（动力机械及工程专业论文）高压共轨柴油机控制策略的研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 高压共轨系统能够实现对喷油压力、喷油量、喷油定时以及喷油规律的全工况灵活 柔性控制，其对柴油机性能的改善，除了依靠机械方面性能和e 列硬件电路性能的保证 外，主要依赖于控制策略和控制算法。 本文通过对高压共轨系统结构和控制原理的分析，进行了控制策略的研究，包括轨 压控制策略和喷油控制策略，并基于控制策略对f l u 开发所涉及的硬件和软件技术进行 了初步研究。 共轨压力的精确控制是众多控制量优化控制的一个前提，起动时要求迅速建立轨 压，起动后要适应工况的变化，保持轨压稳定。为了精确的控制喷油压力，对p i d 控制、 模糊控制和p i d 模糊自适应控制算法进行了对比研究，仿真分析和开发板验证实验都证 明，p i d 模糊自适应控制算法控制效果较好。 喷油控制包括喷油量控制、喷油正时控制和喷油率控制。为了在缸内形成品质良好 的混合气，除了可以随工况灵活调整的喷油压力外，更为重要的是精确控制喷油量和喷 油时刻，才能形成理想的喷油规律，达到提高混合气质量、改善排放的目的。喷油控制 是通过查询m a p 的方式进行的开环控制，包括基本m a p 和为了适应工况变化的修正 m a p 。 最后，为了实现控制策略，应用m a t l a b k s i m u l i n k 仿真软件进行了控制算法仿真分 析，并对基于模型的e c u 软件开发方法进行了初步研究；同时，使用r c m 3 枷模块进行 了e c u 的硬件开发，与设计的驱动模块配合，进行的驱动控制实验表明：所开发的e c u 能够实现喷油控制和轨压控制，特别是应用p i d 模糊自适应控制算法，轨压控制有较好 的稳态和动态性能。 关键词：高压共轨；轨压控制；喷油控制；控制策略；控制算法 高压共轨柴油机控制策略的研究 t h e s t u d yo fc o n t r o ls t r a t e g yf o rh i g h p r e s s u r ec o m m o nr a i ld i e s e l e n g i n e a b s t r a c t h i g hp r e s s u r ec o m l n o nr a i lf u e li n j e c t i o ns y s t e m 啪r e a l i z eaf l e x i b l ec o n t r o lo nr a i l p r e s s u r e ，f u e li n j e c t i o nq u a n t i t y , i n j e c t i o nt i m i n ga n d 两e e t i o nr a t e o i lt o t a l w o r k i n g c o n d i t i o n s t oi m p r o v es y s t e m sp e r f o r m a n c e ，m a i n l yo ne c uc o n t r o ls t r a t e g ya n dc o n t r o l a l g o r i t h m b e s i d e st h em e c h a n i c a la s p e c t sa n de c u h a r d w a r ec i r c u i tp e r f o r m a n c e w i t ht h ea n a l y s i so fs y s t e m ss t r u c t u r ea n dc o n t r o lp r i n c i p l e ，c o n t r o ls t r a t e g yr e s e a r c h h a sb e e nd o n e ，i n c l u d i n gp r e s s u r ec o n t r o ls t r a t e g ya n di n j e c t i o nc o n t r o ls t r a t e g y a f t e rt h a ta s t u d yo nt h et e c h n o l o g i co fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ef o re c ud e v e l o p m e n th a sb e e nd o n e t h ep r e c i s ep r e s s u r ec o n t r o li st h ep r e m i s sf u rm a n yo t h e rp a r a m e t e r s so p t i m a lc o n t r o l ， a ts t a r t i n gc o n d i t i o n ，i tr e q u e s t se s t a b l i s h m e n to fr a i lp r e s s u r es p e e d l y ；a f t e rs t a r t i n g , i ts h o u l d a d a p tt ot h ec h a n g e so fw o r k i n gc o n d i t i o n s ，a n dm a i n t a i ns t a b i l i t y i no r d e r t oc o n t r o lp r e s s u r e b e t t e r , p i d ，f u z z ya n df u z z ys e l f - a d a p t e dp i dc o n t r o la l g o r i t h mh a v eb e e nc o n t r a s t e d ，t h e s i m u l a t i o na n a l y s i sa n dd e v e l o p m e n tb o a r de x p e r i m e n th a v ep r o v e dt h a tf u z z ys e l f - a d a p t e d p 【dc o n t r o la l g o r i t h mi sm o r ee f f e c t i v e n e 蝎e e t i o nc o n t r o li n c l u d e sf l i c li n j e c t i o nq u a n t i t yc o n t r o l ，i n j e c t i o nt i m i n gc o n t r o la n d i n j e c t i o nr a t ec o n t r 0 1 f o rt h es a k eo fg o o dq u a l i t yo ft h ec y l i n d e rg a sm i x t u r e ，i na d d i t i o nt o a d j u s ti n j e c t i o np r e s s u r ef l e x i b l yw i t ht h ec h a n g e so fw o r k i n gc o n d i t i o n s ，t h em o r ei m p o r t a n t i st h ep r e c i s ec o n t r o lo ft h e e c t i o nq u a n t i t ya n di n j e c t i o nt i m i n g i n j e c t i o nc o n t r o li sb yt h e m e a n so fl o o k i n gu pm a p t h r o u g ho p e n l o o pc o n t r o l ，a n dt h em a pi n c l u d i n gb a s i c a lm a p a n dm o d j 6 e dm a p f i n a l l y , i no r d e rt ov e r i e yc o n t r o ls t r a t e g y , c o n t r o la l g o r i t h ms i m u l a t i o na n a l y s i sh a sb e e n d o n ew i t hm a t l a b s i m u l i n k , a n dt h et e c n o l o g yo fm e t h o d - b a s e ds o f t w a r ed e v e l o p m e n tf o r e c uh a sb e e ns t u d i e da tt h es a m et i m e u s i n gr c m 3 4 0 0m o d u l ef o r t h ee c u d e v e l o p m e n t ， w i t ht h ed r i v em o d u l e s ，t h ed r i v i n gc o n t r o le x p e r i m e n th a sb e e nd o n eo nf u e l 坷e c t i o nc o n t r o l a n dp r e s s u r ec o n t r 0 1 t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ee c uh a sag o o dp e r f o r m a n c e a p p l i c a t i o np i d f u z z ys e l f - a d a p t e dc o n t r o la l g o r i t h mo np r e s s u r ec o n t r o l ，t h ea c t u a lc o n t r o lr e s u l t ss h o wt h a t ， t h es t a t cp r e c i s ea n d d ”暇日f cp e r f o r m a n c eo f t h es y s t e mi si m p r o v e db yi t k e yw o r d s ：c o m m o nr a i l ：c o m m o nr a i lp r e s s u r eo m t r o hi n j e c t i o nc o n t r o l ；c o n t r o l s t r a t e g y ：c o n t r o la l g o r i t h m 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：幽 日期：竺盥! 丝9 大连理工大学硕士研究生学位论文 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：互鹜螽过 导师签名： 一丑年二月乒日 大连理工大学硕士学位论文 引言 为了满足柴油机排放、节能和提高性能的要求，柴油机电子控制技术己成为当前柴 油机技术的重要发展方向。柴油机电子控制的主要内容有：最佳喷油量控制、最佳喷油 正时控制、喷油压力控制、喷油率控制、调速系统控制、进气涡流控制、e g r 率、增压 压力控制、电控可变进气系统、断缸控制、电热塞通电时间控制和自诊断等，其中最重 要的是电控燃油喷射系统。应用该系统，不仅可以降低h c 和n o i 排放与排气烟度，还可 以降低噪声，改善起动性能，提高柴油机经济性和动力性等多方面的性能。 1 1 柴油机电控燃油喷射系统的发展 近2 0 年来，柴油机电控燃油喷射系统经历了几个重要的发展阶段。按对循环供( 喷) 油量、喷油正时、喷油速率和喷油压力等的控制方式来看，经历了从第一代“位置控制” 到第二代“时间控制”，再到第三代“压力一时间控制”( 又称“压力控制”) 的发展 过程。按燃油喷射系统的基本组成和结构分，经历了常压电控喷油系统到高压电控喷油 系统的发展过程。 在采用“位置控制”的第一代电控喷油系统中，保留了传统燃油喷射系统的基本组 成和结构。喷油量的控制，根据e c u 的指令由齿杆或溢油环的位置进行控制；喷油时问 的控制，根据e c u 的指令由柴油机驱动轴和凸轮轴的相位差进行控制；e c u 是根据通过 各种传感器检出的柴油机状态及环境条件等。计算出适合于柴油机状态的最佳控制量， 并向执行机构发出相应的指令。应用该系统，柴油发动机的结构几乎不需改动，生产继 承性好，便于对现有柴油发动机进行升级换代。该系统缺点是执行频率响应慢，控制频 率低。控制自由度和精度较低，喷油压力无法独立控制。 在“时间控制”的第二代电控喷油系统中，采用高速电磁阀对喷油量和喷油时问进 行时间控制，控制自由度较第一代有较大的提高。第二代电控喷油装置的特征是：燃油 升压是通过喷油泵或柴油机的凸轮来实现的。升压开始的时间( 与喷油时间对应) 以及 升压的终了时间( 从升压开始到升压终了的时阀与喷油量相当) 是由电磁阀的通、断控 制的，也就是说，喷油量和喷油定时是由电磁阀直接控制的。其技术上的难点在于如何 加快高速电磁阀的响应速度，缺点与第一代系统一样，喷油压力还是无法独立控制。第 二代电控喷油系统包括电控直列泵系统和电控分配泵系统，以及一部分电控单体泵喷油 系统或电控泵喷嘴喷油系统 以高压供油泵、电磁、液力控制式喷油器和公共油轨组成的高压共轨喷油系统是第 三代电控喷油系统。该系统通过共轨形成恒定的高压，并借助于集成在每个喷油器上的 高压共轨柴油机控制策略的研究 高速电磁开关阀的开启与 j j 合，定时定量地控制燃油喷射，从而保证柴油机达到最佳的 燃烧比和良好的雾化，以及最佳的着火时间和最少的污染排放，是最有发展前途的电控 喷油系统。 1 。2 柴油机高压共轨系统 共轨技术是指高压油泵、压力传感器和e c u 组成的闭环系统中，将喷射压力的产 生和喷射过程彼此完全分开的一种供油方式与先前的电控喷油系统不同，高压共轨系 统采用高压喷射，是全电控喷油系统。 1 2 高压喷射的目的 柴油机燃烧的关键技术课题就是如何使燃油均匀地雾化，而且在气缸内形成均匀的 喷雾。提高喷油压力，可以使燃油喷雾细微化，形成良好的油气混合，从而减少预混合 燃烧的比例。缩短了着火滞燃期、喷油持续期和燃烧持续期，使得扩散燃烧速度明显加 快，从而提高功率，改善排放。这种效果在过量空气系数低，喷射时间长的高负荷区域 中更加明显。另一方面，在过量空气系数高、排放较好的低负荷区域中，降低喷油压力 可以得到降低嗓音的效果。因此，随着现代排放法规越和人们对舒适性要求的越来越苛 刻，燃油系统在努力提高喷油压力的同时，还希望能够自由的控制喷油压力。 对于目前广泛采用的直喷式柴油机，由于燃料雾化和形成混合气的能量主要是由高 压喷射燃油提供的，因此要求有较高的喷油压力。目前公认的看法是直喷式柴油机为了 达到欧i i 排放标准或实现更高的要求，喷油压力应当不低于1 2 0 1 5 0 m p a ，甚至要求高 达2 0 0 m p a ，这个目标只有采用高压共轨或泵喷嘴系统才能实现。 然而，在传统的燃油喷射系统( 包括泵喷嘴系统) 中，喷油压力决定于发动机的转 速和负荷。特别是低转速、高负荷时，很难得到高的喷油压力，因此发动视在起动和加 速时会冒黑烟，即使喷油压力高达2 0 0 2 4 0 m p a 的泵喷嘴系统也不会例外。高压共轨 系统喷油压力和转速、负荷无关，能够保持压力相对稳定，在高压喷射方面有着绝对的 优势。 1 2 2 高压共轨电控喷油技术的特点 柴油机共轨燃油喷射系统是集成了计算机控制技术、现代传感检测技术以及先进的 喷油结构于一身的新技术。该技术的主要特点有：采用先进的电子控制装置及配有高 速电磁开关阀；采用共轨方式供油；高速电磁开关阀频响高，控制灵活；系统结 构移植方便，适应范围广。与传统柴油机的比较见表1 1 。 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 表1 1 高压共轨柴油机与传统的柴油机比较 旦q ：! ：! 骘吐! 塑鲤鱼! 婴鲤墨塑里鲤苎曼! 塑翌堕型堂尘! ! 型! 塑迦! i ! 苎! ! ! 啦 比较项目传统柴油机高压共轨柴油机 1 2 3 高压共轨系统的发展 正是由于共轨式电控燃油喷射技术具有上述的特点，所以该技术一经问世，就得到 世界上大多数柴油机制造厂商的青睐。现在国内外许多内燃机方面的专家学者都在致力 于该项新技术的研究，并致力于开发新一代的高压共轨系统及其与之配套的产品，目前 正在进行第三代产品的设计开发。 第一代共轨系统高压泵总是保持在最高压力，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。压电式( p i e z o ) 共轨系统是第三代，具有强大的技术潜力，其中电激励压电晶体起着驱动喷油嘴的功能。 压电式共轨系统的优势在于：一方面，由于压电石英晶格的变形速度在0 1 m s 以内， 所以压电喷油器的开关响应速度比电磁阀更快，这样对于同样的燃油喷射量，只需要更 短的喷油持续时间：另一方面，由于采用压电晶体块取代了电磁线圈，在喷油器内，整 个喷射控制链上的累积公差可以进一步降低，从而提高了喷射的重复精度，进而可以更 精确地控制燃油喷射量。这些优点有助于产生更高的发动机功率，并减少有害排放。 值得一提的是，目前只有压电式喷油器能够实现对喷油针阀的直接驱动，而这种功 能是实现燃油喷射规律调整所必不可少的。所以，针对未来更为严格的排放法规，压电 式喷油器将会有更大的潜力。 三代共轨系统的比较如表1 2 所示 高压共轨柴油机控制策略的研究 袭1 2 三代共轨系统比较 t a b 1 2 c o m p a r i s o no ft h r e eg e n e r a t i o n sc o m m r a i l 业g 咖 一 共轨系统的发展阶段第一代 第二代第三代 从表1 2 中可以看出：共轨喷射的最高喷射压力在不断提高，这样有利于提高喷射 品质。压力越高，燃料雾化越好，颗粒越小越均匀，燃烧越充分，经济性、动力性和排 放性均能大幅提高，但这对喷射系统的要求也越高；喷射的次数不断增加，可以实现满 足发动机燃烧和排放的多次喷射，可以控制燃烧的不同阶段喷油量和喷油速率，使燃烧 更充分，热效率提高；在最小稳定喷射量上，3 个阶段的每次的喷射量在下降。这是因 为每次喷射时候可以使喷射更均匀、更细密，喷油和断油更干脆，反应灵敏，响应特性 好，这样有利于燃烧，减少积炭的产生。 从上述表中的对比不难发现，电控高压共轨燃油喷射系统的发展趋势是更高的喷射 压力( 2 0 0 m p a ) 、更小的喷孔直径( o 儿0 1 3 n u n ) 、更短的响应时间( 0 1 m s ) 、更 低的功率消耗( 采用压电晶体喷油器) 和功能更完善的软件。 1 2 4 国内外高压共轨系统研究概况 2 0 世纪6 0 年代后半期，瑞士的h i b e r 教授开发成功柴油机电控共轨系统的原型， 目前国外已经开发出多种共轨喷油系统，最具代表性的有： ( 1 ) 日本电装( d e n s o ) 公司的e c d - u 2 高压共轨式喷油系统。该系统由高压油泵、 共轨管、f l u 和喷油器等组成。系统电控单元( e c u ) 根据柴油机工作状况和其他信息( 如 油温、压力等) ，依据给定的油压脉冲图谱，通过高压输油泵上的压力控制阀( p c v ) 来 调整油泵供油量，以改变共轨管中的油压，因此油压与柴油机转速无关。该系统通过高 速电磁阀可实现对喷射定时、喷射量及喷射速率的柔性控制，从而使n o ：和颗粒( p m ) 排放大大降低。本论文中所用到的实验系统中共轨系统也是e c d u 2 ，后面会做详细阐 述。 ( 2 ) 图1 1 所示为b o s c h 公司生产的c r 高压共轨系统。这个系统的特点是，增 加了限压阀和限流器。b o s c h 公司对共轨喷油技术的研究与开发1 9 9 7 年才起步，但是 发展迅速，现在已经发展到了第四代，累计已经生产出了大约1 5 0 0 万套共轨燃油喷射 系统。b o s c h 公司第一代共轨系统的喷油压力只有1 3 5 m p a ，第二代达到1 6 0 m p a ，第 三代已经达到1 8 0 m p a ，第四代增大到2 2 0 m p a 的喷油压力 一一 大连理工大学硕士学位论文 德国b o s c h 公司的c r 高压共轨式喷油系统与d e n s o 公司e c d - u 2 很相似，但该系 统的高压供油泵为带有电控压力调节器的径向柱塞泵，可实现部分停缸控制。图1 1 是 2 0 0 3 年5 月b o s c h 公司推出了第三代轿车用压电直接控制式喷油器共轨喷油系统，其显 著特点是集成在喷油器体中的压电执行器使喷油器能迅速开闭。该系统在1 6 0 m p a 系统 压力和无排气后处理的情况下用于重型汽车时，排放值可达到欧排放标准，可降低柴 油机废气排放高达2 0 ，此外还能提高功率5 ，或降低燃油耗3 ，或降低噪声3 d b ( a ) ， 这要视发动机开发目标而定。 图1 1 博世c r 共轨系统 f 皤1 1 f i g u r eo fb o s c hc rc o m m o nr a i ls y s t e m 欧洲可以说是柴油车的天堂，在德国柴油轿车占了3 9 。柴油轿车已有了近7 0 年 的历史，而最近1 0 年可以说柴油发动机有了突飞猛进的发展。今天在欧洲，众多品牌 的轿车都配有共轨柴油发动机，如标致公司就有h d i 共轨柴油发动机，菲亚特公司的 j t d 发动机，而德尔福则开发了m u l t e cd c r 柴油共轨系统。 国内目前己经进行过共轨燃油喷射系统研究的主要有三所大学和一些企业，众多单 位参与了共轨系统零部件的研制工作。 在共轨燃油系统的关键零部件研究方面，天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室首 创提出一种用于车用柴油机的新型共轨蓄压式电控燃油系统p a i r c u i ，填补了我国第三 代电控燃油喷射系统的空白。该实验室后来还开发出一种灵活控制喷油规律的高压共轨 喷油器f i r c r i ，它具有稳定的小量预喷射功能，多次控制喷射功能和喷油率形状的剪 高压共轨柴油机控制策略的研究 裁功能。上海交通大学研制了一种高压共轨燃油喷射系统，采用定容式储压器，通过调 节电液比例电磁阀的输入电压可以灵活改变储压器的储油压力。除此之外，上海交通大 学还研制出一种增压共轨式燃油喷射系统，并进行了台架实验。在该系统中提出了一种 与现有电控喷油器供油工艺完全不同的电控喷油器，它将喷油过程分为计量和喷射两个 过程，大大降低了对电磁阀响应速度的要求和制造难度。北京理工大学也进行了蓄压共 轨式燃油喷射系统的研究，白行研制了压力调节器和高速响应电磁阀。 目前国内从事共轨燃油喷射系统研究的企业主要有广西玉林柴油机厂。他们与清华 大学合作开发了g d l 型柴油机高压共轨喷射系统，还与上海交大合作开发应用于y c 6 1 1 2 柴油机的电控高压共轨系统。无锡油泵油嘴研究所与无锡柴油机厂一起与国外合作，己 经在c a 6 1 1 0 增压中冷柴油机上成功进行了共轨式喷射系统的实验。辽宁新风企业集团 下属的吉尔燃油喷射有限公司投资5 0 0 0 万元买进德国专利，并与瑞士马库斯利渤海 尔集团( c r t ) 合作，进行了高压共轨燃油喷射系统再创新研制，该系统可以替代进口， 达到欧欧排放标准。 另外，众多单位之间开展合作，研制开发了共轨燃油系统的关键零部件。天津大学 在龙口油泵油嘴股份有限公司全力配合下对共轨蓄压式电控喷油器的加工、工艺和检验 工作了卓有成效的工作。无锡威孚集团和天津大学共同开发了高压共轨喷油器性能检测 系统。 总体来看。在该领域，国内还是停留在设计、研究阶段，离产品化还有一定的差距。 1 2 5 高压共轨系统的研究重点 目前电控技术的研究重点之一在于执行器和电控单元的设计。在电控单元的设计 上，国外己经形成一种比较成熟的“v ”字形设计模式，即由“功能设计”( f u n c t i o n d e s i g n ) 到“快速控制原型”( r a p i dc o n t r o lp r o t o t y p i n g ，r c p ) ，再到“目标代码生成”( t a r g e t c o d eg e n e r a t i o n ) ，“硬件在环仿真”( h a r d w a r e i n t h e 1 0 0 p ，h j ，最后为“实机测试” ( l a b o r a t o r yt e s t ) 。在实机测试中，如果发现其功能与要求不符，则可以回到其中任何 一步加以修改和完善。 另一方面的研究重点就是高速电磁阀、压电晶体的研究、开发。结构性能实验、仿 真和驱动研究是这一领域研究的重点。 1 。3 课题的目的和意义 本课题基于上述研究重点的第一个方面，对高压共轨系统控制策略和控制算法进行 研究，目的是研究e c u 开发的软、硬件开发技术，加深对高压共轨系统核心控制技术的 掌握和应用水平 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 共轨电控技术是一项复杂的系统工程，我国在该领域的研究目前尚落后于国外，而 电控系统开发所涉及的电子应用技术和软件设计技术，相对于某些基础研究领域，我国 与国外水平差距较小。因此，研究高压共轨系统的电控喷射系统软、硬件设计，具有重 要的现实意义。 1 4 论文各部分的内容 论文的第一部分介绍了高压共轨系统的发展和研究现状，以及本课题的目的和意 义；第二部分对高压共轨电控喷油系统的结构及控制原理进行了较详细的介绍，目的是 为了便于分析和制定适宜的控制策略；第三部分对共轨系统的轨压控制和喷油控制的控 制策略做了深入的研究；第四部分是对控制策略研究的进一步深化，着重研究控制策略 的软件和硬件实现，即e c u 的软件和硬件开发技术。 第二章高压共轨电控喷油系统的主要构成和控制原理 日本电装公司( d e n s o ) 的高压共轨系统目前国内研究应用较多，图2 1 是日本电 装公司第二代共轨系统构成图，图2 2 为系统构成部件的照片。其主要部件为：供油泵 ( 生成高压燃油) 、共轨管( 蓄积高压燃料) 、喷油器( 喷射燃油) 以及控制这些部件 的e c u 和检测发动机运行状态的各种传感器。 图2 1 共轨系统构成 f i g 2 1 c o m m o nr a i ls y s t c mc o m p o n e n l s 图2 2 系统构成部件 f i g 2 2c o m p o n e n t so f c o m m o n r a i ls y s t e m 从控制的角度看，整个系统的控制核心是电控单元( e c u ) ，两个控制对象，分别是 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 高压油泵电磁阀( p c v 阀) 和喷油器电磁阀。因此，按控制对象的不同，整个控制系统 可以划分为轨压控制系统和喷油控制系统以及公共的核心控制单元( e c u ) 三个部分， 分别实现轨压控制和喷油控制两种关键控制功能 2 1 轨压控制系统 轨压控制系统包括，高压供油泵，高压油管，共轨管，其系统结构图如图2 3 所示 图2 3 共轨压力控制系统框图 f i g 2 3 b l o c kd i a g r a mo f c o m m o nr a i lp r e s s u r ec o n t r o ls y s t e m 共轨管连接高压油泵与喷油器，作用是将高压油泵产生的高压燃油分配到各气缸喷 油嚣。共轨管上附有共轨压力传感器，用于检测燃油压力。共轨压力传感器的结构如图 2 4 所示，其作用是以足够的精度，在较短的时问内，测量实时压力，并向剃提供反 馈电信号。 1 线束插头2 分析电路3 带传感元件的膜片4 高压接头5 固定螺纹 图2 ，4 轨压传感器结构图 f i g 2 4 s t r u e m eo ft h ec o m m o nr a i lp i e s s 呲g l i $ o ! 电控高压油泵是共轨压力控制的关键部件。主要作用是将低压燃油加压成高压燃 油，供入共轨中，其结构如图2 5 所示。其中，高压油泵进油量控制电磁阀( 进油阀。 压力控制阀，p c v ) 是轨压控制系统的核心控制部件，它安装在输油泵和高压油泵之间 的低压油路上 高压共轨柴油机控制策略的研究 凰2 5 高压油泵结构原理图 f i g 2 5 s t r u c t u r eo ft h eh i g hp r e s s u r ep u m p 轨压的控制是由e c u 通过调节比例电磁阀内电流的大小来调整阀芯滑动的位置， 以实现对进入高压油泵燃油量的控制。燃油输送流量的变化率，可以为0 到1 0 0 之间 的任何值，并且当比例电磁阀内的电流为0 ( 不通电) 时，燃油的输送量最大，电磁阀 的流量特性如图2 6 所示。其中，i o 是电磁阀动作阀值，在电流从0 增大到i o 的过程中， 电磁阀处于开启状态；之后随着电流增大，比例电磁阀开度变小，通过燃油流量减少； 当电流大于i l 后，电磁阀关闭。 鎏 q 图2 6 电磁阀流量特性 f i g 2 6f l o w c h a m t e r i s t i c s o f e l e c t r o m a g n e t i c v a l v e 在实际的控制中，电磁阀由脉宽调制波( p w m ) 驱动，通过改变占空比，使电磁阀 的平均驱动电流产生变化，占空比越大，产生的驱动电流越大。e c u 调整共轨压力是通 过标定后的共轨压力m a p ( 特性曲线) 查表获取p w m 目标占空比进行的 2 2 喷油控制系统 喷油控制系统主要是由带有喷油电磁阀( i w v ) 的喷油器构成。 喷油器的功能是根据e c u 发出的信号，将共轨的高压燃油以最佳的喷射正时、喷射 量和喷射率呈喷雾状喷入发动机燃烧室。1 双向电磁阀通过对控制室压力进行控制来 控制喷射的开始和结束。量孔能够控制喷嘴的开阀速度，从而控制喷射率。油压活塞将 控制室中的压力传递到喷嘴针阀。喷油器由与原先相似的喷嘴和控制喷射率的量孔、油 压活塞和双向电磁阀组成，见图2 7 所示。喷油器的1 、w 由内阀( 固定) 和外阀( 可动) 两 个阀体构成。并精密啮合在同一轴上。分别形成内、外两个阀座，对t w v 进行o n o f f 操作，可有选择地开启其中一个阀座。喷油量由开启时间和共轨压力决定。当电磁阀不 再受控而关闭时，喷油过程就结束。 a 非喷油状态b 喷油状态 1 低压回油2 线束插头3 电磁罔4 高压进油口5 球形阀6 回油节流孔 7 进油节流孔8 控制室9 控制柱塞1 0 喷嘴进油道1 1 喷嘴针圈 图2 7 电控喷油器结构图 f i g 2 7 s t m a u mo ft h ee l e c t r o n i cc o n t r o li n j e , c i o i 2 3 电控单元( e c u ) 整个高压共轨燃油控制系统e c u 分软件和硬件2 个方面。软件方面是把控制对象 的控制策略和算法等编写成软件程序，然后将其固化在硬件电路板中的主控芯片单片机 上，使其运行，达到所需的控制目的。 硬件方面是在单片机芯片的基础上扩展一些接口，主要包括：微控制器( m c u ) 模 高压共轨柴油机控制筑咯的研究 块、输入模块、输出模块、电源模块和通讯模块等5 个部分，如图2 8 、2 , 9 所示。 2 8e c u 硬件结构示意图 f i g 2 8 s c h e m e o f e c uh a r d w a r e s t r u c t u r e 图2 9e c u 照片 f i g 2 9 p h o t oo fe c u 2 3 1 输入输出接口 输入模块主要将从传感器采集的信号进行预处理，如放大、整形、电压变换、a d 转换、滤波处理等，保证实时准确地为中央处理器( c p u ) 提供发动机控制所需的各种 参数( 倘若是数字信号或脉冲信号则不需如上处理) 。 控制类信号：上止点信号、曲轴转角脉冲信号、油门踏板位置信号和轨压信号，它 们负责将执行器的运行情况反馈给电控单元，实现对执行器的闭环( 反馈) 控制。 监控类信号：冷却水温度、机油温度、机油压力、排气温度等，它们向电控单元提 供反映柴油机运行状况的基本参数。 修正类信号：进气温度、进气压力等。采集的信号用来对基本循环供油量或基本喷 油提前角等基本参数进行修正 大连理工大学硕士学位论文 输出接口是e c u 与执行器之间的连接通道。执行器是柴油机电控技术的关键和难 点，在共轨电控燃油系统中，主要有两种类型的执行器，一种是用来控制共轨压力的高 压油泵比例电磁阀；另一种是电控喷油器上的开关电磁阀。所以输出信号主要有两种， 一是喷油控制脉冲信号，另一个是轨压控制脉冲信号。 表2 1 是上述信号的详细列表信息。 表2 1f , l - u 输入输出信号列表 t a b 2 1 i n p u t o u t p u ts i g n a l sl i s to fe c u 信号名称类型信号描述传感器执行器描述 2 3 2 微控制器( m c u ) 微处理器是e c u 的核心处理单元，它将收到的来自外部传感器的信号进行运算，并 将它们限制在允许的电压水平上。根据这些输入数据和储存的m a p 图，微处理器计算出 喷油持续时间和喷油时刻，并且将这些信号转换成为适合于发动机活塞和曲轴运动的信 号特征。从m c u 输出的信号用于触发驱动模块，这些驱动模块提供适当的功率用子系统 接控制喷油器与高压供油泵的执行器 2 3 3 电源模块 控制系统的电源模块为整个电控系统提供电源由蓄电池和直流d c d c 稳压模块 构成，如图2 1 0 所示。 高压共轨柴油机控制策略的研究 图2 1 0 电源模块框图 f i f r 2 1 0b l o c kd i a g r a mo f p o w e rs u p p l ym o d u l e 2 3 4 通信模块 通信模块由r s 2 3 2 串口和c a n 总线接口组成，前者实现串口通讯，完成标定功能； 后者实现e c u 之间的通讯 2 4 本章小结 高压共轨式电控燃油喷射技术是一种全新的技术，集计算机控制技术、现代传感检 测技术以及先进的喷油器结构于一身，是全电控喷油系统，包括轨压控制系统和喷油控 制系统，其中e c u 是整个系统的核心，能够自由地实现轨压控制和喷油控制。 大连理工大学硕士学位论文 第三章控制策略的研究 为了实现共轨系统及电控单元e c u 对柴油机的最佳匹配，除了依靠机械方面性能 和e c u 硬件电路性能的保证外，主要依赖于窀控荜元控制策略和控制算法。在高压共 轨控制系统的开发过程中，控制策略的设计及其实现处于核心地位。正确合理的控制策 略设计是系统工作稳定可靠的保证。 3 1 控制逻辑分析 柴油机电控系统控制策略从逻辑上可以划分为图3 1 所示的七个模块，每一个特定 的模块实现其对应的特定功能，各个模块之间在功能上是相互独立的，但是在逻辑上却 是紧密相连的。 墼3 1 控制逻辑划分 f i f r 3 1 p a r t i t i o no fc o n t r o lt o g i c 工况判断模块是电控系统控制策略与柴油机工况信息的接口。对于柴油机的燃油喷 射控制，必须根据发动机工况采用相应的控制羡略。与起动后控制不同，柴油机起动时。 不能检测到转速信号和判缸信号，控制比较特殊，所以基于研究的方便本文把工况分为 两类，即起动和起动后两种情形。 喷油量控制模块对不同发动机运行工况和工况转换时的喷油量进行控制，以满足柴 油机目标要求。为了能取得较好的控制效果，除了转速决定的基本油量外，还包括修正 类信号产生的修正喷油量。从油量控制模块得到的是每缸每循环喷油量和喷油脉宽。 根据工况选择合适的喷油规律，对于多次喷射，完成每次喷油量的计算，即总油量 分配，是喷油率控制模块解决的问题 高压共轨柴油机控制策略的研究 共轨压力控制模块与喷油正时模块根据喷油量和发动机状态参数获得供油脉宽、供 油时刻、喷射脉宽及喷射时刻，它们都属于模块驱动程序，是硬件系统层与软件系统层 之间的接口，向硬件驱动模块准确表达软件控制策略的意图。 驱动模块根据轨压控制与喷油控制的要求，分别驱动高压油泵电磁阀和喷油器电磁 阀，以实现轨压控制和喷油控制。 理清逻辑层次划分，使得电控系统控制的结构比较清晰，便于对控制策略进行分析、 设计 3 2 轨压控制策略 在电控高压共轨系统中，共轨压力( 轨压) 的精确控制是众多控制量优化控制的一 个前提，它不仅决定了喷油压力的高低。而且是喷油量计算的重要参数，其稳定性和动 态响应直接影响发动机起动、怠速、加速等动力性能。特别是喷油量的精确控制。严重 的依赖于共轨压力。 轨压控制分成三个步骤进行计算： ( 1 ) 最终喷油压力p 血的计算，根据各种传感器信号确定最终的喷油压力p 血； p 血是根据发动机转速n e 和负荷q 血( 最终喷油量) 确定的喷油压力目标值。但是 它最终要根据冷却液温度t h w 修正后才能确定。 ( 2 ) 轨压控制输出量p f 的计算，目标轨压值p 血与通过轨压传感器实时采集的轨压 实际值p 。输入控制器( e c u ) ，经过实时闭环控制算法得到轨压控制输出量p f 。 ( 3 ) 确定最终的输出控制量为p w m 波占空比，这里控制对象高压油泵进油量控制 电磁阀采用p 喇脉宽调制方式，通过改变输出脉宽的占空比，从而改变激励电流，以达 到轨压的控制与调节。因此，最终的输出量时一定频率和一定占空比( d u t yc y c l e ) 的 p 喇波形。 轨压控制有两种方式可以选择：开环控制和闭环控制。开环控制因具有响应速度快， 其控制精度取决于运行工况和状态参数的测量精度；闭环控制对传感器和执行器的精度 依赖较小，可以实施优化控制，但其控制周期长且响应速度慢。所以，为了迅速建立轨 压，在起动过程中采用开环控制方式；当达到目标压力后，采用闭环控制方式维持，通 过调整比例电磁阀的通电电流，调节比例电磁阀的开合程度来达到调整轨压的目的 图3 2 是按照上述思想进行的轨压闭环控制框图 大连理工大学硕士学位论文 图3 2 轨压闭环控制框图 f i g 3 2c l o s c d - l o o pc o n t r o lb l o c kd i a g r a m o f c o m m o nr a i l p r e s s m e 3 2 1 起动轨压控制 在起动过程中，转速较低，内部泄漏较大，为促进燃油与空气的混合，必须迅速建 立起足够的喷射压力；同时需要根据柴油机的冷热状态确定合适的低速加浓油量，在不 冒黑烟的前提下保证柴油机顺利起动。 v 按照起动过程的状态变化，将压力控制划分为如下两个阶段： 阶段1 为柴油机起动初期，e c u 未检测到判缸信号时，为了尽快建立共轨内油压， e c u 的起动程序不是采取查取轨压m a p 图去控制油泵电磁阀，电磁阀电流为零，即 p w m 占空比为零，进油量最大，加速起动过程中目标轨压的建立。 阶段2 为轨压达到目标值( 一般取为4 0 m p a ) 后、柴油机未达到最低怠速转速前， e c u 以闭环控制的方式，通过查询m a p 图，采用合适的p w m 占空比，维持起动目标 油压，直到转入怠速过程。 3 2 2 起动后轨压控制 当共轨压力达到所需压力后，进入共轨压力的闭环控制方式，保持共轨压力的稳定。 稳态工况下，共轨压力要求维持在根据柴油机状态确定的压力值上，由于喷油器喷油和 燃油泄漏的影响，每次喷油后均需进行压力调节。 e c u 首先根据最终喷油量和转速，通过查油压m a p ( 如图3 3 所示) 确定目标轨 压基本值，结合进气温度、进气压力和冷却水温对基本值进行修正，得到的结果即为最 终目标轨压p 丘：然后将当前轨压反馈值与目标值相比较，两者通过实时控制算法求得 轨压实际控制量p f ，查询m a p 图得到相应的p w m 驱动占空比，输出至高压油泵进油 量比例电磁阀，完成共轨压力控制。 高压共轨柴油机控制策略的研究 图3 3 轨压控制m a p f i g 3 3 m a p o f c o m m o n r a i l p r e s s u r e c o n t r o l 3 2 3 轨压闭环控制算法 轨压闭环控制效果直接决定于控制器特别是控制算法的设计。轨压闭环控制算法， 是高压共轨的核心控制算法之一，为了精确控制轨压。对p i d 和p i d 模糊自适应两种控 制算法进行了对比研究。 3 2 3 1p i d 控制算法 按偏差的比例( p ) 、积分( d 和微分( d ) 进行的p i d 控制是一种线性控制器，它根据 给定值：r ( t ) 与实际输出值y ( 0 构成控制偏差郇) ，即；c ( t ) = “i ) 一y c t ) ，理想的p i d 控制器 是一种线性控制器，将偏差的比例、微分和积分通过线性组合构成控制量，对被控对象 进行控制，其控制规律为： 啪- + 瓤e 渺+ 瓦警障( f ) - 巧p m k 上e ( f + 蜀掣 ( 3 1 ) 式中：u ( i 卜控制器输出信号：e ( i ) 一控制器输入偏差；式中：曷一比例常数；厨一 积分常数；肠微分常数：栅分时间常数：t d 微分时间常数。 因此其传递函数为：o o ( s ) - 鬻- 巧+ 争+ 局j ( 3