柴油机电控系统控制 毕业论文.doc

i 柴油机电控系统控制 摘 要 为了降低柴油机的能源消耗，满足节能和排放法规的要求，电子控 制技术在柴油机中的应用和发展已经成为必不可少的一个坏节。本设计 主要研究柴油机电控喷油系统和执行器的控制原理、电控系统中传感器 的应用、柴油机电控系统的电控单元（ecu）设计及电控技术未来的发 展趋势 ，其中电子控制单元主要由单片机控制。电气化控制系统取代 机械化控制不仅提高柴油机运行参数测量的控制精度也满足了节能减排 的要求。 提高柴油机电控系统的智能化是未来世界重工业研究的重要方向， 是各国综合实力的象征。 关键词：传感器; ecu;智能化 ii abstract to reduce the energy consumption of diesel engine to meet the requirements of energy conservation and emissions regulations, electronic control technology in diesel engine application and development has become essential to a bad section. the design of the main research engine and electronically controlled fuel injection system to control the actuator principles, electric control system sensor applications, diesel engine electronic control system, electric control unit (ecu) design and electronic control technology in the future development trend, in which electronic control unit mainly controlled by microcomputer. electrical control system to replace mechanical control is not only to improve the control of diesel engine operating parameters measurement precision also satisfy the energy conservation requirements. improve the diesel engine, intelligent electronic control system is an important future research direction of the worlds heavy industry, is a symbol of national comprehensive strength. keywords: sensor; ecu; intelligent iii 目 录 摘 要 .i abstract .ii 第一章 柴油机电子控技术 .1 1.1 柴油机电控系统的历史发展和现状 .1 1.2 柴油机电控技术的特点、难点 .2 1.3 柴油机电控技术未来的发展趋势 .3 第二章 柴油机电控单元设计 .5 2.1 电控柴油机的结构及标定技术 .5 2.2 柴油机电子控制系统铺助电源设计 .7 2.3 柴油机控制系统常用输入、输出电路设计 .9 2.3.1 电控单元（ecu）的输入级 .10 2.3.2 电控单元的输出级 12 2.4 开关量的输出通道及功率放大器 14 第三章 柴油机电控系统中的传感器 .20 3.1 加速踏板位置传感器 20 3.1.1 非接触式（霍尔式）加速踏板位置传感器 20 3.2 压力传感器 22 3.2.1 压阻式压力传感器 22 33 热敏电阻温度传感器 .24 3.3.1 柴油机内常用温度-频率转电路 .25 3.3.2 柴油机电子控系统温度测量及报警系统设计 26 第四章 柴油机电控喷油系统和执行器 28 4.1 柴油机电喷系统控制原理 28 4.1.1 喷油驱动电路 29 4.2 电控喷油系统中变换器参数对喷油器性能的影响 31 4.2.1 dc-dc 变换器参数对喷油器性能的 影响 31 iv 4.2.2 脉宽调制控制电路 32 4.3 电-机转换的基础 .34 43.1 高速电磁转换开关 .35 第五章 柴油机的其他电控系统 37 5.1 可变喷嘴涡轮增压系统电控技术 37 52 可变气门区动系统 .38 521 可变气门驱动机构在柴油机上的应用 38 522 可变气门驱动机构的实现 39 53 柴油机的废气再循环控制 .41 结论 .43 致谢 .44 附录 145 附录 246 参考文献 .47 v contents abstract .ii the first chapter diesel electronic control technology .1 1.1 the development and current situation of diesel electronic control system 1 1.2 technical characteristics and difficulties of diesel electronic control technology2 1.3 development trend in the future of diesel electronic control technology3 chapter 2 design of diesel engines unit5 2.1 the structure of electronic control diesel and calibration technique .5 2.2 diesel electronic control system and electric power source support design7 2.3 commonly used input and output circuit design in diesel electronic control system 9 2.3.1 electronic control unit (ecu) input stage .10 2.3.2 electronic control unit input stage.12 2.4 the output channel of the quantity of switch value and the power amplifier14 chapter 3 sensor in diesel electronic control system20 3.1 accelerator pedal position sensor 20 3.1.1 contactless (hall) accelerator pedal position sensor20 3.2 pressure pickup 22 3.2.1 piezoresistance pressure transducer 22 33 thermistor temperature sensor 24 3.3.1 within the engine temperature - turn circuit used frequency 25 3.3.2 temperature measurement and alarm system design of diesel electronic control system.26 chapter 4 diesel electric fuel injection system and actuator .28 4.1 control principle of diesel electric fuel injection system 28 4.1.1 spray driving circuit 29 vi 4.2 electronic fuel injection system in converter parameters on the performance of the injector .31 4.2.1 dc-dc converter parameters influences on erformance of the injector .31 4.2.2 pwm control circuit 32 4.3 converting base of electricity machine34 43.1 high-speed solenoid switch 35 chapter 5 other electronic control system of diesel.37 5.1 variable nozzles turbocharging system electronic control technology.37 52 variable valve system .38 521 the application of variable valve driving mechanism in diesel 38 522 realization of variable valve driving mechanism 39 53 emission control of diesel engine 41 conclusion43 thanks 44 appendix 1 45 appendix 2 46 references 47 1 第一章 柴油机电子控技术 1.1 柴油机电控系统的历史发展和现状 柴油机电控技术源于上世纪八十年代，首先应用的是燃油喷射系统的电 子控制。目前先进的燃油喷射系统如共轨燃油喷射系统已在轿车和重型卡车 柴油机上得到批量应用。世界各大船舶公司都在进行电控柴油机的研发。如 wart si la、man b i-线圈电流（a） ；r-线圈回路总电阻； -线圈总的? 磁链（wb） ； t-通电时间（s） 3 38 第五章 柴油机的其他电控系统 柴油机电控技术最初是在喷油系统丌始使用的，这是因为喷油系统是柴 油机的心脏。在采用电子控制技术以前，已经普遍使用了机械控制，以实现 对柴油机性能的调节和控制。但随着柴油机的发展，排放法规的不断严格， 能源危机的不断加剧，人们越来越感到传统的机械控制的喷油系统已不能适 应新的形势时，喷油系统的电控技术就必然会出现。但柴油机动力性、经济 性及排放特性的根本改变，决非仅仅喷油系统实现电控技术就行了，柴油机 的其他许多环节的可调与控制也是必不可少的。正是基于这样的认识，这些 年来，世界各国都相继开展了废气涡轮增压器可调、进气涡流可调，以及进、 排气门可调等技术的研究与开发。最近由于开展可调废气再循环(egr)的研究 与开发，使得柴油机电控系统的领域已大大扩展。 5.1 可变喷嘴涡轮增压系统电控技术 废气涡轮增压器的调节目的在于既保证在低速时有较高的转矩，又能保 证发动机在标定点附近增压压力不致过高，以避免发动机过高的机械负荷和 涡轮增压器的超速。通过涡轮增压器的调节，可改善增压器与发动机的匹配， 从而达到改善车用增压发动机转矩特性的目的。不仅如此，采用可调增压器， 还可改善发动机部分负荷性能和满足高原地区工作发动机功率的恢复。可调 增压器采用电控技术，则可实现全工况范围内发动机与增压器的最佳匹配， 从而达到发动机性能的全面优化。载货汽车柴油机一般采用固定截面的增压 器，能实现发动机与增压器的良好匹配。虽然此时增压压力随转速降低而下 降，但由于发动机的转速变化范围不大，一般在2500rmin条件下，且强化 程度不甚高，即使不采用增压器的调节措施，发动机与增压器仍能实现良好 的匹配。轿车柴油机最高转速可达5000rmin。由于转速变化范围大，固定 截面涡轮增压器就难于实现与发动机的良好匹配。如果保证发动机在最大转 矩点时有足够的增压压力，则在发动机标定转速时，就要出现过高的增压压 39 力。这就带来发动机过高的机械负荷和涡轮增压器的严重超速，这是不允许 的。若只考虑发动机额定转速时所需要的增压压力，则在发动机低速时，增 压压力就下降过多，不能保证足够的转矩。显然，在这种情况下，只能求助 于可调增压器，使发动机在某转速以上保持不变的增压压力，或分阶段地实 现调节。 5.2 可变气门区动系统 汽车发动机采用可变气门驱动，气门开启及关闭时i日j、气门升程随 发动机工况变化，可改善怠速稳定性，增加低速下外特性转矩，改善部分负 荷燃油经济性和降低有害排放。长期以来，人们提出了包括无凸轮轴气门驱 动在内的数以干计的可变气门驱动机构方案，并对可变气门驱动的作用进行 了广泛研究。目前已有一些基于传统气门驱动方式的可变气门驱动机构，用 于批量生产的汽车发动机上，取代传统气门驱动的无凸轮轴气门驱动机构， 也已从纯实验室进入了在发动机上装机试用的发展阶段。 5.2.1 可变气门驱动机构在柴油机上的应用 柴油机的一些特征，使可变气门驱动机构的应用有些减小其原因如下： 1)由于柴油机的负荷实行质调节，其部分负荷的泵损失很小，故通过控制迸 气门关闭时刻来控制其空气量，并不能减小其部分负荷的泵损失。 2)由于喷油泵和材料强度等限制，现有直喷式柴油机的最高转速只达到 4500r-min右，共轨喷油系统发动机可达5000r-min，比汽油机要低，这样， 根据低速优选的气门定时，对高速而言也不会太差。 3)在低速时，其烟度限制功率主要取决于涡流比而不是充量系数，故应用可 变气门驱动机构来提高其充量系数意义也不是很大。 4)由于柴油机的压缩比很高，在上止点处缸盖与活塞间的间隙很小，故进气 门开启角与排气门关闭角也不允许有较大幅度的变化。对自然吸气式柴油机 而言，可变气门驱动系统可以用来改善起动性能。在通常情况下，为了在发 动机中速时更好地利用迸气动能，使其进气门关闭较晚，这相对于起动转速 40 工况而言，其进气门关闭就太晚，从而导致缸内部分空气被挤出气缸。应用 可变气门机构，可以在发动机起动时，让更多的空气进入气缸，从而允许压 缩比的适当降低，或者在相同的压缩比的条件下，可以燃烧质量差些的燃油。 对于中速柴油机而言，由于其压缩比不高，故其活塞与气门间的碰撞问题不 再突出。这样，在高速高负荷的运行工况下，为了让发动机有良好的扫气和 减少排气门、燃烧室及涡轮等零件的热负荷，可以有较大的气门重叠角。因 为在这种工况下，压气机提供的增压压力要大于涡轮前的排气背压。但在低 速或小负荷工况下的增压压力，往往要小于涡轮前的排气背压，这时就希望 使用可变气门驱动机构，让发动机有较小的气门重叠角，以阻止缸内废气的 倒灌。 曾在20世纪50年代兴起过的米勒增压方法，就是可变气门驱动机构在增 压柴油机中的又一实际应用米勒系统是1951年由rhmiller提出来的，其 实质是低温高增压，故又称低温高增压系统。其设计思想是在增压器与进气 管之间，如通常那样装有高性能的中冷器，使进气管内的空气温度大致保持 不变。并且在四冲程发动机上，在下止点以前就中止进气(即进气门提前关闭)， 使空气在气缸中膨胀，以获得进一步冷却。进气门的提前关闭角大小均可自 动调节，使发动机的实际压缩比随负荷变化。因此，米勒增压系统的特点就 在于把增压空气的外部冷却和气缸内部冷却相结合，并且实现了可变的压缩 比和不变的膨胀比。可变气门驱动系统在增压柴油机中的另一有潜力的应用， 是改善其响应速度。试验已表明，气门重叠角较大的强化四冲程柴油机不利 于瞬变运行。这是因为在突加负荷时，调速器的响应比增压器快，在气缸内 出现过浓混合气，排气管内的压力和温度 迅速上升，增压压力增加较慢，扫气压力差减小，引起扫气不足，并可能在 扫气结束时，出现排气管内废气向气缸倒流，进一步促使气缸内过量空气系 数的下降，燃烧进一步恶化，发动机输出转矩降低。采用较小的气门重叠角， 将使发动机的加速性能大为改善。因此，瞬变性能对气门重叠角的要求，是 和稳态运行最佳气门定时的要求相抵触的，但应用可变气门驱动系统就可解 决此问题。 41 5.2.2 可变气门驱动机构的实现 从大量开发研制的可变气门驱动机构来看在要可分为两大类：一类是基 于传统凸轮轴驱动的可变气门机构及其控制系统：另一类是无凸轮轴的直接 气门控制的驱动机构。传统凸轮轴式的可变气门机构往往在凸轮、凸轮轴和 传动元件上作些改进和变化。例如采用多维凸轮、双凸轮、可变凸轮相位、 可变摇臂及可变挺杆等。这种可变气门机构所提供的气门定时变化范围不大， 可用于改善发动机转矩特性等场合。由于结构简单，制造费用低，这种机构 已成功地应用于一些汽车发动机上。无凸轮轴的直接气门控制式的驱动机构， 取消了发动机中传统气门机构中的凸轮轴及其从动件，而以电磁、电液、电 气或其他驱动方式驱动气门。采用无凸轮轴直接气门驱动方式，除了和其他 可变气门机构样，能使发动机在燃油经济性；动力性和降低排放等方面得 到改善外，还有如下一些独到的优点： 公司在6sditc柴油机上采用的可变涡流系统。该系统实质上属于喷孔 式可变涡流系统。可变机构如图5.2 a所示。在喷孔上装有一个气压控制的二 位二通气动换向阀。当该阀关闭时，副气道(即喷孔)内无空气流入；而当该 阀打开时，空气经此喷孔流入进气道，使进气涡流强度减弱。此阀的换向是 由一个电磁气动换向阀控制。当电控单元使该电磁阀打开时，压缩空气便从 储气缸中流入前面的二位二通气动换向阀，使之开启。当电磁阀关闭时，二 位二通气动换向阀在复位弹簧的作用下也关闭，使喷孔内无空气进入。实际 上这里控制副气道内空气流动的气压驱动的二位二通气动开关问，可直接由 电磁驱动的气动二位二通开关问来代替。电磁驱动的二位二通开关问一般通 径较小，适于小流量。气压驱动的气动二位二通开关阀则可适用于大流量。 电磁阀实际上是一个先导阀。这种控制只能是副气道处于全开、全关两种状 态。若要实现连续成比例地控制开关问的流量截面，则可用气动比例流量阀， 这样可实现副气道流通截面的无级连续控制，即可实现对涡流强度的无级连 续条件。 42 图 25 涡流控制机构的布置 6sditc柴油机为了改善冷起动性能和控制发动机起动后冒白烟现象， 利用水温传感器来保持在此工况为低涡流，而且为了防止在汽车换档而使发 动机负荷发生较大变化时电磁驱动开关阀频繁动作，增加了专门逻辑功能。 通过加速踏板位置信号反馈，来防止电磁问频繁开启、闭合，提高了系统的 使用寿命。6sditc柴油机采用喷孔式变涡流电控系统(图 26 )后，不仅改 善了高速高负荷时的转矩特性，还起到了改善低温起动性及减少冒白烟的作 用。在10。c环境温度下，充分燃烧时间缩短了约10，起动后白烟消失的 时间也缩短了35。在冷起动时，若减弱气缸内的空气流动，则可减少了压 缩时的热损失，提高了气缸内的温度和压力，可防止着火后的熄火现象。因 此，低涡流也改善了起动性。另外，高速时低涡流还降低了缸盖与活塞的温 度。 图 26 可调涡流系统结构 5.3 柴油机的废气再循环控制 柴油机燃烧过程的平均过量空气系数虽然比较大，但因混合气成分不均 匀，局部燃烧温度仍很高，所以生成大量nox，与汽油机不相上下。不过，随 着柴油机负荷的降低，nox的排放迅速 43 减小。与汽油机类似，柴油机也可以通过egr(废气再循环)来降低nox排放。 egr就是通过回引部分废气与新鲜空气共同参与燃烧反应，利用废气中含有大 量的惰性气体(c02、n2、h20等)具有较高的比热容这一特性，来降低nox的生 成。因为nox的生成条件是高温富氧，而废气的引入，一方面使混合气热容量 增大，造成相同量的混合气升高，同样温度所需热容量增大，从而降低最高 燃烧温度；另一方面废气对新鲜充量的稀释也相应降低了氧的浓度，从而有 效的抑制了nox的生成。根据废气进入气缸是否通过发动机的进气系统，egr 系统可分为内部egr系统和外部egr系统。内部egr系统通过改变配气正时实现。 该系统不需要外加其他设备，结构简单，应用方便，而且可以避免再循环废 气对管道的腐蚀，有利于提高系统耐久性。由于是在进气行程内，直接开启 排气阀使废气回流，因此难以精确控制egr率；同时废气未经冷却直接回流， 引起混合器温度升高：这，点又有利于nox的生成。因此内部egr对nox的抑制 效果并不显著。但是随着控制技术的不断提高，内部egr因其简单、便利，同 益受到青睐。 外部egr利用专门的管道将废气引入进气歧管，使废气与新鲜充量在进入 气缸前充分混合。由于外部egr不但可以通过电控系统精确控制egr率，优化 发动机性能，而且可以在外部系统中通过加装egr冷却器，有效降低燃烧温度， 因此目前较为常用的是外部egr系统。 柴油机的egr控制比较复杂，尤其是增压柴油机，一般都采用电子控制。 其控制方式可以是开环控制，也可以是闭环控制 。 1开环控制 开环控制一般基于脉谱(map)的控制，即通过实验确定典型工况下，达到排放 要求的最佳egr率。这种方法控制简单，目前应用较为普遍。但其准确性依赖 于各种工况下map图的精确制取，同时动态响应慢。较典型的开环控制为对混 合气的成分加以考虑，根据不同转速、负荷条件，由进气和排气中的氧气浓 度来确定最优的egr率。 2闭环控制 闭环控制可以选择基于排气背压的闭环控制，也可选择基于排气氧气传感器 的闭环控制。基于排气氧气传感器的闭环控制，选取对发动机性能影响最大 的两个参数一进气中的氧气浓度和排气中的氧气浓度加以考虑。基于过量 空气系数的egr控制，是通过过量空气系数来间接测量nox的排放量，其受egr 律的影响大，可作为egr闭环控制的反 44 馈信号。闭环控制可以实时根据工况的变化自动调整egr量，使其达到最佳。 因此它比开环控制的效果更好，但其结构也较为复杂 13。 结论 经过两个月论文撰写，本人查阅了国内外大量的文献资料，对电控柴油 机工作实质及发展过程有了全面的了解，对柴油机电控燃油喷射对降低排放 污染、提高经济性的作用进行深入地研究，得到如下结论： 1)为了降低柴油机的能源消耗和减少废气排放污染，满足节能和排放法规的 要求，必须采用电控燃油喷射技术。 2)我国汽车工业水平和电子技术相对落后，应该加强对柴油机电控技术中的 执行器、传感器、计算机和控制技术研究和开发。 3)电控喷射是一种全新的技术，集计算机控制、传感检测以及先进的喷油器 结构于一身。它不仅能达到较高的喷射压力、实现喷射压力和喷油量的控制， 而且还能实现预喷射和分段喷射，从而优化喷油特性、减低柴油机噪声和大 大减少废气有害成分的排放量，是未来柴油机电控喷射技术发展的必然趋势。 45 附录 1 柴油机电子控制系统结构框图： 1 2 3 4 5 6 7 8 a b c d 8 7 6 5 4 3 2 1 dcba title number revision sizea2date:1 2-jun-2010 shet of file:d :u398二 .db drawn by: 二 二二 20v 二二二 +5v二二+12v二 pwm二二 ecu 二二二 二二二 二二二 二二 二-12v二 二二 二二 二二 二二二二二 二二 二二二 二二二 二二 二二二 二二二 二二二 二二二 二二二 二二二 igbt二二 二 二二二 二二 二 二二 a/d二 二二 12 二二 a/d二二-二 二 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