l es i i i l u l 撕o nr e 砌t s a t t h es 锄et i i n e ，t h e r w a r es y s t e mi s d e s i g n e da c c o r d i n gt 0t h ee 嘲：i n ed e m a n d a t l a s t ，t h em i n i m 岫n 蚋) is y s t e mi sm a d et 0ad i tb o a r d ，p r o g r 砌e da n dt e s t e d b yt l i ee n g i i l es i i i l l l l a d o np l a t f 0 肌 k i 呵w o 阿s ：h i 曲- p r e 豁u r ec 0 衄o n r a j l ，e c u ，m i n i m 衄c o n n 0 ls y s 把m ，h a r d 、张r c s y s t e m ，s o f t w a r es y s 砌m ，m m 吐s i m ，s i i i l i l l a 石o np l a 饪b m i v 江苏大学硕士学位论文 1 1 课题研究的背景和意义 第一章绪论 随着世界经济的发展，全球车辆保有量不断增加，汽车尾气造成的大气污染也 越来越严重。汽车的废气中含有上千种有害的化学物质，可分为颗粒物( 碳烟、 焦油和重金属等) 和气体( 碳氢化合物、氮氧化物、一氧化碳、醛类等) 。国内外 专家研究表明：尾气中的醛类物质是强致癌物质：一氧化碳的过量吸入能够对人 的大脑造成缺氧性伤害；尾气中的铅等重金属物质会对人体的肾脏造成不可逆的 破坏1 1 1 。 石油作为国家的战略资源，节约资源已经成为国计民生大事，然而当前我国的 汽车燃油经济性普遍偏低，如何有效提高汽车燃油经济性是我国汽车工业不得不 面对的重要问题。 目前在面对能源危机和环境污染的双重压力下，国际内燃机界一直在寻求一种 使汽车行业能够持续发展的先进技术。在新技术的发展过程中，新能源车与柴油 车的竞争成为大众关注的焦点，但从总体来看柴油车仍然占有明显优势。准确的 来说，新能源汽车是指不以石油为主要燃料作为动力的汽车，包含混合动力汽车、 纯电动汽车、太阳能汽车、氢动力汽车等，由于其成本极高，转移到普通产品的 价格比同级别的汽车贵数万元甚至数十万元不等，所以在短期内很难普及应用。 相比较而言，柴油机技术较为成熟，具有油耗少、排放低、动力性好等优点，因 此发展柴油机技术是当今保证汽车大批量、低成本生产，解决环境问题和节能双 重压力下最有效、最经济的方法。 为此，柴油机技术的研究成为解决目前环境和能源问题的首要任务，2 1 世纪 之前大多数柴油机是根据发动机的转速控制喷油量和喷油时间，同时根据实际需 要出现了各种各样的机械式控制机构，如机械式调速器、喷油提前角装置等，实 现了对影响发动机经济性和排放主要参数的控制，曾取得相当大的成果。但由于 不能实现更为复杂的柔性控制，而且在机械制造方面难度较大，最终结果并不令 人满蒯2 】。 高压共轨柴油机最小控制系统研究与设计 2 0 世纪末随着各国排放法规和燃油经济性等方面要求的日益严格，传统的机 械式燃油喷射系统柴油机已经无法满足法规和实际需要，同时随着大规模集成电 路的广泛应用，柴油机电控技术成为了发展的必然趋势【3 1 。 柴油机电控技术的发展按照控制方式大致可以分为位移控制方式和时间控制 方式。位移控制方式的特点是在原有机械控制循环喷油量和喷油正时的基础上， 采用线位移或角位移的电磁执行机构或电磁一液压执行机构来控制循环供油量， 采用可以用改变柱塞预行程的办法，改变喷油正时和供油速率，从而满足高压喷 射中高速大负荷和低速怠速工况对喷油过程的不同需求。该系统的优点是：无需 对柴油机的结构进行较大的改动，便于对现有的柴油机进行技术升级。缺点是： 控制的自由度和控制精度提高的不多、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的固有特性。典型的位置控制式产品有：日本小松 公司的k p 2 1 电控直列泵，日本电装公司的e c d 电控直列泵；德国博世公司的i u p 4 3 直列泵。此外在国内，一汽无锡油泵油嘴研究所也曾做过类似的研究。 时间控制式的特点是柴油机有一个或者几个高速电磁阀的启闭来控制喷油泵 和喷油器的喷油过程。喷油量的多少是由喷油压力与喷油器针阀的开启时间来决 定，而喷油正时( 供油始点与持续期) 由控制电磁阀的开启时刻确定，这样可以 实现喷油量、喷油正时的柔性控制。其中具有代表性的是带有高速电磁阀的新型 高压单体泵和共轨电控系统。其中共轨电控系统由于其彻底摆脱了发动机对转速 与负荷的依赖，具体原理为带有比例电磁阀的高压燃油泵将一定量的燃油供给共 轨管( 蓄压容器) ，高压燃油再通过共轨管送入喷油器。轨压是通过进入共轨管中 压力和高压燃油泵的比例电磁阀形成闭环控制，对其压力进行控制，与发动机转 速和负荷无关，由此喷油量和喷油正时控制得到最大程度的优化1 4 l 。 高压共轨燃油喷射系统被认为是理想的燃油喷射系统，是柴油机电控技术的主 要发展趋势之一。目前在欧洲高性能的高压共轨柴油机已经大量的应用于轿车领 域，与汽油机动力相比，柴油轿车在舒适性、稳定性、动力性等方面毫不逊色， 而且在可靠性、经济性等方面具有优异的表现。为此高压共轨柴油机电控系统的 研究和相应产品的开发将成为我国汽车发动机技术领域中的一个热点，并促进我 国柴油发动机产品的更新换代。同时高压共轨柴油机电控系统的研发对于提升我 国柴油机行业自主研发能力也具有非常重要的意义。 2 江苏大学硕士学位论文 1 2 高压共轨柴油机电控系统现状 1 2 1 国外高压共轨柴油机电控系统现状 高压其轨柴油机电控系统早在2 0 世纪6 0 年代后期，瑞士教授h i b e r 开发l 叶j j 轨燃油系统的“原型机”后，瑞 jl ：业大学的g a n s e r 等人在此齄础卜对共轨系统进 行了进一步的研究。由于高k 共轨系统的突出优点，世界卜各大r l i 要的柴油机牛 产商都投入了人量的人力和物力对其进行研究，其中具有代表性的企业有德围博 世、美国德尔福、1 1 本电装、德困人陆等，f 面对几个具有代表性企业的产品进 行简单的介绍： ( 1 ) 德幽博世公司高压：l 芝轨系统 j l 纠1 管，k i f t 酬p 指令 i _ _ _ _ _ _ - _ - _ l - _ _ 。 = ：= = = 其它传蓐 _ _ - _ - - - 一7 一 ! 一囊输入 。_ _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ 一 p i l - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - 陶l 1l 礴世高j 瓦j 乓轨系统 f i g 1 1b o s c hh i g h - p 他鼹u 他c o m m o nr a i ls y s t c m 博世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。直处于世界 领先水平。目自 为止博世公司已经完成并推出了【1 1 代高压共轨系统，其结构如图 1 1 所示。第四代高压j 轨系统方案的特点集中在- 叮变喷油器和液力增瓜喷油器两 个方案_ 【：，液力增j k 喷汕器办案町以埘喷油器的喷油特性曲线进行柔性设计，1 i 仅能在无增压喷射和增k 喷射之i 、| i j 进行选择，而且能够j 喷射始点无关地控制压 力放大开始的时刻，从而能够获得“靴形”、“斜坡形”和“矩形”喷油特性曲线，并与 多次喷射能力相结合，为发动机丌发者提供了燃烧技术向更低的燃油耗、更少的 3 高压共轨柴油机最小控制系统研究与设计 排放和更高的升功率进一步优化的可能性【5 1 。 ( 2 ) 美国德尔福公司m u l t e c d c r1 4 0 0 型高压共轨系统 基匿 国函圆圈i 圃 目趸圈 控簟元e c v 图1 2 德尔福m i l l 慨d c r1 4 0 0 型高压共轨系统 f i g 1 2d e l p h im u l t c c d c r1 4 0 0h i g l l - p r e 鼯u 坨c o m m o n 豫i 1s y s t c m 德尔福柴油系统的前身是2 0 世纪初在英国建立的卢卡斯柴油系统公司，在 1 9 9 9 年被德尔福收购，2 0 0 0 年德尔福柴油研发出第一套共轨系统。其推出的d c r 系列产品以新颖设计理念和创新喷油控制策略，迅速得到消费者的认可【6 】。 如图1 2 所示为德尔福高压共轨喷油系统的系统图。整体式输油泵将燃油从汽 车油箱经滤清器输往高压泵。在高压泵的进油口装有一个电磁线圈控制的计量阀， 用于控制进入高压泵油缸中的燃油量川。燃油共轨上的燃油压力传感器检测其中的 燃油压力，而电控单元( e c 则利用该油压信号将共轨中的燃油压力调节到所需要 的数值，同时控制进油计量阀，发动机在任何运转工况下都能将喷油压力控制在 2 3 1 6 0m p a 范围内。共轨在调定的压力下将燃油经商压油管供给喷油器。由e c u 产生的电流脉冲按顺序控制每缸喷油器的电磁阀，确定发动机每循环每个喷射过 程的丌始和终止i 踟。 ( 3 ) f 1 本电装公司e c d u 2 高爪共轨系统 日本电装公司在1 9 8 6 年开始研究柴油机电控共轨系统，并于1 9 9 1 年在s a e 上发表e c d u 2 的文章，此后人们就将与该系统相似的燃油喷射系统一律称之为 共轨系统或共轨。 4 江苏大学硕士学位论文 喷油时f h j 控制 喷油量控制强电醐( 1 、v ) 图1 - 3 日本电装e c d - u 2 高压共轨系统 f i g 1 - 3j a p 卸d e n e c d u 2h i g h - p 他鹤u 坞c 0 彻o nr a ns y s t c m 图1 3 为电装e ( d u 2 高压共轨系统示意图，它包含喷油器、共轨管、供油量 控制阀、控制单元及附属的传感器等。该系统根据e c u 输送的信号，使供油量电 磁阀在适当时刻开始和关闭来控制供油量，从而控制共轨的压力。同时控制喷油 器的三通电磁阀，以达到控制喷油量和喷油时刻的效果。在系统运行过程中，当 开启三通电磁阀时，喷油嘴腔内的燃油压力高于针阀开启压力，针阀升起，喷油 开始。当关闭三通电磁阀时，通过节流孔将高压燃油添加入控制室内，此时针阀 下降，喷油结束，从而实现喷油的柔性控制【9 l 。 1 2 2 国内高压共轨柴油机电控系统现状 高压共轨系统由于对设备的制造水平要求高，加工工艺复杂，需要投入大量资 金，同时我国研究起步晚于发达国家。这些因素造成我国在该领域的研究落后于 国外。近些年来随着国家的重视和市场需求增长，许多企业和科研院所都开始重 视共轨系统研究和开发工作，并在某些关键领域取得了一定进展【1 0 】。 在高压共轨系统的研究方面，一汽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，在国内率先自主完成整套高压共轨系统设计 与装备。此外辽宁新风集团出资购买德国利勃海尔的共轨技术，通过消化吸收目 前具有年产4 0 万套高压共轨系统的能力。无锡威孚高科、湖南衡阳南岳亚新科都 5 高压共轨柴油机最小控制系统研究与设计 进行研发，但在关键技术方面暂时无法与国外技术抗衡。 在高压共轨系统控制器( e i c u ) 研发方面目前国内只有北京锐意泰克汽车电子、 北京阳光泰克、常州易控、上海格林电子、镇江恒驰科技、康佳电子和武汉凌电 汽车电子等公司在进行发动机e c u 产品研发和生产。但由于e ( 砌的稳定性、可 靠性与国外同类产品相比具有较大的差距，同时e ( 在与共轨系统匹配方面只有 较少的企业能够使发动机的排放达到国i i i 水平。 在国内高校中，天津大学是最早研究共轨系统的院校之一，它仿照美国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凇c u i 。上海交通大学购买日本电装 公司的e c d u 2 系统，开发了g d 1 高压共轨系统，并与广西玉林柴油机厂合作将其 产品化。浙江大学与无锡油泵油嘴研究所联合开发一种共轨系统f c r s 系统，处于 起步阶段。在发动机控制系统研究方面，清华大学，武汉理工大学，大连理工大 学，江苏大学等都进行了各自的研究，但都大多属于试验研究，软件功能相对简 单，e c u 只是作为进行某发动机管理算法验证的试验平台，不具备实现完整的发 动机管理所需要的全部功能。 1 3 本文主要研究工作 以国内外的高压共轨燃油喷射系统的组成和原理为基础，以实现高压共轨柴油 机基本运行为目标，自主设计高压共轨燃油喷射的最小控制系统，含基本的软件、 硬件及控制策略。具体工作如下： ( 1 ) 分析研究国内外高压共轨柴油机的控制系统组成和工作原理 ( 2 ) 以飞思卡尔公司的m c 9 s 1 2 x e p l 0 0 为控制单元的核心，设计信号输入电 路、信号驱动电路、电源升压电路，并利用m l l l d s 妇软件对高压源电路，电磁阀 驱动模块进行仿真优化。 ( 3 ) 软件部分以系统调度函数为中心设计基本的硬件驱动层软件和应用层函 数，重点完成基本硬件驱动层软件和部分应用层函数的编写和论述。 ( 4 ) 控制策略方面重点设计判缸、工况判断、轨压控制、怠速工况、启动工况 部分。并完成程序的编写。 ( 5 ) 最后运用发动机电控模拟平台，对软硬件进行实际的相关测试和试验，验 证所设计软件、硬件的准确性和可靠性。 6 江苏大学硕士学位论文 第二章高压共轨柴油机最小控制系统理论分析 根据高jl i ，j e 轨柴油机最小控制系统攻计理论对控制系统的软件整体构架、硬件 整体构架、传感器原理、执；f j ：器原理依次进行分析介绍，通过这些介绍为最小控 制系统软什和硬件的设计提供理论基础。 2 1 高压共轨电控喷油系统原理 世界各国目前在牛产高压共轨电控喷油系统的原理人同小异。高压共轨电控喷 油系统最具代表性的有以下几个公司的产品：德国博世的c r 系统、美国德尔福公 司的d c r 系统、日本电装的e c du 2 系统等。现以目的应用最j “泛的博世的共轨 系统为例进行简介。 流量计嚣单元 1 6 菊；磊蕃 i 共轨管 ，掌一1 耐鳓 。 广 l 广 i 器 j 一主要霎竺爹 ；l il l 低压部分 萝 电：三二 f b c 口伊粤粤 粤 0 i ：，凸轮加渖踏枥 p ，温增压压力饥油压力 型 传惑嚣传辣传鳙2 传尊器蓓感嚣 图2 1 博t i j = 高压共轨系统纽成图 f i g 2 - 1b 0 s c hh 讪p r e s s u r ec o m m o nm i ls y s t c mc o m p o n t sf i g u r e 高压共轨燃油喷射系统：t 要由高压油泵、油轨、喷油器、电控单元和一些相 关的传感器组成，如图2 1 所示。其工作原理为：通过传感器提供的信号，e c u 叮知驾乍人的要求以及发动机瞬时运行状况，e c u 对传感器产生的信号和来自数 据线的信号进行处理，然后根据以上信息通过丌环和闭环控制作用对发动机进i r 控制，应用曲轴转速传感器和凸轮轴相位传感器确定喷射顺序、喷油量、喷射起 点、喷射持续时间和喷射压力，最后e c u 控制高压泵和喷油器电磁阀，使每个气 7 高压共轨柴油机最小控制系统研究与设计 缸的喷油器按照需求进行喷射1 1 1 1 。 高压共轨燃油喷射系统有诸多优点，具体表现在以下三方面： ( 1 ) 喷油正时与喷油量计算完全分开，喷油压力和喷油过程由e c u 实时控制。 ( 2 ) 可以实现较高的喷射压力，并能实现多次喷射。 ( 3 ) 依据发动机的各种工作状况调整各缸的喷油压力、喷油始点、持续时间，从 而实现最佳的喷油控制。 通过以上描述，高压共轨燃油喷射系统与传统的燃油喷射系统相比，有相当 大的优势，它可以最大限度的降低柴油机发动机的振动和噪声，同时使油耗和排 放都得到进一步的降低，更能满足节能环保的要求。 2 2 最小控制系统整体概况及组成 以满足高压共轨柴油机基本的运行为目标，设计最小控制系统，含基本硬件系 统和软件系统设计。基本的硬件系统包含m c u 模块、基础电源模块、a d 模块、 频率量处理模块、喷油器电磁阀驱动模块、高压泵电磁阀驱动模块以及基础通讯 模块。但由于m c u 模块中包含b d m 功能，即通过编程软件c 0 d e w o r r i o r 即可对 m c u 内部的变量进行更改和监控，所以本文在设计时省略基础通讯模块，其最小 控制系统的总体构架如图2 2 所示。 8 l 苎型皇塑堡垫! ! 翌：里：! ：翌! 篁堂l 图2 2 ：高压共轨燃油喷射系统最小硬件系统架构 f g 2 - 2 脚- p f 鼯s u 托c 0 咖伽础如c l 哂o c d s ) r s 钯mm i n i i n 岫h a r d w a 坞s y s t c m 最小控制系统中软件系统分为硬件驱动层、任务调度层和应用函数层如图 2 3 所示，自下而上依次为硬件驱动层、任务调度层和应用函数层。 软件系统中最底层的硬件驱动层是为硬件提供驱动程序，使执行器按照驱 江苏大学硕士学位论文 动要求进行i ：作。仟务调度层函数为整个系统的调度t l ，心，连接应用层函数和 底层驱动，h 按照优先级对任务进行排序执j r 。应1 】函数层为发动机摔制策 略实施层，按照控制策略对发动机进行直接控制。 f 起动t 况函数p i d 函数丁况判断函数判缸函数 l 轨压控制函数 【怠速t 况踊数im a p 插值函数i 转速计算函数i 任务调度函数 e c t 巾断附属厢数 实时中断衲始化函数lp w m 附属函数 a d 附偶龋数i e c t 初始化蛹数 i ，o u 初始化函数p w m j j 始化函数a d 初始化函数 m c u 系统时钟初始化函数 图2 3 高压共轨燃油喷射系统软件架构 f i g 2 - 3h i g h p r c s s u r cc o m m o n r a i lf u e li n j e c t i o ns y s t e ms 0 丘w a r es y s t c m 本文l | 堆础控制策略的设计包含轨压控制策略设计，怠速工况的控制策略设计 和起动i ：况的控制策略设计。 2 3 最小控制系统所需传感器与执行器 为满足发动机基本的启动和怠速运行，最小控制系统中包含的传感器有曲轴和 凸轮传感器，压力传感器，加速踏板传感器，温度传感器，丌关量传感器，执行 器有高j j i 油泉，喷油器。下面本节依次对这些部件的原理和功能进行介绍。 2 3 1 曲轴与凸轮传感器 1 永磁体 2 俸悬暑壳件 3 发潮机外羞 软t g 5 。鳗 6 侍感线 眩 图2 _ 4 曲轴传感器原理图 f i g 2 _ 4c 啪l 【s h a n n rs c h e m a t i c 9 高压共轨柴油机最小控制系统研究与设计 曲轴传感器用了：转速计算和判缸，其原理为电磁感应，如图2 4 所示。其安装 在曲轴的外圈，曲轴的齿一般为6 0 2 齿，其中有两个缺齿。传感器的下端距离曲 轴齿的距离为1 。2 5 m m 。当曲轴旋转时，传感器的内部由于磁场的变化，输出端 会产生变化的感应电流，发动机通过接收此电流波形，可以计算出发动机当前的 转速和活塞当前的运行位置。 凸轮传感器用于判缸以及在曲轴传感器失效时，可以实现汽车跛行回家的工 能，其原理为电磁感应，其原理与凸轮传感器一致，凸轮的齿一般为4 + 1 齿。凸 轮旋转时，发动机控制系统接收i 九】轮传感器的电流波形，从而判断出发动机此时 的相位【1 2 1 。 2 3 2 加速踏板传感器 i p p l ( _ 1 ) l g j p p l ( 啪d 彳 、- vy 乳妒p 2 l 5 v 嚣2 ) 孓 、 l p p 2 ( 甜帕2 ) g - r _ p p 2 ( ) 图2 5 加速星i i 板传感器 f i g 2 5a c c e l e m t o rp c d a j 璐o r 加速踏板传感器是由两个滑动变阻器组成，输出为模拟信号，此信号反应柴油 机负荷大小，是判断发动机工况的重要依据。其传感器的j i ：作原理如图2 5 所示： 油门踏板与传感器内部滑动变阻器电刷相连接，当油门踏板位置改变时，电刷与 接地端电压会发生变化，这样传感器电压值直接反应油门踏板位置变化【例。 2 3 3 温度传感器 1 0 图2 6 冷却液温度传感器 f 逸2 6c 0 0 l a n tt c m p c 髓t u r c n s o 1 ：l 乜子接头2 ：壳体3 ：负温度系数( n t c ) 电阻 江苏大学硕士学位论文 矧l ；共轨柴油机q 1 温度传感器i 【lr 接头、壳体、负温度系数( m r c ) 电阻组 成，t 要为检测柴油运行时的温度状况，l i i 】时也足燃油的喷射鲢和喷射时刻进行 修i i i 的丰要依撕，使发动机运行状况处于最件状态。其包含：冷却水温度传感器、 进气温度传感器、排气温度传感器、燃油温度传感器及机油温度传感器等。本文 在设计过程中主要采用热敏电阻式传感器，利用金属导体的热阻效应来测量温度 值。以冷却液温度为例，其结构如图2 6 所示。 2 3 4 压力传感器 电器接共 处理电路 信号 、 腹片 地g n 【)电潭fv c cj 高压接头二一 螺织丁了_ 图2 7 高压共轨柴油机轨压传感器结构图 f i g 2 - 7h i g h - p r c 豁u r cc o 衄o n 础d i e l 仡i lp 佗鹞u r cs e n s o rs t m c t u 陀 j l i 力传感器主要包含共轨压力传感器和迸气压力传感器，其结构如图2 7 所示， 由电器接头、处理电路、膜片、高压接头及螺纹组成。进气压力传感器与进气温 度传感器做成一体，共同反应进气总管的进气状态。共轨压力传感器采用压阻式 高雎传感器，通过“压阻效应”测量压力，它的核心部分是硅膜膜片，四个膜片分别 前i 置四个变形电阻，当有压力时，膜片上会产生应力，应力会造成四个电阻的阻 值变化，电桥失去平衡，从而产生相应的电压。此电压就反映膜片的所受压力的 大小。 2 3 5 开关量传感器 丌关最只存在两个状态即导通和关闭，此类开关量控制含有：怠速，点火，空 调，启动等。本文中设计的最小系统中仅仅含有启动开关，它由普通的船型开关 代替。 2 3 6 高压油泵 高压油泵主要由齿轮输油泵总成和燃油计量阀组成，其作用为提升低压油管中 燃油压力，送入共轨管内供喷油器使用。它的驱动力来自曲轴转动，但是没有传 高压共轨柴油机最小控制系统研究与设计 统油泵要求与曲轴固定的相位关系，其结构如图2 8 所示。齿轮输油泵可以将柱塞 内的低压燃油的压力提升至高压，而燃油计量阀根据发动机控制信号控制柱塞内 的燃油，从而控制共轨管内燃油的压力【1 3 1 。 2 3 7 喷油器 1 - 进油 2 - 计量单元，比例电磁阀 43 = 高压联接 4 ：齿轮式输油泵 5 一 油阎 6 = 进油阀 7 = 多边环 8 ；偏心轴 6 图2 - 8 高压油泵结构豳 f i g 2 8h i g h p r c 鹃u 飑o up 岫ps t r 眦：t t l 咒f i g u r c 口低压 - 商压 貔 图2 9l 乜控喷油器结构图 f i g 2 9e l e 咖n i c a u yc o n t r 】0 u e df u e l m j e c t i o ns t t l l c t u r e 电控喷油器是高压共轨燃油喷射系统中最关键和最复杂的部件，其包含回油 管，插座，电磁阀，球阀，柱塞偶件，针阀弹簧，针阀等组成。它的作用为根据 e c u 的信号定时，定量的将燃油喷入燃烧室，其结构如图2 9 。 在t 作过程中，当电磁阀通电时，最孔打丌，控制腔压力降低，控制腔与针阀 12 江苏大学硕士学位论文 弹簧的压力和小于针阀腔压力，针阀抬起，喷油器开始喷油。当电磁阀断电时， 电磁阎关闭活塞顶部的量孔、控制腔与针阀弹簧的压力和大于针阀腔压力，针阀 关闭不喷油【1 3 1 。 2 4 本章小结 本章主要介绍当今主流的高压共轨燃油喷射系统的原理和组成，并以此为基 础对最小控制系统的软件构架和硬件构架进行描述，同时详细介绍最小控制系统 中所需要的传感器和执行器结构和工作原理。 1 3 高压共轨柴油机最小控制系统研究与设计 第三章高压共轨柴油机最小控制系统硬件仿真与设计 3 1 最小控制系统硬件架构 高压共轨柴油机电控单元( e c u ) 硬件的最小系统主要有微处理器模块 ( m c u ) 、电源模块、传感器信号输入处理模块、输出驱动模块及通讯模块。本章 将内容以模块为单位逐一介绍其仿真和设计流程。 3 2 电源模块 电源模块是电控系统必不可少的组成部分，它为整个e c u 提供电压电流，根 据不同功能，将电源模块分为低压模块、高压模块及地模块。 低压模块包含电压为1 2 v 、5 v 和3 3 v ，主要用于高压泵电磁阀驱动供电、喷 油器电磁阀中位驱动供电、m c u 模块供电和传感器模块供电。蓄电池的电压为 2 4 v ，利用电容c 1 和c 2 对电压进行高低频滤波，d 1 为整流二极管，防止电流反 向，从而使供给e ( w 的电压更加稳定。为了显示电路已经通电，同时设计指示灯 电路，电阻r 1 为1 k 的限流电阻，并串联一个发光强度为3 0 0 0 删m c d 的u d 指示灯，其电路如图3 1 所示。 d 面 图3 11 2 v 电压滤波整流电路图 f i g 3 - 11 2 vf i l t c i 司柚dr 曲c rc 概i td i a 舯m m c u 模块电源和传感器供给电源需要的多数为5 v 、3 3 v 电压，本文利用 u 忆9 4 0 c t - 1 2 巧o 3 3 【1 4 j 稳压芯片将2 4 v 的电压转化为1 2 v 、5 v 、3 3 v 。该芯片的 输入精度为1 ，输出电流最大为1 2 5 a ，完全满足控制系统的需求。其电路设计 图如图3 2 。 1 2 v 侈3 v 输出的电路与5 v 输出的电路相比，1 2 v 乃3 v 的电源转换电路芯片 型号为2 9 姗1 2 3 3 ，输入的电压为5 v ，其它的外围电路均一致。r 6 3 、d 2 5 1 4 江苏大学硕士学位论文 为电源指示灯，c 5 2 、c 5 3 、c 5 4 为滤波电容，消除电路输入端与输出端的电源纹 波，使电源更可靠。 图3 21 2 v - 5 v 电源转换电路图3 3 地模块电路图 f i g 3 - 21 2 v 二5 vp o w e rc o n v e 璐i 册c i r c u i td i a 舯mf 蟾3 - 3g n d m o d u l ed i a 舯m 高压模块为b o o s t 升压模块，将2 4 v 的蓄电池电压升至1 0 0 v 用于驱动喷油 器电磁阀，具体仿真与设计思路见第三章3 4 节。 地模块