（载运工具运用工程专业论文）高压共轨柴油机电控技术的研究.pdf

山东理t 人学硕i ：学位论文摘要 摘要 尽管柴油机在未来的车用动力中占据着越来越重要的地位，但日益严格的排放法 规或标准的颁布和实施，使柴油机面临着多方面的问题。为了提高柴油机的动力性和 燃油经济性，降低污染物排放和噪声等，除了对柴油机本身的各个系统进行研究和改 进以外，应用电子控制系统也己成为一个必不可少的措施。高压共轨电控燃油喷射技 术是建立在直喷技术、预喷射技术和电子技术基础之上的一种全新概念的喷油技术。 采用高压共轨电控燃油技术的柴油机在所有转速范围均系高压喷射，因而能实现对喷 油脉宽和喷油定时的高精度控制，达到减小噪声、降低污染物排放以及高动力性输出 的目的。高压共轨电控燃油喷射技术已经成为未来柴油机车的一个重要发展方向。 电控单元( e c u ) 是高压共轨柴油机电控喷油系统的核心部件，其喷油控制策略对发 动机的性能有着重要的影响。本文以n e c 同电电子公司生产的v 8 5 0 系列3 2 位微处理 器i - t p d 7 0 f 3 2 3 9 为主芯片，对电控单元进行设计，从而实现对高压共轨柴油机燃油喷 射系统的控制与管理。 在硬件系统设计方面，通过设计各种传感器信号调理电路，实现对输入信号的整 形、滤波和放大处理，将其转换成电控单元可接收的标准信号；通过设计输出驱动电 路，实现对喷油器电磁阀和共轨压力调节阀的精确控制；通过设计通讯电路，不仅可 实现与上位机进行通讯，还能方便程序调试。 在软件系统设计方面，详细介绍了基于实时多任务操作系统r x 8 5 0 的软件系统构 建流程。本文依据高压共轨柴油机的实际工作状况，提出了合理的软件模块划分方法 和系统资源分配方法，并根据以上原则，进行任务划分、任务程序设计以及任务调度 策略设计，最终设计出高实时性和可靠性的电控系统。 合理的配置软件系统和硬件系统，能有效的提高系统的执行效率和性能。 为了验证电控单元设计的可靠性，本课题还进行了系统程序调试，其结果令人满 意。 关键词：柴油机，高压共轨，电控燃油喷射，实时操作系统，r x 8 5 0 山东理t 人学硕l j 学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t e v e nt h o u g hd i e s e le n g i n ew i l lp l a yam o i la n dm o l li m p o r t a n tp o s i t i o ni nt h ef u t u r e m o t o rp o w e r , h o w e v e r , w i t hi n c r e a s i n g l ys t r i n g e n te m i s s i o n sr e g u l a t i o n so rs t a n d a r d sa r e p r o m u l g a t e da n de x e c u t e d ，d i e s e le n g i n ew i l lf a c em a n yq u e s t i o n s i no r d e rt oi m p r o v ep o w e r a n df u e le c o n o m y , r e d u c ep o l l u t a n te m i s s i o n sa n dn o i s e ，d i e s e le n g i n ei t s e l fm u s tb e r e s e a r c h e da n di m p r o v e d , a n da p p l i c a t i o no fe l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e m sa l s oh a sb e c o m ea n e s s e n t i a l h i g hp r e s s u r ec o m m o nr a i le l e c t r o n i c - c o n t r o l l e df u e li n j e c t i o nt e c h n o l o g yi sa n e w f u e li n j e c t i o nt e c h n o l o g yb a s e do nd i r e c ti n j e c t i o nt e c h n o l o g y , p r e - i n j e c t i o nt e c h n o l o g ya n d e l e c t r o n i cc o n t r o lt e c h n o l o g y b e c a u s et h eh i g hp r e s s u r ec o m m o nr a i lm j e c t i o ns y s t e mh a sa h i g hp r e s s u r ea ta l ls p e e dr a n g e i tc a np r e c i s ec o n t r o li n j e c t i o np r e s s u r ea n di n j e c t o rp u l s e w i d t h , a n da c h i e v et h ep u r p o s eo fr e d u c i n gn o i s e ，l o w e re m i s s i o n so fp o l l u t a n t sa n dh i g h o u t p u tp o w e r h i g hp r e s s u r ec o m m o nr a i li n j e c t i o ns y s t e mh a sb e c o m ea ni m p o r t a n td i r e c t i o n o fd i e s e lv e h i c l e si nt h ef u t u r e e l e c t r o n i cc o n t r o l l e du n i t ( e c u ) i st h eh i g hp r e s s u r ec o m m o nr a i ld i e s e le n g i n ef u e l i n j e c t i o ns y s t e m sc o i lc o m p o n e n t s ，a n di t sf u e li n j e c t i o nc o n t r o ls t r a t e g yi sv e r yi m p o r t a n t t o i m p a c tt h ee n g i n ep e r f o r m a n c e i no r d e rt oc o n t r o la n dm a n a g e t h eh i g hp r e s s u r ec o m m o nr a i l d i e s e le n g i n ef u e li n j e c t i o n ，t h i sd i s s e r t a t i o nu s e dn e c sv 8 5 0s e r i e sp r o d u c t i o no f3 2 - b i t m i c r o p r o c e s s o ri f f d 7 0 f 3 2 3 9a st h em a i nc h i pt od e s i g ne c u a tt h eh a r d w a r es y s t e m ，t h r o u g ht h ed e s i g no fav a r i e t yo fs e n s o rs i g n a jc o n d i t i o n i n g c i r c u i tf o rs h a p i n g ，f i l t e r i n ga n da m p l i f i c a t i o nt h ei n p u ts i g n a l s ，t h e s es i g n a l sw e r ec o n v e r t i n t ot h es t a n d a r ds i g n a lw h i c hc a nb er e c e i v e db yt h ee l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ；t h r o u g ht h e d e s i g no fo u t p u td r i v e rc i r c u i t s ，f u e li n j e c t i o ns o l e n o i dv a l v ea n dc o m m o nr a i lp r e s s u r e c o n t r o lv a l v ec a nb ep r e c i s e l yc o n t r o l l e d ；t h r o u g ht h ed e s i g no fc o m m u n i c a t i o n sc i r c u i t s ，i t c a nn o to n l yt oc o m m u n i c a t ew i t ht h eh o s tc o m p u t e r , b u ta l s ot of a c i l i t a t ed e b u g g i n g a tt h es o f t w a r es y s t e m s ，t h es o f t w a r ep l a t f o r mw h i c hi sb a s e do nt h ee m b e d d e dr t o s o fr x 8 5 0w a sd e t a i l e di n t r o d u c t i o n i na c c o r d a n c ew i t ht h ea c t u a lw o r ko fh i g hp r e s s u r e c o m m o nr a i ld i e s e le n g i n e ，t h es o f t w a r ed i v i s i o no fw a y sa n ds y s t e mo fr e s o u r c ea l l o c a t i o n m e t h o d sa r em a d e a c c o r d i n gt ot h e s ep r i n c i p l e s ，t h i sp a p e rc o m p l e t e dd i v i s i o no ft a s k s ， d e s i g no fp r o g r a m m i n ga n dd e s i g no ft a s ks c h e d u l i n gs t r a t e g y , a n dt h er e q u i r e m e n to f r e a l - t i m ep e r f o r m a n c ea n dr e l i a b i l i t yo fe l e c t r o n i cc o n t r o l l e du n i th a sb e e nm e tf i n a l l y r a t i o n a la l l o c a t i o no fh a r d w a r es y s t e ma n ds o t t w a i ls y s t e mc a ne f f e c t i v et oi m p r o v et h e s y s t e me f f i c i e n c ya n dp e r f o r m a n c e p r o g r a md e b u g g i n gw a se x e c u t e dt ov e r i f yt h er e l i a b i l i t y 山东理t 人学硕l j 学位论文a b s t r a c t o fe l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t , a n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sw e r es a t i s f a c t o r y k e yw o r d s ：d i e s e le n g i n e ，h i g hp r e s s u r ec o m m o nr a i l ，e l e c t r o n i cf u e li n j e c t i o n , r e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ，r x 8 5 0 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得山东理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名： 时间：加d 罗年月 dh 关于论文使用授权的说明 本人完全了解山东理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送 交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方式在不同媒体上发 表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名： 导师签名： 燃 讣蝎 时间：矽哆年多月on 时间：1 9 9 7 1 年石月，t 同 学位论文出版授权书 本人完全同意中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程( 以下简称 “章程”) ，愿意将本人的学位论文提交“中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社 在中国优秀博硕士学位论文全文数据库中全文发表。中国优秀博硕士学位 论文全文数据库可以以电子、网络及其它数字媒体形式公开出版，并同意编入 中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价数据库中使用和在互联 网上传播，同意按“章程”规定享受相关权益。 作者签名：碰拯 衅年月j l r 聊躲邋 山东理t 人学硕l ! 学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着科学技术的迅猛发展，人们的生活质量在得到极大提高的同时，所面临的全 球能源紧缺及环境污染的问题也日益严峻。我国经过3 0 年的改革开放，已经由“自行 车王国”逐渐走向“汽车大国”。汽车每年约消耗我国汽油总产量的8 5 ，柴油总产量的 2 0 ，据国务院发展研究中心产业部预测，到2 0 1 0 年机动车的燃油需求为1 3 8 亿吨， 而到2 0 2 0 年则需要2 5 6 亿吨，分别为当年全国石油总需求的4 3 和5 7 ，这说明， 到那时汽车燃油需求量将占我国自产、进口石油的一半左右。然而，据美国石油业协 会估计，地球上尚未丌采的原油储藏量可供开采时间已不足百年。另外，现在我们的 生活环境状况也在同益恶化，由于温室效应，全球温度升高，灾害性气候增加，特别 是城市的污染问题更为严重l l j 。以内燃机为动力的汽车已成为城市大气的主要污染源之 一，内燃机对环境的污染问题不容忽视。因此，寻求新能源或改善内燃机的工作性能 迫在眉睫。 柴油机与汽油机相比具有以下优点：高热效率( 达3 5 - - 4 2 ，而汽油机热效率为 2 5 - - 3 0 ) 、低油耗( 比汽油发动机低2 0 - 4 0 ) 、耐久性佳( 发动机寿命可达3 0 万1 0 0 万公里或更高，而汽油发动机为1 0 万 3 0 力公里或更高) 及维护成本低( 维护周期为 5 0 ，0 0 0 k m ，而汽油发动机约为7 , 0 0 0 k m ) 等。同时，柴油机还具有功率大、低转速高转 矩和低c 0 2 排放、低n o x 排放、低p m 排放量等优点1 2 j 。所以，随着内燃机应用领域 越来越广泛，柴油机在未来汽车市场所占的比例也将越重。 可以预见，随着汽车保有量的继续增加，汽车尾气对环境的污染愈加严重，而控 制和限制汽车排放物的法规也将更加严格。为了把汽车的有害排放物控制在较低的水 平，世界各国都制定了相应的排放法规或标准。美国是世界上最早制定汽车排放法规 的国家，同时也是当今世界上控制汽车排放最严格的国家。目前，国际上有多种不同 的汽车排放法规和标准，主要分为三大体系：美国排放法规、欧洲排放法规和同本排 放法规。世界上其它国家都是在不同程度上采用这些法规和标准，尤其以采用欧洲排 放法规和美国排放法规的比较多。我们平常所谈论的欧i 、欧等实际是从1 9 9 2 年以 后开始实施的，各排放阶段执行的时i 日j 表为：1 9 9 2 1 9 9 6 年为欧i 标准；1 9 9 6 - 2 0 0 0 年为欧i i 标准；2 0 0 0 - - 2 0 0 5 年为欧i i i 标准；2 0 0 5 年以后执行欧标准。从法规的 技术内容上看欧i 和欧、欧i i i 和欧i v 相同，但限值却在逐步严格 3 1 。图1 为欧洲小 型客车柴油机污染物排放限制进展【2 】。我国目前所采用的排放法规主要是参照欧洲排放 法规，g b l8 3 5 2 3 2 0 0 5 轻型汽车污染物排放限值及测量方法( 中国i i i 、i v 阶段) 规 山东理t 人学形! i j 学位论文 第一章绪论 定第1 i i 阶段2 0 0 7 年7 月1r ( 已执行) 、第1 v 阶段2 0 1 0 年7 月1 日执行，分别相当于 欧i i i 、欧i v 排放技术法规。 g ( k v h ) g ( k v h ) 1 9 9 31 9 9 6 2 0 0 12 0 0 52 b2 0 1 1 0 4 0 3 5 0 3 0 2 5 固0 2 0 1 5 0 1 0 0 5 0 图1 1 欧洲小客车柴油机污染物排放限制发展 尽管柴油机在未来的车用动力中占据着越来越重要的地位，但同益严格的排放法 规或标准的颁布和实施，使柴油机面临着多方面的问题。为了提高柴油机的动力性和 燃油经济性，降低污染物排放和噪声等指标，除了对柴油机本身的各个系统进行研究 和改进以外，应用电子控制系统也已经成为一个必不可少的措施。自从2 0 世纪7 0 年 代以来，随着微控制器电子技术的发展，世界上许多生产厂商都在开发研制柴油机电 子控制系统。并相继开发出功能各异的柴油机电子控制系统，从结构和功能上看主要 包括：燃油喷射电子控制系统、调速电子控制系统、涡轮增压电子控制系统、废气再 循环电子控制、进气空气电子控制系统以及为了满足更加严格的排放法规而开发的排 气后处理电子控制系统。在柴油机的电子控制系统中，最早实现产业化的是燃油喷射 电子控制系统。与传统的机械方式相比较，电控柴油喷射系统具有以下的优点：喷油 定时控制精度高( 0 5 0 c a ) ，反应速度快；喷油量控制灵活，可实现预喷射和后喷射，还 可改变喷油规律；喷油压力高( 高压共轨电控喷油系统最高压力达2 0 0 m p a ) ，不受发动 机转速影响，优化了燃烧过程；无零件磨损，长期工作稳定性好；结构简单，可靠性 好，适应性强，可以在新老发动机上应用1 4 j 。高压共轨柴油机电控喷油系统的丌发研制 成功被称为2 0 世纪内燃机行业三大突破性进展之一【5 j ，这种喷射系统的喷油压力、喷 油时问、喷油量及喷油规律不仅柔性可调，还可以灵活控制，广泛的应用于现代电控 柴油机汽车上。 1 2 柴油机高压共轨燃油喷射系统的发展现状 1 2 1 高压共轨系统的优点 随着燃油喷射控制技术的不断发展，电控燃油喷射系统共经历了3 代，分别是： 山东理t 人学坝i ：学位论文 第一章绪论 位置控制式系统、时间控制式系统和时间压力控制式系统( 电控共轨式燃油喷射系统) 。 其中时问压力式喷油系统分为中压共轨燃油喷射系统和高压共轨燃油喷射系统，电控 燃油喷射系统已经成为柴油机燃油喷射系统的一个重要发展方向。目前柴油机上使用 的电控燃油喷射系统大多数是高压共轨燃油喷射系统，它是建立在直喷技术、预喷射 技术和电控技术基础之上的一种全新概念的喷油系统。高压共轨燃油喷射系统由高压 泵、带调压阀的共轨管、带电磁阀的喷油器、e c u 和各种传感器组成。共轨油压由高 压泵、压力传感器和e c u 组成的闭环系统来调控1 6 j ，喷油定时由喷油器电磁阀通电开 启的时刻决定，而喷油量则由电磁阀丌启的时间和共轨压力共同决定。高压共轨燃油 喷射系统与前两代燃油喷射系统相比，具有以下的优点 2 , 7 , s , 9 , i o l ： ( a ) ( b ) ( c )( d ) 图| - 2 高压共轨系统的优点 ( 1 ) 高压共轨燃油喷射系统压力最高可达2 0 0 m p a ，并在所有转速范围均系高压喷 射，所以可实现降低污染物排放和高动力输出的目的，如图1 - 2 ( a ) 所示。 ( 2 ) 共轨系统中喷油定时和喷油压力都可以独立控制，喷油压力不依赖于转速，因 而能在宽广的运行区域内实现高压喷射，如图1 2 ( b ) 所示。 ( 3 ) 喷油器电磁阀直接对喷油定时和喷油脉宽进行控制，具有高精度控制预喷射的 能力，可控制喷油速率变化，实现预喷射和多次喷射，因而可减小噪声并降低排放， 如图1 - 2 ( c ) 所示。 ( 4 ) 由于喷射i f 时的弹性变化，可提高发动机的性能，如图1 - 2 ( d ) 所示。 ( 5 ) 实时采集共轨压力，调节流经p c v 的电流，从而控制进入共轨的燃油量，并 形成独立的共轨压力闭坏子系统，此系统是共轨所特有的系统。 m 、w 1 i 学位咤t绪论 ( 6 ) 高脏泵、共轨和喷油器异白的位背柏互独立，便十在发动机安装和布置。 高压j t 轨燃油喷射系统的4 ：足之处在于系统长期处j 。高压燃油作用下，各零部件 易产生变形导致较大的泄漏量。尽管如此高u ：批轨燃 1 i | 喷射系统臣人的发展潜力 已经成为未柬柴油机车的一个熏要发展方向。 122 国外高压共轨燃油喷射系统的发展现状 固外对商膻共轨燃油喷射技术的研究起步较早，在这方嘶具有代表性的公司及 其系统有：德国西门子公司的p c r - 2 型爪电抟! 制式喷油器兆轨喷油系统、美国德尔福 公司的m u l t e c d c r 高压，t 轨燃油喷射系统、几本电装公司的e c d - u 2 高压韭轨燃油喷 射系统、德国b o s c h 公司的c r 高压共轨喷油系统、意大利f i a t 集的u n i j e t 高压共轨 系统和英园l u c a s 公司的l d c r 高压共轨燃油喷射系统等i1 ”1 。 电插头 高压接头 回油口 图卜3 压电喷油器 ( 1 ) 早在2 0 世纪8 0 年代术，德国西门子公司就已纾jr 始试验脏电效粜在电控喷油 系统中的应用。几十年代中期，p i 门子v d o 汽车零部件部门片先将压电技术应用在共 轨喷射系统中，并进行了相应的台架试验。试验结果表明应j 玎压电共轨技术的柴油机 喷射系统不仅可以提高燃油的经济性，还能减小噪声和降低污染物排放。该系统对于 满足日益严格的排放法规的要求，有巨大的潜力。从1 9 9 6 年丌始，州f 】予公司批鞋生 产压电石英作为执 i 器的其轨系统。2 0 0 0 年底，西门于公州# 先推出了创新的p c r 2 山东理工人学硕i ：学位论文 第一章绪论 型压电控制式喷油器共轨喷油系统。它的核心部件是适合于小喷油量的压电控制喷油 器，如图1 3 所示。采用压电晶体驱动的高速电磁阀装有流量和压力调节阀、压电驱动 器，能获得较佳泵油效率【1 4 】。具有以下优点：压电控制的喷油器位移控制精度高、响 应快，因而能实现非常迅速而精确的喷油量控制和计量。喷油器的开启速度比其他系 统快，因而最小喷油量小，预喷射和主喷射之间的问隔时间更加短，喷油速率可以更 加灵活可调，使柴油机的燃烧过程更加柔和1 1 5 , 1 6 1 。 ( 2 ) 美国德尔福公司的m u l t e cd c r 电控高压共轨燃油喷射系统以新颖的设计理念、 紧凑的外形尺寸设计以及创新的喷油控制策略为基础，极大的改善了燃油喷射系统的 性能。该系统不仅能满足日益严格的排放法规的要求，还逐步得到了市场的认可。德 尔福公司为了优化系统的成本、保持外形尺寸的紧凑性，取消了电子低压输油泵，而 采用一个集成在高压燃油泵中的输油泵代替，如图1 - 4 所示。油泵中装有进油计量阀， 用于调节高压燃油量。该电磁阀由e c u 控制，通过计量由输油泵注入泵油室的燃油流 量来控制油轨压力【1 7 1 。德尔福公司基于创新的共轨油压控制策略，系统省略掉了油轨 压力控制阀和燃油冷却器，从而降低了系统的总成本。m u l t e cd c r 采用以加速度信号 处理为基础的“加速度预喷射控制”( a p c a c c e l e r o m e t e rp i l o tc o n t r 0 1 ) 对预喷射进行控 制，有效的创新了喷油量控制技术，并降低了燃烧噪声及污染排放。 图1 - 4 德尔福高压燃油泵剖面图 ( 3 ) 日本电装公司从1 9 8 5 年丌始研制e c d u 2 高压共轨燃油喷射系统，并于2 0 0 3 年投产第二代共轨喷油系统e c d u 2 p ，其采用径向柱塞供油泵，最高喷射压力达 山东理t 人学硕i j 学位论文第一章绪论 1 8 0 m p a ，能够满足欧i v 法规。日本电装公司目前正在研发第三代、第四代高压共轨喷 油系统。e c d u 2 系统已成功安装在同野汽车有限公司的新型j 0 8 c ( j i a ) 中型卡车用6 缸柴油机上。另外，三菱等公司也使用同本电装公司所生产的共轨式喷射系统。e c d u 2 喷油系统包括电控高压供油泵、共轨、喷油器和各种传感器。通过安装在共轨管上的 共轨压力传感器对轨压实时监控、采集并传输到e c u 。e c u 根据发动机负荷和转速等 信号，使p c v 阀在适当的时刻开启和关闭来控制供油量，最终控制共轨管内的压力， 这就是共轨压力的反馈控制或者闭环控制【l 引。 ( 4 ) 1 9 9 6 年，b o s c h 公司第一代共轨系统开发研制成功，系统最高压力可达1 3 5 m p a 并于1 9 9 7 批量投入生产。2 0 0 0 年，b o s c h 公司开始批量生产第二代共轨喷油系统， 系统最高压力可达16 0 m p a 。2 0 0 3 年5 月，b o s c h 公司开始批量生产第三代共轨喷油系 统，即采用压电式控制喷油器的高压共轨电控喷油系统，系统的最高压力仍保持在 1 6 0 m p a ，图1 5 为b o s c h 公司第三代高压共轨式电控燃油喷射系统结构图。目前，b o s c h 公司已经开始大力开发电控液力放大系统。c r 高压共轨喷油系统与e c d u 2 很相似， 都是由喷油嘴、控制活塞、控制量孔和控制电磁阀组成，但该系统的高压供油泵为带 有电控压力调节器的径向柱塞泵，可以实现部分停缸控制，这与e c d - u 2 不同。整个 喷射过程可以简述如下：电磁阀通电，针阀抬起，喷射开始；电磁阀断电，针阀落座， 喷射结束【7 ，1 8 ，1 9 2 0 l 。 高压泵p c v n 传感器 图1 5b o s c h 第三代高压共轨式电控燃油喷射系统结构图 ( 5 ) 英国l u c a s 公司的l d c r 高压共轨燃油喷射系统由带油压压力调节器和进油计 量阀的高压供油泵、各种信号传感器、电控喷油器和电控单元e c u 组成，图1 6 为l d c r 型高压共轨系统图。l d c r 型共轨系统最显著的特点就是利用转速信号控制绝对扭矩， 采用加速传感器来监控燃烧敲缸现象i l ，还能在整个转速范围内都实现高压喷射以及 预喷射和后喷射，可有效地降低噪声和提高燃油经济性【l 引。 6 山东理t 人学硕i j 学化论文第一章绪论 高压泵 滤清器 油箱 共轨压力传感器 共轨 输油泵执行器传感器 图1 - 6l d c r 型高压共轨系统图 1 2 3 国内高压共轨燃油喷射系统的发展现状 电子控制喷油器 e c u 国内在柴油机电控燃油喷射系统领域的研究起步较晚，且大都局限在电控单元硬 件等方面的研究上，只有部分大学、企业以及科研单位参与共轨系统零部件的研制工 作。目前尚未开发出成熟的柴油机电控燃油喷射系统，距离产品化还有很长的一段路 要走。从事共轨燃油喷射系统研究的高校及企业主要有清华大学、天津大学、浙江大 学、上海交通大学、北京理工大学、广西玉林柴油机厂以及无锡油泵油嘴研究所等。 以下是国内在柴油机电控燃油喷射系统方面的研究成果f 2 1 2 - 2 2 3 , 2 4 2 5 】： ( 1 ) 清华大学研究开发的电控直列泵管阀锥( p p v i ) 系统，已研制出相应的高性能电 磁阀。 ( 2 ) 天津大学内燃机燃烧学国家重点试验室开发的新型共轨蓄压式电控燃油系统 p a i r c u i 。 ( 3 ) 浙江大学在锡柴c a 6 11 0 发动机上进行了匹配试验。 ( 4 ) 上海交通大学基于自主开发电控单元试图匹配到玉柴y c 6 1 1 0 柴油机上。 ( 5 ) 北京理工大学发动机实验室完成了柴油机电控蓄压共轨喷油系统与柴油机的 初步配机实验。 ( 6 ) 广西玉林柴油机厂与清华大学合作丌发了g d l 型柴油机高压共轨喷射系统。 ( 7 ) 无锡油泵油嘴研究所与无锡柴油机厂合作，已成功的在c a 6 11 0 增压中冷柴油 机进行了共轨式喷射系统的试验。 1 3 课题的研究内容 本课题来源于教学实验平台的丌发与研究。虽然我国的汽车保有量越来越多，但 山东理t 人学硕i j 学化论文第一章绪论 是柴油机产品的质量却一般不高，可靠性差、污染严重且能耗大。为了适应我国同益 严格的排放法规和节能的要求，大力发展柴油机电控燃油喷射系统已成为一项非常迫 切的任务。本文针对柴油机高压共轨电控燃油喷射系统，以基于自主研发的电控单元 为丌发平台，进行喷油控制策略研究和控制软件设计。 本文的主要内容： ( 1 ) 全面分析当前柴油机高压共轨燃油喷射系统的发展现状，详尽的介绍了高压共 轨燃油喷射系统的优点，并指出电控共轨喷油技术已经成为未来柴油机车的一个重要 发展方向。并通过研究分析柴油机高压共轨系统的组成和燃油喷射机理，为后续的研 发工作奠定基础。 ( 2 ) 电控单元硬件系统设计。根据高压共轨柴油机电控系统的工作原理，完成功能 模块划分及电控系统硬件设计。在以3 2 位微控制器“p d 7 0 f 3 2 3 9 为核心的硬件平台上， 完成对各种传感器信号调理电路、执行器驱动电路、通讯电路、电源电路等相关接口 电路的设计。 ( 3 ) 喷油控制策略的研究。分析轨压、喷油量、喷油定时和喷油率的控制策略，并 制定相应的控制策略。 ( 4 ) 电控单元软件系统设计。合理的对系统资源进行分配，如引脚分配、中断向量 分配和存储器空间分配等。重点介绍基于嵌入式实时操作系统r x 8 5 0 控制程序的开发 过程，并详细的介绍了任务划分与调度、传感器输入信号的采集与处理、喷油器电磁 阀和高压油泵p c v 阀驱动的程序开发过程。 ( 5 ) 实验分析与研究。主要通过电控单元调试试验，验证控制软件的可行性与可靠 性。 1 4 本章小结 本章首先分析了柴油发动机所面临的各方面问题，指出了高压共轨是未来柴油发 动机的一个重要发展方向，接着详细介绍了国内外高压共轨燃油喷射系统的发展现状 以及本课题的研究内容。 8 山东理t 人学硕l ? 学位论文第二章柴油机商压苁轨系统组成及t 作原理 i = mz=m m m,i 穹! 鼍! 曼! 喜曼! 曼皇! 曼詈皇! 曼! ! ! ! ! ! ! 曼! 皇! 曼曼! 曼曼! 曼! 皇! ! ! 皇! 皇鼍曼詈! 曼曼詈量皇詈鲁曼曼! 曼! 鼍! 鲁曼! 曼! ! ! 皇 第二章柴油机高压共轨系统组成及工作原理 2 1 高压共轨电控系统结构组成 本课题采用日本电装公司生产的e c d - u 2 高压共轨柴油机。e c d u 2 系统包括高压 供油泵、高压共轨管、喷油器及控制这些部件的电控单元( e c u ) 和各种传感器，系统结 构组成如图2 1 所示1 2 6 1 。其工作原理为：当发动机工作时，柴油经燃油滤清器过滤之后 输往高压供油泵，经高压供油泵压缩增压后进入共轨管。高压供油泵、共轨压力传感 器和电控单元组成的闭环控制系统，可对共轨管内的压力实现精确控制，最终实现精 确控制喷油量和喷油正时的目的。燃油滤清器可以将进入高压泵的燃油滤清净化，从而 防止高压泵、出油阀和喷油器等精密件过早磨损和损坏。喷油器电磁阀用来控制发动 机喷油正时和喷油持续时间。 各 图2 - 1e c d - u 2 系统结构组成 2 2 e c d u 2 系统主要零件 磁阀 回油 量孔2 控制油室 液压活塞 针阀 1 高压供油泵 e c d u 2 高压共轨喷油系统根据发动机负荷和转速的变化，采用变排量的方法调节 高压共轨管内的压力。高压供油泵通过内设的压力控制阀( p c v 阀，二位二通式高速电 磁阀) 控制进入共轨管内的燃油量，从而实现控制共轨管压力的目的，图2 - 2 为e c d u 2 9 生耋些：当茎堡! 兰竺墼耋辇；耋鉴塑鉴：! ：些垂堡垒些垒：錾坚： 实物图。高压供油泵工作过程如图2 - 3 所示，由图可知，供油量的多少与柱塞的行程相 对应，也就是说，p c v 阀通电时问的长短，决定了高压供油泵的供油量。 高压油泵 i i 刊| f 抖啊如啦蛾 喷油器 国2 2e t a - u 2 实物圈 2 高压共轨管 共轨管的作用是存储高压燃油并将高压燃油送往喷油器中。共轨上装有共轨压 力传感器、液流缓冲器和高压溢流阀。共轨压力传感器用于检测共轨管内的燃油压力； 液流缓冲器用于减少共轨管内压力脉冲，使进入喷油器的燃油压力保持稳：商压溢流 阀用于防止共轨管内的燃油压力过高。 3 喷油器 e c d - u 2 系统采用二位二通高速电磁阀控制的喷油器它根据电控单元发出的控制 信号，在适当的时刻往气缸中喷入一定量的燃油，喷油量的多少出喷油器电磁阀开启 时自j 的长短决定。 2 3 电控单元e c u 电控单元e c u 作为整个柴油机电控系统的核心部分，必须具有实时多任务处理的 功能用以满足高压共轨系统同时处理多个定时事件的需求。本课题以n e c 电子公刮 v 8 5 0 系列3 2 位微处理器h p d 7 0 f 3 2 3 9 作为主芯片，它具有强大的数据处理功能、丰富 的外围接口和模块化的功能设计，这不仅能实现对柴油机喷油系统的实时控制， 一0 _国 山东理t 人学硕l j 学位论文 第一二章柴油机高爪苁轨系统组成及t 作原理 吸油调整供油 吸油 图2 - 3 高压油泵工作过程 而且还能实现对整个柴油机系统的控制及状态参数的管理，使柴油机的燃油经济性和 排放性得到进一步的改善。电控单元e c u 主要的任务有： ( 1 ) 实时处理传感器采集的数据，并将采集的数据经a d 转换、滤波、整形放大之 后，转换为单片机可以正确读取的标准信号。 ( 2 ) 存储上述数据和处理程序及m a p 等。 ( 3 ) 根据输入的数据进行合理的计算、处理，从而得到电控系统控制执行器所需的 各种数据。 ( 4 ) 存储将要输出的数据。 ( 5 ) 输出数据控制执行器( 电控喷油器和p c v 阀等) 工作。 ( 6 ) 完成通讯、交换以及故障诊断等任务。 电控单元由传感器输入信号处理模块、存储器外扩展模块、电源模块、通讯模块、 功率输出驱动模块和微处理器单元等部分组成，可以精确的实现共轨压力调节、喷油 j 下时和喷油持续时i 日j 控制。其基本工作原理如下：电控单元根据传感器采集的各种实 时数据( 转速信号、凸轮轴位置信号、油门位置信号等) ，结合内部存储的软件信息( 各 种函数、算法程序、m a p 图等) ，制定出各种控制命令( p c v 阀丌启和关闭时间等) 驱动 执行器工作，实现对喷油量、喷油时间和喷油率的柔性控制。虽然采用微机控制具有 执行器控制精确和处理信息能力强的优点，但是合理的配置硬件和软件系统仍然非常 重要。 山东理t 人学硕i j 学位论文 第二章柴油机t 岛j k 共轨系统f 成及t 作原理 2 4 传感器 传感器是一种可以把被测的非电量信号转换成电信号的转换器，其主要作用是将 检测出的柴油机的实际运行状态传递给电控单元e c u ，传感器所测的的信号必须经滤 波、整形、放大( 模拟信号需要进行数模转换) 才能被微控制器读取。传感器是电控系统 的重要组成部件，是电控单元精确控制发动机运转的基础，因此传感器能否精确的测 量出所需数据对工作至关重要【2 7 娜2 9 1 。传感器信号按信号特征可分为数字信号、模拟信 号和丌关信号。电控燃油喷射系统所使用的传感器主要有：油门位置传感器、曲轴位 置传感器、凸轮轴位置传感器、共轨压力传感器、冷却水温传感器、燃油温度传感器、 大气压力传感器、进气温度传感器和机油温度传感器等。其中，最重要的传感器是油 门位置传感器、转速传感器和共轨压力传感器，它们共同控制喷油时刻和基本喷油量 等重要参数。 2 4 1 油门位置传感器 油门位置即加速踏板位置，它反映了柴油机当前负荷。在进气量不变的情况下， 喷油量随负荷的变化而变化，负荷增大，喷油量增加，因此加速踏板位置还是反映工 况的重要参数。通过测量加速踏板位置的变化，可以准确的感知驾驶员的要求，以便 发动机更好的工作。油门位置传感器分为电位计式传感器和霍而式传感器两种，由于 电位计式传感器使用方便，结构简单，所以本系统采用电位计式油门位置传感器，这 种传感器类似一个可变电阻器，如图2 - 4 ( a ) 所示。它由一个电阻体和一个滑动系统组成， 该传感器有3 条线，l 号线为电源线，3 号线为地线，2 号线的变动反映油门位置的变 化。l 号线与3 号线之间加一个固定的+ 5 v 电压，通过滑动系统改变动触点在电阻体上 的位置，便可以得到一个与动触点位置成一定关系的电压。设2 号线与l 号线之间的 电阻为r 1 2 ，电阻体总电阻为r o ，则输出电压v = 5 * r 1 2 r 0 。图2 叫b ) 为线性电位计理 想特性图，实际应用中输出电压有一定的误差。 3 2 ( a ) ( b ) x 图2 4 可变电阻及理想特性图 1 2 山东理下人学硕i 4 ：位论文第- 二章柴油机高骶，轨系统甜i 成及t 作原理 2 4 2 曲轴位置传感器 曲轴位置传感器用于测量转角信号，其测量值不仅可用来判断曲轴瞬态位置和上 止点位置，还可以用来计算发动机的实时转速。实时转速是发动机工况判断的一个重 要的参数，它同油门负荷一起共同确定发动机的基本喷油量和喷油正时，同时，实时 转速在控制燃烧、降低排放和提高燃油经济性等方面也起重要作用1 3 州。因此，要采用 高精密的传感器来保证曲轴位置转角信号测量的准确性。在发动机电控系统中常用的 曲轴位置传感器有电磁式曲轴位置传感器、霍尔式曲轴位置传感器和光电式曲轴位置 传感器等几种类型。电磁式曲轴位置传感器是将曲轴转动产生的电压信号传递给电脑， 来判断曲轴当前的转角状态和转速等。霍尔式曲轴位置传感器是利用霍尔元件制成的 传感器，它与电磁传感器的区别是需要外加电源。 本课题选用电磁式曲轴位置传感器，图2 5 为电磁式曲轴位置传感器示意图p 。曲 轴位置传感器安装在与曲轴输出端的飞轮相连的信号轮附近，该信号轮是一个齿圈， 4 8 个齿均匀分布，每两个齿之间相距7 5 。，其中有两个缺齿，形成了4 5 个齿的结构， 缺齿的角度为2 2 5 。也就是说，曲轴每旋转2 周，曲轴位置传感器就会感应到9 0 个 脉冲信号，为保证信号的生成效果，该信号轮的轮齿顶部与传感器头部的间隙要求在 0 扣1 2 m m 之间。通过传感器信号调理电路，e c u 将高频振荡j 下弦电压信号转换为微 控制器可识别的方波信号。曲轴的缺齿信号可用来做判缸信号，本课题中选择第方 波的上升沿对应1 、4 缸上止点前6 0 。，即缺齿后的第9 个方波对应上止点。 永久磁铁壳体 机机体 弋一厂眦九 触发盘 图2 - 5 电磁式曲轴位置传感器示意图 2 4 3 凸轮轴转角传感器 凸轮转角传感器与曲轴位置传感器都是电磁式传感器，都是利用电磁线圈磁通变 化的特性制成的，但它们的工作环境与工作范围各不相同。随发动机转动，通过感应 i j 东理t 人学硕i j 学位论文 第：帝柴油机商j k 共轨系统f n 成及t t r 原理 线圈绕组的磁通也不断发生变化，从而在线圈的两端产生了交变的感应电动势，这一 交流信号经过滤波整形放大后，形成方波电压送至电控单元。凸轮轴每隔1 2 0 。有一齿， 但在某一齿旁多出一齿，从而形成两个齿对应一个缸，如图2 - 6 所示，凸轮轴多齿与曲 轴缺齿相对应，都是位与某一缸喷油上止点前6 0 。它实际上是一个气缸判别传感器， 与曲轴位置传感器共同判缸。当两个传感器判别不同时，发送错误信息给电控单元。 2 4 4 热敏电阻式温度传感器 第一缸牟l 缸信号 图2 - 6 凸轮轴判缸信号 柴油机电控系统所采用的温度传感器都是热敏电阻式传感器，又称为感温传感器 当温度发生变化时，传感器内可变电阻的电阻值也随之变化1 3 2 j 。以冷却水温为例，当 水温温度升高时，电阻值随之下降，称为负温度系数电阻温度计；反之，当燃油温度 下降时，电阻值升高。称为正温度系数电阻温度计。如图2 7 所示，热敏温度接在一个 + 5 v 电源的分压电路上，电阻上的电压降通过一个模数转换器( a d ) 输入到电控单元 中，转换成实际的温度变化量。采用这种形式的传感器有冷却水温传感器、燃油温度 传感器、进气温度传感器、机油温度传感器等。电控单元根据上述信号对喷油正时、 喷油量等参数进行修i - 1 3 3 , 3 4 1 。 图2 - 7 热敏电阻式传感器特性图 1 4 山东理t 人学硕l j 学位论文第一二章柴油机高乐共轨系统组成及t