（动力机械及工程专业论文）新型高压电控柴油机动态模型的研究.pdf

摘要 y t 3 9 9 6 r 为了满足口趋严格的发动机排放法规，改善发动机的燃油经济性，柴油机高 压共轨电控技术成为必然的发展趋势，但其电控系统的复杂程度越来越大，开发 难度也越来越大，为了缩短其开发周期、节省开发的人力物力厂j 本文对开发适用 于e c u 硬件在环仿真系统的高压共轨电控柴油机实时动态模型进行了全面的研 究。 ? f 硬件在环仿真系统具有实时性要求严格、系统衔接紧密的基本特点。它由 p c 监控系统、8 0 c 1 9 6 k c 高速接口管理系统和d s p 模型实时计算系统通过共享 存储器紧密耦合构成一个多处理器平台，友好的图形化用户界面、高速的信息采 集和控制响应、模块化的系统功能构成为外部电控系统的调试创造了良好的开发 环境，同时也为系统今后迸一步的扩展奠定了扎实便利的基础。 在实时仿真系统中动态模型的设计至关重要，它决定着整套系统的可行性和 可靠性a 本文采用模块化方法，根据模块独立性原则和物理划分原则将整个仿真 系统中虚拟化的考察对象进行了细分，并逐建模。在所有模型模块中，发动机 的燃烧模块作为影响发动机性能和影响仿真实时性的主要因素，是建模工作的核 心环节。在对各方面因素进行综台比较后，本文选用w a t s o n 燃烧模型，并以改 进的欧拉算法实现整个模型的计算。最后把通过e c u 硬件在环仿真系统的实时 运行得出的结果和实际测试数据进行对比，证实了本文设计的模型的可行性。( 为 x e c u 硬件在环仿真系统在柴油机高压共轨电控系统开发中的应用提供了一个可 ，一一一 行性的方案。点 关键河：共轨，硬件在环，实时仿真，动念模型y a b s t r a c t t om e e tt h ei n c r e a s e dr e g u l a t o r yr e q u i r e m e n t so ne m i s s i o na n dt oi m p r o v ef o e l e c o n o m y o f e n g i n e ，d i e s e le n g i n ec o m m o n r a i le l e c t r o n i cc o n t r o li n j e c t i o nt e c h n i q u e i st h em o s ti m p o r t a n td i r e c t i o no ft h ed i e s e l e n g i n et e c h n i q u e b u tt h ee l e c t r o n i c c o n t r 0 1u n i t sf o re n g i n ei sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ec o m p l e x w h i c ha l s om a k e si t s e x p l o i t a t i o nm o r ed i f t i c u l t i no r d e rt os h o r t e nt h ee x p l o i t a t i v ep e r i o da n ds a v et h e e x p l o i t a t i v ec o s t am o d e lo f h i g hp r e s s u r ec o m m o n r a i ld i e s e le n g i n et h a tc a nb eu s e d i ne c u h a r d w a r e i n l o o ps i m u l a t i o ns y s t e m ( e c uh 1 l s s ) i sd e s i g n e da n dd i s c u s s e d i nd e t a i li nt h i sp a p e r e c u 瑚【l s sh a sc h a r a c t e ro f b e i n gr e a l t i m ea n dt i 曲t l ve n g a g e d t h eh i l s si s a t i g h n yc o u p l e dm u l t i p r o c e s s o rs y s t e m ，w h i c hi sc o m p o s e d o fas t a n d a r dp e r s o n a l c o m p u t e r , ah i g l l p e r f o r m a n c es i n g l ec h i pm i c r o p r o c e s s o rs y s t e ma n daf a s t - r u n n i n g f l o a t i n gp o i n td s ps y s t e m t h ed e b u g g i n g o f t h eo u t s i d ee c uw i l lb e c o m ee a s i e rb y t h ef r i e n d l yg r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e ，a n dt h eh i g h s p e e ds i g n a lt r a n s f e rt h r o u l g ha l lt h e p a r t s b e s i d e s t h eh i l s s c a nb e e x p a n d e dc o n v e n i e n t l yf o ri t sm o d u l a rc o m p o n e n t s a st h ec o r eo ft h eh i l s s t h ed y n a m i cm o d e l sa 肫c tt h ew o r k a b i l i t ya n dt h e r e l i a b i l i t yo ft h ew h o l es y s t e m a l lt h eo b j e c t sa r em o d u l a t e db yt h ep r i n c i p l eo f i n d e p e n d e n c ea n dp h y s i c a li n t e g r a l i t y , a n dt h e nm o d e l e d o n eb yo n e ，c o m p a r e dw i t h o t h e rp r o c e s s e s 。t h ec o m b u s t i o nm o d e li so fm o r ei m p o r t a n c ef o rt h ea c c u r a c ya n dt h e t i m ec o s to f t h es y s t e m s om o r ee m p h a s e sa r ep u to ni t a f t e ra na l l r o u n da n a l y s i so f t h ec o n t r i b u t i o no ft h ec o m b u s t i o nm o d e l st ot h eh i l s s ，t h ev i b em o d e l i su s e d ，a n d t l em o d i f i e d0 u l e ra l g o r i t h mi sc h o s e n g o o da g r e e m e n to fm o d e li so b t a i n e d b e t w e e no b s e r v a t i o na n ds i m u l a t i o n k e y w o r d s ：c o m m o nr a i l ，h a r d w a r e - i n l o o p ，r e a l t i m es i m u l a t i o n ，d y n a m i c m o d e l s 浙江大学顾十学位沦史 1 1 柴油机电子控制技术 第一章绪论 随着对柴油机低功耗、高效率及降低排放、噪声、排烟等方面的要求日渐强 烈，传统的机械式柴油机燃油喷射系统因为其固有的缺点( 控制自由度小、控制 精度低、响应速度慢) 已无法满足要求。而微电子技术的迅速发展及其在内燃机 上的广泛应用，使得电子控制技术代替了传统的机械和液力控制技术。在柴油机 ( 尤其是柴油机的核心部分燃油供给系统) 上开始大量采用电予控制技术。 从而产生了柴油机电控燃油喷射系统的第一代产品：位置控制式燃油喷射系统。 位置控制式燃油喷射系统保留了传统喷射系统的基本结构，只是将原有的机械控 制机构用电控元件取代，在原机械控制循环喷油量和喷油正时的基础上，改进更 新机构功能，用线位移或角位移的电磁执行机构控制油量调节齿杆( 或拉杆) 和 提前器运动装置的位移，实现循环喷油量和喷油正时的电控，使控制精度和响应 速度较机械式控制得以提高。此外，用改变柱塞预行程的方法，实现可变供油速 率的电控，从而满足高压喷射中高速、大负荷和低速、怠速喷油过程的综合优化 控制。其典型产品有直列柱塞泵电控系统，转子分配泵电控系统等。 位嚣控制式电控燃油喷射系统的技术特征：( 1 ) 电脑数字控制器通过执行机 构的连续式位置伺服控制，对喷射过程实现间接调节，故相对其它电控燃油喷射 系统，执行响应较慢、控制频率较低和控制精度不太稳定。( 2 ) 不能改变传统喷 射系统固有的喷射特性，电控可变预行程直列泵虽能对喷油速率起到一定的调节 作用，但却使直列泵机构复杂性加大。( 3 ) 柴油机的结构几乎无须改动即可改造 成位置控制式喷射系统，故生产继承性好，便于对现有机器进行升级改造。位置 控制式电控燃油喷射系统的技术关键是：油量和定时机构的位置伺服控制技术。 后来，为了进一步改善燃油喷射系统的喷油特性，产生了柴油机电控燃油喷 射系统的第二代产品：时间控制式燃油喷射系统。时间控制式电控燃油喷射系统 改变了传统喷射系统的一些机械结构，将原有的机械式喷油器改用高速强力电磁 阀喷油器，以脉动信号来控制电磁阀的吸合与放开，该动作又控制喷油器的开启 与关闭。泵油机构和控制机构完全分开，燃油的计量是由喷油器的开启时间长短 浙江大学硕士学位沧文 和喷油压力的大小来确定的。喷油正时由电磁阀的开启时刻控制，从而实现喷油 量、喷油正时的柔性控制和体控制，且极为灵活，其控制自由度和控制性能都 是位置式控制系统所无法比拟的。这种电控系统有：电控泵一喷嘴系统、电控分 配泵系统、电控单体或直列泵系统等。 时间控制式电控燃油喷射系统的技术特征如下：( 1 ) 属直接数字控制式电控 喷射系统，脉动式高压燃油与开关式电磁控制阎直接接口。( 2 ) 可使传统喷油系 统的结构得到简化，喷油特性得到改善，适用于高压喷射。( 3 ) 由于电磁阀的开 关时间随转速的变化要做一定的调整，而在减速或加速期间速度变化非常快，因 转速值是“动态”的，故电磁阀的开闭难以精确地控制，因此保持“有效行程” 比较困难。时间控制式电控燃油喷射系统的技术关键是：加快高速强力电磁阀的 响应速度。 而近年来，由于大气污染日趋严重，人们环保意识的不断加强，政府制订了 日趋苛刻的排放法规。降低发动机有害排放量成为汽车行业关注的焦点。发动机 制造厂商提供的产品既要满足排放法规的要求，又要满足用户对经济性、可靠性 的要求。为了满足欧洲和美国1 9 9 8 年排放法规，未来的燃油喷射系统将具备 如下特点： ( 1 ) 较高的，灵活可调的平均有效喷射压力； ( 2 ) 低的初期喷油速率或预喷射功能： ( 3 ) 快速停油功能； ( 4 ) 灵活的喷油定时控制； ( 5 ) 完善的柴油机电控功能。 高的平均有效喷射压力对于同时降低n o 。和微粒排放是十分有效的。灵活可 调的岛、喷油规律可控及喷油定时的灵活控制能使燃油喷射过程在所有工况范 围内满足燃烧的要求。在燃油喷射技术中，预喷射对优化发动机性能的显著作用 已为众多的研究所证实。s m m a d a 等人的研究表明：为了避免预喷射对碳烟排放 的不利影响，采用小喷孔、精确控制预喷射量及预喷射相位是十分关键的。1 9 9 4 年有许多这方面的研究报导，其结论是：最佳的喷油规律是在喷油初期采用较低 的喷油速率或少量的预喷射，以控制n o ，的排放，在喷油中期采用较高的喷油速 率以控制微粒的排放。 浙江大学颁1 ：学位论文 基于上述的这样一些要求，人们开发了柴油机电控燃油喷射系统的第三代产 品：共轨+ 时间控制式电控燃油喷射系统。共轨+ 时间控制式电控燃油喷射系统不 再采用传统的柱塞泵脉动供油原理。共轨式电控燃油喷射系统具有公共控制油轨 ( 共轨管) ，高压油泵并不是直接控制喷油器，而是向公共油轨供油以保持所需 的共轨压力，通过连续调节共轨压力来控制喷射压力，采用压力时间式燃油计量 原理，用电磁阀控制喷射过程。在共轨系统中，压力形成和油量传输基本上与喷 油过程无关。该系统根据柴油机运行工况的不同，不仅可以适时地控制喷油量与 喷油正时，使其达到与工况相适应的最优数值，而且还使过去难以控制的喷油速 率的控制成为可能。且系统的控制自由度及精度得到了大幅度提高，这类电控系 统有如下一些形式：蓄压式电控燃油喷射系统、液力增压式电控燃油喷射系统和 高压共轨式电控燃油喷射系统。蓄压式电控燃油喷射系统采用蓄压式喷油器来存 储高压燃油，共轨中采用中等压力的燃油，喷油器中使用增压活塞来提高喷射压 力，利用电磁阀控制喷射过程，通过调节共轨压力可以控制喷射压力和喷油量。 液力增压式电控燃油喷射系统采用增压活塞借助于液压来提高喷射压力，它有两 条公共油轨：一条是高压控制油路( 高压控制油为机油) ，维持一定的压力用来 推动增压活塞；另一条是低压燃油供油轨，用来向喷油器提供燃油。通过调节高 压控制油路中的机油压力来控制燃油的喷射压力。喷油量和喷油正时由电磁阀的 开启时间长短和开启时刻来控制。高压共轨式电控燃油喷射系统不采用蓄压式喷 油器和增压活塞，而将公共油轨中的油压直接控制在高压力水平( 共轨压力维持 在l o o m p a 以上) ，喷油量和喷油正时通过电磁控制的三通阀来调节，利用三通阀 控制喷油嘴的背压变化以改变喷油量和喷油正时。 共轨+ 时间控制式电控燃油喷射系统的技术特征如下：( 1 ) 蓄压式系统由于 喷油压力、喷油量和喷油速率等均受共轨压力限制，因而存在油量波动大，加速 响应较慢和喷油速率不理想等问题。( 2 ) 液力增压式系统燃油计量是以时间为基 础。采用加压分离，喷射压力不受转速和负荷的影响，可灵活控制便于优化。( 3 ) 高压共轨系统的喷油景和喷油正时是全电子控制，喷油速率可调，最佳喷射压力 可控制等特点，但共轨中高压燃油的持续恒压反馈控制比较复杂。共轨+ 时间控 制式电控燃油喷射系统的技术关键是：高压油控制技术、高速电磁阀技术和组合 喷汕器制造技术。总的来看，共轨系统呵实现在传统喷油系统中无法实现的功能， j ， 浙江人学坝1 学位论义 其优点有：( 1 ) 共轨系统中的喷油压力柔性可调，埘不同负荷和转速可确定所需 的最佳喷射压力，从而优化柴油机综合一陀能。( 2 ) 可独立地柔性控制喷油正时， 配合商的喷射眶力( 1 2 0 m p a 1 7 0m p a ) ，可同时控制n o 、和微粒( p 1 i i ) 在较小的 数值内，以满足排放要求。( 3 ) 柔性控制喷油速率变化，实现理想喷油规律，既 可降低柴油机n 0 。，又能保证优良的动力性和经济性。( 4 ) 由电磁阀控制喷油， 其控制精度较高，高压油路中不会出现气泡和残压为零的现象，因此在柴油机运 转范围内，喷油量循环变动小，各缸供油不均匀可得到改善，从而减轻柴油机的 震动和降低排放。 从柴油机电控技术的发展可以明显的看出，柴油机的电控系统日益复杂，使 得柴油机的开发难度越来越大，按传统的开发方式其开发周期越来越长，更新换 代速度变慢，不利于柴油机紧跟市场的需求。因此为了缩短其开发的周期，加快 更新换代速度，同时随着微电子技术的高速发展，仿真技术在柴油机的开发中得 到了越来越广泛的应用。 1 2 柴油机仿真技术 仿真技术是基于相似原理、信息技术、系统技术及其应用领域有关的专业技 术，以计算机和各种物理效应设备为工具，利用数学模型和物理模型代替实际系 统进行科学研究的一门边缘学科。根据模型的种类我们将仿真分为：物理仿真和 数学仿真。物理仿真采用物理模型，例如仿照真实物体制造出比真实物体小很多 倍的模型，然后对模型进行试验研究。而数学仿真则采用的是数学模型，根据相 关原理及一些试验数据来建立数学模型，然后对数学模型进行解算来研究真实物 理的各种情况。由于对数学模型进行解算的工作一般都由计算机来完成，因此， 数学仿真又称为计算机仿真。 计算机仿真按描述系统的模型可分为：连续系统仿真和离散系统仿真；按有 无实物参加仿真可分为：纯计算机仿真与半实物仿真；按仿真试验时的时间标尺 t 与实际时问标尺t 之间的比例关系可分为：实时仿真( t t = 1 ) 、欠实时仿真 ( t t 1 ) 和超实时仿真( t t ( 1 ) ；按仿真计算机的种类可分为：模拟计算机 仿真、数字计算机仿真和混合计算机仿真。 随着计锋机技术的日益发腱，出现了一些高速汁算机芯片如：数字信号处弹 浙江人学顺卜学位论史 器( d s p ) ，它有着非常强大的数值计算能力， ：常适合进行数值计算，这也使 得仿真技术尤其是计算机数字仿真得到了高速发展，仿真技术口趋成熟。现在的 电控发动机是个受多种参数关联影响的、高度复杂的非线性系统，如果用纯软 件仿真，为了保证高的仿真精度，就必须对整机系统的所有部件进行高精度仿真， 这样就使得模型过于复杂，计算量十分庞大，模型的运行速度缓慢，因此也就难 以测试发动机的实时运行性能，为了解决这一问题而产生了一种较好的折中方 案：将电控发动机系统中的关键硬件与较复杂的仿真模型集成。这就是所谓的硬 件在环仿真技术。它可以方便地进行各种测试调节，快速实现对电控柴油机开发 中的关键硬件乃至整个系统性能的评估测定。 自8 0 年代中期以来，用于实时仿真的硬件在环仿真系统在发展过程中共出 现了三种实用化的产品形式。第一种是以商品化的处理器模板配接自行设计的专 用接口模板构成多处理器系统，软件开发和硬件配置可自主灵活进行；第二种是 a d i 公司专门为动态实时仿真设计的计算机系统a d r t s ，它由高速计算机、 基于v m e 总线的分布式处理器和一些高速智能i o 系统组成，可通过a d i 的专 用仿真软件进行编程开发；第三种是d s p a c e 公司生产的面向实时仿真和高速 i o 处理的硬件系统，它采用基于i s a 总线的p c 分布式处理器结构，以d s p 芯 片作为高速运算单元，处理器间通过双端口寄存器通讯，并具有智能i o 接口模 块，软件开发以通用的c 语言为主。 硬件在环仿真技术作为一种集计算机软硬件技术为一体地综合应用技术，其 体系结构和软硬件组成等均有着自己独特的要求，在硬件方面，作为实时运行系 统的开发平台，硬件在环仿真系统必然是并行多处理器结构，并采用高速微处理 器，以满足复杂系统运行时严格的时间要求和内部信息同时触发和传输的特点； 系统对外部具有用于传递多种控制信息的高速i 0 接口，由于信号可能是电流量、 电压量、数字量或脉冲量，因此要求i o 接口适应性强并能够进一步扩展；此外 系统应采用开放式结构和模块化构件，便于系统或部件的更新换代。在软件方面， 首先应保证模型编制简单明了，既能达到系统仿真的精度要求又能满足仿真运算 的实时性需要；同时人机界面友好、实时监控能力强、能实现数据的预处理和后 处理也是硬件在环仿真系统作为外部系统开发工具的必然要求。 日前硬件在环仿真技术在发动机电控单元e c u 与喷射系统开发和测试中的 浙江大学硕卜学位论文 应用主要类型有如图1 1 中的四种形式。 仿真软件部分 ( a ) e c u 的开发与测试 硬件实物 l e c u 系统模型 ii 模块iil 仿真软件部分 ( b ) 喷射系统的测试 硬件实物 仿真软件部分 ( c ) e c u 系统与喷射系统的联合 硬件实物 仿真软件部分 ( d ) 发动机台架试验的研究 硬件实物 图1 1e c u 硬件在环仿真的应用类型 a ) 利用发动机本体与喷射系统的仿真模型，连入e c u 系统实物，在e c u 系统 已成熟的情况下可用于验证调整仿真模型部分，而大多情况下是用于e c u 系统的开发与测试。 b ) 建立发动机本体与电控单元e c u 的仿真模型，连接进实际的喷射系统，可 用于研究喷射系统的电气接口、动态响应等一些实际性能。 c ) 发动机本体为模型仿真，电控单元e c u 和喷射系统为实物，用于电控单元 e c u 和喷射系统的联合开发测试，可方便地进行e c u 与外部硬件的匹配研 究。 d ) 电控单元e c u 系统为模型仿真，发动机本体与喷射系统为实物，可用于发 动机台架试验的研究，获取发动机运行参数，调整电控系统的组成结构和控 制策略，为实际构建电控系统进行准备验证工作。 根据以上的仿真应用可以看出，任何仿真工作都是基于一定的系统模型而进 行的，模型的l e 确性和合理性将直接影响到仿真工作的成败，因此建立正确的、 浙江大学侦i ：学位论史 合理的发动机模型是柴汕机仿真过程中最重要的环节。 1 3 发动机模型 发动机模型是对真实发动机的一个数学抽象。发动机是一种工质开式循环并 以间歇方式工作的动力机械。在发动机工作循环中，涉及到进气、排气、燃料的 喷入、燃烧，各种零部件的传热、受力、对外输出机械功以及各种控制机构的协 同工作等复杂情况。为了对这样复杂的物体进行研究，人们从2 0 年代开始就通 过建立柴油机的动态模型来进行研究，发展到今已建立了多种形式的发动机动态 模型，它们各具特点，分别应用于不同的场合。在最初由于当时内燃机理论的限 制，模型完全是建立在由试验数据构建起来的发动机性能脉谱图的基础之上的， 对于不同的发动机，都需要大量不同的试验数据。这种建模方法简单快捷，但只 适用于初级别的发动机控制分析。随着人们对发动机理论的进一步研究，现象学 建模方法的引入，人们建立了发动机的现象学模型。所谓现象学建模也即数学建 模，强调对发动机工作循环中所发生的物理现象进行分析描述，模型应反映出实 际的物理过程。 由于早期计算能力低下等各种因素，最初的现象学模型只是一种依据热力学 循环得到的纯空气热力模型。它假定工质始终为一定量的空气，系统与外部不发 生任何物质交换，同时不考虑燃烧过程而假定热量均在某固定的压力下全部加 入，因此整个模型可通过若干个由气体状态方程推演出来的代数关系来表示。但 是通过外部加热与通过工质燃烧对工质性质的影响有很大差别，因此这种模型与 实际发动机相比相差甚远，一般用于预测压缩比对发动机热效率的影响等方面的 研究。针对纯空气热力模型中工质性质偏差过大的缺点，现象学建模逐渐转向建 立更为真实的燃气模型。这一模型对燃烧前的纯空气和燃烧后的燃烧产物分别建 立了热力性能图表，对工质特性进行细分，同时假定燃烧在定压条件下快速实现， 模型中并未将燃烧时间当作一变量考虑。可以认为燃气模型是考虑了工质组成变 化的纯空气热力模型，它可以对诸如热效率与压缩比的关系、燃烧率不变时热效 率与过量空气系数的关系等发动机的许多性能关系进行预测。以上两种模型由于 当时计算能力的限制，都没有对时间因素加以考虑，而实际上发动机的进排气过 程、燃烧过程等都是时变过程，有效的发动机模型必须是建立在时变特性基石l i ； _ r 浙江大学颂 ：学位论文 之t 的，忽略时间因素后的模型应用范围有限，往往只能保证对发动机的某些性 能作定性预测，精度上往往存在较大的误差。6 0 年代随着计算机的出现和发展， 讨算能力大大提高，建模研究开始转向建立包括时间变量的热力学模型。这种热 力学模型可以用于预测分析系统内工质的流动特性，热交换对发动机性能的影 响，不同放热率曲线的效果对比等更为具体的发动机性能，因此，尽管它存在着 由均匀工质组成的系统始终处于热动力平衡状态，通过系统边界的是均一的质量 流和能量流等假定，而这些假定导致了对发动机某些瞬态性能波动无法进行预 测，但由于目前的研究尚无法对这些假定的情况进行客观清楚地描述，因此热力 学模型仍是对发动机进行仿真研究的最重要的工具和对象。 热力学模型根据其复杂程度又可分为准线性模型和非线性模型。所谓准线性 模型，是将反映了稳态下发动机热动力性和工质流动的实验数据与相应机械部件 的动力模型联系起来，利用发动机的稳态特性参数来进行发动机动态仿真的热力 学模型。在准线性模型中，进排气系统、燃烧放热规律、传熟过程、摩擦力矩等 子模型均通过一些由代数方程构成的经验、半经验公式来描述，仅发动机转速变 化和调速器的自动调节是采用微分方程描述，因此准线性模型的建立依赖于大量 的实验数据，同时代数方程的描述形式导致对一些物理过程的描述过于简化，降 低了系统的仿真精度。尽管如此，准线性模型的优点也十分明显，即计算简单， 仿真迅速，而且其简化对预测发动机动力性和经济性的精确度并无太大影响。目 前较为通用的准线性模型是平均值发动机模型( m e a nv a l u e e n g i n e m o d e i - - m v e m ) 。非线性模型是基于发动机的循环模拟，考虑发动机在稳态和 瞬态条件下运转时的热力学和流体动力学现象以及质量和能量守恒而建立起来 的一组微分方程，尽管对某些过于复杂的性能采用了经验或半经验公式来描述， 但总体上看它基本上仍是由描述机理的非线性微分方程组构成。目前主要是利用 充排法来建立非线性模型。 充排法最初用于仿真转速下涡轮增压柴油机中的不稳定势力学和气体流动 过程，并获得了很令人满意的结果。由于充排法在计算不稳定现象时没有对发动 机运转条件有任何限制，它有适用于瞬态工况仿真的潜力。因此，温特伯恩等、 华生和马尔祖克把该方法应用于涡轮增压柴油机的瞬态性能仿真。温特伯恩等建 立“全动态”模型用于涡轮增压柴油机供油：量与转速输出之间的传递函数评估。 w 浙江大学顾 学位沦丈 华生和马尔机克建立非线性模型用于改善涡轮增j k 柴油机瞬态响应性能的措施 分析。1 9 8 4 年，华生建立了用于控制系统开发的涡轮增压柴油机模拟器( 软件) ， 用来分析一些控制变量和设计参数对发动机瞬态响应性能的影响。 浙江入学硕卜学位沦丈 第二章柴油机高压共轨燃油喷射系统 2 1 国内外柴油机高压共轨燃油喷射系统研究状况 2 0 世纪7 0 年代初期的石油危机向世人提出需要节省能源的警告。同时，降 低柴油机的排放、噪声和排烟等保护人类生存环境的呼声也日益高涨。电子技术 在满足柴油机排放法规、进一步提高燃油经济性、提高安全驾驶性能等社会要求 的背景下，从8 0 年代初开始，先后被各汽车生产厂用来控制喷油定时和喷油量。 到目前为止已经经历三代变化，在解决排放方砸几乎起到了不可替代的作用。2 0 世纪9 0 年代，一种全新的燃油喷射系统电控共轨喷油系统正式投入使用。 虽然至今还不到1 0 年，但已显示出客观存在的巨大优越性。该系统是2 1 世纪新 一代净化柴油机的燃油系统。高压共轨电控燃油喷射系统，以其近乎完美的喷油 特性高的平均有效喷射压力，喷油定时灵活控制，喷油压力独立控制，预喷 射或可控喷油规律，快速断油，成为国外各大公司近年来竞相开发的目标。目前 共轨式电控喷射系统已在轿车和中型卡车柴油机上得到批量应用。其中具有代表 性的产品有德国b o s c h 公司的u n i j e t 高压共轨系统、日本电装公司的e c d u 2 和e c d u 2 p 系统、美国c a t e r p i l l a r 公司的l i e u 系统等。 德国b o s c h 公司的u n i j e t 高压共轨系统( 如图2 1 ) 具有良好的适应性， 可以配用到不同缸数的柴油机上。该系统采用一个高压泵，将柴油以高压送到共 轨内，发动机每缸都用一个独立的高速电磁阀来控制喷油器的工作。每一喷油器 通过各自的根高压油管连到共轨上。系统内的油压由电控回路控制。电控回路 由共轨压力传感器、压力控制阀、高压泵和电控单元等部件组成。在系统内设有 个限压阀用于系统超压。另外，为防止喷油器非工作时间因泄漏将燃油漏入燃 烧室内，在系统内设有油量限制保护装置。 e c d u 2 电控共轨系统( 如图2 2 ) 是日本电装公司从1 9 8 5 年左右开始着手 研制的，1 9 9 9 年已达到年产3 0 0 0 0 台的水平。在日本国内将大量用于卡车柴油 机，但轿车柴油机中的j 】：j i = 较少，这主要是由于日本国内柴油机轿车产量较少。 电装公司已在匈牙利建了一个1j1 ，在那里将生产e c d u 2 高压共轨系统，产品 。 浙江大学顶十学位沧文 供给欧洲轿车市场。 气 点 图2 1b o s c h 公司开发的柴油机共轨式电控喷油系统 图2 2 日本电装公司e c d - - u 2 共轨式电控喷油系统 美国c a t e r p i l l a r 公司生产的h e u i 系统( 如图2 3 ) 是一种中压共轨电控液 压式喷射系统，是9 0 年代世界上柴油机电控燃油喷射系统最主要的新产品之一， 主要用于排量l 1 5 l 缸的柴油机。该系统的共轨中使用机油，因此系统中有机 油和燃油两套油路。h e u i 系统于1 9 9 3 年首次在n a v i s t a r 国际运输公司生产的排 点 为7 3 l 的直喷式增压柴油机上应用。该机d s = 9 5 4 x1 0 4 9 m m ，6 缸，7 2 l ， 一 ，一 浙江大学顺十学位沦文 直喷式增压巾冷，1 3 0 k w ，2 2 0 0 r m i n ，现已扩大使用到c a t e r p i l l a r 公司的3 4 0 8 e 及3 4 1 2 e 型柴油机上。另外，h e u i 系统也辟j 到于g m 公司卡车配套的3 1 1 6 型 柴油机上。h e u i 系统现在在美国c a t e r p i l l a r 公司设在伊利诺斯州的旁迪亚克 ： 厂设计制造。到目前为止，已有7 0 0 万个h e u i 系统喷油器投入运行。 图2 3 美国c a t e r p i l l a r 公司h e u i 共轨式电控喷油系统 柴油机共轨式电控喷射系统是9 0 年代世界柴油机领域内的一项重大突破性 进展。它代表着未来柴油机燃油喷射系统的发展方向，为此也引起了国内内燃机 界的极大关注。目前，中国第一汽车集团公司无锡油泵油嘴研究所与无锡柴油机 厂一起与国外合作，在c a 6 11 0 增压中冷柴油机上进行了共轨喷射系统试验，取 得了较好的成绩，系统内的最高喷油压力为1 2 0 m p a 。另外，还有其他一些高校 和企业也都表示出对这一新研究领域的浓厚兴趣。可以预见，随着社会对车辆节 约能源和降低排放要求的日益严格，共轨式电控燃油喷射系统必定成为未来柴油 机的一种最理想的燃油喷射系统。根据国外发展经验，当柴油机要达到欧1 1 1 排 放法规时，就必须应用电控喷射技术。我国新排放法已经制定，从2 0 0 0 年开始 执行相当于欧i 排放法规，到2 0 0 5 年开始执行相当于欧i i 排放法规，预计到2 0 0 8 年会开始执行相当于欧i i i 排放法规。因此，在未来的5 1 0 年内，对共轨式电 控喷射系统的研究也必将成为我国内燃机行业的一个热点，必然促使我国柴油机 燃油喷射系统产品的更新换代。 一一 塑坚查竺堡! ：兰塑丝苎 2 2 电控柴油机高压共轨系统分析 柴油机共轨式电控喷射系统摒弃了以往传统使用的直列泵系统，而代之以创 立一个全新概念的喷射系统。喷油压力、喷油量和喷油定时由e c u 灵活控制， 并可实现高压喷射，喷油压力独立于发动机转速，并可实现预喷射，具有良好的 喷射特性，结构简单，可靠性好，适用性强，是提高柴油机性能、降低柴油机排 放的一个有效措施。为了建模的需要，下面对电控柴油机高压共轨系统作简要的 分析。 2 2 1 高压共轨燃油喷射系统的构成 从功能方面分析，电控喷油系统可以分成两大部分：( 1 ) 燃油供给部分；( 2 ) 电子控制部分。 燃油供给部分就是燃油的吸入、加压、分配和喷射系统，这与传统的机械式 柴油机喷油系统差不多。供油泵使低压燃油加压成高压燃油，并送入共轨中。在 计算机的控制下，燃油由共轨分配到各个气缸中。喷油器内的电磁阀在计算机指 令的控制下，在适当的时刻开启或关闭，完成燃油喷射。燃油供给系统的构成框 图如图2 4 。 圈日回 图2 4 共轨燃油供给系统构成框图 电子控制部分的核心是e c u ( 电子控制单元) 。e c u 就是一台微型计算机。输 入到e c u 的信息是由安装在车辆上的各种传感器输出的。常用的传感器有发动机 转速传感器、油门开度传感器、曲轴转角传感器、共轨压力传感器、冷却水温度 传感器、空气温度传感器、燃油温度传感器、增压压力传感器、巡驶控制开关、 机油传感器、进气遣传感器、凸轮转角传感器、上j i ：点位置传感器等。e c u 输出 的是送往符个执行机构的电子信息。电子控制系统的构成框图如图2 5 。 浙江大学颁i ：学位论文 输入信号 计算机控制输出 i油门开度传感器卜_ 喷油量控制 i曲轴转角传感器卜_ 喷油率控制 憾甚雾茹袭篙尹卜 e c u 喷油定时控制 l ( 气缸判别传感器) l ( 电控单元) 喷油压力控制 i共轨压力传感器 l其它各种传感器 一 故障诊断 图2 5 电子控制系统构成框图 主要的执行机构有喷油器、供油泵、共轨等。 2 2 2 高压共轨燃油喷射系统的特征 相对于传统的泵管嘴系统来说，共轨系统具有：可以自由调节喷油压力( 共 轨压力控制) ；可以自由调节喷油量；可以自由调节喷油率形状：可以自由调节 喷油定时。图2 6 是共轨系统与传统的泵管嘴系统的比较图。 直列泵共轨系统 系统 羹苹扣 寸 ”一 宫 喷油量调整喷油泵( 调速器)e c u 、喷油器( t w v ) 喷油定时调整喷油泵( 提前器)e c l i 、喷油器( t w v ) 升压喷油泵供油泵 分配喷油泵共轨 喷油压力调楚根据转速、喷油量供油泵( p c v ) 图2 6 共轨系统与传统的泵管嘴系统的比较 “ 浙江夫学颂 ：学位论史 在共轨式电控燃油喷射系统中，t ：h 各种传感器( 发动机转速传感器、油门开 度传感器、温度传感器等) 检测出发动机的实际运行状态。由e c u 根据预先设 计的计算程序进行计算后，定出适合该运行状态的喷油量、喷汕定时、喷油率形 状等参数，使发动机能在最佳状态下工作。 共轨系统的基本特点可以归纳为表2 一l 所示。 表2 一i 共轨系统的基本特点 对喷油系统的要求高压共轨系统的优点 喷油 最高喷油压力无二次喷油等的约束，可以实现高压力，因为 压力 压油和喷油分别进行，所以，喷油压力可以任 喷油压力控制 意控制( 喷油压力与转速无关) 系统直接控制针阀运动，这对控制喷油率非常 喷油率控制 有利( 如：型，预喷油等) 电磁阀的通电时刻和通电时间间鞲以脉冲形式 喷油量和喷油定时的控制 发出，可以任意控制( 不受任何约束) 系统的结构特点 可以自由设定喷油嘴参数、喷油压力、喷油量 和喷油定时等，各个参数可以独立的满足相应 ( 合理性、生产性) 的要求。在满足要求方面没有约束，自由度高。 ! 鬟 韪 鑫 詈 麦黼糙。i x r m i n 图2 7 驱动扭矩的比较 供油泵的驱动扭矩的射比见图2 - - 7 ，由图可知，共轨式喷油系统的驱动扭 矩不低于传统的泵管嘴系统中的驱动扭矩。共轨系统的机械损失比传统的泵管嘴 浙江大学颂七学位沦文 系统要小。 传统的泵管嘴燃油系统中，喷油压力与发动机的转速、负荷有关，不是一个 独立变量。在商压共轨系统中，供油压力( 共轨压力) 与发动机的转速、负荷无 关，是可以独立控制的，由共轨压力传感器检测出燃油压力，并与设定的目标燃 油压力相比较，进行反馈控制，使喷油压力始终为某一设定的常压。 共轨系统中喷油压力与传统的泵管嘴系统中的喷油压力的对比如图2 8 。 在传统的泵管嘴系统中，峰值喷油压力与平均压力之比远大于共轨系统中相应比 值。其峰顶附近的压力实际上是不能作为有效喷油压力的，但是，对燃油系统的 结构设计、强度、刚度等方面却提出了更高的要求。同时，如果在与共轨系统每 循喷射相同的燃油量的前提下，喷油延续时间要拉长。 主 r 嘲 震 餐 重动祝蜘r r a i n 图2 8 共轨与泵管嘴系统的比较 由图2 8 上部的曲线可见，当发动机转速在1 0 0 r m i n 以上时，共轨压力可 达1 2 0 m p a 。在低速区域，由于内部泄漏等原因，共轨压力稍有下降，但是启动 以后很快就上升到8 0 m p a 左右，在实用方面来说则已完全可以满足要求了。这 与图中所示的泵喷嘴、直列泵相比，有了明显的改进。 t 浙江大学硕士学位论文 了 暑 0 曩 ： 一b _ 2 0 0 0 m 一心t l3 _ 一 蛔 图2 1 3 蓄压腔容积对喷油速率的影响 2 2 4 喷油定时与喷油速率 供油始点、循环供油量和供油规律是继高喷油压力之后，决定柴油机动力性、 经济性及排放特性的3 大要素。 共轨式喷油系统在e c u 控制下，藉高速电磁阀的精确动作，确保了各运行 工况下的喷油始点。一般按三维( 负荷、转速和喷油定时) 曲面进行控制。 c a t e r p i l l a r 公司3 5 0 0 b 柴油机采用四维( 独立循环中冷器的进水温度、柴油机负 荷、转速和喷油定时) 定时控制法。循环供油量可由高速电磁阀通电时间及共轨 管油压精确地满足工作过程的要求。 为降低排放和噪声，理想的喷油规律要求喷油初期有较低的喷油速度，着火 开始后要求有高的喷油速率，而喷油后期要求快速停油。通常理想喷油规律呈三 角形、靴形及预喷射形3 种。 机械式喷油系统要实现上述要求，结构需十分复杂，难度很大。中压共轨蓄 压式的喷油规律( 见图2 1 3 ) 不甚理想。高压共轨系统可以方便地实现上述规 律。 一一塑望奎兰堡主堂垡堡兰 第三章柴油机e c u 硬件在环实时仿真系统 3 1 硬件在环实时仿真技术 为了满足社会和市场对柴油机性能的要求，柴油机电控系统随时间的推移会 变得更加复杂，这就会加剧开发电控系统的难度、延长开发周期。对于高压共轨 式燃油喷射系统的开发也一样会遇到这样一个问题。 开发一个新的复杂的控制系统，其工作流程图如图3 1 所示。采用传统的 设计方法，其工作流程是一个涉及到设计、原型制造、匹配和评估的反复循环的 传统的开发工作流程 新的开发工作流程 系网- 叫原型设计卜呻确更高 统+ 竞争 念踌i 软件i 认水平 图3 1 柴油机电控系统设计方法的对比 过程。设计过程中主要采用工程试验法。在硬件和软件设计出来之前要花费大量 的时间，并且试验工作量很大，费用也显得非常的昂贵。然而最后得到的设计结 果只是一个相对一般的水平。如果引入计算机仿真技术，采用新的设计方法开发 柴油机电控系统，第一步所要做的工作就仅仅是在设计的初始阶段对所需的逻辑 和系统配置进行调查评估和测试，并且这种评估对于开发原型的费用、开发所用 _ 浙江大学硕士学位沧文 的州问以及最后提高新的柴油机电控系统的竞争能力等方面具有至关重要的作 用。使用这种的新的设计方法，应用实时仿真技术，设计柴油机电控系统首先就 厂磊 l 模型创建l 1 一 u uu 设置显示稳定性 参数绘图分析 掣l 旦一l _ 塑塑竺骂 图3 2 应用实时仿真技术进行电控系统设计 是进行包含发动机模型和控制器模型在内的全数字实时仿真。进行柴油机的特性 分析，对各种控制策略进行评估，确定影响系统响应及特性的关键部件；然后再 设计电控系统的原型，将控制器通过一个高速模拟和数字接口系统连接到实时仿 真系统上进行测试和评估。设计过程如图3 2 。 硬件在环实时仿真技术就是将真实的车辆、发动机或其它部件用实时仿真模 图3 3 硬件在环仿真系统的结构示意图 浙江大学硕十学位论文 型来取代，在专用系统上实时运行，而其它需要进行测试和评估的原件，诸如电 控单元、执行器等硬件则连到仿真系统中，形成一个闭环配置。其般原理结构 如图3 3 所示。 应用实时仿真技术，采用仿真系统代替实际系统可以使得改变参数进行试验 的次数不受限制，而且仿真结果具有可重复性；还可以进行极限状态下的测试试 验，而不具破坏性、费用低廉、没有任何危险，因此可以大幅度减少台架试验工 作，降低费用，大幅度减少开发和测试的时间，使开发周期明显缩短。 3 2e c t j 硬件在环仿真系统的总体描述 e c u 硬件在环仿真系统作为模拟发动机实时运行的仿真主体，同时又是外 部e c u 系统观察控制的客体，在实时性上有着严格的要求。因此为了满足实时 性上的要求，e c u 硬件在环仿真系统采用了专用的d s p 芯片作为发动机仿真计 算的硬件平台，同时还采用一个单独的处理器来处理各种输入输出信号，对于仿 真结果的显示和数据的后处理等考虑到操纵的方便性，采用p c 机来作为结果显 示和数据后处理的平台，以便为操纵者提供一个良好的人机界面。 3 3 硬件在环仿真系统的硬件构成 e c u 硬件在环仿真系统( l s s ) 是一个由p c 机作为宿主计算机的紧密耦 合多处理器并行系统，整个仿真系统主要由发动机模型实时计算系统、告诉接口 管理系统和监控系统三部分组成，如图3 4 所示，每个子系统由一个独立的处 理器来完成。这种结构使得相互间数据通信规程协调一致，每个部分的软硬件都 可以进行独立的扩充、维护与升级。 。3 3 1 发动机模型实时计算系统 发动机模型实时计算系统以数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，简称 d s p ) 为核心。采用双端口存储器来实现模型实时计算系统与高速接口管理系统 的通讯。 浙江大学坝1 ：学位沦文 3 3 1 1d s p 简介 二互