（动力机械及工程专业论文）柴油机高压共轨式燃油喷射系统ecu的开发研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 1 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 11 1 1 11 1 w i i i 1 1 1 1 1 11 1 摘要 潆酒梳泡控燃油系统是戮代柴潮梳燃油系统的麓展方向，落既建电子控锘4 授术 逐步成熟势扩展应瓣葱灞麴必然，又是零甄灌足经济牲及毯益严格的撩教法规之必 缀。毯c u ( e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ) 是柴港投魄控的援心。， 本文在阕读广泛文献的基础上，研究了国内外柴油机商联共轨斌燃浊喷射系统 鹃发袋熬势及秭究现状。在跟踪国辩前沿的基础上对高难共鞔燃油喷射系统e c u 进 行了深入靛疆究，磷翻了一耱褒憋裁懿靛辏爹e c u 系统。率系绕由黢m p u 缀戏， 主零片枫受赛对发动凝鸵管理，从单片极受贾唆浊控制，袋用麓逮双端r a m 进行主、 械单片机通讯。系统硬件包括e c u 内核( 双m p u 、f i f 0 7 2 0 2 ) ，数据采集电路，监 控毫路，复短奄路，数字辣渖发生毫精等。系统软件亩发动税管理程序，喷洒控制 程穿等缀鹱。溪孛霞戆采集予蠢枣，缕漓芷辩馥夔涵羹诗黧予稷廖，垮境於接子程 事，遴讯子程_ f 擎，器中叛、定时嚣予程序等j 强系统运行稳定、可靠，硬僻、敬 牛 采敬了抗干扰措施。编制实验用的m a p 圈。激后率e c u 系统与发动机模拟系统联 根避行实骏验涯，对实验绻莱进行势辑，并对参数逡释修歪及系统优纯。 本磺麓游e c u 系统，实验结巢袭襞系统遴行稳定、嚣，霹以灵活缝调整搂演 参数。农磐蕈孛运行工况下，使发动机实现最佳喷浊媛聪和喷油量。 关镶词；柴油机，燃油喷射系统，电控系统，商联获轨，e c u 华中科技大学硕士学位论文 a bs t r a c t t h ee l e c t r o n i cc o n t r o l l e dd i e s e lf u e l 一蜥e e t i o ns y s t e mi st h ed e v e l o p m e n t s t i p u l a t i o n s o f m o d e md i e s e lf u e l - i n j e c t i o ns y s t e m i ti sc e r t a i nw i t ht h ed e v e l o p m e n to f t h ee l e c t r o n i c c o n t r o lt e c h n o l o g ya n di t sw i d ea p p l i c a t i o n ms y s t e mc a l lc o m p l yw i t hh i 曲e rf u e l e c o n o m y a n dt h em o r es e v e r ee x h a u s t - g a sl e g i s l a t i o n e c ui st h ec o r eo ft h ee l e c t r o n i c c o n t r o l l e dd i e s e lc f l g i n e o nt h eb a s eo fw i d e l yr e s e a r c ho fr e l a t i v ep a p e r ，t h ed e v e l o p m e n tt r e n da n dt l l e a c t u a l i t yo f t h ef o r e i g na n dd o m e s t i ch i g l lp r e s s u r ec o m m o n - r a i lf u e li n j e c t i o ns y s t e mo f d i e s e le n g i n ea r ea l s os t u d i e d b a s e do nt h el a t e s ti n f o r m a t i o n , f u r t h e rr e s e a r c hi sc a r r i e d o nt h e h i g hp r e s s u r e c o m m o n - r a i lr u e l i n j e c t i o ns y s t e mo fd i e s e le n g i n e ah i g h p e r f o r m a n c el o wp r i c ee c us y s t e mi sd e v e l o p e d t h i ss y s t e mc o n s i s t so fd o u b l em p u t h em a i nm p ui si nc h a r g eo ft h ee n g i n ea n dt h eo t h e rn i p u p r o c e s s e si n j e c t i o nc o n t r 0 1 t h eh i g h s p e e d f i f or a n d o mm e m o r yi s a d o p t e dt oc o p ew i t ht h ec o m m u n i c a t i o n b e t w e e nt h et w oc h i p s t h eh a r d w a r eo ft h i ss y s t e mi n c l u d e st h ee c u ( d o u b l em p u 、 f i f 0 7 2 0 2 ) ，d a t aa c q u i s i t i o nc i r c u i t , s u p e r v i s ea n dc o n t r o lc i r c u i t ，r e s e tc i m u t , c o u p l e d w i t hp u l s eg e n e r a t i o nc i r c u i t t h es o f t w a r eo ft h es y s t e mc o n t a i n sa ne n g i n ec o n t r o l p r o g r a ma n da ni n j e c t i o nc o n t r o lp r o g r a m i nw h i c ht h e r e a r ea c q u i s i t i o ns u b p r o g r a m ， i n j e c t i o nt i m i n ga n d 竭e c t e d f u e l q u a n t i t ys u b p r o g r a m ，e n v i r o n m e n tc o m p e n s a t i o n s u b p r o g r a m ，c o m m u n i c a t i o ns u b p r o g r a m ，t o g e t h e r 埘t l l t i m e ra n de x t e m a i i n t e r r u p t s u b p r o g r a m t h ea n t i - j a m m i n gm e t h o d sa r ea d o p t e di nh a r d w a r ea n ds o f t w a r et 6o b m i n t h es t a b i l i z a t i o na n dc r e d i b i l i t yo ft h es y s t e m n em a pc h a ni sw o r k o u tf o rt h e e x p e r i m e n t a tl a s t ，i no r d e rt oa n a i y z et h ee x p e r i m e n td a t a a m e n dt h ep a r a m e t e ra n d o p t i m i z e t h es y s t e m a no n l i n et e s tc o n n e c t i n gw i t l lt h ee n g i n es i m u l a t i o ns y s t e mi sc a r r i e d o u t t h ee x p e r i m e n tr e s u l k ss h o wt h a t 也ee c um i c r o p r o c e s s o r sd e v e l o p e dc a nr u n s m o o t h l ya n de 衔c i e n t l y , t h ei n j e c t i o np a r a m e t e r s c a nb ea d j u s t e d f r e e l y i n v a r i o u s c o n d i t i o n st h ee n g i n ec a l lo b t a i nt h eo p t i m i z e dt h ei n j e c t e df u e lt i m i n ga n dt h ei n j e c t e d f u e lq u a n t i t y k e yw o r d s = d i e s e le n g i n e s ，f u e li n j e c t i o ns y s t e m ，e l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e m h i g h p r e s s u r ec o m m o n - r a i l ，e c u 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 高压共轨系统被世界内燃机行业公认为2 0 世纪三大突破之一( 另外两项是汽 油直喷技术和d m e 代用燃料) ，是2 1 世纪柴油机燃油系统的主流，因此国内外 很多内燃机专家和学者都在研究开发高压共轨系统及其柴油机匹配技术。德国 b o s c h 公司、日本d e n s o 公司、英国l u c a s 公司等世界著名油泵油嘴商相继发 表高压共轨系统的开发论文，并开始小批量供货。l u c a s 公司宣布获得韩国k i a 公司2 亿美元和f o r d 、雷诺公司8 5 亿美元的订单。而国内开发高压共轨系统 才刚刚开始。高压共轨系统的开发成功，将为汽车行业提供满足欧洲i i 号、欧洲 i i i 号排放法规的柴油机电控燃油系统，对于增强国内汽车行业的国际竞争实力具 有极其重要的作用，并为中国的汽车污染治理作出重要贡献。 1 1国内外柴油机燃油喷射系统的发展概况t 2 柴油机的工作原理是由德国工程师鲁道夫狄塞尔于1 8 9 2 年发明的。早期的 柴油机，燃料的供给是采用压缩空气吹入燃烧室的方法，因此，必须装有笨重的 压气机，燃油雾化质量无法保证，柴油机性能很差，转速的提高受到限制，柴油 机的应用只局限于固定动力和船用。 德国工程师、实业家罗伯特波许( r o b e r t b o s c h ) 于1 9 2 2 年着手研究新 的喷油系统，1 9 2 7 年b o s c h 泵开始投放市场。b o s c h 泵的发明，对柴油机的法则 作出了重大的贡献，把柴油机的用途扩大到汽车、拖拉机等移动式机械。 由于b o s c h 泵结构的不断改进，推动了柴油机的不断发展，而柴油机的不断 发展，又促进了喷油系统的不断更新换代。几十年来，b o s c h 泵在世界上一直处 于主导地位，其中尤以v e 分配泵、a 型泵、p 型泵等系列泵在中、小功率柴油 机中应用最为广泛。 近几年，随着社会的不断前进，对柴油机的动力性、经济性、排放和噪声要 求越来越高，特别是对有害排放物的严格限制，推动了柴油机电控燃油系统的发 震。改进燃烧过程是提高柴油机性能的首要条件，而燃油喷射装置在优化燃烧过 程方面占有重要地位。为了满足柴油机未来发展要求，具有能够在不同工况和各种 吓境下实现喷油规律最优控制e c u 的高压共轨燃油喷射系统成为必然方向。因 为：车用柴油机的工作特点是变速变负荷运行，每循环的最佳喷油量、喷油正时 及喷油速率等受诸多因素的制约。以喷油正时为例，柴油机的动力性、经济性及 排放质量所要求的最佳值是不相同的，甚至是相矛盾的。这就需要对诸多选择进 亍折衷，或针对不同情况有所侧重，因此柴油机不同工况的喷油量、喷油正时及 喷油速率等的最佳值都不相同。普通机械式供油系统很难实现这种复杂的调节与 华中科技大学硕士学位论文 控制。因为机械式调速器及机械离心式提前器只能在某一工况或某一转速范围对 柴油机进行精确调节和控制，偏离该工况后，只能按转速的变化进行非最优调节。 而且机械式提前器无法感知负荷的变化，不能依负荷的变化调节喷油正时。而柴 油机电子控制e c u 燃油喷射系统能够实现喷油过程的多参数实时检测与调控，实 现包括喷油量、喷油正时、喷油速率在内的喷油规律的最优控制，提高柴油机性 能。因此电子控制e c u 燃油喷射系统取代机械式供油系统是柴油机发展的必然趋 势。 电控柴油喷射发展至今已形成两大类别：一类是“位置控制”：一类是“时间 控制”。位置控制开发得较早，所以也有人称它为第一代电控喷射系统，而把时间 控制称为第二代电控柴油喷射系统。位置控制的特点是：保留了传统的泵一管一 嘴系统及喷油泵的齿条、滑套、柱塞上的控制斜槽等控制油量的机械传动机构， 只是对齿条和滑套的运动位置给予电子控制。而时间控制的特点是用高速电磁阀 直接控制高压燃油。一般情况下，电磁阀打开，开始喷油；电磁阀关闭，喷油结 束。喷油始点取决于电磁阀开关时刻，喷油量取决于电磁阀关闭时持续时间，而 电磁阀的动作是由e c u 发出脉冲，转换成相应功率的电压来控制，传统的喷油泵 中的齿条、滑套、柱塞上的斜槽、提前器等可全部取消。 国内柴油机燃油喷射装置的研究起步较晚，研究能力相对国外较低，机械式 喷油泵还存在一些缺陷。而柴油机电子控制喷油系统的研究也处于初步阶段，部 分科研单位与高等院校先后做了一些探索性工作，取得了一些成果，如上海内燃 机研究所研制的电子液压正时器、长春汽车研究所开发的可控预行程直列泵及北 京理工大学、天津大学研制开发的电控蓄压式喷油系统p j 、清华大学开发的电控 直列泵一管一嘴一阀( p p v i ) 系统i 1 等，积累了一些宝贵经验，但距实际应用及 国外柴油机电子控制技术发展水平还有较大的差距。 1 2国内外高压共轨系统和e c u 的结构特点及现状 为了满足日趋苛刻的排放要求，国外一些发达国家( 如德国，美国，日本， 英国等) 投入巨资研究电控燃油喷射系统技术，其中8 0 年代以位置控制为主，9 0 年代转入时间控制，而高压共轨系统受到特别的青睐。表1 列出了国外几个大公 司研究生产的电控柴油机。( 见表i ) t s ) 1 2 1 国外电控柴油机的结构特点及现状 1 ) 作为世界油泵油嘴行业“领头羊”的德国r o b e r tb o s c h 公司在9 0 年代初 从意大利f i a t 公司买到u n i j e t 系统的开发技术后，投入巨资开发高压共轨系统 产品，1 9 9 7 年在s a e 年会上发表c r 型高压共轨系统的论文，在d a i m l e r - - - b e n z 公司o m 6 1 l 型轿车柴油机上匹配成功。e c u 装在一个金属外壳中。传感器、执 行元件和电源经一个多级接插件与e c u 连接。直接控制执行元件功率构件放在 2 华中科技大学硕士学位论文 e c u 外壳内，并保证对外壳有很好的散热i 6 1 。 表l国外电控柴油机一览表 日本z e x e lc o p e c 妻著嚣嚣裂璐勰丢可 1 9 8 3 年用于车 辆发动机 德田b o s c he d r 菩差暴髫馨控制齿采位置可 1 9 8 5 年，用于苯 茨o m 4 2 2 l a a 黧耄嚣瓣翟端铲l 1 9 8 5 年甩千年 美国c al e r n l l i a rp e e c e c d - p 3 田公司3 4 0 6 b 列 葛蓍涨酬蠊雌 可 1 9 8 7 年投产用 r 木本母e c d p ” 于三羹6 d 2 2 1 票 妻茬置越景鑫嚣謦等鲁詈嘉 1 9 8 7 年投产， 日本z e x 口】t i 岱 蘧搴 1 9 9 2 年2 万台 棼田b o s e ht 】c s 萎茬皇智譬蒜铲套筒及齿 1 9 8 9 年投产 1 9 9 3 年2 5 万台 拙 1 9 8 2 年用于丰田 日本 电装 e c d v j 鸶鐾嚣慧溯黼龃电磁2 l 一琵型 乱 美鹰sl a n a d y n ei y j f p s 1 9 8 5 年在v 6 v 8 丹 上实验 日车z e x e lq l v e c 用于五十铃4 f b i 屺 1 9 9 3 年用于苯菠 泵 英国l u c a se p 】c 4 气门禁油机 9 6 年于荤茨 德国 b o s c hd c c ( w e c e 2 9 0 4 气门5 缸 美国底特律d d e c蠢嚣器桨凛丐辈1 0 0 1 9 8 5 年投产 停啧 1 9 9 3 年1 0 万台 夏 德国b o s c ho d e c1 6 0 喷 英国l u c a se u l 1 j 先避燃烧研究 日奉a c e 所 日本东京工丈 c e 分 日本z e x e le c d v 3用溢流控制阀调整油量 1 9 8 7 年用于丰田 3 缸直嚷机上 时配 泵 i 耋速电磁搠控制喷油时刻和 1 9 9 4 年用于 英国s 【a h a d y n e d sr s g m 6 5 l 柴油机上 i q 柴 美国b k hs e r v o j e t警霪蓍蠢菁：羹翥簧穿茗喜气 1 9 9 5 年曹在贯柴 6 1 3 5 柴油机上做 扛 油 压式2 m p a i o m p a过实齄 中液 压 日本丰田用螺纹管驱动增压活塞 1 1 0 l4 0 j 9 9 6 年实验 制 j 盘 1 9 9 4 侄 芤 机 美国c a t e r p i i i a r i i e uj嫠舅蔷泰蠢：熊嚣嚣盎三2 0 、1 4 0p e r k i n s l 3 0 0 系 油 2 3 m p a列五十锋等 轨 液蓑国 c o m m i n sh p l1 7 5 压 臼本小松 k ( i m p 】c s】5 0 1 9 8 2 年实验 口本电装e c i ) 一l 2 蠹压桂塞泵 商速电磁嘲顾嚷 l 叭1 9 9 2 实验 高 i h 世髑电碰阚通电一始疃t 断电一停喷 1 6 ( 】 1 9 9 8 年苯茨紫湖 jl轿车1 0 万台 虮 菲亚特轿车， 茨茸l u c a s m t c 4 0 0 0 系列 华中科技大学硕士学位论文 2 ) 翻本c e n s o 公司1 9 9 1 年发表e c u u 2 爨高压共轨系统的论文。1 9 9 6 年 在嚣好j 系期柒油祝t 嚣配成功。e c d u 2 系统采甬三通高速毫磁阀、三撬凸轮 驱动瓣2 缸畿列供漓泵，瑟蠢串型紫灌桩，技术关键是型窝靴型囔漓耀簿戳获 三拱凸轮加王技术。 3 ) 德国m t u 公司和u o r a i l g e 袋司在4 0 0 0 系列柴油机上开发和匹配高压共 轨系统获得成功，采用二通高速电磁阀、多凸轮径向柱塞供油泵，颟向重型柴浊 机，技术关键是喷油器中带有针阀缓慢抬起的中间阀。 4 ) 英国l u c a s 公司在1 9 9 8 年s e a 年会发表l d c r 型高眶共轨系统的论文。 l d c r 系统采用二通高速电磁闽、内凸轮径向柱塞供油泵，高速电磁阀采用平衡 缩梅静锥阀，需蘩维，j 、静电磁力，毫磁溺骰在缕 鸯器体内锌阀土都，结构十分繁 凑。技术关键是平衡式镶阙熬热王王艺。 5 ) 美国豹s t a n 嬲洋e 公司也京野发裹压共孰系统款掇遘。毽没窍论文发表， 其结构特点誉详。 i 2 2 国内亳控柴油枕鼢发袋概况及瑗状 1 ) 在我国，电喷系统的研究始予8 0 年代后期，由黄家裕等入开发出了节流式 电控喷油器并在柒油梳上实机试验f 1 。 2 ) ：i 凌凡年，清华大学研究开发的亳控壹列浆管黼锥( p p v i ) 系统。 该系统巍浊泵声生糍压燃溃，系统的最蹇喷射题力受鼹予浊裂豹供洼压力， 电磁控制的高速强力旁通溢流阀安装在高 压油管中间，喷油泵供油加压时，通过电磁 阀的燕闭与歼启控涮高箍漓路的加压和卸 鬟，从嚣控铡璞淤器鲢黟痉秘关翅。蝼溅器 仍然采用机城式喷油器，旁通卸流的燃浊流 入低压油路系统。该系统结构简单，电磁阀 的晌波速度较侠( 为1 6 5 m s ) ，供油基可通 逡毫磁阂豹邀电躲宽来糖确控制。柴浊掇电 控单元e c u 是柴油机的控制中心，它分为 逻辑模块和驱动模块两部分。逻辑模块由徽 税软硬件组戎，构成柒油梳柒油喷射控稍和 整极性能管理系绞。其基本的功能是根摄各 种传感器接收到的信号，利用微机软硬件分 析发潮机的运行状况，准确发出控制脉冲给 驱动电路。戳控制电磁润的工俸。驱动模块 熬 壬务是根擐电控喷射的要求绘电磁阀注 镰摹 豳1 - !电控装一警- 阑噍系缝 4 华中科技大学硕士学位论文 竺! 竺竺! 竺燃竺苎竺烹竺竺! 詈竺竺竺= 黑竺竺! 曼皇竺! = 燃竺! 竺! 竺竺! 烹懋竺! 竺然竺竺竺! 燃竺 入能量，准确控制电磁阀的开关过程。该系统在对机械式宜列浆管嘴阀系统进行 惫予控秘势缀酵，改动部分较少，王艺继承性较好。 3 ) 天津大学开发的一种共轨式蓄压式柴油机电控燃油系统。 该系统的主要特点为：( 1 ) 在喷油开始前的一段时间内，电磁阀通电，此时喷 1 3课题的来源、目的和意义 本课题在借撩国外先进经验，结合豳内的研究基础上，提出并研究利用计算 机模拟发动机运行工况，歼发了e c u 控制单元。在进行发动机电予控制系统开发 霹，传统静开发过程是黻试验蕊蒸磴，蒋要投入丈量静辩阉秘资金，剃羯发囊税 试验对电子控制系统进行测试、调整和标定工作，一直以来是一件成本高、耗时 长的工 乍。两且，隧羞电羟系统憨结构鞫控制蒙蟾越来趋复杂，使得电控系统磺 制和开发工作的难度以及试验工作量大大增加，成本大幅度提离。应用计算辊模 拟技术，可以使彳肆试验工作量大大减少，能有效的降低成本、掇高工作效率，在 发动孛晁电羧系统筑开发过程当中褥到了广泛豹痰爝。( 发动掇摸数系统工作圭本渫 题组蒋方毅硕士承担) l + 3 + l 零谍题开发的骞蓬共孰燃洼囔射系统e c u 约主要特点： 1 ) 喷油正时由电磁阀的通电时刻来控制，喷油量由通电持续时间来控制。 丽逶浇对裁鞠持续嚣海都可叛壶e c u 控制软件来耱确控割，麸琵霹以实瑷嚷 油m 时及喷油量的精确控制，也可对各缸喷油量不均匀进行补偿修正： 5 华中科技大学硕士学位论文 入能量，准确控制电磁阀的开关过程。该系统在对机械式直列泵管嘴阀系统进行 电子控制升级时，改动部分较少，工艺继承性较好。 3 ) 天津大学开发的一种共轨式蓄压式柴油机电控燃油系统。 该系统的主要特点为：( 1 ) 在喷油开始前的一段时间内，电磁阀通电，此时喷 1 3课题的来源、目的和意义 本课题在借鉴国外先进经验，结合国内的研究基础上，提出并研究利用计算 机模拟发动机运行工况，开发了e c u 控制单元。在进行发动机电子控制系统开发 时，传统的开发过程是以试验为基础，需要投入大量的时间和资金，利用发动机 试验对电子控制系统进行测试、调整和标定工作，一直以来是一件成本高、耗时 长的工作。而且，随着电控系统的结构和控制策略越来越复杂，使得电控系统研 制和开发工作的难度以及试验工作量大大增加，成本大幅度提高。应用计算机模 拟技术，可以使得试验工作量大大减少，能有效的降低成本、提高工作效率，在 发动机电控系统的开发过程当中得到了广泛的应用。( 发动机模拟系统工作由本课 题组蒋方毅硕士承担) 1 3 1 本课题开发的高压共轨燃油喷射系统e c u 的主要特点： 1 ) 喷油正时由电磁阀的通电时刻来控制，喷油量由通电持续时间来控制。 而通电时刻和持续时间都可以由e c u 控制软件来精确控制，从而可以实现喷 油正时及喷油量的精确控制，也可对各缸喷油量不均匀进行补偿修正： 5 华中科技大学硕士学位论文 ! ! 竺苎! ! ! 苎! ! 苎竺! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 竺竺! ! ! 竺! ! ! ! ! 竺! ! ! ! ! ! 竺 2 ) e c u 软件的m a p 图是多维系统。它包括喷油正时、喷射延时与负荷、转 速、环境参数的多维关系。 本课题是中外合资亚新科南岳( 衡阳) 有限公司与华中科技大学内燃机教研 室合作开发项目，研究开发高压共轨燃油喷射系统，预计在3 5 年内投入生产。 1 3 2 本课题的意义： 1 ) 为适应我国日趋苛刻的排放法规和克服能源危机； 2 ) 在我国进入w t o 之后，国内油泵行业面临冲击。为了提高产品在国内外 的竞争力，尽快开发出高压共轨燃油喷射系统已趋必然。 1 3 3 课题的主要工作： i ) 根据国内外高压共轨燃油喷射系统的研究现状，结合中外合资亚新科南岳 有限公司的实际情况，确定相应的整体框架及e c u 开发的方案： 2 ) 分析完成系统目标所需各种资源，实验可行方案并进行硬件选择，完成主 要参数的设定和资源分配； 3 ) 进行系统总体控制系统和e c u 控制电路的设计： 4 1 进行e c u 控制软件的设计； 5 ) 对系统软硬件调试，并进行性能的初步测定： 6 ) e c u 和发动机模拟系统进行联合调试，对各种参数进行初步标定，并对系 统作进一步的完善。 6 华中科技大学硕士学位论文 2 高压共轨柴油机e c u 系统 2 1电控系统控制模型 柴油机电控系统是基于现代控制理论设计的，因而遵守控制理论的基本原理。 按照控制系统有无反馈环节，柴油机电控系统可分为开环控制系统与闭环控制系 统。 2 1 1 闭环控制系统 若系统的输出量对系统的控制作用不产生影响( 即无检测反馈回路) ，则称为 图2 1 开环控制系统框图 开环控制系统，如图2 1 所示。开环控制系统结构简单，控制精度完全取决于各 单元的精度，所以为提高开环控制的精度，常应用高精度元件，促使投资增大。 当有扰动时，被控量将偏离给定值，影响系统的精度，这是开环控制的缺点。因 此，它只能用于精度要求不高并且不存在内外干扰的场合。 若系统的输出量通过反馈环节返回来作用于控制部分，形成闭合回路，则称 为闭环控制系统，又称反馈控制系统，如图2 2 所示。闭环控制系统的优点是采 用了反馈，因此对外干扰和系统内参数的变化引起的偏差能够自动地纠正，这样 图2 - 2 闭环控制系统框图 就可以采用精度不高而成本较低的元件来组成个较为精确的控制系统。但是闭 环系统也有它的缺点。由于闭环系统是以偏差消除偏差的，即系统要工作就必须 有偏差存在，因此这类系统不会有很高的精度。同时，由于组成系统的元件有惯 性、传动链的间隙等因素存在，如果配合不当，将会引起反馈控制系统的振荡， 7 华中科技大学硕士学位论文 从而使系统不能稳定地工作。精度和稳定性之间的矛盾始终是闭环控制系统存在 的主要矛盾。 人们总是力求使设计的控制系统能达到最优的性能指标。为达到最优性能指 标的控制称为最优控制。但是针对某特定条件设计的最优控制系统，当条件发生 变化时，其性能指标可能显著降低，甚至不能工作。因此往往希望设计的最优控 制系统能按外部条件的变化，自动地调整自身的结构和参数，以保持最优的评价 或性能指标。具有这种性能的系统称为自适应控制系统。此外还有随着外部条件， 随着外部条件的改变不断积累控制经验，并能根据这些经验自动地调整本身的参 数或结构的，称之为自学习系统。 本课题对喷油正时和喷油压力等进行控制，考虑到课题目标根据速度、负荷 及各种传感器来控制喷油正时和喷油量的要求，选择闭环控制系统。 2 2燃油喷射系统控制原理 喷油正时包含着确定喷油始点和终点的时刻，就其性质而言，喷油始点是研 究喷油的早晚问题，当喷油始点确定后，喷油终点就是研究其快慢的问题。喷油 始点常以喷油提前角。表示，喷油开始后，又要求燃油在上止点附近，能高速喷 入，尽快喷完，这就是一个喷油延续角( 喷油延时) 的问题。通常在分析喷油正 时，重点在研究喷油始点，而影响喷油量的多少，由喷油延时来决定。 2 2 1 柴油机的不同燃烧室和不同工况对喷油正时都有不同的要求 当发动机设计确定后，燃烧室也就随之确定了。影响喷油正时的就是发动机 的不同工况。 ( 1 ) 柴油机转速对喷油正时的要求。例 燃油从喷油泵通过喷油器喷入燃烧室内着火燃烧，必须经历喷油延迟和着火 延迟两个阶段，其中包含的传递、输送、准备、燃烧等过程。通常，这些过程所 需的时间随转速的升降变化不大，而经历的角度则随转速有较大的变化。为了使 柴油机不同转速时，都能在最佳的燃烧始点着火，喷油始点必须随转速而变。否 则，在高速时求得的最佳喷油始点，低速时则因喷油始点过早而使燃烧始点出现 在最佳燃烧始点之前；反之，亦然。因此，转速高要求提前喷油，转速低要求延 后喷油。 ( 2 ) 柴油机负荷对喷油正时的要求。 对同一台柴油机来说，负荷加大表明油量增加，如供油速率不变，则油量增 加后，喷油延续角加大，燃烧过程因此拖长，容易影响柴油机性能。通常在转速 不变的条件下，不同的提前角时，负荷曲线走向基本上一致：但有些柴油机就不 同，在同一转速下提前角改变后，大负荷时，提前角大性能好，负荷减少时，提 前角小性能好，有时这种影响不能忽视。 8 华中科技大学硕士学位论文 2 2 2 喷油正时对排放和经济性的影响 1 ) 喷油正时对氮氧化合物n o 。排放量的影响 n o 。包括n o 、n 0 2 、n 2 0 4 、n 2 0 3 和n 2 0 s 等，其中对环境危害性最大的是 n o 和n 0 2 。在预燃烧阶段比扩散燃烧阶段更容易产生n o 。因此，柴油机排气中 的n o 、排放量和参与预混燃烧的燃油量有很大的关系，一般滞燃期内燃油量少， 则预混燃烧的量比例少，n o 。生成量也少。延迟喷油使喷油始点更接近压缩上止 点，气缸内压缩压力和温度更高，在这样的条件下喷入的燃油滞燃期短。如果在 喷油速率不变的情况下进行，滞燃期短，积累的燃油量就少，一旦着火，参与预 混燃烧的燃油量比例较少，燃烧速度较慢，初始放热率明显降低，气缸温度得以 控制，因此抑制了n o x 的产生。 2 ) 喷油正时对燃烧噪声的影响 内燃机噪声一般包括燃烧噪声和机械噪声。在预混燃烧期内，有时滞燃期内 已预混合了大量可燃混合气，这些混合气一旦着火，燃烧速率、放热速率极高， 气缸内温度、压力急剧上升并产生强烈的气体急震波，即形成燃烧噪声。采用延 迟喷油对降低燃烧噪声有显著效果。 3 1 喷油正时对碳黑的影响 碳黑主要是柴油机在高压燃烧时，局部高温、缺氧、产生分解而形成以碳为 主要成分的固态微小颗粒。在预混燃烧期内氧气充足，不易产生碳黑，而扩散燃 烧期内高温、缺氧、正是生成碳黑的良好环境。因此，要降低碳黑，可通过改变 预混燃烧量和扩散燃烧量的比例来实现。 4 ) 喷油正时对经济性的影响 预混燃烧量的多少，取决于滞燃期内喷入的油量多少，而喷油正时影响滞燃 期长短的重要因素。喷射始点前移，滞燃期长，喷入油量多，这样参与等容燃烧 量的比例大，整个燃烧过程的热效率就会提高，改善经济性。 5 1 喷油正时对最高燃烧压力p z 的影响 一般情况下，喷油提前角加大，滞燃期长，参与预混燃烧量多，着火时燃烧 较为猛烈，最高燃烧压力p z 大。 2 2 3 供油速率对柴油机性能的影响 1 ) 不同燃烧室对喷油速率的要求 直喷式燃烧室主要利用进气涡流，这种涡流与涡流室内的压缩涡流和预燃室 内的燃烧涡流相比是较弱的，形成可燃混合气的条件相对要差。因此，均匀的油 气混合需要较长的时间才能实现，加上压缩比较低对燃烧也是不利的，因此，直 喷式燃烧室：要求较高雾化质量；要求燃油能高速喷入。 2 ) 柴油机转速对喷油速率的要求 燃油喷入燃烧室后，混合气的形成和燃烧随着转速的升高，即使在时间上稍 9 华中科技大学硕士学位论文 有缩短，但所占的曲轴转角会加大，在过大的曲轴转角内才能完成整个燃烧过程， 对性能是不利的。因此柴油机转速越高，要求喷油速率越快。常用办法是通过改 变预行程来改变供油速率，但固定不变的预行程，其供油速率很难同时满足高、 低的要求，这是由于柱塞运动与转速r l 成正比( 柱塞速度以时间计量时 v = 白1 0 0 0 ) ，所以油泵转速升高时，柱塞运动速度加快，油管压力因此加大： 相反转速降低，柱塞运动速度减慢，会使油管压力降低。如果选择满足低速，那 么当转速升高后会引起油管压力过度上升并超过允许范围；如果选择使高速时获 得最佳性能，则到低速时会因供油速率下降引起油管压力过低而使性能恶化。为 此，常选择中等供油速率以兼顾高低速，但实质是减少两头的损失，并不能使高 低速都在最佳状态。 在图2 3 中， l 长 崮 缸 震 皑 恒 发动机转速n 图2 3 不同预行程高压油管压力比较 a 满足低速性能要求的油管压力： b 满足高速性能要求的油管压力： 1 预行程固定满足高速要求的油管压力曲线 2 预行程固定满足低速要求的油管压力曲线 3 可变预行程的油管压力曲线 4 油管压力限制曲线 3 ) 单缸输出功率与喷油速率的关系 单缸排量是决定输出功率的主要因素之一，通常加大单缸输出功率通过加大 循环供油量来实现。加大供油量之后，如果供油速率不变，则喷油延续角加大， 容易使燃烧过程拖延过长而影响性能，固必须提高喷油速率。 4 ) 喷油速率对n o x 、噪声和性能、烟度的影响 华中科技大学硕士学位论文 降低初始燃烧温度 t d c 曲轴转角 图2 - 4实现降低p m ，n o x 排放和高效燃烧的方向 在喷油始点不变的前提下，喷油速率提高意味着滞燃期内有更多的燃烧喷入 燃烧室内，使参加预混燃烧的燃油量增加。这样必然的结果是引起n o x 排量增加， 燃烧噪声加大，最高压力提高。喷油压力为l o o m p a 1 2 0 m p a 时，主要引起碳黑 排放的烟度排放己降至很低。为降低碳黑排放，有人认为喷油压力应达到 1 2 0 m p a 1 5 0 m p a ，另一种意见认 为1 6 0 m p a 2 0 0 m p a 的喷油压力 是适宜的。无论怎样，最高喷射 压力不足8 0 m p a 的供油系统则 不能达到美国1 9 9 4 年碳黑排放 标准。若考虑同时降低n o x 和碳 黑，仅有高压喷射是不够的，还 必须优化喷油率曲线1 3 9 1 1 4 0 。 因此，在喷油始点不变的情 况下，降低初始燃烧温度，维持 快速燃烧和燃烧温度，缩短扩散 燃烧期能够改善n o x 、噪声、烟 度及性能。见图2 4 曲轴转角 圈2 - 5 理想喷油率形状 2 2 4 理想喷油形状喷油率是柴油机燃烧过程控制的重要参数之一 为了同时改善柴油机的动力性和经济性，降低污染物和噪声排放，理想的喷 油率曲线形状应如图2 5 所示j 【3 8 1 。该曲线形状( 后喷射除外) 是与图2 4 所示 的理想燃烧过程相适应的，据此喷油，可以形成最佳的混合气，实现理想的燃烧 过程。图中的后喷射技术应用尚不成熟。应陔看到，理想的喷油率曲线形状不是 同定不变的，而应随柴油机转速和负荷的变化相应调整成最佳的形状，这种调整 放热率 华中科技大学硕士学位论文 包括各个喷油阶段的油量比和喷油正时i i “。喷油率模式在理想喷油率曲线上要实 现喷油率的控制有3 种模式1 46 】：即靴型喷射控制、预喷射控制和后喷射控制( 见图 2 5 ) 。后喷射控制是结合未来可能采用的d e n o x ( 去除氮氧化物) 催化转换器后处 理装置而使用的技术，单独使用会恶化排放性能和燃油经济性i l 列i i 。靴型喷射控 制技术，即过去所称的初期喷油率( i r c ) 技术，就是在喷射过程中先以较早的喷 油提前角、很低的喷油率和适当的喷油持续期喷入气缸一小部分燃油，接着以快 速升高的喷油率完成主喷射，喷射过程不停顿1 3 。靴型喷射应优化各部分的油量 比例、喷油提前角和喷油持续期。预喷射是在主喷射之前的某一时刻喷入少量的 预喷油量，实际上就是在喷射过程中设定了一次短暂的喷射停止期。燃烧过程对 预喷油量、预喷定时、喷油压力以及预喷射与主喷射的间隔时间都是敏感的，应 对预喷油量及预喷射与主喷射之间的时间间隔予以优化1 4 4 】i ”j 。从日本五十铃工程 中心的研究报告来看，预喷油量为主喷油量的5 8 为最好。根据b o s c h 公 司试验数据，认为预喷油量应小于总喷油量的2 为好。实际使用中预喷油量一 般为1 m m 3 c y c l e 5 m m 3 c y c l e 。a v l 的研究结果表明，预喷射结束与主喷射开始 之间的最佳间隔期为1 0 。c a 1 5 。c a i l “。 2 3高压共轨喷油系统e c u 控制策略 2 3 1 未来柴油机的发展趋势 经上述的理论可知，未来的燃油喷射系统将具备如下特性【l 5 】： 1 ) 较高的、灵活可调的平均有效喷射压力p j m ； 2 ) 低的初期喷油速率或预喷功能： 3 ) 快速停油功能； 4 ) 高的平均有效喷射压力，对于同时降低n o x 和微粒排放是十分有效的。 5 ) 灵活可调的p j m 、喷油规律可控及喷油正时的灵活控制能使燃油喷射过程 在所有工况范围内满足燃烧的需求。 采用共轨式燃油喷射系统是实现喷油正时、p j m 、预喷射及喷油速率灵活控 制的有效途径【4 “。 2 3 2 利用共轨液压式喷油系统实现喷油率控制 美国c a t e r p i l l a r 公司的h e u i 46 j 共轨液压式喷油系统是通过电控液压泵喷嘴 中的预喷射计量器p r i m e ( p r e i n j e c t i o n - m e t e r i n g ，该计量器位于柱塞和柱塞套内， 实际上是柱塞和柱塞套上的精密孔道，是一种精确的回油控制装置) 的回油控制 来实现喷油率曲线形状控制的。柱塞下移压缩下部被密封的燃油，当压力高于针 阀开启压力时产生预喷射；当柱塞下移到使柱塞上计量孔和柱塞套上回油孔接通 时，预喷射结束。柱塞继续下移关闭回油孔时，燃油压力迅速升高，开始喷油率 华中科技大学硕士学位论文 较高的主喷射。通过改变计量孔和回油孔的孔径可以得到不同的喷油速率波形。 2 3 3 利用共轨蓄压式喷油系统实现喷油率控制 天津大学开发的p a i r c u i 型中压共轨式柴油机电控燃油喷射系统是具有双 蓄压室和喷油规律控制阀的新型电液控制共轨式单体喷油器，实现了预喷射和喷 射末期的快速停喷。系统结构和喷油器工作原理见图1 2 。工作过程是，电磁阀 通电后蓄压开始，共轨燃油作用于增压活塞，使小室、大室及增压室内油压上升( 油 压可达共轨油压的1 0 倍以上) ；电磁阀断电后蓄压结束，增压活塞上移，增压室 内压力迅速下降，喷油嘴针阀因压力不平衡而开启，小室燃油喷出形成预喷射： 预喷射结束后，随着控制阀的上移，小室与大室连通，小室内油压再次升高，喷 嘴针阀再次开启，形成主喷射：控制阀继续上升，再次将大小室切断，主喷射迅 速结束( 快速断油) 。 2 4本课题高压共轨燃油喷射系统控制技术 2 4 1 本高压共轨燃油喷射系统概述 本系统的高压共轨燃油喷射系统由两部分组成：一是仿真系统部分：一是电 图2 - 6 高压共轨燃油系统构成框图 控系统部分( 如图2 6 ) 。 在进行发动机电子控制系统开发时，传统的开发过程是以试验为基础，需要 投入大量的时间和资金，利用发动机试验对电子控制系统进行测试、调整和标定 工作，一直以来是一件成本高、耗时长的工作。而且，随着电控系统的结构和控 制策略越来越复杂，使得电控系统研制和开发工作的难度以及试验工作量大大增 加，成本大幅度提高。应用计算机模拟技术，可以使得试验工作量大大减少，能 有效的降低成本、提高工作效率，在发动机电控系统的开发过程当中得到了广泛 华中科技大学硕士学位论文 的应用。本课题采用仿真模拟系统，将各种外界工况参数( 如温度，压力，油门 开度等) 转换成模拟量，送入控制部分e c u 中。 2 4 2 本e c u 系统工作原理 在系统中，由仿真部分模拟出发动机的实际运行状况、并通过模拟量送入到 | 仿l 墅 l 蠢l 堂 u 数字量 - + 模电 拟 磁 e d 量 l阀 c r 一 u a 仿 真 一 及馈 l 图2 7 电控系统工作原理 e c u 中，由e c u ( e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ) 进行计算或查m a p 图，定出适合于 该运行状况的喷油量、喷油正时等参数，使柴油机达到最佳状态。被控对象是高 速电磁阀，电磁阀的开启时间决定了喷油正时，电磁阀的持续时间决定了喷油量， 而电磁阀就是通过接受e c u 发出的信号脉冲来动作，同时接受反馈工作状态，形 成闭环控制。本系统电磁阀的动作是由仿真部分模拟完成的。 2 4 3 本e c u 系统功能概述 2 4 3 1e c u 要完成燃油喷射控制需要的参数量 1 ) 发动机工况信号：发动机转速，油门开度位置。 2 ) 修正参数信号：冷却水温，燃油温度，进气温度，进气压力。 3 ) 喷射正时所需的参考信号：曲轴上止点信号。 4 ) 执行器反馈信号：电磁阀关闭信号。 以上这些信号在实际运行中，一般通过许多专门的传感器采集，再经放大， 滤波，模数转换送入e c u 中，在本系统中，这些信号是由仿真部分模拟发动机的 实际运行工况，发出模拟量，经数模转换送到e c u 中。 2 4 3 2 e c u 要完成的功能 e c u 主要的功能是：一是对发动机进行管理；一是对喷射实现控制。 ( 1 ) e c u 的发动机管理功能 对发动机管理的核心就是根据采集来的柴油机信号，利用各种方法( 如插值 1 4 华中科技大学硕士学位论文 补偿，查m a p 图等) 计算出符合当时运行工况的最佳喷油正时参数和喷油量。 另外还包括诸如环境参数补偿，发