柴油机高压共轨燃油喷射_电控系统开发研究

1、文章编号:1000-0925(200103油机高压共轨燃油喷射电控系统开发研究周文华(浙江大学,杭州310027R esearch on E lectronically Controlled H igh Pressure CommonR ail Fuel I njection System for Diesel E nginesZhou Wenhua(Zhejiang University ,Hangzhou 310027Abstract The w orking principal and realizing plan of an electronically c

2、ontrolled high -pressure comm on rail fuel injection system has been introduced.This paper sets up a field bus based on distributed environment for developing electronically controlled diesel engine ,exploits a driving m odule for high -speed electromagnetic valves ,and proposes the all -around desi

3、gn for EC U s hardware and s oftware.This w ork will prepare for the next experiment on an engine test rig.摘要描述了柴油机高压共轨电控喷油系统的工作原理和实施方案,并展开了对该系统全面的研究。完成了基于现场总线的分布式电控柴油机开发环境设计、高速电磁阀驱动模块的开发和电控单元硬软件系统的整体设计等,为进一步的发动机台架试验作好了充分准备。关键词:共轨;电控单元;柴油机K ey Words :C omm on Rail ;ECU ;Diesel Engine中图分类号:TK 423.8:T

4、P27315文献标识码:A1概述随着排放法规的日益严格,柴油机燃油喷射系统如何实现高压喷射日渐成为人们研究的热点。高压共轨电控喷油系统不仅能在所有转速范围内实现稳定的高压喷射,而且由于高性能的电磁阀,使系统可以实现灵活的喷油规律控制(如预喷和后喷等,极大地改善了排放。该系统受到世界各国的认同,在国外已有成熟产品46。我国在柴油机电控喷射领域的研究起步较晚,国内研究距产品化程度较远12。本文作者曾成功完成国家九五攻关项目“电控VE 泵喷油系统”中的电控单元(EC U 设计3,目前该成果正由无锡威孚集团实施产业化进程。作者致力于柴油机电控技术研究,在得到国家技术创新项目的支持和协作单位的配合下,展

5、开了对高压共轨电控喷油系统的系统分析和全面设计。重点描述了共轨电控喷油系统的工作原理和方案设计,并在这一基础上详细描述了开发环境设计、高速电磁阀驱动单元开发,以及电控单元(EC U 硬软件设计等。2高压共轨电控喷油系统设计方案及开发环境的建立图1是某一典型的高压共轨喷油系统原理图。该系统由高压油泵、共轨供油室、喷油器、电控单元(EC U 及传感器、执行器等组成。通过调压阀控制共轨压力,该压力设定值与发动机转速和负荷相关。发动机喷油量和喷油时刻完全是由喷油器电收软盘稿日期:2001-01-10作者简介:周文华,(1968-,男,博士,主要从事发动机电子控制技术及其台架自动标定系统研究第22卷(2

6、001第3期内燃机工程Neiranji G ongchengV ol.22(2001N o.3磁阀的打开时间和开启时刻决定的,与高压泵无关。控制量孔(节流孔的作用是抑制初始喷射,改善喷油速率。本系统就是在这一原理指导下展开设计的。在这一过程中须完成的基本控制内容有:(1高速电磁阀的打开和关闭时刻决定喷油时刻和喷油量。(2气缸辨识决定喷油次序。(3调压阀控制决定喷射压力。(4喷油规律控制,包括预喷量及预喷时刻控制等。由于高压共轨电控燃油喷射系统是一个严格时间控制系统,必须精确控制喷油器电磁阀的工作过程以实现灵活的喷油规律控制这是高压共轨控制的核心也是难点之一 。图1高压共轨喷油系统原理图在进行高

7、压共轨电控喷油系统开发过程中一方面要完成高速电磁阀及其驱动模块设计,另一方面,也要有完善的开发环境以监测和评价这一瞬态微观过程。目前国内研究的方案基本是采用PC 机同时完成控制和采集分析过程12,这一方法距实用化程度较远,从PC 机控制系统转移到以单片机为核心的电控单元(EC U 时也存在着诸多变化因素,而且EC U 设计完成后更需要强有力的手段进行分析和优化,这些因素使得进行独立于EC U 的“电控发动机开发环境”设计与EC U 的开发同等重要。作者设计了基于C AN 现场总线的电控发动机开发环境,在整个系统中EC U 和其他测控单元相对独立,通过强大的总线通信机制和统一的通信协议完成信息共

8、享(数据速率达500kbps 。其应用系统如图 2所示。图2电控发动机开发环境应用系统实例图中:测试单元1:含有多路模拟量的输入,采用DMA 技术使采样速率在100kH z 以上,主要完成对EC U 控制过程的微观监测,包括:输出控制波形、高速电磁阀的电流响应,喷油规律监测以及喷油过程中共轨压力波动等,该模块在油泵试验台上进行喷油规律分析和辅助进行高速电磁阀及其驱动电路设计时尤为有效。测试单元2:含有多路模拟量和数字量输入,主要完成对发动机工作过程的监测,可以对发动机的各类瞬态试验作出评价。尤其是发动机循环内转速波动及缸内燃烧压力的检测为EC U 控制参数的优化和转速的“逐缸平衡”算法提供了重

9、要依据。控制单元:主要是将系统进一步扩展为瞬态试验台架而设计的控制功能,它可以灵活控制测功器台架运行在多种模式下(恒定工况和突变工况,配合测试单元2完成对EC U 各类瞬态过程的控制。如发动机台架试验条件具备,还可通过该模块的控制完成离合器的断接,传动控制,以及模拟各种复杂的道路试验。PC 开发平台作为主要的人机界面,通过总线接口卡把各测控单元连接为一个分布式开发环境。利用现场总线的“一对多点”的广播通信方式成功解决了各测控单元的同步控制,使得各测控单元之间只有数据线连接,没有其他信号线。各测控单元和EC U 均可放在现场(发动机旁,避免了将信号传送到控制室所带来的干扰。C AN 总线强大的“

10、总线竞争和出错自动重发”通信机制使得EC U 的标定优化以及实时监测变得尤为方便,提高了系统可靠性。3高速电磁阀驱动模块设计高速电磁阀及其驱动模块设计是高压共轨电542001年第3期内燃机工程控喷油系统的重要设计内容。为了满足喷油规律控制需要,电磁阀的开关响应时间必须小于0.2ms 45,预喷和主喷之间的间隔最低要求达0.2ms 。图3是作者通过升压方式设计的高速电磁阀驱动模块原理框图。该电路利用开关线圈电流产生的反向电势来对电容充电,在电磁阀动作过程中首先通过电容放电高压驱动电磁阀,而后通过低压电路提供维持电流,合理的泄放回路设计使电磁阀关断响应迅速。该驱动模块的特点是 :图3电磁阀驱动模块

11、框图(1高压建立时间短,彻底放电后充电至指定电压(120V 时间为0.8ms 。(2可以灵活控制充电电压,使输出稳定在指定高压。(3升压模块功耗小,不易发热。(4控制脉冲简单,只要给定方波即可获得大电流启动,小电流维持。极大地方便了控制脉冲的形成。作者对日本电装公司的共轨喷油器进行了驱动试验(该喷油器开启电流约为15A ,保持电流为23A ,控制升压电路输出为120V ,带预喷控制的电磁阀连续动作过程由测试单元1测得结果如图4所示。从电磁阀的电流响应曲线可以看出该模块成功解决了电磁阀的响应问题,能灵活实现预喷控制, 完全满足共轨喷油器的驱动性能要求。图4电磁阀驱动模块电流响应4 电控单元硬软件

12、设计图5是本电控喷油系统的硬件框图。图5共轨电控喷油系统硬件组成框图64内燃机工程2001年第3期作者采用16位微处理机为核心(16M 主频,配置16位外围数字接口芯片(PS D ,该芯片硬件资源丰富,内置4M 位闪存,64K 位静态RAM ,3,000门可编程逻辑和可软件配置的多个I/O 口,极大地缩小了外围数字电路,提高了系统可靠性。通过该片在系统可编程(ISP 接口,实际应用中无须打开硬件就可以使整个系统软件得到维护和升级,极大地提高了开发和维护效率。由于本系统有众多的高速电磁阀和升压电路处于开关状态,电磁辐射严重,本系统对数字电路、模拟电路和功率电路进行了有效隔离,并对辐射严重器件采取

13、屏蔽措施,较好地解决了系统干扰问题。电控单元的通信接口采用了串行接口和现场总线两种方式。前者用于故障诊断和标定,后者用于集成环境中与其他测控单元或EC U 交换数据。高压共轨电控喷油系统的软件核心就是喷油规律控制。由于该系统中高压泵仅仅完成高压的建立,并不传递喷油相位,哪一缸喷油、何时喷油完全取决于高速电磁阀的开启时刻,所以软件必须保证严格的喷射正时。这一点是通过曲轴信号和凸轮轴参考信号来实现的。通过分析这两个信号可以获得:喷油次序,喷射相位,瞬态转速。其中瞬态转速也是发动机转速平衡控制和扭矩控制的基础 。图6共轨压力控制原理共轨压力的控制一方面保证了喷射压力,另一方面与喷油持续时间共同决定了

14、喷油量大小。本系统共轨压力控制如图6所示。由于共轨压力的调节输出是与喷射相位相关(即每喷射一次调节输出一次,故其输出间隔与转速相关。系统采用与转速相关的PI D 算法满足了这一特殊要求。5结论(1本文系统描述了高压共轨电控喷油系统的开发思路,建立了基于现场总线的分布式电控发动机开发环境,为进一步的研究提供了强有力的支持。(2高速电磁阀驱动模块的成功设计,解决了共轨喷射系统的核心技术之一,为进一步灵活控制喷油规律创造了条件。(3在全面考虑系统方案的基础上作者完成了电控单元(EC U 的硬软件系统设计,初步满足了发动机台架试验要求。参考文献1李绍安,苏万华1新型中压共轨式柴油机电控燃油2唐厚君等.

15、一种共轨式电控柴油机的燃烧喷射系统.内燃机学报2000,(23周文华等.柴油机电控燃油喷射设计及试验研究.内燃机学报1999,(34M lyaki M 等.Development of New E lectronically C on 2trolled Fuel Injection System EC D -U2for Diesel Engines S AE 9102525G uerrassi N and Dupraz P.A C omm on Rail Injection Sys 2tem F or High S peed Direct Injection Diesel Engines.S AE 9808036Osuka I 等.Benefits of New