（动力机械及工程专业论文）共轨柴油机电控系统的嵌入式软件开发与研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 本文在深入研究柴油机电控技术原理和特点、国内外研究现状和发展趋势的基础 上，针对电装公司的e c d - u 2 高压共轨喷油系统，对共轨柴油机电控系统中的嵌入式软件 开发作了相关的研究。论文深入地研究了共轨柴油机控制策略，并基于嵌入式实时操作 系统川c o s i i 完成了共轨系统喷射控制和整机管理软件设计，最后作了初步的匹配标定 和台架试验研究。 根据柴油机燃烧特点和排放控制要求，提出了适合共轨发动机管理系统的各种控制 策略和实现方式。通过对柴油机的运行状态进行划分，对不同运行状态给出相应控制算 法，包括喷油量、喷油定时和共轨压力等参数的控制，实现柴油机快速起动和平稳运转 的要求。同时对故障诊断和容错控制进行了深入研究，以保障系统的安全运行。 软件的开发过程基于嵌入式实时操作系统思想，并成功将i , c o s i i 移植到目标c p u = m p c 5 6 3 。通过p c o s - i i 对各应用任务的调度，实现了传感器信号输入的采集与处理，喷 油器电磁阀和高压油泵p c v 阀的精确驱动时序控制。软件还基于m p c 5 6 3 功能强大的t p u 模 块实现预喷射控制，且喷油时刻和喷油持续期柔性可调。基于p c o s i i 多任务的进程管 理机制来开发应用程序，使系统具有更高的实时性，可靠性和开放性，同时降低成本， 缩短开发周期。 最后利用现有某6 1 0 6 直喷柴油机成功改造安装共轨系统，并构建一套完整的台架试 验系统。利用在线标定软件以及数据采集和燃烧分析系统，初步完成了共轨系统最小运 行m a p 的标定工作。通过起动与怠速控制、调速控制、外特性试验等，验证了软件设计 的可行性和可靠性，控制效果达到了预期要求。对共轨柴油机进行的相关实验研究表明， 共轨系统具有提升直喷柴油机性能的巨大潜力。 关键词：高压共孰柴油机，e c d - - u 2 ，控制策略，嵌入式实时操作系统，1 1 c 0 5 - ii 共轨柴油机电控系统的嵌入式软件开发与研究 s t u d y a n dd e s i g no f t h ee m b e d d e ds o f t w a r ef o re l e c t r o n i cc o n t r o l s y s t e v i lo f n i g hp r e s s u r ec r d i e s e le n g i n e a b s t r a c t a i m e da tt h ed e n s oe c d - u 2h i g hp r e s s u r ec o n l m o nm i l ( c r ) s y s t e m , t h i st h e s i s p r e s e n t st h er e l a t i v er e s e m e ho nt h ee m b e d d e ds o t t w a r ed e s i g nf o rt h ee l e c t r o n i cc o n t r o l s y s t e mo f c rd i e s e le n g i n eo i lt h eb a s i so f t h es t u d yo f f l 把w o r k i n gp r i n c i p l e ，c h a r a c t e r i s t i c ， h i s t o r ya n dt r e n do fe l e c t r o n i c a l l yc o n t r o l l e d d i e s e le n g i n e t h i st h e s i ss t u d y sc rd i e s e l e n g i n ec o n t r o ls t r a t e g ya n da c c o m p l i s h ss o r w a r ed e s i g no n 嫡e c t i o nc o n t r o ia n d 吼g i n e m a n a g e m e n t sb a s e do ni j c o s 一e m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e m l a s t l y , e l e m e n t a r yc a l i b r a t i o n a n de x p e r i m e n to nt e s tb dw a sp e r f o r m e d b a s e do nd i e s e le n g i n ec o m b u s t i o ne h a r a c t e r i s t i za n dt h ed e m a n do ft h ee m i s s i o n r e g u l a t i o n st h ep r o p e rc o n t r o ls t r a t e g i e sh a v eb e e nb r o u g h tf o r w a r d w i 也t h er u n n i n g c o n d i t i o n sd i v i d e dp r o p e r l y ，d i f f e r e n tc o n t r o ls t r a t e g yf o re a c hc o n t r o lp a r a m e t e r , i n c l u d i n g i n j e c t i o nq u a n t i t y ，画e c t i o nt i m i n ga n dc o l i n n o nr a i lp r e s s u r e , f o rd i f f e r e n tr u n a i n gc o n d i t i o n h a v eb e e no b t a i n e d , w h i c hh e l pt om e e tt h ed e m a n do fq u i c ks t a r ta n ds t e e d yr u n n i n go f e n g i n e f u n c t i o n so f f a u l t - d i a g n o s i sa n df a u l t - t o l e r a n te l l s u r es a f e t yo f e n g i n e s i nt h i st h e s i se m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mi sm t r o d u c e da n di l l c o s i ii s s u c c e s s f u l l y t r a n s p l a n t e di n t om p c 5 6 3 a tt h es c h e d u l eo fi l c o s i it h ep r o g r a mh a sr e a l i z e d t h e p r o c e s s i n go fi n p u ts i g n a la n dt h ep r e c i s ec o n t r o io ft h et w va n dp c v b a s e d0 nt h e p o w e r f u l l yt p um o d u l eo fm p c 5 6 3 p i l o ti n j e c t i o nh a sb e e nr e a i i z e da sw e l la sf l e x i b l e i n j e e t i o nt i m i n ga n dd u r a t i o nw i t hm u l t i - t a s km e c h a n i s mo f “o r o s - i ii n 咖d u c e 止am o r e r e a l - t i m e ，s t a b l e ，f l e x i b l ea n do p e nc o m n l o nr a l lc o n t r o ls y s t e mi sb u i l t l a s t l y , at e s tb e di se s t a b l i s h e db a s e do n ad i r e c ti l l i e e t i o nd i e s e le n g i n e6 1 0 6e q u i p p e d w i t he c d u 2c o m n l o nr a i ls y s t e m e x p e r i m e n t so nt e s tb e df i n i s ht h em a pc a l i b r a t i o n p r i m a r i l yw i t h 也eh e i po ft h eo n l i n ec a l i b r a t i o ns o f t w a r e ，c o m b u s t i o n - a n a l y z es o r w a r ea n d o t h e rd a t e - a c q u i r e ds o t t w a r e 1 1 1 et e s tr e s u l t sv e r i f yt h ep r e c i s i o n f e a s i b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo f s o f t w a r ed e s i g n p e r f o r m a n c ee x p e r i m e n t ss u g g e s tt h a tc r 竭e c t i o ns y s t e mh a sa b i gp o t e n t i a l t od e c r e a s et h ee m i s s i o na n di m p r o v et h e p e r f o r m a n c ea tt h es a m et i m ef o rd i e s e le n g i n e s k e yw o r d s ：h i g hp r e s s r ec o m m o nr a i ld i e s e le n g i n e e c d u 2 ：c o n t r o ls t r a t e g y ； e m b e d d e dr e a lt i m eo p e r a t i o ns y s t e m ；p c o s 一 一i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：出簋彳2日期：珥j 左 共轨柴油机电控系统的嵌入式软件开发与研究 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：显：篓盈匠 导师签名： 笸2 l 丝 卫年上月上日 大连理工大学硕士研究生学位论文 1 引言 随着全球环境的日益恶化，以及世界各国汽车保有量的不断增加，世界各国纷纷制 定了严厉的排放法规，对发动机的排放进行日益严格的限制。这给柴油机喷射系统及其 控制提出了的更高的要求：喷射压力高且灵活可调；喷雾在时间、空间上的最佳形成； 喷射量及喷射时期的最佳控制等。传统盼机械供油系统面临严峻考验，将传统的机械喷 油系统改造为电子控制、机电一体化的喷油系统，进而实现整机协调控制与综合管理， 已成为柴油机喷油技术的一个极为重要的发展方向“瑚“ 虽然电控技术并未改变柴油机的工作过程及燃烧排放机理与规律，但是它能够： 对柴油机各参数的调节和对各种过程的控制更为精确和灵活，比之传统的机液 控制更易实现性能优化与合理折中，有效地降低油耗和有害排放量； 实现简便而精确的多次喷射控制、喷油率和喷油压力控制，大幅提升发动机的 性自髂同时克服机液控制在结构，工艺上的复杂性，避免增加附属机械装置带来的成本 上升、可靠性降低等缺陷： 使控制对象和范围大为扩展，除常规稳态性能调控外，更扩展到各种过渡过程 的优化控制、故障自动监测与处理、操作过程自动化以及自适应控制等领域，充分显示 了机电一体化带来的巨大优越性。 此外，凭借电控系统特有的“柔性”可以很容易地开发新功能和采用改进的控制方 式来完善发动机的各项功能，使发动机工作过程( 从喷油到完成排气过程) 和废气后处理 过程，在车辆和发动机的各种工况下都能实现最佳控制。电控喷射技术被认为是柴油机 问世以来继机械喷射技术、增压技术之后的第三个里程碑鲫嘲嘲。 1 1 柴油机电控喷射系统的发展趋势 柴油机电控燃油喷射系统从7 0 年代末起步，在短短二十多年间，己经发展了三代m 。 第一代为位置控制式系统，即在不改变传统喷油系统结构的基础上，用电控组件来 代替原有的机械控制机构。其优点是可以提高控制精度和响应速度且无须对柴油机的结 构进行改动，生产继承性好，便于对现有机型进行技术改造；缺点是控制自由度少，精 度仍然不够高，喷油率和喷油压力难于控制，而且不能改变传统喷油系统固有的脉动喷 射特性，因此很难较大幅度地提高喷射压力。根据喷油泵的实现形式，可分为电控分配 泵和直列泵系统。 第二代为时间控制式系统，利用拄塞泵可承载高压的特性，采用高速强力电磁溢流 阀来控制喷油量和喷油定时，电磁阀关闭时刻决定喷射定时，关闭持续时间决定喷油量。 共孰柴油机电控系统的嵌入式软件开发与研究 其优点是采用电磁阀实现对喷射过程的直接数字控制，不但可以更加灵活精确实现喷油 量和喷射定时控制功能，而且可以实现分缸独立控制。缺点是仍然依赖于传统的脉动供 油系统。受到凸轮型线和转速的限制，无法实现大范围的喷射定时控制和灵活的喷油压 力调节，以及灵活的预喷射和多次喷射。根据高压产生装置的不同，可分为电控分配泵、 自列泵、泵喷嘴和单体泵系统。 第三代为时间压力控制式系统，利用高压共轨或共轨蓄压或液力增压的形式获得高 压，采用时间一压力方式进行燃油计量控制。即高压油泵并不直接控制喷油，只是向公 共控制油道( 共轨) 供油以维持所需的共轨压力，通过调节共轨压力来控制喷射压力，而 电磁阀则控制喷射过程。根据柴油机运行工况的不同，适时调节喷油量与喷油定时，就 可达到最佳的工作状态。由于共轨式喷油系统中共轨压力与喷射压力互不相关，因此其 喷射压力不受柴油机转速和喷油量的影响。共轨式喷油系统取消了齿杆、调速器、提前 器等传统的油量调节机构，利用高速电磁阀控制系统的喷油量、喷油定时、喷射压力及 喷油速率等，实现了喷油系统的全电子控制，将高压喷射与电子控制完美地结合起来。 根据高压产生的形式，可分为高压共轨、共轨蓄压式和液力增压式系统。 由于共轨蓄压式系统和液力增压式系统每次喷射只是喷油器蓄压室中蓄积的高压 油，喷射压力会越来越低，喷射速率越来越小，喷油规律先急后缓，喷油率形状不理想。 而高压共轨系统能够在高压喷射的前提下根据工况需要实现喷油压力、喷油量、喷油定 时和喷油速率的动态优化，可以实现灵活的预喷射、后喷射和多段喷射，以及型和靴 型喷油规律，使柴油机的有害成分排放、噪声和冷起动性能得到很大改善。因此，高压 共轨系统将成为未来柴油机喷油系统的主要发展方肉嘲。 1 2 高压共轨系统的发展现状 高压共轨喷油系统是一种崭新的柴油机电控喷油技术，与传统的泵一管一嘴脉动供油 形式不同，采用一个可将低压燃油加压为高压燃油的高压油泵，以一定的速比连续将高 压燃油输送到共轨内，高压燃油再由共轨送入各缸喷油器。这种系统中，高压油泵并不 直接控制喷油，仅仅是向共轨供油以维持所需要的共轨压力，通过连续调节共轨压力控 制喷射压力。喷油压力、喷油量和喷油定时由电控单元( e c u ) 灵活控制。这种系统具 有如下显著优点： 1 ) 可实现高压喷射，喷射压力可比一般直列泵系统高出一倍，最高达2 0 0 m p a ； 2 ) 喷射压力独立于发动机转速，可以改善发动机低速、低负荷性能； 3 ) 可以通过预喷射等方式调节喷油速率形状，实现理想喷油规律，为优化柴油机 喷油规律，改善其性能和降低废气排放提供了有效手段； 一2 一 大连理工大学硕士研究生学位论文 4 ) 喷油定时和喷油量可自由选定，具有良好的喷射特性，可优化燃烧过程，使发 动机油耗、烟度、噪声及排放等性能指标得到明显改善； 5 ) 结构简单，可靠性好，适应性强，易于匹配，市场前景好。 由于高压共轨喷油系统的突出优点，世界各国的柴油机生产厂商从2 0 世纪末至今在 高压共轨系统的研究与开发方面投入了很大力量，并开发出很多比较成熟的产品。其中 代表性的企业主要有o ”： ( 1 ) 日本电装公司。从1 9 8 5 年开始研制e c d _ u 2 高压共轨喷油系统，采用直列柱塞泵 产生高压燃油，最高喷射压力为1 3 5 m p a ，能够满足日本9 8 排放法规，主要用于卡车柴油 机。2 0 0 3 年投产第二代共轨喷油系统e c d - u 2 p ，采用径向柱塞供油泵，最高喷射压力达 - 1 8 0 m p a ，能够满足欧i v 法规，面向轿车柴油机。其用户有日野、三菱、日产和五十铃等 公司埘“。 电装的高压油泵为两缸轴向柱塞泵，通过压力控制阀( p c v ) 调节高压油泵的供油 速度来控制共轨油道中灼燃油压力，为单阂控制方式，高压油泄漏少，具有更高的油泵 机械效率。燃油压力由共轨油道上的传感器监测，通过燃油压力反馈控制使实际燃油压 力按发动机转速和负荷要求的压力值得到控制。系统喷射过程控制通过二位三通高速开 关电磁阀( t w v ) 对喷油器液压活塞上油腔压力的控制来实现。来自共轨油道的燃油输送 到喷油器喷嘴和液压活塞上油腔两处，t w v 通电开启时，上油腔中的高压油泄出，由于 喷嘴侧高压油的作用，喷嘴针阀抬起，开始喷油；t 1 闭合时，高压油再次作用在液压 活塞上方，关闭喷嘴针阀。喷油定时由三通阀的通电时刻决定，喷油量由喷油压力和三 通阀的通电持续时间共同确定。在t w v 和液压活塞腔之间装有单向节流孔，用于限制活 塞腔油压释放时的燃油流动，抑制针阀抬起速率，从而形成合理的喷油速率。在一个工 作循环内，可多次控制f i n r 的开关，实现预喷射和分段唼射。后期出于泄漏量的考虑， 喷油器采用了二通电磁阀，与早期三通阀喷油器的主要区别在于电磁阀不再与高压进油 油路相连“日( 嘲“甜。 ( 2 ) 德国博世公司。9 0 年代初从意大利菲亚特公司购买u n i j e t 系统技术，于1 9 9 7 年 开始批量生产轿车用高压共轨系统，采用二通高速电磁阀、径向柱塞泵，满足欧i i i 和 u s a 9 8 排放法规。目前共轨喷油系统采用新型压电晶体喷油器，最高喷射压力达1 8 0 押a ， 满足欧i v 法规。其用户有沃尔沃、宝马、大众、戴姆勒一斯勒和通用等公司“”。 其高压油泵为偏心凸轮驱动的三缸径向柱塞泵，三个泵油柱塞沿凸轮轴圆周均布， 泵驱动装置受力保持均匀，凸轮车由的峰值驱动扭矩仅为供油量相当的分配泵i 9 ，油 泵机械效率可达9 0 。其中一个泵油柱塞的供油端装有电磁停油阀，发动机低速小负荷 时，停油阀闭合，切断柱塞供油端，泵油量减为之前的2 3 ，有助于减小燃油温度影响 一3 一 共轨柴油机电控系统的嵌入式软件开发与研究 和摩擦损失。油泵输出端的压力控制阀根据共轨管上压力传感器反馈的实际压力，通过 启、闭回油通路调节油泵向油轨的实际供油量，对共轨油压进行闭环控制。泵和发动机 传动轴间无相位要求，安装布置较方便。喷油器基本结构和上作原理与采用二通阀的 e c d u 2 系统相似呻】“j 脚1 。 ( 3 ) 西门予公司。2 0 0 1 年9 月开始供应带压电晶体喷油器的共轨系统，响应时间约 0 i m s ，最高喷射压力达1 6 0 m p a ，其用户有标致一雪铁龙和大众公司。系统基本组成和 上作原理与博世公司产品相近。 “) 美国德尔福公司。收购卢卡斯柴油机公司后子2 0 0 0 年进入共轨燃油喷射系统市 场，年产量近2 5 0 万套。最新的m u l t e cd c r 共轨系统采用二通高速电磁阀、径向柱塞泵， 共轨有管状和球状两种形式，最高喷射压力达1 8 0 m p a ，能够满足欧w 排放法规。其用户 有福特、雷诺、标致一雪铁龙和现代等公司。 其高压泵采用内凸轮环及径向柱塞设计，由两对两两间隔为9 0 。的分立柱塞副供油， 每转产生8 次进油和压油，产生较大的供油量，减小驱动轴的峰值扭矩和共轨内的压力 波动。内凸轮环的四个凸起设计得使供油持续期较长以降低噪声和振动。安装在高压泵 进油口的电磁进油计量阀用来调整高压油的流量，出油口的高压调节阀用来调节油压。 系统的喷油器采用电子液压控制，对喷油量控制精度很高。喷油器内部安装一个压力平 衡式控制阀( 二通电磁阀) ，采用平衡结构的锥阀，需要很小的电磁力，电磁阀位于喷油 器内部针阀上部，结构十分紧凑，且反应极快，利于预喷射。l d c r 系统最显著的特点就 是利用转速信号控制绝对扭矩，并用加速度传感器来监控燃烧敲缸现象：通过迸油计量 阀控制共轨压力具有经济性好的优点，同时还可以降低油箱内燃油温度“1 。 高压共轨系统在大批量应用的同时，还在向更高的水平发展，例如迸一步提高高压 泵的升压能力，采用压电堆取代传统的线圈电磁阀作为执行器，降低e c u 的驱动功耗同 时提高响应速度，实现一个缸连续多达五次以上喷射以降低排放等。 1 3 国内电控柴油机喷射技术的发展 目前，国内主要柴油机电控系统设计生产企业有： ( 1 ) 北京德尔福万源发动机管理系统公司( d e l p h i ) ，主要做系统开发。为大部分国 内汽车品牌提供针对性的产品与服务，在轿车市场主要面向通用、欧宝、现代等。 ( 2 ) 西门子威迪欧上海有限公司( s i e m e n s ) ，主要做汽车发动机管理控制单元、传感 器、油路总成等等，目前以汽油发动机为主。同时，将先进的共轨系统技术弓f 迸到中国 市场，已在中国柴油发动机市场占据主动。 ( 3 ) 联合汽车电子有限公司( b o s c h ) ，主要生产汽油喷射系统及其零部件。目前u a e s 大连理工大学硕士研究生学位论文 的产品己向上海大众、上海通用、一汽大众、神龙富康等国内主要轿车车型供货。 这些公司的核心技术掌握在国外控股公司的手中，负责供应国外公司的产品和向国 内市场提供技术支持。 目前，国内高校也进行了发动机电控系统的研发工作，基本研究情况如下嘲嘲脚脚： ( 1 ) 硬件方面，清华大学研制了电控泵一管一阀一嘴柴油喷射系统( p p v i ) ，设计实现了 大量e c u 硬件，对电磁兼容等问题进行了深入研究；上海交通大学研制了m i c s i ，0 型汽油 机电控单元，适用于中小型车用汽油机的电子控制系统，设计了车用控制器e c u 标定系 统通信模块，研制了g d - i 高压共轨系统及其e 瞒；天津大学在一种共轨蓄压、喷油规律 可调式电控柴油喷射系统上实现了3 2 位e c u ；西安交通大学对开发的汽油发动机e c u 进行 了与嘣3 6 8 1 e 型发动机台架匹配和整车部分匹配的试验研究。 ( 2 ) 软件方面，天津大学实现了共轨柴油机e c u 的软件分层模型及实时多任务机制； 清华大学用实现o s e k v d x 的r t o s 进行汽车电控单元开发，并自主研制了满足o s e k 、，d x 标 准的嵌入式操作系统p o 寥e r o s e k ；浙江大学设计了基于c c p 协议的h e v 用e c u 标定系统；哈 尔滨工程大学研究了双燃料汽车e c u 的控制参数在线调试技术；北京理工大学对柴油机 各缸供油量不均匀进行了e c u 硬件在环仿真。 ( 3 ) 标定试验方面，清华大学在汽油发动机管理系统的标定中总结出工况分析法试 验，开发了发动机自动化性能试验及标定试验系统，进行了柴油机可交预行程泵电控系 统的匹配标定获取了供油量和供油提前角脉谱，为成都威特电喷有限公司开发了标定软 件系统，把c c p 协议用于 e v ；上海交通大学研究了p i d 控制在电控汽油机 闭环控制中 的应用及相关参数的标定，引入标定变量描述文件和描述文件生成工具以提高软件的灵 活性和通用性，采用了k w p 2 0 0 0 和c c p 等标定协议；浙江大学研究了电控l p g 发动机点火 提前角标定与优化，天津大学利用非线性规划理论，采用l a g r a n g e s u m t 方法建立了电控 发动机全工况范围内多变量、多目标的优化模型；无锡油泵油嘴研究所研制的高压共轨 系统已经小批试运行，发动机在台架上达到了欧i i i 标准。 由于高校的立足点是前瞻性的理论研究，虽然研究出了一些成果，但是产业化需要 具备的生产工艺条件和产品标准都不具备，研究成果向产业化的产品转化做得还不够。 国内的一些企业拥有雄厚的资金实力，也投资建立了新型的高新技术企业开发e m s 产品。成都威特电喷有限责任公司也在e m s 方面取得了很多成果，除成功研制出了国产 单体泵外，也提供配套的e m s 系统，主要针对功率较大的柴油机系统。重庆康佳汽车电 子有限公司也在积极与国内整车厂商合作，用它们的产品做匹配标定 共轨柴油机电控系统的嵌 式软件开发与研究 1 4 课题的研究内容和任务 本课题的研究任务是针对e c d - u 2 高压共轨喷油系统，基于3 2 位电控单元硬件平台 u e c u ，进行共轨系统控制策略的研究和控制软件的设计和开发。本课题的研究目标是要 完成高压共轨柴油机喷射控制、整机管理软件和试验系统的设计，并通过台架试验来检 验控制软件的有效性和可靠性，最后对共轨柴油机匹配和标定进行实验研究，最终实现 直喷柴油机的全优控制。因此，本课题的具体研究内容划分为以下三部分： 开发环境的搭建： 包括软件和硬件两个方面：硬件方面，利用现有6 1 0 6 柴油机并改造燃油系统，进行 共轨系统的安装与调试，最后进行电控系统的电气部分的安装与调试；软件方面，熟悉 嵌入式软件开发环境，构建基于uc o s i i 的软件开发平台。本课题中最终的软硬件开 发环境如图1 1 所示 。f ：刁 ， 肆线mpi563 l 二 竹凰 匦习酽b 吼 发动机 u e c u ( 目标机厂f 位机)上拉帆 图1 1 电控系统软硬件结构图 f i g 1 1a r c h i t e c t u r eo f t h ee c us y s t e m 整机管理软件设计： 整机管理是控制软件的核心内容，也是整个电控系统中最关键的部分，其核心任务 在于：实时监测和采集发动机状态，根据整车控制的要求，通过相应策略控制影响发动 机运行的各个可控量，使得发动机稳定运行并满足所需的性能要求；同时在运行过程中， 进行软硬件系统的故障诊断和容错控制，保障系统安全可靠的运行。 编写相关底层硬件驱动。 根据发动机的运行相位直接操纵e c u 硬件实现传感器信号采集以及对喷油器电磁阀 和高压油泵p c v 阀的精确控制，实现预喷射和主喷射，喷油时刻和喷油持续期柔性可控。 试验系统构建与初步试验研究： 设计监控标定与数据分析软件，建立共轨试验系统，能够对柴油机上作状态进行实 时监控，可以在线修改关键控制参数，通过试验初步完成控制m a p 图的标定，并验证e c u 软件设计的可行性和可靠性。最后对共轨柴油机的标定和匹配进行实验研究。 一5 一 大连理工大学硕士研究生学位论文 1 5 本论文结构 本论文分为以下七章： 第一章一引言，主要介绍柴油机电控喷油系统的发展趋势，特别是高压共轨系统的 技术特点及其发展现状，并论述了本课题的意义、研究内容和任务。 第二章一高压共轨系统分析与电控单元硬件设计，分析了课题研究对象e c d - u 2 高压 共轨喷油系统的结构及主要部件特性，同时介绍了u e c u 的硬件设计。这些是软件的开发 和设计得以实现的基础。 第三章柴油机共轨系统嵌入式软件平台的建立。介绍集成开发环境c o d e w a r r i o r 和分析了嵌入式开发的一般方法，重点介绍了i lc o s i i 的移植，以及在嵌入式操作系 统基础上搭建应用软件平台的过程。 第四章控制策略设计和研究，讨论了发动机不同工况的控制算法与软件实现，重 点介绍了发动机管理系统基本控制逻辑与结构，以及各功能模块的控制策略和实现方 式，并故障诊断和容错设计作了详细的介绍。 第五章一软件设计的详细过程。重点介绍了基于嵌入式操作系统的共轨控制程序开 发实现过程，并详细叙述了针对传感器信号输入的采集与处理、喷油器电磁阀和高压油 泵p c v 阀驱动以及通讯等功能的程序开发过程，是上一章提出的各种策略的软件实现。 第六章一试验系统构建与初步试验研究，主要介绍了台架试验环境与设备，以及在 线标定程序、数据采集与燃烧分析等软件系统；通过台架试验，初步完成了基本m a p 图 的标定，并验证了控制软件的可行性和可靠性。最后对共轨柴油机的性能进行实验研究。 第三章至第六章是电控喷射系统软件的具体设计以及相应的试验验证，是本文的主 要内容。 第七章一结论与展望，对整个课题的工作及研究内容进行总结，同时对课题的发展 趋势给予展望。 一7 一 共轨柴油机电控系统的嵌入式软件开发与研究 2 高压共轨系统分析与电控单元硬件设计 高压共轨电控柴油机有三大主要组成部分：柴油机、共轨喷射系统和电控单元 ( e c u ) 。本章主要介绍共轨系统的机械组成及各部分的工作原理，并重点描述电控单 元( u e c u ) 的设计思想与技术特点，这是控制思想及软件开发得以实现的“硬”基础。 2 1e c d - u 2 高压共轨系统分析 本课题采用的是日本电装公司的高压共轨燃油系统e c d - u 2 。该系统主要由供油泵、 共轨管、电控喷油器和各种传感器等组成，是近几年发展较快、技术可靠的一种共轨喷 射系统。系统基本组成示意如图2 1 所示嘲。下面将对该系统关键部件的结构及工作原 理进行分析。 重乞l 曰嚣啦系统的席l 茁 卜毫囊一( t 哪2 帽钼卜甘擅扎崔 ，- 墓压蔚善一曩和d 鼻h 压壤抽曩 争嘈用营l 州糟艟力伸鼻膏l 卜蕾拄一奠 ? ” 2 1 1 供油泵 本课题中的e c d - u 2 系统供油泵为两缸轴向柱塞泵，两柱塞上方分别配有电磁压力控 制阀( p c v ：p r e s s u r ec o n t r o lv a l v e ) 。供油泵外形和剖面结构如图2 2 所示。和传统 的直列泵一样，通过凸轮和柱塞机构使燃油增压，但是共轨供油泵不参与喷油定时控制， 因此凸轮可以做成三“尖桃”结构，与传统直列泵相比采用三作用型凸轮可使柱塞单元 减少到1 3 。另外，对于六缸机来说，油泵向共轨管供油的频率和喷油频率一致，还有 利于稳定共轨管中的压力。 供油泵对油量的控制采用了变排量控制方法，其基本原理参见图2 3 在油泵柱塞 的吸油行程中，柱塞下行，p c v 阀处于常开状态，低压燃油经p c v 阀流入柱塞腔。在柱塞 的压油行程中，若p c v 阀未通电，仍处于常开状态，则未被压缩的低压油经p c v 阀流回低 压腔，这一段行程称为预行程；若p c v 阀通电，使之关闭，回流油路被切断，则柱塞腔 一8 一 大连理工大学硕士研究生学位论文 图2 2 高压油泵 f i g 2 2h i g h - p r e s s u r ep u m po fe c i p - u 2 内的燃油被压缩而增压，经出油阀而被压入共轨管中因p c v 阀的结构为外开式，在压 油行程中p c v 阀在高压燃油的作用下一直保持关闭。控制阀关闭后的柱塞行程称供油行 程。p c v 阀关闭后的柱塞有效行程决定了高压油泵进入共轨管的供油量，从而可以控制共 轨压力。该设计使得高压燃油的供给与喷射几乎是同步的，喷油量与供油量可较好地达 到平衡，从而共轨管内的燃油压力以很高的精度与较快的响应维持稳定。该变排量控制 技术还避免了高压燃油泄漏，可以节省高压油泵的驱动扭矩，提高供油泵的机械效率研1 。 图2 3 高压供油泵的工作过程 f i g 2 3w o r kp r o c e s so ft h eh i g h - p r e s s u r eb u m p 2 1 2 共轨管 共轨管将供油泵输出的高压燃油经蓄积、稳压后分配到各个气缸的喷油器中去。其 剖面结构图如图2 4 所示。共轨管的形状必须与发动机尺寸，气缸盖配置、高压输油泵 特性、目标喷射压力及共轨管压力脉动相协调，另外还应考虑发动机起动和负荷突变等 过渡工况对喷射压力变化要求的动态响应特性。共轨管的容积不能太大或太小，太小则 共轨管中压力脉动将导致各缸喷射量的不均匀度增加，太大则过渡过程响应不良嘲。 一9 一 肾舢 孰_ 共 哥铆赫 桂 共轨柴油机电控系统的嵌入式软件开发与研究 图2 4 共轨管 p i g 2 4c 咖r a i lo fe c i y - u 2 电装共轨管上安装有压力传感器，液流缓冲器和压力限制器。压力传感器监测共轨 管内的燃油压力并提供给e c u 。液流缓冲器和高压油管相连，可抑制共轨内和高压管路 内的压力波动，以稳定的压力将高压燃油送入喷油器；同时，一旦某喷油器发生流出的 油量过多等情况时，液流缓冲器可将燃油通路切断，停止供油，避免损坏发动机。万一 共轨管中出现异常高压时，压力限制器开启，迅速将共轨管中的压力进行泄放至一定压 力后关闭，使得共轨内的压力不致过高或过低。 2 1 ，3 电控赜油器 电控喷油器根据e c u 传来的控制信号，将共轨内的高压燃油以最佳的喷油定时、喷 油量、喷油率和喷雾状态喷入发动机燃烧室中。喷油器的主要零件有喷油嘴、控制喷油 率的量孔、油压活塞和高速电磁阀等。图2 5 给出该喷油器的结构示意图及其工作原理。 圈2 5 二通阀工作原理 f i 9 2 5w o r kp r i n c i p l eo ft w v ( t w o - w a yv a l v e ) 大连理工大学硕士研究生学位论文 电装喷油器的高速电磁阀有两种：二位二通电磁阀和二位三通电磁阀。本系统用的 是二位二通阀。喷油器通过二通阀的开启和关闭来进行控制喷油定时和喷油量。具体实 现过程是：当二通阀打开时，控制腔内的高压燃油经出油节流孔流入低压腔，控制腔中 的燃油压力降低，但是此时喷油嘴压力腔的燃油压力仍是高压。由于液压活塞两端的压 力差，使针阀开启，开始向气缸中喷射燃油。当二位二通阀关闭时，共轨高压油经控制 室的进油节流孔流入控制室，控制室的燃油压力升高，控制室与喷油嘴腔的压差消失， 使针阀下降，喷油结束。二位二通阀的通电时刻确定了喷油始点，二位二通阀通电时间 决定了喷油量。这些基本喷油参数可由e c u 电子脉冲控制。 另外，喷油器中的节流孔还起到控制了喷油嘴针阀的开启速度，进而控制喷油速率 的作用。通过调整和匹配，可以实现多种常见的喷油模式。 2 1 4 传感器 在高压共轨燃油系统中，通过各种传感器检测出发动机的实际运行状态，因此传感 器能否精确可靠的工作至关重要。传感器发展的主要趋势是智能化、集成化和数字化， 即传感器除具有信号转换功能外，还要具有温度补偿、信号处理等功能。在本系统中基 本传感器有曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器、轨压传感器和油门位置传感器。 曲轴传感器和凸轮轴传感器属于磁电式。曲轴传感器装在发动机飞轮壳上，由飞轮 上加工的信号齿触发。当曲轴转角传感器经过这些齿，则通过传感器线圈的磁力线发生 变化，在线圈内产生交流电压。将这些信号进行调理后送至e c u ，就可以检测出发动机 的转速和曲轴的位置。凸轮轴传感器，实际上就是气缸判别传感器，和曲轴转角传感器 一样也是磁电式。在供油泵凸轮轴中间设置了一个圆盘状的齿轮，且每1 2 0 9 缺一个齿( 凹 形切槽) ，但在某一处多了一个齿，称多齿。因此，发动机每转2 转则发出7 个脉冲信号 发动机每循环曲轴转两转，有两个上止点。控制程序用多齿来区分压缩上死点和排气上 死点，称之为判缸。判缸原理如图2 6 所示 1 利咐 l f i 蛙n 玉垤硼啦勰辫 图2 6 气缸识别信号 f i g 2 6c y l i n d e rj u d g i n gs i n g n a l 共轨柴油机电控系统的嵌入式软件开发与研究 共轨压力传感器安装在共轨管上，随时检测共轨内的燃油压力。轨压传感器的工作 原理是：当膜片形状改变时，膜片上涂层的电阻就会发生变化。这样，当系统压力引起 膜片形状变化( 1 5 0 m p a 时变化量约为l m ) ，促使电阻值改变，就可在用5 v 供电的电阻 电桥中产生电压变化。电压在o 7 0 m v 之间变化( 具体数值由压力而定) ，经求值电路 放大到0 5 4 5 v ，再经a d 转换后供控制程序读取。 油门位置传感器用来感知油门踏板的位置，将油门位置转换成电压信号输出，e c u 用其感知司机驾驶意图进而调整喷油量。 除了基本传感器外，为了提高控制效果，实际共轨系统中还常到一些辅助传感器， 如冷却水温传感器，进气压力传感器，燃油温度传感器等。 - 2 2 电控单元u e c u 硬件设计 电控单元e c u 是整个柴油机电控系统的核心，它利用内部存储的软件( 各种函数、 算法程序、数据m a p ) 与硬件( 各种信号调理电路、a d 转换与采集电路、功率输出电路、 通信电路) ，处理从传感器输入的诸多信号，并以这些信号为基础，通过各种运算后， 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。 随着电子技术的不断发展，以及对汽车经济性、环保性能的要求越来越高，车用电 子控制装置的功能也越来越强大，对控制芯片的要求也随之变高。本系统电控单元内核 采用f r e e s c a l e 公司的3 2 位单片机m p c 5 6 3 ，其核心思想是为满足实时性要求和符合未来 趋势的发展，开发高性能的电控单元，集成各种汽车电控系统的功能，提供可二次开发 平台，所以口q u e c u ( u n i v e r s i a le l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ) 嘲啪】。u e c u 硬件实物如图 2 7 所示 图2 7u e c u 的实物图 f i g 2 7p h o t o so fu e c 【 整个电控单元采用模块化设计，共分为微处理器模块、电源模块、输入模块和输出 模块。系统控制的结构框图如图2 8 所示： 大连理工大学硕士研究生学位论文 图2 8u e c u 的硬件结构图 f i g 2 8h a r d w a r es t n l e t u r eg r a p ho fu e c u 2 2 1 微处理器模块 m p c 5 6 3 是摩托罗拉公司的一种3 2 位微控制器( m c u ) ，它集成了强大的通讯控制器s p i 与定时控制器t p u ，与其内部的处理器核c p u 3 2 可以实现并行处理。3 2 位的处理功能可以 满足复杂控制算法的需求，在精度与速度上与常用的8 位、1 6 位微控制器相比有着不可 比拟的巨大优势，且m p c 5 6 3 拥有丰富的片上资源，有利于系统的开发、集成和抗干扰， 是e c u 实现控制的核心。并且，船c 5 6 3 本身具有b d m 仿真运行方式，无需外加仿真器，仅 需相应的上位软件与串行通讯线缆就可完成复杂的功能仿真。 m p c 5 6 3 主要包含以下功能模块：c p u 3 2 、f l a s h 、三个c a n 控制模块( t 叫c a n ) 、两个 定时处理单元( t p u 3 ) 、两个队列模数转化模块( q a d c 6 4 e ) ，一个模块化输入输出系统 ( m 1 0 s 1 4 ) 、一个增强型串行信道复用模块( q s m c m ) ，内含一个队列串行外围接口( q s p i ) 和两个串行控制器接口( s c i u 觚t ) 、b d m 调试接口“”。 ( 1 ) 基于p o w e r p c 的处理器( c p u ) m p c 5 0 0 系列微控制器使用基于r i s c 处理器的p o w e r p c 嵌入式处理器，p o w e r p c 集成了 五个独立的执行单元：一个整数单元( i u ) ，一个装载储存单元( l s u ) ，一个分支处理单 元( c b p u ) ，一个浮点单元( f p u ) ，一个整数乘法分配器( m d ) 。大多数整数指令可以在一 个时钟周期内执行完。 ( 2 ) f l a s h - p c 5 6 3f l a s h 队列有5 1 2 k 字节的非易失性存储器。它被分成8 块大小为6 4 k 字节的队 共轨柴油机电控系统的嵌入式软件开发与研究 列块。u c 3 ff l a s h 模块队列被分成队列块，这就允许对这些队列块进行独立的擦除、地 址属性限制以及对每一队列块保护以防止被编程和擦除。 ( 3 ) t p u 3 模块 时间处理器单元t p u 3 是一个增强版本的t p u ，是一个智能的、半自治的微处理器。 它被设计作为定时控制用。t p u 3 和c p u 可以同时操作，t p u 3 模块处理微指令，调度和处 理实时硬件事件，做输入输出操作，但是不用c p u 的干涉，且t p u 3 可以访问共享数据。 因此，对于每个定时器事件，c p u 建立和服务时间被最小化或消除了。 t p u 3 由两个1 6 位的时基( t c r i 藕t c r 2 ) 、1 6 个独立定时器通道，一个任务调度程序、 一个微引擎和一个主机接口组