（载运工具运用工程专业论文）电控柴油机高压共轨系统轨压控制的实验研究.pdf

摘要：面对日益严峻的能源危机和环境污染，传统柴油机已经不能满足经济和排放等 性能的要求。在柴油机新技术的研究与应用中，燃油喷射是一项关键技术。目前柴油 机燃油喷射系统的发展己经进入到电子控制的第三代一高压共轨式燃油喷射系统。作 为高压共轨燃油喷射系统中最为重要的控制部分之一，共轨燃油压力的控制有着极为 重要的意义，不仅对经济、排放等性能有重要的影响，而且对燃油雾化及燃烧也起着 决定性的作用，它是高压共轨系统能否与电控柴油机完全匹配的关键，也对以后电控 柴油机的批量生产起着决定性的作用。 国外的高压共轨燃油喷射系统已经发展到了第四代，并且正向着高喷射压力、多 次喷射、小型喷油器和紧凑系统的方向发展。在我国，高压共轨燃油喷射系统的研究 与应用还处于初级阶段，对共轨内燃油压力的控制更是处于试验阶段，为解决柴油机 的可持续发展问题，采用电子控制技术已势在必行。本文以柴油机燃油喷射系统为研 究对象，分析了电控高压共轨燃油喷射系统的机理及发展过程，并重点研究了共轨燃 油压力的控制技术。以b o s c h 高压共轨式燃油系统c r 为研究对象，结合p i d 控制技 术，对共轨压力的控制策略进行了深入分析，并做了大量实验验证。 文章首先对高压共轨系统的国内外发展现状和机理作了系统的介绍，其中共轨燃 油压力部分又是研究的重点。结合控制理论、单片机原理和c 语言知识，经过对系统 设计思想的深入理解，最终得出共轨燃油压力的控制策略，轨压控制的各工况模式， 轨压采集的控制方法等，共轨压力采用闭环p i d 控制，轨压采样采用定相位采集。底 层软件以m c 9 s 1 2 d p 2 5 6 为核心建立最小系统，结合轨压驱动电路，完成了e c i j 的硬件 连接与调试。另外根据控制策略进行了大量的试验，对试验过程中采集的数据采取了 优化处理，对实验结果进行了分析、总结，对轨压控制系统软硬件的深化研究以及轨 压控制m a p 图的优化处理等技术提出了进一步的策略。文章的目的旨在为以后的研究 工作积累资料，并能为后续工作做些参考。最终目的是希望通过对电控共轨压力系统 的研究以实现高压共轨燃油喷油系统与发动机的良好匹配。 关键词：柴油机，高压共轨系统，轨压控制，控制策略 a b s t r a c t ：f a c i n gt ot h ei n c r e a s i n ge n e r g yc f i s i sa n de x h a u s t e dl a w s ，t r a d i t i o n a ld i e s e l e n g i n eh a sa l r e a d yn o ts a t i s t i e de c o n o m i ca n de x h a u s t e dd e m a n d s i nr e s e a r c ha n d a p p l i a n c eo fn e wt e c h n o l o g yf o rd i e s e le n g i n e ，f u e li n j e c t i o ni sak e yt e c h n o l o g y a t p r e s e n t , d i e s e le n g i n ef u e li n j e c t i o nh a ss t e p p e di n t ot h e3 哪g e n e r a t i o no fe l e c t r o n i c c o n t r o l - 1 l i g hp r e s s u r ec o m m o nr a i lf u e li n j e c t i o ns y s t e m a so n eo ft h em o s ti m p o r t a n t c o n t r o lp a r ti nh i g hp r e s s u r ec o m m o nr a i ls y s t e m , r a i lp r e s s u r ec o n t r o lh a sv e r yv i t a l s i g n i f i c a n c e , b e c a u s ei tn o to n l yh a sv e r yv i t a le f f e c to ne c o n o m i ca n de x h a u s t e dp r o p e r t i e s ， b u ta l s oh a sa l ld e c i s i v ef u n c t i o nt 0f u e ls p r a ya n dc o m b u s t i o n a n di ti sa s l ot h ek e y m a t c h i n gp a r to f h i g hp r e s s u r ec o l n n l o nr a i ls y s t e ma n de l e c t r o n i cc o n t r o l l e dd i e s e le n g i n e o na b r o a d h i g hp r e s s u r ec o m m o nr a i lf u e li n j e c t i o ns y s t e mh a sb e e nr e a c h e dt h e4 恤 g e n e r a t i o n , a n dw i l ls t e pt ot h ed i r e c t i o no f h i g h e ri n j e c t i o np r e s s u r e ，m o r ei n j e c t i o nt i m e s , s m a l l e ri n j e c t o ra n di n t e g r a t e ds y s t e m i no u rc o u n t r y , t h er e s e a r c ha n da p p l i a n c eo fh i 曲 p r e s s u r ec o m m o nr a i ls y s t e mh a ss t a y e do np r i m a r i l ys t a g e ，a n dr a i lp r e s s u r ec o n t r o le v e n s t a y e do ne x p r i m e n l a ls t a g e i no r d e rt os o l v et h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n tp r o b l e m , a d o p t i n ge l e c t r o n i cc o n t r o l l e dt e c h n o l o g yh a sb e c a m ev e r yn e c e s s a r y w i t hd i e s e le n g i n e i n j e c t i o ns y s t e ma st h eb a s i ct h e o r y , t h i sa r t i c l ea n a l y s e st h ep r i n c i p l ea n dd e v e l o p e d p r o c e s so fh i g hp r e s s u r ec o m m o nr a i ls y s t e m ，a n ds t u d i e so nr a i lp r e s s u r ec o n t r o l t e c h n o l o g ye m p h a s i z e l y w i t hb o s c hh i 曲p r e s s u r ec o m m o n r a i ls y s t e m - c ra st h er e s e a r c h o b j e c t i o n , c o n n e c t i n gt op i dc o n t r o lt e c h n o l o g y , c o n t r o ls t r a t e g yo fr a i lp r e s s u r eh a sb e e n a n a l y z e dd e e p l y , v a l i f i e db yl o t so f e x p e r i m e n t i nt h i sa r t i c l e ，i ti n t r o d u c e sd e v e l o p e da c t u a l i t ya n dw o r k i n gp r o c e s so fh i g hp r s s u r e c o m m o mr a i ls y s t e mb o t ha th o m ea n da b r o a d , a n dr a i lp r e s s u r ei st h ek e y s t o n e o nt h e b a s i so fc o n t r o lt h e o r y , s i n g l e c h i pcl a n g u a g e ，t h es t r a t e g yo fr a i lp r e s s u r ec o n t r o la n d c o n d i t i o nm o d e so fr a i lp r e s s u r ec o n t r o l ，c o n t r o lm e t h o do fr a i lp r e s s u r eg a t h e r i n ge t c c o m ei n t ob e i n ga f t e rb o t t o m p r o g r a mh a sb e e ns t u d i e dd e e p l y r a i lp r e s s u r ec o n t r o lc o m e s t r u eb yu s i n gp i dc l o s e dl o o p ，a n dr a i lp r e s s u r eg a t h e r i n gr e a l i z e sb yp h a s i ct i m i n g s y s t e ms o i t w a r ep r o d u c e st h em o s ts m a l l e s ts y s t e mu s i n gm c 9 s 1 2 d p 2 5 6a st h ec o r e ， p l u s i n gt or a i lp r e s s u r ed r i v i n gc i r c u i t ，h a r d w a r eo fe c u h a sb e e nc o n n e c t e da n da d j u s t e d s u c c e s s f u l l y f u t h e r m o r e ，l o t so fe x p e r i m e n th a sb e e nc a r r i e do u ta c c o r d i n gt oc o n t r o l s t r a t e g y , f i n a lr e s u l t sh a sb e e na n a l y z e da n ds u m m a r i e d ，a n dw h a t sm o r e ，t h e r ei sai d e ao f s t r a t e g yi m p r o v e m e n t , i n c l u d i n gd e e p l yr e s e a r c hs o f t w a r ea n dh a r d w a r e ，o p t i m i z em a pa t l a s t t h et a r g e to ft h i sa r t i c l ei sa c c u m u l a t i n gm a t e r i a l sf o rl a t e rw o r k , a n dt h ef i n a la i mi s t or e a l i z et h ee x c e l l e n tm a t c hf o rh i 【g hp r e s s u r ec o m m o nr a i la n dd i e s e le n g i n e k e y w o r d s ：d i e s e le n g i n e ，h i g hp r e s s u r ec o m m o nr a i ls y s t e m ，r a i lp r e s s u r ec o n t r o l ，c o n t r o l s t r a t e g y 声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得西南林学院或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料，与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示了谢意。 签名：i i 】丑担日期：鲨丑! ：哆 关于论文使用授权的说明 本人同意：西南林学院有权保留论文的复印件，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文；提交论文一年后，允许论文被查阅和借阅，学校可以公布论文的全部 或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： l 绪论 1 绪论 1 1 课题研究的目的和意义 目前，随着世界范围内环境污染的不断恶化以及能源的逐渐枯竭，研究一种排 放低、经济性好的汽车燃油供给系统无疑是非常必要的。 高压共轨系统是迎合这一需求的很有前途的新技术，是目前最为先进的燃油喷 射系统，它被认为是二十世纪内燃机技术的三大突破之一。它能使柴油机在各种工 况下的燃烧达到最佳状态，有效改善柴油车的排放性能，而且还可以显著提高柴油 机的动力性和经济性，又可以降低柴油机的燃烧噪音。 此系统适合于全电子柔性控制，采用了压力时间燃油计量方式，即燃油喷 射量是由喷射油压和喷油脉宽共同决定的，其在实现高压喷射的同时可独立控制喷 油量、喷射压力、喷油正时与喷油规律。换句话讲，该系统可在柴油机的全工况范 围内实现高压喷射，而不受柴油机转速与负荷的限制。 共轨压力( 近似为燃油喷射压力) 作为高压共轨系统最为重要的控制参数之一， 是高压共轨电控系统研究与开发的关键，不仅对喷油量有着十分重要的影响，而且 对燃油雾化及燃烧也起着决定性的作用。因此对燃油压力的控制精度直接影响着柴 油机的燃烧、排放、噪声以及动力性、经济性等性能。 1 2 课题国内外的研究现状 采用电子控制技术是当前柴油机技术发展的重要方向之一。柴油机电子控制的 核心是燃油系统，柴油机电控喷油系统产生于2 0 世纪7 0 年代，由传感器、电控单 元和执行器组成，电控单元实时检测柴油机运行参数，根据柴油机状态来确定喷油 定时和喷油量，向执行器发出控制指令，执行器根据控制指令调节柴油机的供油系 统，同时进行故障处理。电控喷油系统按燃油泵控制方式分为：位置式、时间式和 时间一压力式三种系统【2 】【6 】。 第一代电控系统是位置式电控喷油系统翻。它是在传统机械喷油泵基础上，用 电子执行器代替机械油量和喷油定时的调节机构，采用电液执行器、电磁铁、步进 电机直接控制喷油泵的齿条或滑套位置，调节喷油量或喷油定时，控制精度和响应 电控柴油机高压共轨系统轨压控制的实验研究 速度比机械系统有大幅度提高，位置式电控系统简化了喷油的调节机构，直接检测 被控对象，进行反馈控制，只要用电控泵及控制部件代替原有的机械式泵就可以转 为电喷系统，柴油机的结构几乎无须改动，故生产继承性好，便于对现有发动机进 行升级改造。但控制自由度小，控制精度较差，喷油率和喷射压力难于控制，并且 不能改变传统喷射系统固有的喷射特性，也很难大幅度的提高喷射压力，因此它是 电控喷油技术的初级产品。这种电控喷油系统主要在直列泵和分配泵上实现位置控 制，如：日本d e n s o 公司的分配泵e c d v 1 、杰克赛尔公司的直列泵c o p e c 、德国 b o s c h 公司的e d r 系统等。 第二代电控系统是时间式电控喷油系统。它采用全新的设计结构，所谓时间控 制，就是直接利用高速电磁阀控制喷油，电磁阀的关闭时刻决定了喷油定时开始， 关闭持续时间决定了喷油量大小，能灵活准确地控制喷油定时和喷油量，但电磁阀 的响应时间对喷油过程影响较大【2 】。由于取消了喷油泵中的齿条、滑套、柱塞斜槽 等，简化了喷油泵结构，可以强化柱塞泵，实现较高的喷油压力。根据高压产生的 不同，时间式电控喷油系统分为：电控单体泵和电控泵喷嘴系统，如：b o s c h 公司 的e u p 单体泵、d d c 公司的d d e c 泵喷嘴等。这种设计属于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阀直接接口，可使传统喷油系统的结构得 到简化和强化，喷射特性得到改善，适合于高压喷射。由于电磁阀的开关时间随转 速的变化要做一定地调整，而在减速和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实现精确的控制。因此保持“有效行程”较为困难【5 】， 因此时间式电控喷油系统是电控喷油技术中符合控制意义的产品。 第三代电控系统是时间一压力式电控喷油系统。这种新型的电控系统摒弃了传 统的柱塞泵脉动供油原理，采用压力时间式计量原理，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。高压共轨系统就是一种时间一压力式 电控喷油系统，它由高压油泵、共轨管、电控喷油器和电控单元组成。高压油泵向 共轨管提供高压燃油，共轨管压力较高，共轨管油压是由压力调节阀、压力传感器 和电控单元组成闭环调控，共轨管能蓄积高压油泵输送的燃油，并抑制压力波动。 同其它喷油系统相比，高压共轨系统具有明显优判叫： ( 1 ) 柔性调节喷油压力。根据不同的工况确定所需的最佳喷射压力，从而优化 柴油机综合性能，能在任何转速下实现高压喷射( 2 5 m p a - 2 5 0 m p a ) ，非常适合高速 柴油机。 ( 2 ) 柔性控制喷油定时。配合较高喷射压力，可以保证燃油雾化良好，降低p m 、 2 1 绪论 h c 、c o 。灵活调节喷油定时，能控制n o x ，可以获得p m 和n o x 的最佳折衷，以 满足排放要求。 ( 3 ) 柔性控制喷油速率，实现不同的喷油规律。容易实现引导喷射、预喷射、 主喷和后喷射，完成多次喷射。引导喷射可以改善预混合燃烧，降低颗粒排放；预 喷射缩短主喷射着火延迟，降低噪声；后喷射促进扩散燃烧，降低颗粒；多次喷射 既可降低柴油机n o x 和p m ，又能保证优良的动力性和经济性。 ( 4 ) 用电磁阀控制喷油，控制精度较高。在柴油机运转范围内，循环喷油量变 动小，各缸供油的不均匀性得到改善，可以减轻柴油机振动。 ( 5 ) 系统结构移植方便，不像其它电控喷油系统，对柴油机的结构形式有专门 要求，适应范围广，与小、中型及重型柴油机均能很好匹配，因而市场前景看好。 ( 6 ) 高压共轨系统可有效地解决柴油机排放和噪声，高压共轨系统已广泛应用 于各类柴油机上，已成为柴油机研究中的热点。 高压共轨自二十世纪九十年代问世以来，已显示出它的巨大的优越性和发展潜 力。到目前为止柴油高压共轨系统已开发了三代，它有着强大的技术潜力。 第一代高压共轨可实现预喷及闭环控制，能满足欧m 排放法规，但是油压总 是保持在最高压力( 达1 3 0 - - 1 4 0 m p a ) ，导致能量的浪费和很高的燃油温度。第二代可 根据发动机需求而改变输出压力，并具有预喷射和后喷射功能，压力可达1 6 0 m p a ， 能满足欧排放法规。第三代共轨系统压电晶体式( p i e z o ) 共轨系统，压电执行 器代替了电磁阀，于是得到了更加精确的喷射控制，没有了回油管，在结构上更简 单，压力从2 0 2 0 0 m p a 弹性调节，最小喷射量可控制在o 5 r a m 3 ，减小了烟度和 n o x 的排放。 除普通可预喷的高压共轨式燃油供给系统外，现正在研究多级喷射的高压共轨系 统。从一次预喷到多级喷射，对喷射压力的控制要求也比较精确： ( 1 ) 第一次预喷为了冷起动 ( 2 ) 第二次为正常预喷 ( 3 ) 主喷 ( 4 ) 紧接着的后喷射为了降低c 烟和h c 排放 ( 5 ) 第二次后喷使排气升温以利于排气与催化剂产生化学反应 ( 6 ) 延迟喷射为提高排气温度，部分h c 参与还原n o x 。 多级喷射喷油器正在研制中( 要求3 , - - 4 m s 内，要振动5 、6 次；各次喷射的稳定性 与精确控制问题：关闭时电磁阀盘有缓慢衰减振动) 。 3 电控柴油机高压共轨系统轨压控制的实验研究 1 2 1 国外研究现状 最初的高压共轨喷射系统是由意大利f i a t 公司在2 0 世纪8 0 年代研制成功的， 9 0 年代中后期才正式进入实用化阶段，各大公司相继推出了各具特色的高压共轨系 统，如：日本d e n s o 公司的e c d u 2 系统、意大利f i a t 公司的u n i j e t 系统、英国 l u c a s 公司的l d c r 系统、德国b o s c h 公司的c r 系统等 7 1 ，典型系统的比较如表1 所示。 目前，美国的c a t e r p i l l a r 公司、日本的n i p p o n d e n s o 公司、德国b o s c h 公司和 m t u 公司都已经批量生产高压共轨电控喷油系统。短短几年内，这种共轨喷射系 统已经在卡车和轿车柴油机上得到批量应用，发展速度十分惊人。 表1 高压共轨电控喷油系统 t a b l e1 h i g hp r e s s u r ec o m m o nr a i lf u e li n j e c t i o ns y s t e m 高压共轨技术正向高喷射压力、多次喷射、小型喷油器和紧凑系统方向发展， 目前己发展到第四代，表2 所示是高压共轨喷射系统各发展阶段的主要指标【l ”。在 第一代高压共轨系统中，由于采用高速电磁阀作为执行器，喷油器体积较大，高速 电磁阀承受高压喷油压力和系统效率有限，多次喷射为预喷、主喷。在第二代高压 共轨系统中，采用压电晶体作为执行器，响应时间和重复性大幅度提高，脉冲周期 可以减d , no 1 3 o 2 1 m s ，保证在2 0 - - 1 5 0 m p a 喷射压力时，针阀都能迅速关闭，多 次喷射中增a n t 引导喷射和后喷。高压泵的高转速、高效率和喷油器的小型化，使 高压共轨系统更适合于小型高速柴油机，在轿车上的应用具有广阔的前景。第三代 高压共轨系统的喷油器结构更紧凑，压电晶体执行器设计更合理，喷油压力能达到 1 8 0 m p a 。正在研制的第四代高压共轨系统采用了增压活塞和可变喷孔设计等技术， 可实现2 5 0 m p a 的喷油压力。 4 1 绪论 表2 高压共轨系统发展阶段 t a b l e2d e v e l o p e ds t a g eo f h i g hp r e s s u r ec o m m o nr a i ls y s t e m 作为世界上汽车零部件最著名的公司之一，b o s c h 公司的燃油喷射系统始终 走在世界的前沿。从2 0 世纪8 0 年代初期开始，为了满足柴油机排放，进一步提高 燃油经济性等要求，b o s c h 公司大力开发电控燃油喷射技术，控制喷油定时和喷 油量。而在近十余年中，更是集中力量开发高压共轨燃油喷射系统，并迅速投入批 量生产和应用，取得了很大的成就 7 1 。表3 为b o s c h 公司开发的四代高压共轨电控 喷油系统的简单介绍： 表3 德国b o s c h 公司的四代共轨系统 t a b l e34g e n e r a t i o n so f c o m m o nr a i ls y s t e mo f b o s c hc o m p a n yi ng e r m a n y 图1b o s c h c r 高压共轨系统 f i g 1 b o s c hc rh i g hp r e s s u r ec o m m o nr a i ls y s t e m 5 电控柴油机高压共轨系统轨压控制的实验研究 b o s c h 公司的c r 高压共轨电控系统【2 l 【2 3 l ，如图l 所示。该系统在共轨管上安 装了压力传感器，限流器和压力限制器。压力传感器向电控单元( e c u ) 提供共轨 管的压力信号；限流器保证在喷油器出现燃油泄漏故障时，切断共轨管向喷油器供 油，并减小共轨管和高压油管中的压力波动；在共轨管出现压力异常时，压力限制 器迅速降低共轨管中的压力。 图2 是b o s c h 的高压油泵，高压油泵采用三柱塞间歇供油，三缸均匀布置，结 构紧凑，减小了凸轮轴的轴承载荷。用柴油润滑，简化润滑油路，燃油经过电子断 流阀后分成两路，一路流经凸轮室用于冷却，然后流经压力控制阀回油，其余的经 三柱塞压缩后送至排油阀。 图2b o s c h 的高压油泵 f i g 2b o s c hh i g hp r e s s u r ef u e lp u m p 图3b o s c h 的电控喷油器 f i g 3b o s c he l e c t r o n i c a l l yc o n t r o l l e d i n j e c t o r 电控喷油器由喷油嘴、控制柱塞、控制量孔、控制电磁阀组成，如图3 所示。 在电磁阀不通电时，电磁阀关闭控制柱塞顶部的量孔，高压油轨的燃油压力通过量 孔作用在控制柱塞上，将喷嘴关闭；当电磁阀通电时，量孔被打开，控制室的压力 迅速降低，控制柱塞升起，喷油器开始喷油；当电磁阀关闭时，控制室的压力上升， 控制柱塞下行，关闭喷油器完成喷油过程。 德国b o s c h 公司的c r 高压共轨系统主要用于小型高速柴油机上，日本d e n s o 公司e c d u 2 高压共轨系统大部分用于中型和重型柴油机上，表4 介绍的是日本 d c n s o 公司的主要高压共轨系统产品。 6 1 绪论 表4 日本d e n s o 公司的三代共轨系统 t a b l e43g e n e r a t i o n so f c o m m o nr a i ls y s t e mo f d e n s oc o m p a n yi nj a p a n 日本d e n s o 公司的e c d u 2 高压共轨系统【4 刀，如图4 所示，该高压油泵是三，桃 图4e c d - u 2 高压共轨系统 f i g 4 e c d - u 2h i i g hp r e s s u r ec o m m o nr a i ls y s t e m 尖”凸轮、两缸的柱塞直列泵，如图5 ( a ) 所示，该型泵采用预行程调节供油量。启 动时油压上升很快，在怠速时共轨压力达到1 0 0 m p a ，高压油泵的油量控制阀( p c f ) 控制进油量。电控单元和共轨管上的压力传感器完成共轨压力的闭环控制，能保持 稳定的共轨压力。 7 电控柴油机高压共轨系统轨压控制的实验研究 喷油器内的三通阀( t w v ) 由内阀、外阀和阀体以及电磁铁组成，如图5 ( b ) 所示，电磁阀的响应时间小于0 4 m s 。喷油过程是由三通阀控制喷油器控制腔内的 油压完成，喷油定时由三通阀的通电时刻决定，喷油量由三通阀的通电时间大小决 定。改变喷油器控制腔内的油压可以实现不同的喷油规律，如：三角形、预喷射、 靴形规律等。 ( a ) ( b ) 图5e c d u 2 高压共轨高压油泵( a ) 喷油器电磁阀( b ) f i g 5 e c d u 2h i g hp r e s s u r ef u e lp u m p ( a ) i n j e c t o rs o l e n o i dv a l v e ( b ) 1 2 2 国内研究现状 国内在这方面的研究起步较晚，成绩显著的有清华大学、天津大学、上海交通 大学、无锡油泵油嘴研究所和北京理工大学等，他们主要从事系统开发、部件研制、 控制算法、系统控制参数的影响等方面的研究。 国内研究是从中压共轨系统入手，积累了一定的经验，也取得一些的研究成果， 如：天津大学开发的f i r c r i 型中压共轨式柴油机电控燃油喷射系统【2 5 j ，北京理工 大学开发的蓄压共轨式电控泵喷嘴系统。目前，共轨系统研究正转向高压共轨系统， 上海交通大学针对玉柴的6 缸车用柴油机，研制了g d - 1 型高压共轨燃油喷射系统， 系统包括供油泵、共轨管、喷油器等部件 2 4 1 。北京理工大学也在进行高压共轨系统 电控喷油器的研究，实现了高压喷射和高速电磁阀的驱动。无锡油泵油嘴研究所在 e q b 2 3 1 柴油机进1 jj 问匝菇耐l 尔巩丁工尔m w i 口u 2 日l w - - l6 n 3 4 1 。总之，国内的高 压共轨系统还处于研究阶段，尚无成熟的高压共轨喷油系统投产。国内的柴油机生 产企业为了满足严格的排放标准，直接引进国外成熟的高压共轨喷油系统配机，高 8 i 绪论 压共轨系统和电控系统全部采用国外产品，上海柴油机股份公司、一汽无锡柴油机 厂分别在6 c k 系列、6 d l 系列中型柴油机上采用了日本d e n s o 的共轨系统，虽然 在短时间内生产出样机，但没掌握高压共轨的关键技术。 国内的高压共轨系统研究虽起步晚，但到目前为止，己取得了较大进展。但是 离实用仍有一定的距离，主要是由于生产工艺较低，生产成本较高，研究比较分散， 相互脱节，未能解决核心技术等原因。共轨喷油系统、电控系统和高压共轨系统配 机开发是高压共轨系统研究的重要内容。 电控系统是高压共轨系统中的核心技术，包括电控单元硬件、控制脉谱( m a p ) 标定、控制策略和控制算法等内容，由于目前国内还没有成熟的技术，所以自主开 发电控系统是十分必要的。 高压共轨系统配机是高压共轨系统应用的最终环节，匹配好坏直接影响着柴油 机的经济性和排放性。由于喷射压力的提高和可调，共轨喷油系统的配机并不是传 统喷油系统与柴油机的匹配，柴油机的其他系统也要与之相适应，才能达到提高柴 油机性能目的。因此高压共轨系统配机是一项涉及柴油机多系统匹配的系统工程， 必须分阶段进行研究，首先要从解决核心技术入手，从电控系统到进气系统、燃烧 室的改进，再到燃烧组织以及增压系统的匹配等方面的研究。 1 3 课题研究的范围及主要内容 1 3 1 课题研究的现有基础 北京理工大学发动机实验室在高压共轨电控喷油系统研究方面具有良好的研 究基础，王军博士进行了基于高压共轨缸内压力反馈控制规律研究，开发了以 m o t o r o l a3 2 位单片机m p c 5 5 5 为核心的电控单元，完成了高压共轨燃油系统与 y n 4 1 0 0 q b 柴油机的匹配；陈娟硕士进行了基于c r 系统的单缸柴油机喷油正时控 制研究，完成了单缸机高压共轨供油系统实验台的搭建和电控单元的初步设计与调 试；王洪荣博士以自制的m p c 5 5 5 为核心的电控单元，实现了高压共轨系统与 w e c o 发动机的匹配，并基本达到了欧排放；杨建硕士以自制的m c 9 s 1 2 d p 2 5 6 为核心，完成了六缸与单缸机为平台的高压共轨的燃油喷射控制，并与单缸机发动 机实现了合理的匹配。上述研究为本课题设计的高压共轨电控喷油系统提供了基础 平台。 9 电控柴油机高压共轨系统轨压控制的实验研究 1 3 2 课题研究的主要内容 柴油机电控技术是满足欧i 以上排放法规必须采用的技术手段【3 3 1 ，电控喷油系 统配机和电控系统开发是电控柴油机技术的核心，进行高压共轨喷油系统匹配研 究，对加快国产电控柴油机进程有十分重要的意义，能否对高压共轨系统共轨压力 的精确控制，使其能够适应不同工况的需要且响应性和波动性都能达到理想的值方 面满足要求尤其重要。 电控柴油机高压共轨系统压力控制的试验研究是涵盖柴油机电控技术、单片机技 术、高压共轨燃油喷射技术以及p i d ( 比例、积分、微分) 控制算法于一体的试验研 究，基于对以上各种技术的充分利用，通过理论与试验相结合的办法，探索出自己的 一整套的燃油喷射压力的控制策略。 根据实际运行工况的不同，发动机对油门的位置开度也会有不同的要求，所以 在不同工况下，单位时间内共轨向气缸内的供油量也不同，需要的共轨内燃油的压 力值也不同，该研究的主要内容是控制共轨内的压力在一定范围内柔性可调，即在 不同工况之间切换时压力的响应性应该比较快，而且根据工况和负荷不同压力会稳 定在不同值，并使具体工况下的压力波动最小，以达到最佳精确度和雾化效果。 具体内容及目标：根据发动机运行工况结合p i d 控制算法，以m o t o r o l a1 6 位的单片机m c 9 s 1 2 d p 2 5 6 b 为电控中心单元，主要控制共轨压力调节阀( p r e s s r e g u l a t o rv a l v e ) 电磁线圈的电流大小，使其产生的不同大小的电磁力以平衡共轨 腔内的压力，通过这种方式，来控制不同工况下共轨压力的值不同，并且使其在具 体工况时稳定在一定值上，上下波动最小，并能随着工况的变化而迅速响应。 该研究课题的主要新颖之处在于高压共轨在国内才算是刚刚起步，研究高压共 轨压力控制还不够深入，所以本研究课题有一定的开发潜能。较以往压力控制，本 压力控制是通过控制共轨压力调节阀，采用闭环控制方法，控制精度大大提高。 l o 2 高压共轨系统轨压控制的总体方案 2 高压共轨系统轨压控制的总体方案 2 1 电控高压共轨系统设计的总体方案 电控系统设计包括电控单元的设计和其它传感器等采集设备的选型，其中电控 单元设计是整个电控喷油系统设计的核心，本课题的高压共轨电控系统要控制柴油 机喷油定时、喷油量和共轨压力等多个目标，因此需要高性能微处理器。根据高压 共轨喷油系统以及本课题研究的要求，仍然采用m c 9 s 1 2 d p 2 5 6 微处理器构成电控 单元处理器的方案。电控系统总体设计如图6 所示，该电控系统由各类传感器采集 控制目标的运行参数，经过电控单元处理后，输出控制信号驱动喷油器和调压阀， 并由上位机的监控界面实时显示电控单元与被控对象的参数。 图6 基于m c 9 s 1 2 d p 2 5 6 微处理器的电控系统总体设计 f i g 6 s k e t c hd e s i g no f e l e c t r o n i cc o n t r o l l e ds y s t e mo f m i c r o p r o c e s s o rb a s e do n m c 9 s 1 2 d p 2 5 6 2 1 1 高压共轨系统的组成及工作原理 电控柴油机高压共轨系统轨压控制的实验研究 图7 电控柴油机高压共轨的组成 f i g 7 c o n s t i t u t i o no f h i g hp r e s s u r ec o m m o nr a i lo ne l e c t r o n i cc o n t r o l l e dd i e s e le n g i n e 卜油箱2 一粗滤器3 一输油泵4 - 滤清器5 低压燃油油管6 一高压泵7 一高压燃油油管8 一轨道 9 一喷油器1 0 一回油管1 1 - e c u ( 1 ) 高压共轨系统的机械组成 共轨燃油喷射系统( 图7 ) 是由低压供油的低压级、高压供油的高压级和e c ui l 组成。 低压供油 共轨燃油系统的低压级包括：带粗滤器2 的油箱1 、输油泵3 、燃油滤清器4 、 低压油管5 。 输油泵输油泵既可以是带粗滤器的电控油泵，也可以是齿轮式油泵。它从油 箱中吸出燃油，然后源源不断地将所需的燃油量输送给高压泵。 燃油滤清器过滤不充分可导致泵元件、供油阀和喷油器损坏。燃油滤清器在 燃油在到达高压泵之前予以清洁，由此避免了泵的敏感元件出现早期磨损。 高压供油 共轨燃油系统的高压级包括：带压力控制阀的高压泵6 、高压油管7 、带轨压 传感器、限压阀、流量计和喷油器9 的作为高压蓄压器的轨道8 、回油管l o 。 高压泵高压泵压缩燃油至一个最高达1 3 5 0 b a r 的系统压力，之后燃油通过高 压管进入管状的高压燃油蓄压器( 轨道) 。 2 高压共轨系统轨压控制的总体方案 高压蓄压器( 轨道) 即使喷油器为进行喷油已从轨道中获得燃油后，轨道内 的压力还可保持恒定，这是由于燃油的固有弹性而产生的蓄压器效应的结果。燃油 压力由共轨压力传感器测量并通过压力控制阀保持在理想的水平。限压阀的工作是 限定共轨中的压力不超过1 5 0 0 b a r 。高压燃油通过限流计直接从轨道进入喷油器， 限流计避免过多的燃油流向燃烧室。 喷油器当电磁阀被触发，燃油流出时，喷油器的喷油嘴开启。它将燃油直接 喷射入发动机燃烧室内。为了打开喷油嘴而多出的燃油通过集油管流回油箱。从压 力控制阀以及低压级回油的燃油再加上对高压泵进行润滑的燃油一起引入集油管 中。 高压级的燃油管输送高压燃油的油管必须能够持续承受最大系统压力以及偶 尔出现的喷射间隙高频率压力波动。因此高压输油管由钢管制成。通常外径为6 m 而内径为2 4 m m 轨道与喷油器之间的喷油管长度必须相同，喷油管的长度差要采用 每个喷管的或轻或重的弯曲度来补偿。尽管如此喷油管应尽可能短。 电控单元e c u e c u ( e l e c t r o n i cd i e s e lc o n t r 0 1 ) 是柴油机电控高压共轨的核心部分。它的硬件 部分包括微处理器( m i c r o p r o c e s s o r ) ，各种存储器( r a m ，r o m ，e p r o m ，e e p r o m ) ， 输入输出接口( i o ) 以及上述各部分之间传递信息的数据总线，地址总线和控制 总线以及产生时间节拍脉冲的计时器等等。 ( 2 ) 高压共轨系统的工作原理 柴油机高压共轨系统在工作原理上来说，可以分成三个部分，传感器s e n s o r s ， 电控单元e c u ，执行器a c t u a t o r s 三部分组成。 传感器的功用是检测柴油机及车辆运行时的各种信息，如进气与环境压力、冷 却液、机油与燃油温度、进气流量、喷油泵油量调节机构的位移、凸轮轴或曲轴转 速信号与柴油机转速、车辆的行驶速度、油门位置、喷油器针阀的升程等等。反映 以上信息的信号多数是模拟信号，有的是数字信号或脉冲信号，在送入e c u 以后， 尚需经过滤波、整形及放大处理，模拟信号还是经过a d 转换，全部转变成计算机 能够接受且量程合适的数字信号。 e c u 是整个电控柴油机的核心控制单元，它的软件的核心内容是柴油机的各种 性能调节曲线、图表和控制算法，其作用是接受和处理传感器的所有信息，按软件 程序进行运算，然后发出各种控制脉冲指令。为了实现对发动机喷射过程控制的优 化，存储在e c u 中的曲线和图表包括一些在产品开发过程中通过大量试验总结出的 电控柴油机高压共轨系统轨压控制的实验研究 综合各方面要求的目标值，如喷油压力，喷油压力与喷油脉宽及喷油提前角随转速 和负荷变化的三维曲面图，这种图形一般称为脉谱图( m a p ) 。 执行器的功能为接受e c u 传来的命令，并完成所需调控的各项任务。执行器的 种类很多，并视调节方式不同而异，在时间式控制方案中，有控制喷油器针阀启闭 的电磁阀和供油泵压力调节阀等。 2 1 2 共轨压力控制系统的组成及控制原理 共轨压力控制的组成部分包含在高压共轨燃油喷射系统( 图7 ) 内，也是由低 压供油的低压级、高压供油的高压级和e c u 组成。此时的e c u 的主要任务是控制轨 压。 e c u 通过采集凸轮轴和曲轴相位传感器、油门传感器等参数来判断发动机的具体 工况，然后通过采集的修正量参数包括冷却水温、燃油温度、进气温度及进气压力等 来查找对应的m a p ，包括共轨压力的目标设定值及修正值m a p 。通过采集共轨压力传感 器的压力值后做出比较，结合p i d 控制算法，f l j e c u 发出脉冲信号指令，对共轨压力调 节阀p c v 的开度进行调整，使共轨压力趋于目标值( 共轨管一头装有压力限制器，如 果发生异常高压，压力限制器开启，使高压油管内压力下降) 。再次利用共轨压力传 感器测出的轨压值，若压力较目标值有偏差，此时e c u 再次发出指令，如此不断的调 节最终达到非常接近于共轨压力的目标值，而且一直处于动态的调节平衡中。这样由 反馈信号再做出调整形成了一个闭环控制，使控制精度提高了很多。 控制步骤见图8 。 图8 共轨压力闭环控制 f i g 8 c l o s e dl o o pc o n t r o lo f r a i lp r e s s u r e 压力调节阀的工作原理见图9 。 1 4 2 高压共轨系统轨压控制的总体方案 吸油行程艇醯行程 急么| ：么 善懒h “| _ 一一一：一一：o ”h 二。心0 ”蕊。 ：斑：v 并： ： 删州美 j 1r 动掾一卜一 硬雕纷穗l k供油行穗 图9 压力调节阀的工作原理 f i g 9w o r k i n gp r i n c i p l eo f p r e s s u r ec o n t r o lv a l v e 2 2 高压共轨压力控制系统的电控单元 其中电控单元部分的微处理器选用a d 模块的p a d 0 0 p a d 0 7 通道转换温度、 压力等发动机状态参数的电压信号；选用定时器( e c t ) i c o i c l 通道分别捕捉凸 轮轴和曲轴的脉冲信号；选用脉宽调制模块的p w m o p 删5 通道分别控制六缸喷油器 电磁阀的开闭：选用p w m 6 7 通道控制高压泵节流阀的开度；利用串行通讯接口( s c i ) 作为电控单元和上位机的通讯方式。