（机械工程专业论文）高压共轨燃油喷射系统电控单元的开发及共轨压力控制策略研究.pdf

上海交通大学工程硕士专业学位论文 摘要 高压共轨燃油喷射系统电控单元的开发 及共轨压力控制策略研究 摘要 日趋苛刻的排放法规以及不断改善的经济性、动力性和舒适性的 要求，使柴油机的发展面临严峻的挑战，发展柴油机电子控制技术已 成为迫在眉睫的任务。高压共轨燃油喷射系统( 简称：高压共轨系统) 是公认的最有发展前途的电控燃油喷射系统，它通过对喷射压力、喷 油定时、喷油量以及喷油规律的柔性控制，有效地改善柴油机综合性 能。但其电控单元( e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ，简称：e c u ) 的开发是 一个庞大的系统工程，需要投入大量的人力、物力。特别对我国的相 关研究工作来说，由于处于起步阶段，将面对开发过程中实验量大、 效率低、费用高等问题。基于计算机的数字仿真技术，利用先进的开 发工具，构造系统实时仿真环境；利用高级语言编写、搭建和验证控 制策略，并最终自动编译生成实用的控制代码。这些无疑会对人们认 识和掌握高压共轨系统电控单元设计的一般方法、验证控制策略、优 选控制参数、缩短开发周期和提高工作效率都起到非常重要的作用。 本文在深入研究e c d u 2 高压共轨系统工作过程与原理的基础 一 上，开发了基于d s p a c e 实时仿真系统的e c u ：首先，在 m a t l a b s i m u l i n k 中建立了符合要求的e c u 模型，然后运用快速控 制原型技术构造了系统实时仿真的平台，从而为控制策略的设计和快 速验证提供了有力的支持。 共轨压力的灵活控制是高压共轨系统的关键之一。本文先以 上海交通大学工程硕士专业学位论文摘要 m a t l a b s i m u l i n k 及其多个工具箱为平台，建立起三种共轨压力控 制器模型，即p i d 控制、模糊控制以及模糊自整定p i d 控制，接着 进行了实时仿真的试验研究。 在p i d 控制研究中，针对低转速时控制效果不理想，采用了带前 馈的改进p i d 控制方法，试验表明，进一步完善相关数据，用这种方 法可以实现对共轨压力的有效控制。模糊控制试验表明，虽然实现了 对输出量的在线调整，系统对共轨压力变化具有较好的跟踪性能，但 高压时稳态误差大，无法消除。最后，结合p i d 控制和模糊控制两者 的优点，提出了模糊白整定p i d 控制。各种变工况压力跟随试验结果 证明，系统在宽广的工况范围内，响应快、超调小，稳定性好，具有 很好的鲁棒性。 本文的研究是开发实用的柴油机e c u 的前期工作，更重要的是 提出和实践了一种较为先进的设计思路，丰富和提高了柴油机的控制 理论和控制方法，可为后续的研究提供软件和理论的支持及方法论的 指导，也必然对柴油机电控技术的发展起到积极的作用。 关键词： 高压共轨，电控单元，共轨压力，实时仿真，控制策略 上海交通大学工程硕士专业学位论文 e c ud e v e l o p m e n to fm g h p r e s s u r ec o m m o nr a i lf u e l i n j e c t i o ns y s t e ma n dc o n t r o ls t r a t e g y r e s e a r c ho fr a i lp r e s s u r e a b s t r a c t a s 如e lc o n s u m p t i o na n de m i s s i o nr e g u l a t i o i l sa r em o r ea n dm o r es t r i n g e n t , e l e c t r o n i ct e c h n o l o g yh a sb e e na p p l i e dt od i e s e le n g i n e t h ee l e c t r o n i c c o n t r o l l e d h i g h p r e s s u r ec o m m o n r a i ls y s t e mh a ss u c hf e a t u r e sa sf l e x i b l ec o n t r o lo v e r 竭e c t i o n p r e s s u r e ，f u e lq u a n t i t ya n di n j e c t i o nt i m i n g ，a d j u s t a b l ei n j e c t i o nr a t es h a p e ，e t c a l lo f t h e s em a k ei to n eo ft h eb e s ta n dm o s th o p e f u lf u e l 坷e c t i o ns y s t e m s b u tt h e d e v e l o p i n gp r o c e s so fi t se l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ( e c l oi s s oc o m p l i c a t e d ，g r e a t f i n a n c i a la n dl a b o rs u p p o r t sa r en e e d e d p r a c t i c a lc o n t r o lc o d eb a s e d o nr e a l - t i m e s i m u l a t i o ne n v i r o n m e n tu s i n gs i m u l a t i o nt e c h n o l o g ya n da d v a n c e dd e v e l o p i n gt o o l s i sg e n e r a t e d t h e s ew i l lo b v i o u s l yh e l pu st ou n d e r s t a n da n dm a s t e rt h ed e s i g ns t e p s o ft h ec o n t r o l ，t ov a l i d a t et h ec o n t r o ls t r a t e g y , t oo p t i m i z et h ec o n t r o lp a r a m e t e r sa n d t os h o r t e nt h ed e v e l o p i n gp e r i o d f i r s t , a ne c um o d e lo fah i g h p r e s s u r ec o m m o nr a i ls y s t e mn a m e de c d u 2 w a sd e v e l o p e di nt h i st h e s i sb a s e do nt h es o f t w a r eo fm a t l a b s i m u l i n k a f t e rt h a t , u s i n gr a p i dc o n t r o lp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g yo fd s p a c ee m u l a t o r , a h i g h - p r e s s u r er e a l - t i m es i m u l a t i o ns y s t e mw a sb u i l t ，w h i c hi st h ep l a t f o r md e s i g n i n g a n dv a l i d a t i n gv a r i o u sc o n t r o ls t r a t e g y f i n a l l y , d u et ot h ei m p o r t a n c eo ft h ec o n t r o lo ft h ec o m m o n r a i lp r e s s u r e ，t h r e e m e t h o d sn a m e dp i dc o n t r o l ，f u z z yc o n t r o la n df u z z ys e l f - t t m i n gp i dc o n t r o la r e s t u d i e d i nt h er e s e a r c ho np i dc o n t r o l ，b ya n a l y 2 i n gt h ep r o b l e m st h a tt h et r a d i t i o n a l p i da l g o r i t h mf a c e d , t h ef e e d - f o r w a r d e dp i dc o n t r o lw a sp r e s e n t e d t h er e s u l t so f p r e s s u r ec o n t r o lw i l lb ea c c e p t a b l ei fi n t e g r a t em a pb es u p p l i e d i nf u z z yc o n t r o l m e t h o d ，b i g s t a t i ce r r o ri nh i g h e rp r e s s u r ew a sf o u n d e d f u z z ys e l f - t u n i n gp i d c o m b i n e st h ea d v a n t a g e so fb o t ht h ep i dc o n t r o la n dt h ef u z z yc o n t r 0 1 e x p e r i m e n t a l r e s u l t si n d i c a t et h a tt h ec o n t r o lo ft h ep r e s s u r ei nm o s tc a s e si sr a p i d , a n dt h e o v e r - r e g u l a t i n gi ss m a l l i ti sc o n f i r m e dt h a tt h ec o n t r o ls y s t e mi ss t a b l e r e s e a r c h e sm a d ei nt h i st h e s i sa r ep r i m a r yb u ti m p o r t a n tf o rd e v e l o p i n ga c t u a l e c u ，b u tt h ek e yp o 缸i st op u tf o r w a r dan e wm e t h o d o l o g yf o re n r i c h i n ga n d 上海交通大学工程硕士专业学位论文 e n h a n c i n gt h ec o n t r o lm e t h o d s o ，a b o v er e s e a r c h e sc a na l s os u p p o r tf u t u r ew o r ko n t h e o r ya n ds o f t w a r ea n dw i l la b s o l u t e l yh a v eg r e a tp o s i t i v ee f f e c t so nd i e s e le n g i n e e l e c t r o n i c c o n t r o l l e de n g i n e e r i n g k e yw o r d s ： h i g h - p r e s s u r ec o m m o nr a i l ，e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i tc e c u ) ， c o m m o nr a i lp r e s s u r e ，r e a l - t i m es i m u l a t i o n , c o n t r o ls t r a t e g y i v 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：文毒编 日期：c 阳年6 月山日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 厂 保密戳在l 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：三t 7 弓 日期：如) 年6 月c 2 厶e l 指导教师签名： 黼 日期：枷多年6 月2 , o 日 上海交通大学工程璜土专业学位论文 第一章 1 1 前言 第一章绪论 18 9 7 年德国工程师鲁道夫狄赛尔( r u d o l f d i e s e l ) 博士记载他的1 9 6 l 单 缸发动机达到了高选2 6 , 2 的热效率，第一台柴油机问世【l 】。鼠此，内燃机( 包 括汽油机和柴油机) 以其热效率高、适应性好、功率范围宽广的特点，广泛用于 工业、农业、交通运输业和国防建设事业，为人类社会的发展和进步做出了巨大 贡献。 同时，内燃机又是石油资源的主要消耗者和最大的空气污染源，例如美国汽 车内燃机的排污量占其工业总排污量的4 3 。为了节约自鲁源和降低排放，限制内 燃机的有害排放对生态环境造成的危害，各工业发达国家相继制定了一系列极为 严格的排放法规，如何降低内燃机的排污成了该行业生存和发展的关键。图1 1 所示为欧洲尾气排放法规的直方图。随着中国加入w t o ，我国内燃机的排污标 准也将要和国际接轨，为此我 国制定了新的捧放法规，并于 2 0 0 0 年开始执行相当于欧i 的 排放法规，2 0 0 2 年北京率先开 始执行相当于欧i f 的排放法 规，2 0 0 3 年3 月起上海市也将 开始执行欧标准，这就对我 国的内燃机行业水平提出了更 高的要求。 降低排放、降低油耗、提 高发动机综合性能成为内燃机 囤1 1 欧洲排放法规 f i g t 1 e m i b s i o i ir e g u l a t i 删o f e u r o p e 厂家不断追求的主要目标，机械系统由于无法同时保持低污染和高性能，在国外 发达国家已经被电子控制系统所取代。到2 0 0 0 年国外工业化国家电控柴油车的 比例已达到6 0 ，汽车中电子控制系统所占整车成本选4 0 。发动机电子控制 技术作为未来车辆技术发展的核心必将在激烈的市场竞争中起到至关重要的作 用。 1 2 选题的目的和意义 ! 鼍将鞋 上海交通大学工程硕士专业学位论文 第一章 7 0 年代以来，电子技术的飞速发展为提高发动机性能提供了强有力的技术 手段。据统计，平均每l o 年计算机的计算速度提高1 0 倍；可靠性提高1 0 倍； 而价格降低为原来的1 1 0 。数字仿真技术就是随着计算机技术的不断成熟而发 展起来的，近年来在各个领域得到了空前广泛的应用。在工程技术领域中，数字 仿真技术在新产品设计、产品改型及系统自动化方面具有重要的意义。在我国， 随着对发动机实行电控的迫切性的迅速提高，发动机控制系统的设计和研究将会 被提到十分重要的地位，而且该技术的研究与进展也将成为决定该行业的生存和 发展的关键技术。在发动机控制系统的设计上运用数字仿真技术，将为控制器的 设计提供很好的理论支持，并能有效提高开发效率、降低开发费用、缩短开发周 期。 控制系统的计算机辅助设计一直受到工程乔的普遍重视，在其发展过程中出 现了各种各样的实用工具和理论成果。m a t l a b 是集数学运算、图形处理及可 视化和高级程序开发语言于一体的著名软件，也是国际控制界应用最广的语言和 工具。m a t l a b 的数值分析、模拟和运算的功能非常强大，是进行控制系统计 算机辅助设计的方便可行的实用工具。m a t l a b 中含有极为丰富的专门用于控 制工程与系统分析的函数和控制系统工具箱，无论是对于连续的还是离散的系 统，在控制系统工具箱中都能用传递函数和状态空间等形式表示，并利用经典或 现代的控制技术来处理。运用m a t l a b 的r e a l 。t i m ew o r k s h o p 工具箱，借助与 之配套的其它开发工具，还可实现基于硬件的实时仿真，为控制器的设计开发和 硬件实现提供一个方便、快捷的设计平台，因而可有效地缩短和减少控制器的开 发时间和费用。 控制策略的选择及优化对控制效果具有重大影响。高压共轨系统包含调压和 调速这两个重要的闭环反馈控制环节。而提高喷射压力，改善燃油雾化，是提高 柴油机综合性能的一个有效途径，因此，稳定的共轨压力控制是高压共轨系统的 一个关键。 本文旨在以m a t l a b 和d s p a c e 作为开发工具，构建一个先进高效的开发 平台，然后在此平台上建立e c d u 2 高压共轨系统的e c u 模型，再结合相应的 控制理论，运用多种工具箱搭建起各种控制器模型，并将它们运用在共轨压力控 制中，最后运用快速控制原型技术，完成针对各种控制器的实时仿真试验与研究。 此项工作提高了我们对e c u 设计的认识、丰富了我们的控制设计理论和方法， 为硬件在环仿真技术的实现及最终的控制代码生成提供了基础。因此，这必将会 对柴油机的e c u 设计与研究提供一条“快车道，也将会促进我国电控柴油机设 计水平的提高。 2 上海交通大学工程硕士专业学位论文 第一章 1 3 国内外柴油机电控技术的发展 电控技术在汽车上的应用已成为必然趋势，目前已广泛用于发动机控制、刹 车防抱、整车管理、变速箱管理、悬挂管理、防盗等系统，本论文主要对柴油机 燃油喷射系统的电控单元进行研究。 与机械式燃油喷射系统相比，电控燃油喷射系统的主要优点是b j ： ( 1 ) 控制自由度大。系统可按照运行工况的不同，对所有喷油参数( 如喷油量、 喷油提前角、喷油压力、喷油速率等) 进行最优的综合控制； ( 2 ) 功能齐全。不仅能考虑转速和负荷对喷油过程的影响，还能根据水温、油 温、大气压力等参数的变化对其进行校正； ( 3 ) 控制精度高。如喷油提前角的控制精度高于0 5 。c a ( c r a n ka n g l e ，曲轴 转角) ，是机械式控制精度的4 倍以上。 图1 2 是柴油机的电控燃油喷射系统组成框图。 传 电 感 控 执喷柴 单 行油油 器器器机 兀 图1 2 柴油机电控燃油喷射系统组成框图刚 f i g 1 2 c o n t r o lb l o c ko fe l e c t r o n i c - c o n t r o l l e dd i e s e le n g i n e 柴油机电控燃油喷射系统发展至今已先后推出了三代产品【2 】：位置控制式 ( 又称第一代) ，时间控制式( 又称第二代) 和压力时间控制式( 又称共轨系统 或第三代) 。 位置控制式电控燃油喷射系统8 0 年代初开始进入市场【3 】，它保留了传统喷 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代替，其控制变量一 般为喷油泵的齿条位置( 例如像常说的电子调速器) ，其控制原理如图1 - 3 所示。 图1 3 柴油机电子调速器框图【4 】 。 f i g 1 3 s c h e m eo fe l e c t r o n i c c o n t r o l l e dg o v e r n o r 在进行经济性和排放的控制时，柴油机控制目标策略采用标定的油量m a p 上海交通大学工程硕士专业学位论文 第一章 图。在进行调速控制时，柴油机控制目标策略采用p i d 控制即可，此时，整个 系统为一个串级控制系统。和机械调速器相比，电子调速器可以兼顾动态和静态 特性( 调速率可以达到o ) ，而传统的机械调速器是无法兼顾这两点的。 时间控制式电控系统是利用柱塞泵可承受高压的特点提供高的供油压力，用 高速电磁开关阀控制回油以代替传统的机械方法控制回油，电磁开关阀起作用时 间的长短确定供油量的大小，开启的时刻控制供油提前角，从而实现对喷油量、 喷油定时的直接数字控制。 目前柴油机电控技术已发展到时间压力控制型。该技术不再采用传统的柱 塞泵脉动供油的原理，而是通过共轨直接或间接地形成恒定的高压燃油，分送到 每个喷油器，并借助于集成在每个喷油器上的高速电磁开关阀的开启与闭合，定 时、定量地控制喷油器喷射至柴油机燃烧室的油量，从而保证柴油机达到最佳的 燃烧比、良好的雾化和最少的污染排放。电磁开关阀开启的时刻决定喷油定时， 打开的持续时间和共轨压力共同决定喷油量。共轨喷油系统主要由电控输油泵、 共轨、高速电磁开关阀、喷油器、e c u 及各类传感器等组成。在高压共轨系统 中，输油泵为高压泵( 压力在1 2 0 m p a 以上) ，它直接产生高压燃油后输送至共轨 中消除压力的脉动，再分送到各个喷油器。当e c u 按需要发出指令信号后，高 速电磁阀( 响应在4 0 0us 左右) 迅速打开或关闭，进而控制喷油器工作，即按设定 的要求使高压燃油喷出或停喷，如图1 4 所示为一典型的高压共轨系统原理图。 ji：ll 日 油箱 i 一中 昔1孑 iy 臣董! 笨e 基习 l 孓- ! = ! t ，! ，_ 。函!1， k 制骋畸 l _- 1 e 。可可可- 哥喷； 滤清器和输油泵 f 窜每 。 一 1 麟一一 1 e c u 泄鞯一 。一一 图1 4 一个典型的高压共轨系统结构酬5 1 f i g 1 4 at y p i c a lh i g l l - p 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 节阀 目前共轨系统有两种基本形式，即高压共轨式和中压共轨式，两者主要差别 在于高压燃油获得方式的不同，前者由高压燃油泵直接提供，而后者则借助于喷 油器增压柱塞的增压后获得。 4 上海交通大学工程硕士专业学位论文 第一章 应该说，柴油机共轨式电控燃油喷射技术是一种全新的技术，因为它集成了 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，代表了未来柴 油机燃油喷射系统的发展方向。该技术的主要特点是【2 】： ( 1 ) 喷油压力柔性可调，对不同负荷转速可确定所需的最佳喷射压力，从而优 化柴油机综合性能； ( 2 ) 可独立地柔性控制喷油正时，配合高的喷射压力( 1 2 0 a 1 7 0 a ) ，可 同时控制n o x 和微粒( p m ) 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； ( 4 ) 由电磁开关阀控制喷油，控制精度高，各缸供油不均匀可得到改善，从而 减少柴油机的振动和降低排放。 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。其中，高压共轨系统被认为是2 0 世纪内燃机技术的3 大突破之一。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，并着手开发新一代的高压共轨系统及其与之配套的产 品。特别是由于世界上像德国b o s c h 公司、d a i m l e rc h r y s l e r 公司，美国b k m 公 司、c a t e r p i l l a r 公司，日本d e n s o 公司和英国l u c a s 公司等这些有影响力的大公 司的积极投入，近几年来共轨系统的研究与开发又有了新进展。 目前电控技术的重点在于执行器和e c u 的设计。在e c u 的设计上，国外已 经形成一种比较成熟的“v 字形设计模式，如图1 5 所示，即由“功能设计” ( f u n c t i o nd 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 ) ，再到“目 标代码生成 ( t a r g e tc 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 l o o p s i m u l a t i o n ) ，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。由此可见，在整 个e c u 的开发过程中，除了最后的一步，其他的每一步都是围绕计算机的数字 仿真来实现的，因为这种方法具有开发时间短、费用少等特点。而其中的核心部 分一计算机数字仿真技术，即是在计算机上建立控制器和被控对象的数学模型， 用仿真的方法实现对控制器的设计。此后再利用软件将控制算法直接编译为目标 代码，下载到微处理器上进行硬件在环仿真，直至最终的电控单元的硬件实现。 因此说，在发动机控制系统设计的整个过程中，建立发动机模型、e c u 模型并 对其进行仿真是非常重要的环节。 控制策略的制定是e c u 的重点和难点，目前以p i d 为核心的控制方法居多， 因为该方法具有控制原理简单、实现容易、稳定性好等特点，但经典p i d 控制 算法存在着参数确定一般采用经验法或试凑法，且无法在线修改的局限性，因此 各种参数自整定的p i d 控制器，如分段p i d 控制器、变积分p i d 控制器、微分 5 e 海交通大学i 。程硕专n 学位论立* 章 先行p i d 控制器、模糊p i d 控制器等也。泛应用于发动机控制中。除此咀外， 其他的控制方法如基于辨识模型的一适应控制、h 。控制方法、基丁二非线形理论 的村模控制、神经网络控制f 7 等方法利现代的控制理论正在被应用在发动机的控 制肖中。随者研究工作的不断深入和硬件水平( 计算机、传感器等) 的不断提高， 更智能化、具有更商维度和精度的控制算法将会应用于发动机的控制。 盐篮煎盐皇量坚螋然监基 采用m a t l a b s 皿u l m k 这样的 建槿r 具，可以i 5 计相应的功能 并首先在s i m u l i n kf 鸵证。 查壁士珏筮鳇生匝互丝堂踅廛墼蛭 塞 在未来d s p a c et 其将包括强大的 枷、定与测试系统，以保吐外发的所育 阶段都可对e c u 参数进行调整。 拟仪表进行测试，加快 丁设计选代循环。智能 的旁路技术允许在顾 有e c u 中集成进新的 功能。 目剪芒凸益璺生虞 口动牛成j “品e c u 的定点代 码足开发流程中的戈键。 旦 功能模型被验证t a r g e t i l n k 用很短的时间就可以直接从 s i r e 山u 1 k s t a t e f l o w 中生成岛效 的c 代码。即使是在这一阶段 仍然可以改进世计功能。 国i5 “v ”牢型开发流程1 6 f i g 1 5 “v - c y c l e d e v e l o p f l o w ，聚 以自 。基 的仿 血模型鲇合岛性能的实时 硬件呵以在发验室准确模 拟史断的驾驶情况，发生 铺慢的情眦n f 以随时被币 复，测试更完善。 目前，一些优良的动态系统仿真软什为e c u 设计者提供r 非常有效的建模 与仿真工具，美国、德国等国家的一些公司如t h em a t hw o r k si n c ，d s p a c e 上海交通大学工程硕士专业学位论文 第一章 g m b h ，a v li n c ，x a n a l o gc o r p 和v i s u a ls o l u t i o n si n c ，g a m m at e c h n o l o g i e si n c 等都推出了用于快速仿真动态系统及其控制器的商用软件或硬件仿真器瞵j 。其 中，m a t l a b s i m u l i n k 是m a t hw o r k s 公司推出的一种性能优良的图形式动态系 统仿真软件包，除了具有传统的交互式编程之外，还提供了丰富的矩阵运算、图 形绘制、数据处理、方便的w i n d o w s 编程等工具。在该软件平台上，建立模型 后，利用相应的工具箱，再配以d s p a c e 原型，便可以方便地进行e c u 的实时 仿真研究，加速e c u 的硬件实现及最终控制代码的生成。 国内电控燃油喷射技术的研究起步于九十年代初，虽然多家汽车公司引进了 电控发动机和汽车，由于不重视技术开发和消化吸收，无一具备e c u 自主开发 能力，而少数高校和研究单位进行的研究项目多集中在理论研究方面，科研用电 控装置功能简单、实用性差，难以用于生产，所以至今未能在e c u 自主开发方 面取得突破性进展。开发流程不规范，开发工具落后是造成这种现象的一个重要 原因。 1 4 本文的主要工作 ( 1 ) 在深入研究e c d u 2 高压共轨系统工作过程与原理的基础上，在 s i m u l i n k 环境中建立了符合要求的e c u 模型，并用该模型实现了对共轨压力的 开环控制，为研究与验证控制算法提供了基础。 ( 2 ) 运用当今广为研究的智能控制方法，将其应用在高压共轨系统的共轨 压力控制上，并就各种控制方法进行仿真和分析，丰富和提高了柴油机的控制理 论和控制方法。 ( 3 ) 以优秀的图形 f u z z y 、p i d 等) 为平台 箱( 如 为柴油 机实际e c u 中控制算法的设计提供了一个快速研究和开发的平台。 ( 4 ) 分析了传统p i d 控制方法在实际控制应用中存在的问题，将模糊控制 与p i d 控制相融合，建立了模糊自整定p i d 控制器，从而实现了将控制经验加 入到实际p i d 控制中，使共轨压力控制效果得到显著提高。 ( 5 ) 运用快速原型技术，建立了基于r e a l t i m ew o r k s h o p 和d s p a c e 的实 时仿真平台，并进行了系统实时仿真的研究，为实际e c u 的生成、硬件的在环 仿真和自动产品代码生成提供了依据。 7 上海交通大学工程硕士专业学位论文 第二章 第二章高压共轨系统简介 一汽集团无锡油泵油嘴研究所自2 0 0 0 年引进高压共轨系统以来，采用自主 开发与寻求多方合作相结合的方式，在系统的机械结构改进及e c u 软、硬件的 研制方面都取得了一些进展，本章将就目前的研究情况作一介绍。 2 1 高压共轨系统介绍 图2 1 是日本d e n s o 公司开发的e c d u 2 高压共轨系统原理图。该系统由 高压供油泵、共轨、喷油器、e c u 及传感器、执行器等组成。系统的工作原理 可以描述为：燃油经供油泵输送到共轨中，共轨中燃油分两路分别进入喷油器针 阀的上部控制腔和下部盛油腔，针阀的上部和下部的压力是一样的，但由于上部 受压截面积大于下部受压截面积，针阀被向下压住，不能开启喷油：当喷油器上高 速电磁开关阀通电时，上部控制油腔的回油孔打开，控油腔回油卸压，针阀在下部 盛油腔的高压油作用下上升开启，开始喷射燃油。系统高压油泵供油与喷油器喷 油是相互独立的，分别通过各自的电磁开关阀来实现。柴油机喷油量和喷油时刻 分别与喷油器电磁阀的打开时间和开启时刻有关。 图2 1e c d - u 2 系统原理图【9 】 f i g 2 1s y s t e ms c h e m a t i cd i a g r a mo fe c d - u 2 共轨上装有压力传感器，压力信号输入到e c u ，由e c u 通过高压油泵上的 调压阀( p r e s s u r ec o n t r o lv m v e ，简称：p c v ) 对共轨压力实施反馈控制，确保 8 上海交通大学工程硕士专业学位论文第二章 共轨中压力稳定，共轨压力可根据柴油机工况要求确定其需要的目标值，系统最 大喷射压力可达1 4 5 m p a 。控制量孔( 节流孔) 的作用是抑制初始喷射，改善喷 油速率。 e c d u 2 是一个典型的压力时间控制系统，它的突出优势表现在： ( 1 ) 在所有转速范围内实现稳定的高压喷射，促进了燃油的雾化，显著改善柴 油机的颗粒排放。而传统的燃油喷射系统喷油压力通常指的是最高喷射压力，喷 油结束压力随之降低，因此平均喷射压力低。图2 2 为两种系统喷射压力示意图。 传统 e c d - u 2 图2 2 两种系统喷射压力示意图 f i g 2 2 s k e t c hm a po f t w os y s t e m si n j e c t i o np r e s s u r e ( 2 ) 由于使用了高性能的电磁开关阀，该系统可以实现灵活的喷油规律控制， 其中预喷可有效地减少振动和降低n o x ，互剑直利壬峰低颗粒挂越：因此可显 著提高柴油机的综合性能。图2 3 为喷油过程示意图。 、蹦；弓 图2 3 喷油过程示意图 f i g 2 3 s k e t c hm a po fi n j e c t i o np r o c e s s 镑幻参 2 2e c u 软件和硬件基本结构 高压共轨系统是一个对实时性要求很高的系统，因此在e c u 设计时，一方 面在硬件上采用高速多功能处理器，以提高处理速度；另一方面软件的合理配置 也同样非常重要。 图2 4 所示是以1 6 位单片机8 0 c 1 9 6 为微处理器开发的e c u 控制软件总框 图。软件设计时，按功能划分为几个明确的子模块，通过事件方式触发各功能模 块，事件通过两种方式产生：硬件信号触发和满足条件的软件标志位触发。软件 设计中必须完成的基本控制内容包括： ( 1 )电磁开关阀的打开和关闭时刻决定喷油时刻和喷油量； 9 上海交通大学工程硕士专业学位论文 第二章 图2 4e c u 控制软件总框图 f i g 2 4 e c us o f t w a r es t r u c t u r e 1 0 上海交通大学工程硕士专业学位论文第二章 ( 2 ) 气缸判别决定喷油次序； ( 3 ) 调压阀控制决定喷射压力； ( 4 ) 喷油规律控制，包括预喷量及预喷时刻控制。 高压共轨系统e c u 硬件框图如图2 5 所示，主要包括电平转换、信号调理、 执行器驱动以及总线的接口电路等。其中，喷油器高速电磁开关阀驱动模块的设 计是关键，为了满足喷油规律控制的需要，电磁开关阀的响应时间必须小于 0 4 m s ，预喷与主喷之间的最小间隔为0 7 m s 。系统由蓄电池直接提供2 4 v 低压， 经过升压模块使充电电容获得1 2 0 v 的高压，在电磁开关阀动作过程中首先通过 电容放电高压驱动电磁开关阀，而后低压电路提供维持电流，完成一次有效喷射。 输 入 信 号 处 理 接 口 微处理器 外围数字接口 ( m a p 存放和轨压 控制、喷油脉冲计 算) _ t 瓦蒸 通 信 接 口 及 故 障 诊 断 珊l l 黼ii 卜d c驱动l l驱动li | 共轨调压阀i | 喷油器电磁阀| i 蓄电池 图2 5e c u 硬件组成框图【1 0 】 f i g 2 5 s c h e m a t i cd i a g r a mo fe c uh a r d w a r e 2 3e c u 软件控制策略 总 线 接 口 故 障 诊 断 在以上两节中，对e c d u 2 高压共轨系统的工作原理，以及该系统e c u 软 件和硬件实现进行了介绍，在此基础上，下面将展开对本论文的主要研究内容( 同 时也是e c u 软件的重点和难点) ，即控制算法的研究。 本系统是一典型的压力时间控制系统，柴油机的喷油量是由喷射压力和喷 油持续时间共同决定的，所以稳定的喷射压力控制和精确的定时机制是e c u 软 件的核心。 2 3 1 系统缸号识别和定时机制 号角号力 号 信转信压 信 门轴轮轨温温动它 油曲凸共油水启其 上海交通大学工程硕士专业学位论文第二章 高压共轨e c u 软件设计中，实时性是最重要的，精确的定时是一切控制算 法的基础，而正确识别缸号、确定喷油次序又是精确定时的基础。图2 6 是曲轴 信号与凸轮信号相位关系。软件中采用上升沿触发，当检测到曲轴传感器( 每转 4 8 缺3 齿) 信号间隔，2 2 t l ，则判断处于第一缸或第四缸，再结合凸轮传感器 信号( 每转6 齿多一齿) ，如此时满足间隔t 4 2 t 气，这样就可识别出第一缸基准， 图中p 是单个曲轴齿对应角度，本系统中为3 6 0 4 8 = 7 5 。c a 。发动机的喷油提前 角岛是以角度来表示的，因此程序中还需要“角度时间”转换算法，提前角分 解为两部分：由口整数部分得到的曲轴整齿数，以及由余数口2 计算得到的不 足一个曲轴齿的延时时间，具体计算公式如下： ( 2 1 ) 第一缸基准 图2 6 定时信号时序及相位关系 f i g 2 6 p h a s er e l a t i o no ft i m i n gs i g n a l s 2 3 2 喷油量和喷油提前角控制 高压共轨系统是由在某一共轨压力下喷油脉冲的输出时刻和输出持续时间 直接决定喷油提前角和喷油量的大小。图2 7 为喷油量控制基本原理。控制器一 方面根据油门踏板和转速传感器信号查油量m a p 计算出目标喷油量q n ，再结 合当前实际共轨压力值忍，通过预先存储的油量q a n 和喷油持续时间丁关系表 计算出喷油脉宽t ；另一方面又通过目标供油量q a n 和转速查找喷油提前角 矽疗村，再根据当前的发动机瞬态转速计算当前发动机周期n ，由此可将凸轮转角 转换成延时时间f ，从而触发喷油脉宽的输出。这样就完成了基本的油量控制。 当有复杂的喷油规律( 如二次喷射) 时，喷油脉宽同样可以通过此方法计算获得， 只是在特定工况下需要两次转换和输出控制。 上海交通大学工程硕士专业学位论文第二章 共 油量m a p q _ 励= ( 尼，丁) 图2 7 喷油量和喷油提前角控制基本策略【1 l 】 f i g 2 7 b l o c kd i a g r a mo fi n j e c t i o nq u a n t i t ya n dt i m i n gc o n t r o l 最够融6c 6 ；弋占掀篷最孱毛度，x 铴学 2 3 3 共轨压力控制 巍溺m 鑫如绣乃匹酞f ，扣勘k 傲振 压力时间控制系统的最大特点是压力的产生与转速及负荷无关，无论柴油码， 机运行在什么工况下均可通过对共轨油压的控制而获绳最位的喷射压力，而提高 o 7 f 勺i 喷射压力，改善雾化，也是提高发动机的综合性能的一个有效途径。因此，共轨 压力的控制是该系统的关键之一。 常规喷油泵只注意供油量的调整 精度和稳定性，压力是由系统的结构参 数决定的【1 2 】，而高压共轨系统中共轨 压力即为燃油喷射压力，是通过改变高 压泵的供油量来调节的，这就导致共轨 压力调节的特殊性：( 1 ) 共轨是一个脉 动系统；( 2 ) 在变工况( 加、减速，外 界负荷变化) 以及喷油量的突然波动都 会直接影响共轨压力的稳定性。因此， 相对于传统的单变量控制系统来讲，共 轨压力控制算法更为复杂。 高压泵凸轮有三个凸起，喷油泵旋 转一次每个柱塞供油三次，图2 8 是高 压喷油泵结构图，供油量的调节方式示 1 3 1 三次方凸轮2 挺柱体3 柱塞弹簧 4 柱塞5 柱塞套6 - 夕f 开型电磁阀 7 接头8 出油阀9 - 溢流阀 图2 8e c d u 2 系统高压喷油泵结构【习 f i g 2 8h i g hp r e s s u r es u p p l yp u m po fe c d - u 2 上海交通大学工程硕士专业学位论文 第二章 意图如2 9 所示，当电磁阀6 开启而柱塞下行时，低压燃油从高压泵输油管经电 磁阀输送到柱塞室。当柱塞上升时，若电磁阀是开启的，则被输送的燃油在没有 压力增加的情况下经电磁阀返回到输油管；当柱塞室内剩余的燃油量为工况需求 的油量时，电磁阀关闭，即回油通道关闭，因而柱塞室内的燃油被压缩升压，经 出油单向阀被输送到共轨中。共轨压力是由调节电磁阀的关闭开始时刻( 即凸轮 预行程) 来调节的，当共轨中压力低于目标值时，e c u 控制高压输油泵上的p c v 阀提早关闭，柱塞提早供油，而机械部分决定了供油终点为凸轮升程最高点是始 终不变的，因此提早供油使高压输油泵供油量增加，共轨中油压就会增加，反之 亦然。 色 、 俩 、 预行程 k t z f f 制脉冲关闭 柱塞 十一十帝一 一ll山山 图2 9高压供油泵控制策略【9 】 f i g 2 9s t r a t e g yo fh i g hp r e s s u r es u p p l yp u m pc o n t r o l 图2 1 0 是共轨压力控制算法的基本控制策略。当发动机处于启动状态时， 采用开环控制方法。由于此时油泵凸轮转速比较低，无法正确识别缸号和确定喷 油次序，且需要在很短的时间内建立高压，控制器产生一固定频率、固定占空比 的控制脉冲，此时调压阀以一固定预行程量动作，确保能够较早地达到关闭始点。 当发动机处于正常运行状态时，控制器首先根据当前喷油量和发动机转速查共轨 压力m a p 得到基本共轨压力p 历伽，并通过环境参数修正后获得目标共轨压力 p 厂，然后由当前喷油量与目标共轨压力p 厂关系得到基本预行程量丁历嬲p ；另一 方面通过共轨压力传感器计算获得当前实际共轨压力凡，与目标共轨压力p ，通 过控制算法计算获得当前预行程控制量t l ；最后综合z 仿粼和，l 得到最终预行程 量确。 1 4 上海交通大学工程硕士专业学位