柴油机电控系统控制设计 机电专业毕业设计 毕业论.doc

I摘摘 要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：关键词：传感器; ECU;智能化IIAbstractTo 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目目 录录摘摘 要要 .I IABSTRACTABSTRACT .IIII第一章第一章 柴油机电子控技术柴油机电子控技术 .1 11.1 柴油机电控系统的历史发展和现状 .11.2 柴油机电控技术的特点、难点 .21.3 柴油机电控技术未来的发展趋势.3第二章第二章 柴油机电控单元设计柴油机电控单元设计 .5 52.1 电控柴油机的结构及标定技术.52.2 柴油机电子控制系统铺助电源设计.72.3 柴油机控制系统常用输入、输出电路设计.92.3.1 电控单元（ECU）的输入级.102.3.2 电控单元的输出级.122.4 开关量的输出通道及功率放大器.14第三章第三章 柴油机电控系统中的传感器柴油机电控系统中的传感器 .20203.1 加速踏板位置传感器 .203.1.1 非接触式（霍尔式）加速踏板位置传感器 .203.2 压力传感器 .223.2.1 压阻式压力传感器 .2233 热敏电阻温度传感器 .243.3.1 柴油机内常用温度-频率转电路 .253.3.2 柴油机电子控系统温度测量及报警系统设计.26第四章第四章 柴油机电控喷油系统和执行器柴油机电控喷油系统和执行器 .28284.1 柴油机电喷系统控制原理.284.1.1 喷油驱动电路.294.2 电控喷油系统中变换器参数对喷油器性能的影响.314.2.1 DC-DC 变换器参数对喷油器性能的影响 .31IV4.2.2 脉宽调制控制电路.324.3 电-机转换的基础 .3443.1 高速电磁转换开关.35第五章第五章 柴油机的其他电控系统柴油机的其他电控系统 .37375.1 可变喷嘴涡轮增压系统电控技术.3752 可变气门区动系统 .38521 可变气门驱动机构在柴油机上的应用 .38522 可变气门驱动机构的实现 .3953 柴油机的废气再循环控制.41结论结论 .4343致谢致谢 .4444附录附录 1 1.4545附录附录 2 2.4646参考文献参考文献 .4747VContentsAbstract.IIThe first chapter diesel electronic control technology .11.1 The development and current situation of diesel electronic control system.11.2 Technical characteristics and difficulties of diesel electronic control technology.21.3 Development trend in the future of diesel electronic control technology.3Chapter 2 design of diesel engines unit.52.1 The structure of electronic control diesel and calibration technique.52.2 Diesel electronic control system and electric power source support design.72.3 Commonly used input and output circuit design in diesel electronic control system .92.3.1 Electronic control unit (ECU) input stage.102.3.2 Electronic control unit input stage.122.4 The output channel of the quantity of switch value and the power amplifier.14Chapter 3 sensor in diesel electronic control system.203.1 Accelerator pedal position sensor.203.1.1 Contactless (hall) accelerator pedal position sensor.203.2 Pressure pickup.223.2.1 Piezoresistance pressure transducer .2233 Thermistor temperature sensor.243.3.1 Within the engine temperature - turn circuit used frequency.253.3.2 Temperature measurement and alarm system design of diesel electronic control system.26Chapter 4 diesel electric fuel injection system and actuator.284.1 Control principle of diesel electric fuel injection system .284.1.1 Spray driving circuit.29VI4.2 Electronic fuel injection system in converter parameters on the performance of the injector .314.2.1 DC-DC converter parameters influences on erformance of the injector.314.2.2 PWM control circuit.324.3 Converting base of Electricity machine.3443.1 High-speed solenoid switch.35Chapter 5 Other electronic control system of Diesel.375.1 Variable nozzles turbocharging system Electronic control technology.3752 Variable valve system.38521 The application of Variable valve driving mechanism in Diesel.38522 Realization of Variable valve driving mechanism .3953 Emission control of Diesel engine.41Conclusion.43Thanks.44Appendix 1 .45Appendix 2 .46References .471第第一章一章 柴油机电子控技术柴油机电子控技术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&W、MTU 等公司都已相继推出了电子控制的柴油机，而且都已装船营运。除了电控燃油系统外，其它系统也开始改用电控方式，MAN B&W 柴油机的燃油喷射系统、排气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。MAN B&W 柴油机的燃油喷射系统、排气门正时系统及气缸机油系统等都实行电子控制；Wartsi la 的电控柴油机喷油系统、排气门电控、伺服控制系统、起动系统和 WECS9500 控制系统等组成。柴油机电子管理技术可对柴油机性能实现更高层次的控制，主要完成柴油机监测、控制和故障诊断和与外延设备的联系等功能，柴油机电子管理系统可以使柴油机的控制更完整，功能更强大。国外的柴油机电控技术发展日趋完善，形成了包括柴油机电子控制系统、柴油机运行模式管理、多机通讯管理技术等对柴油机进行全面电控的智能化柴油机控制系统。我国对柴油机电子控制技术的研究起步较晚，多家单位对车用柴油机高压共轨系统进行了研究。但总的来说，国内对柴油机电控技术的应用仅局限于小功率车用柴油机，整机控制系统可靠性和将整机控制系统纳入整车、整船控制系统方面仅处于研究阶段。鉴于我国柴油机电控技术研究水平与国外差距呈增大趋势，致使我国经济建设和发展存有隐患，关键时刻将会受制于人，所以掌握先进的设计方法，对大功率柴油机智能化控制系统进行快速的研究，具有重要的现实意义。随着发动机的应用日益增多，世界石油资源日渐枯竭，要求不断地提高发动机的燃油经济性。与此同时在 20 世纪 80 年代中期采用电控技术、增压技术和三元催化器使汽油机的燃油经济性和升功率有了进一步提高，HC、CO、和 NO 的排放量均可满足日趋严格的排放法规要求。但由于柴油机不同于汽油机，其颗粒(包括炭黑)排放量远远高于汽油机，从而使降低颗粒排放成为柴油机研究面临的重大课题。因此柴油机电控技术是以降低 NO 和颗粒排放、提高升功率、降低噪声和降低油耗为主目标的。2自 2O 世纪 8O 年代开始进入以电控单元为核心的柴油机电控系统，随着控制项目的不断增多。控制任务从简单到复杂逐步发展起来。即从仅具有循环供(喷) 油量控制、供(喷)油正时控制等最基本的控制项目的燃油喷射到包括供(喷)油速率控制和喷油压力控制在内的多项目标的燃油喷射控制；从单一的燃油喷射控制扩展到包括怠速控制、进气控制、增压控制、排放控制、启动控制、故障自诊断、失效保险、发动机与变速器的综合控制等在内的全方位控制。但目前国内外对柴油机电控的研究仍然集中在燃油喷射方面。1.2 柴油机电控技术的特点、难点柴油机电控技术与汽油机电控技术有相似之处, 都是由传感器, 电控单元和执行器三大部分组成, 在传感器中, 大多数传感器, 如转速、压力、温度传感器, 油门踏板传感器等等, 都是一样的。电控单元在硬件方面相似在整车管理系统的软件方面也很近似。电控单元都在朝着集成化、智能化、综合控制化方向发展。国外汽油机电控技术已经成熟, 商品化程度很高, 因此大部分传感器和电控单元已不是难点, 但是柴油机的燃油喷射具有高压、高频、脉动等特点, 其喷射压力为汽油喷射的几百倍, 上千倍, 要求有很好的可靠性和耐久性, 而且柴油喷射对喷射正时的精度要求很高, 相对于上死点的角度位置要求很准确, 这就导致了柴油喷射的执行器复杂得多。从控制对象来看, 从机械控制时机械调速器控制喷油量, 机械式提前器控制喷射正时, 到电子控制时, 不仅控制喷油量, 喷射正时, 而且控制喷射速率, 喷射压力所感应的工况由单一的转速工况发展到感应整个发动机运行工况和环境条件, 这样势必带来了控制的复杂性。因此柴油机电控技术的关键是执行器,也即是电控柴油喷射机构, 各个国家都在致力于开发研制各种类型的电控柴油喷射机构, 以寻求最佳方案, 这也是柴油电控技术的难点所在。发动机电控单元标定系统的研制。发动机电控单元标定系统的作用是在不影响发动机正常运行的情况下修改发动机电控单元的控制参数，使发动机按照不同的控制数据运行，同时监控发动机性能，实现对控制参数的优化。1)对电控单元(ECU)的研究。2)电控标定系统的硬件设计。3)标定系统与电控单元之问的通信设计。柴油机的优化控制,发动机的优化包括控制参数的优化和 MAP 数据的生成。目前汽车发动机电控系统有各种优化标定方法，包括离线稳态标定方法、在线稳态标定方法、自动优化标定方法、最新的瞬态优化标定方法等。目前在国外，发动机电控系统的优化标定方法越来越多地采用自动优化标定方法，3这样可以缩短标定周期，降低标定费用，同时能得到更好的标定结果。发动机电控系统的瞬态优化标定也口益受到重视是目前发动机优化标定的最新研究发展方向。(3)标定系统与电控单元、喷油泵、柴油机的配试。为了检验所研究开发的电控标定系统的各项功能，检验其可靠性及稳定性，需使用该系统进行柴油机电控系统配装某柴油机机型的实验。1.3 柴油机电控技术未来的发展趋势能源危机，环境污染，使人们对柴油机的经济性、有害排放、可靠性提出了更高的要求，这需要多种改进措施，对柴油机进行高精度、全工况的优化控制。传统的机械控制已无法满足这种新的要求，由于电控柴油机的控制精度高、响应速度快、控制策略灵活、适应性强等特点，柴油机电控化就必然成为现代柴油机技术的发展趋势。微电子技术的快速发展，集成度不断提高，成本大幅度下降，功能强化，可靠性日益改善，为柴油机电控喷油系统的发展创造了良好的条件。与传统的机械式燃油喷射系统相比较，电控喷油系统具有如下优越性：(1)排气污染降低，经济性提高。高压喷射可提高燃油经济性，显著地减少微粒和烟度；合理地控制喷油定时和喷油量可减少NOx和HC排放；电控燃油喷射系统能根据发动机工作要求实现喷油量、喷油定时、喷油压力以及喷油速率的综合控制，在满足排放法规的同时获得最佳的经济性。(2)操作控制自动化。电控系统将驾驶员要求转换成相应的控制信号，借助于各种传感器和执行器自动地实现发动机的管理。如可实现怠速自动控制、过渡工况最佳控制等。(3)改善可靠性。电控柴油机具有智能化自诊断、故障保护和备用功能，能实现故障诊断和处理，电控柴油机还能根据发动机的运行状况进行相关标定参数的自我修正，以保证发动机在整个工作寿命内始终处于最佳状态。柴油机电控技术未来的发展趋势是：高的喷射压力为满足排放法规的要求，柴油喷射压力从10MPa提高到200MPa。如此高的喷射压力可明显改善柴油和空气的混合质量，缩短着火延迟期，使燃烧更迅速、更彻底，并且控制燃烧温度，从而降低废气排放。独立的喷射压力控制，传统柴油机的供油系统的喷射压力与柴油机4的转速负荷有关。这种特性对于低转速、部分负荷条件下的燃油经济性和排放不利。若供油系统具有不依赖转速和负荷的喷射压力控制能力，就可选择最合适的喷射压力使喷射持续期、着火延迟期最佳，使柴油机在各种工况下的废气排放最低而经济性最优。改善柴油机燃油经济性，用户对柴油机的燃油消耗率非常关注。高喷射压力、独立的喷射压力控制、小喷孔、高平均喷油压力等措施都能降低燃油消耗率，从而提高了柴油机的燃油使用经济性。(4)独立的燃油喷射证时控制喷射正时直接影响到柴油机活塞上止点前喷入汽缸的油量，决定着汽缸的峰值爆发压力和最高温度。高的汽缸压力和温度可以改善燃油使用经济性，但导致NOx增加。而不依赖于转速和负荷的喷射正时控制能力，是在燃油消耗率和排放之间实现最佳平衡的关键措施。(5)可变的预喷射控制能力预喷射可以降低颗粒排放，又不增加NOx排放，还可改善柴油机冷启动性能、降低冷态工况下白烟的排放，降低噪声，改善低速扭矩。但是预喷射量、预喷射与主喷射之间的时间间隔在不同工况下的要求是不一样的。因此具有可变的预喷射控制能力对柴油机的性能和排放十分有利。(6)最小油量的控制能力供油系统具有高喷射压力的能力与柴油机怠速所需要的小油量控制能力发生矛盾。当供油系统具有预喷射能力后将会使控制小油量的能力进一步降低。由于工程机械用柴油机的工况很复杂，怠速工况经常出现，而电喷柴油机容易实现最小油量控制。(7)快速断油能力喷射结束时必须快速断油，如果不能快速断油，在低压力下喷射的柴油就会因燃烧不充分而冒黑烟，增加HC排放。电喷柴油机喷油器上采用的高速电磁开关阀很容易实现快速断油。(8)降低驱动扭矩冲击载荷燃油喷射系统在很高的压力下工作，既增加了驱动系统所需要的平均扭矩，也加大了冲击载荷。燃油喷射系统对驱动系统平稳加载和卸载的能力，是一种衡量喷射系统的标准。而电喷柴油机技术中的高压共轨技术则大大降低了驱动扭矩冲击载荷1。5第二章第二章 柴油机电控单元设计柴油机电控单元设计电控单元ECU(Electronic Control Unit)是整个柴油机电控系统的控制中心，它利用内部存储的软件（各种函数、算法程序、数据、表格）与硬件（各种信号采集处理电路、微机系统、功率输出电路、通信电路），处理从传感器输入的诸多信号，并以这些信号的为基础，结合内部软件的其他信息，制定出各种控制命令，送到各种执行器，从而实现对柴油机的控制。2.1 电控柴油机的结构及标定技术柴油机电控系统组成如下图：(1)信号的采集和输入部分。通常有若干个具有相同功能或不同功能的传感器和信号调理电路组成。(2)电控单元。它负责对各种传感器信号进行分析处理，通过其内算法，向被控单元输出控制信号。(3)执行器二二二二二二 n二二二 n二二二 n二二二二 n二二二二二二二二二二二二二二二二二二二图 1 电控系统结构框图在柴油机电控系统组成方面，提高电控发动机的控制精度将会被更多的科研机构放到重要的位置，主要从两方面入手，即采集信号的精确度和处理信号6的精确度。因而研究柴油机电控控制精度的提高也是今后一个重要方向。柴油发动机电控技术有两个明显的特点：(1)特点是其关键技术和技术难点就在柴油喷射电控执行器上；(2)特点是柴油电控喷射系统的多样化。柴油发动机在机械控制时代，就已经有了直列泵、分配泵、泵喷油器、单缸(体)泵等结构完全不同的系统，每个系统各有其特点和适用范围，每种系统中又有多种不同结构。实施电控技术的执行机构比较复杂，因而在此方面也可进行新的探索研究；（3） 柴油机电控喷油系统研究柴油机电控喷油系统经历了三代：第一代柴油机电控燃油喷射系统也称位置控制系统。它用电子伺服机构代替调速器控制供油滑套(齿杆)位置以实现供油量的调整，这类技术已发展到了可以同时控制定时和预喷射的TICS系统。第二代系统也称时间控制系统，其特点是供油仍维持传统的脉动式柱塞泵油方式，但油量和定时的调节则由电脑控制的强力快速响应电磁阀的开闭时刻所决定。第三代也称为直接数控系统，它完全脱开了传统的油泵分缸燃油供应方式通过共轨压力和喷油压力时间的综合控制，实现各种复杂的供油回路和特性。强力快速线形响应电磁阀是各种系统共同的技术难点目前最先进的燃油喷射系统是泵喷嘴系统和共轨式喷油系统泵喷嘴系统。泵喷嘴系统结构紧凑，喷油嘴孔径非常小所以燃油喷射压力比传统机械式喷油系统有较大提高。柴油机共轨式电控燃油喷射技术是一种全新的技术，它集成了计算机控制技术、现代传感检测技术以及先进的喷油结构于一身。该技术的主要特点是：(1)采用先进的电子控制装置及配有高速电磁开关阀；(2)采用共轨方式供油；(3)高速电磁开关阀频响高，控制灵活；(4)系统结构移植方便，适应范围宽。这一技术的研究与开发热点在于：1)如何解决高压共轨系统的恒高压密封问题；2)如何解决高压共轨系统中共轨压力的微小波动所造成的喷油量不均匀问题；3)如何解决高压共轨系统的多MAP(三维控制数据表)优化问题；4)如何解决微结构、高频响电磁开关阀设计与制造过程中的关键技术问题。发动机电控单元标定系统的作用是在不影响发动机正常运行的情况下修改发动机电控单元的控制参数，使发动机按照不同的控制数据运行，同时监控发动机性能，实现对控制参数的优化。1)对电控单元(ECU)的研究。2)电控标定系统的硬件设计。3)标定系统与电控单元之问的通信设计。发动机的优化包括控制参数的优化和MAP数据的生成。目前汽车发动机电控系统有各种优化标定方法，包括离线稳态标定方法、在线稳态标定方法、自动优化标定方法、最新的瞬态优化7标定方法等。目前在国外，发动机电控系统的优化标定方法越来越多地采用自动优化标定方法，这样可以缩短标定周期，降低标定费用，同时能得到更好的标定结果。发动机电控系统的瞬态优化标定也口益受到重视是目前发动机优化标定的最新研究发展方向。在满足发动机的经济性能和排放指标同时，对柴油机进行优化。控制参数的优化包括：基本控制参数、稳态修正参数、怠速T况参数、起动T况参数的标定、瞬态工况修正参数等的标定。标定系统与电控单元、喷油泵、柴油机的配试。为了检验所研究开发的电控标定系统的各项功能，检验其可靠性及稳定性，需使用该系统进行柴油机电控系统配装某柴油机机型的实验。2.2 柴油机电子控制系统铺助电源设计柴油电控系统其内部包含很多控制芯片，每个芯片都有自己正常的工作电压范围 ，因此我们必须设计一些电压转换电路得到系统内部控制芯片正常工作的电压值，如图2所设计的是5V、12V芯片稳定工作时所需要的电压转换电路，此电源输出的5V工作电压主要供给控制芯片单片机工作。C10.1uF/280v11223344T1TRANS1C3400V/47UFD2HER107R356K/1WC4222/1KVQ16N60F12A250vD3HER107R710C825V/10UF123Q2SIPR16R610/1WC5222/1KVC725V/1000UC9104R2650K/1WR345.1kC6105R530kR8390C3116V/10uFR120R41/1WR331KC2104R3091K123456781CR6848T21234D1BRIDGEU1T3OPTOISO1D4DIODED5DIODED6DIODED7DIODED8DIODED9DIODEC10C11C14C15C12C13RINCNCSENSEVDD+5V+12V12V+12V+12V-12V123D12TL431+-220