（动力机械及工程专业论文）柴油机高压共轨系统电控单元开发.pdf

堑些太芏熊生业论盅 擅噩 摘要 高压共轨燃油系统能够实现对喷油量、喷油压力及喷油规律进行全面灵活 的控制，是柴油机发展历程上的一座里程碑，也是目前柴油机满足e u r oi v 排 放标准的首选燃油系统。 论文首先对近年来高压共轨系统的发展进行了介绍，对高压共轨系统控制 策略进行了初步研究。 3 2 位微控制器逐渐成为电控单元处理器的主流，课题的主要任务是在3 2 位控制器m p c 5 5 5 上进行系统开发，掌握3 2 位控制器平台的开发技术；控制 软件开发是电控单元开发中的一个关键环节，课题中对控制软件的规范开发方 法和流程进行了学习研究，并在系统开发中进行实践。 汽车电挣单元的功能越来越强，复杂性也越来越高，利用实时操作系统来 调度管理任务成为必要。课题中对在电控单元中采用实时操作系统的必要性进 行了分析研究，并掌握符合o s e k v d x 规范实时操作系统的开发方法。 基于c c p 协议的标定工具逐渐成为电控单元标定系统的主流；课题介绍了 c c p 协议及利用基于c c p 协议的标定工具建立完整标定系统的方法。 关键字：高压共轨系统，控制策略，电控单元，实融操作系统，o s e k v d x ， c c p ，标定工具 。：五主螂生业论塞 b 5 堑踅! a b s t r a c t l h ei n v e n t i o na n di n n o v a t i o no fc o m m o nr a i lf u e l n j e c t i o ns y s t e m ( c r s ) m a d ei tam i l e s t o n ei nt h ed e v e l o p m e n th i s t o r yo fd i e s e le n g i n e d u et oi t s f u n c t i o n a l i t yo fc o n t r o l l i n gi n j e c t i o np r e s s u r e ，i a j e e t i o nq u a n t i t ya n di n j e c t i o n r a t e i n d e p e n d e n t l ya n df l e x i b l y ，c r sh a sb e c o m et h eb e s tc h o i c eo ff u e l i n j e c t i o ns y s t e mf o rd i e s e le n g i n et om e e tt h ee u r oi ve m i s s i o nr e g u l a t i o n f i r s t l y ，t h i st h e s i sg i v e sa ni n t r o d u c t i o nt ot h ed e v e l o p m e n ta n d i n n o v a t i o no fc r si nt h er e c e n ty e a r s as t u d yo nt h ec o n t r o ls t r a t e g yo fc r s h a sb e e nc a r r i e do u ta n dd e s c r i b e di nt h et h e s i s c o n t r o ls o f t w a r ed e v e l o p m e n ti so n eo ft h em o s ti m p o r t a n ts t e p si nt h e l i f e c y c l eo fe l e c t r o n i cc o n t r o lu n i td e v e l o p m e n t t h i st h e s i sc o v e r sad e t a i ls t u d y o nt h e c o n t r o ls o f t w a r e d e v e l o p m e n tm e t h o da n dp r o c e s s t h ep r a c t i c a l d e v e l o p m e n tw o r ko n3 2 一b i tm i c r o c o n t r o l l e rm p c 5 5 5i sd e s c r i b e do u t a st h ef u n c t i o n a l i t ya n dc o m p l e x i t yo fe l e c t r o n i cc o n t r o lu n i ti n c r e a s e s ，a r e a l t i m e o p e r a t i n gs y s t e m ( r t o s ) s e e m sn e c e s s a r y f o r s c h e d u l i n ga n d m a n a g i n gt h et a s k si nt h ec o n t r o ls o f t w a r e t h i si s s u ei sa n a l y z e di nt h i st h e s i s a n dt h ed e v e l o p m e n tm e t h o dw i t ho s e k v d xs p e c i f i c a t i o nc o m p l i a n tr t o s o s e k t u r b oi sg i v e no u t c a l i b r a t i o ns y s t e mi sa ni n d i s p e n s a b l et o o lu s e di ne l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t d e v e l o p m e n tc y c l e d u et ot h e i rf u n c t i o n a l i t yl i m i t s ，t h ec o n v e n t i o n a lc a l i b r a t i o n t o o l sh a v eg i v e nt h e i rw a yt ot h ec a nc a l i b r a t i o np r o t o c o l ( c o p ) b a s e do n e s ， t h i st h e s i sg i v e so u tt h ed e v e l o p m e n tw o r ko nb u i l d i n gac o m p l e t ec a l i b r a t i o n s y s t e mw i t hac c p b a s e dc a l i b r a t i o nt 0 0 1 k e yw o r d s ：c o m m o nr a i ls y s t e m ，c 咖o ls t r a t e g y ，e | e e l r o n i cc o m r o lu n i t , o s e k v d x ，c c p ，c a l i b r a t i o ns y s t e m 瑟辽五堂壤土望业鲶奎堑= 童j i 畜 1 1课题的目的和意义 第一章引言 柴油机燃烧效率高、功率密度大、可靠性强等优点使得柴油机从上世 纪9 0 年代后期开始逐渐成为欧洲的主要车用动力，根据b o s c h 公司的统 计数据，在西欧2 0 0 1 年柴油动力占了轿车市场的3 9 ，到2 0 0 5 年将达到 4 5 ，高级轿车上的应用达到7 0 ，而柴油机功率大的优势使得柴油机几 乎占用了全部的中型和重型卡车的应用。然而，柴油机具有微粒和n o x j 放高及噪声高的缺点，为了满足未来严格排放法规的要求，柴油机必须采 取有效措施来降低排放和噪声，并进一步降低油耗，这些措施包括： 低排放的燃油喷射系统和电控技术 废气再循环e g r 技术 涡轮增压中冷v n t 技术 气流组织和多气门技术 排气后处理技术 低排放燃油系统及其电控技术的改进是降低柴油机排放的关键环节， 上世纪9 0 年代，柴油机高压共轨燃油喷射系统的发展成熟是柴油机燃油 喷射系统发展史上的一座里程碑，把柴油机推向更广泛的应阁。高压共轨 燃油喷射系统具有柴油机理想的燃油喷射系统功能：实现高压喷射，压力 可以达到1 6 0 0 2 0 0 0 b a r ；喷油压力不受转速的影响；实现对喷油量、喷 油定时和喷油规律的全工况灵活柔性控制。高压共轨系统是全电控系统， 压力、喷油量、喷油定时及喷油规律的控制通过电控单元来实现。本课题 的目的之一是对高压共轨燃油喷射系统的控制策略进行学习研究，并在3 2 位控制器平台上实现高压共轨系统的基本控制，进行电控单元的开发。 对电控单元开发技术进行研究是本课题的另一个主要目的。今年来， 电控单元开发技术的发展趋势可以总结为一下几点： 1 、随着控制功能和精度要求的提高，3 2 位控制器成为现在发动机 管理单元的主流； 2 、 电控单元的工业规范性加强，符合o s e k v d x 规范的实时操作 系统在电控单元中应用越来越广泛； 且工生亟! ：坚韭论奎 篮= 整量i 盲 扒 多个电控单j i 问的通信和协作加强，电控单元的整车体系升始 建立； 4 、 快速原础、闩动代码生成及硬件在环仿真技术的成熟改变了电 控单元开发模式和开麓流稃 本课题在电控单元软件外发方面的任务是学习电控单元软件开发流 枉! 、方法和t 具，在3 2 位控制器m p c 5 5 5 上实现高压共轨燃油系统控制， 对符合o s e k v d x 规范的实时操作系统o s e k t u r b o 的应用进行研究。 标定系统足电控单元开发中的一个重要工其，其作用主要是监控发动 机j ：作参数、在线和离线标定电控单元控制参数和控制m a p 数据。除r 做为电控单元最终的标定工具外，在电控单元开发过程中还可以做为实时 调试工具。c c p 协议( c a n 标定协议) 为标定t 具提供了一个通用住的解 决方案，奉课题的第三个目的是搭建基t - c c p 协议和商用标定_ 上具的标定 系统并应用下实际的电控单元开发和调试中。 1 2柴油机电控技术在国内外的发展状况 在闻外，柴油机电控技术研究开始于上世纪8 0 年代，并于9 0 年代进 入快速发展和应用阶段，以德国b o s c h 的发展为例可以看到这一趋势： 1 9 8 6 年，电控轴向柱塞分配泵系统开发成功 19 9 4 年，电控泵喷嘴系统应用于商业车 1 9 9 5 年，电控单体泵系统开发成功 1 9 9 6 年，第一代共轨系统开发成功 1 9 9 8 年，电控泵喷嘴系统用于轿车 自8 0 年代以来，电控技术的发展可以从燃油系统的控制原理上划分为 j 个阶段，即第代的位置控制系统、第二代的时间控制系统及第i 代的 压力时间控制系统。 位置控制式电控喷油系统实际上是电控喷油泵系统，这种系统在喷油 泵卜增设传感器、执行器( 齿条或滑套) ，通过微控制器控制齿条或滑套 的位置，对喷油量进行调节，喷油量的计量按位置控制方式，即由喷油泵 柱寒压送燃油的供油始点和终点之间的有效行程决定；喷油定时的控制主 要通过位移执行器改变凸轮轴相对驱动轴的位置，并利用转角传感器测出 角度变化来实现。 位置式电控喷油系统虽然能够实现对喷油量和喷油定时的控制，但控 2 逝遁盔堂熊望业论塞 簋= 童i 】吉 制精度都不高。这类燃油系统的典型代表有采用直列泵的b o s c he d r 系 统、口本电装d e n s o 的e c d p 3 系统，使用轴向桂塞分配泵的日本电装 e c d - v l 系统、b o s c h 的v p 3 7 系统，使用径向柱塞分配泵的l u c a se p i c 系统等。 时间式电控喷油系统用高速电磁阀做为执行机构，通过控制电磁阀作 用开始的时刻和作用持续时间来控制喷油定时和喷油量。时间式电控喷油 系统的喷油量是用电磁阀的作用时间来量化的这类燃油喷射系统的缺点 是不能对喷射压力进行控制，喷射压力随转速变化，在一次喷射中喷射压 力也是变化的。时间式电控喷油系统主要有采用电控分配泵的日本电装 e c d v 3 和e c d v 4 、b o s c h 的v p 3 0 和v p 4 4 系统，美国底特律公司的 d d e c 系统、l u c a s 的e u i 系统、b o s c h 的p d e 2 7 2 8 系统等电控泵喷嘴 系统，及b o s c he u p l 3 电控单体泵系统等。 压力时间式电控喷油系统除了对喷油定时和喷油量进行控制外，还可 以对喷油压力进行准确控制，执行器采用高速电磁阀或者压电晶体；喷油 量的量化采用引进了喷射压力的作用因素，喷油量采用燃油体积单位，根 据当前喷油压力转化成喷油器电磁阀作用时间。压力时间式电控喷油系统 有共轨蓄压式系统、共轨液压式系统及高压共轨系统，随着高压共轨系统 技术的成熟和优势体现，前两种系统逐渐被淘汰，已经退出了历史舞台。 国外柴油机燃油喷射系统现阶段发展的重点是高压共轨系统、电控单体泉 e u p 系统及电控泵喷嘴e u i 系统，特别是从上世纪9 0 年代后期，这些系统发展 成熟并越来越多地应用到轿车及卡车上。 国内柴油机电控系统的研究和开发开始于上世纪9 0 年代初，研究和发展的 对象包括基于直列泵和转子泵的位置控制系统、清华大学的电控泵一管一阀一嘴 p p v i 系统、中压共轨系统、高压共轨系统等。现阶段国内的发展热点是高压共 轨系统，无锡油泵油嘴研究所及上海交通大学、清华大学、天津大学等高校在做 相关的开发和研究，另乡 中国一汽集团公司在进行电控单体泵的开发研究。目前 国内柴油机电控的发展水平还处于研究开发阶段，离产业化还有很大距离。 1 3鬲压共轨系统的发展现状 国外一些高压共轨系统研发公司，如日本电装、德国b o s c h 公司和西门子 公司、英国d e l p h i 公司等已经实现了高压共轨系统产业化，并在柴油机上大量 应用，根据d e l p h i 公司的统计数据，到2 0 0 4 年，高压共轨系统在新生产车辆上 3 堑! ! ：厶堂亟! ：生业论塞盈：重曼l 宣 的应用比例将达到7 0 ，装配高压共轨系统的柴油机动力车辆将达到5 卣万辆。 1 9 9 5 年，u 本电装公司把其研翻的e c d - u 2 高压共轨系统应用到卡车上，这 也是世界l ：第台高压兆轨系统。e c d u 2 结构如图1 1 所示，高压供油泵的泵 油系统与普通直列采一样，但由于去掉了普通油泵的油量分配机构，其重量和体 积j 有普通直列泵的三分之一；喷浦器采用三通阀的形式( 后来改成了二通阀) 。 e c d u 2 最高共轨压力达到1 3 5 0 b a r ，最小喷油间隔( 相邻两次喷油间的间隔时 问) 为0 7 m s ，最大供油量为2 4 0 m m 3 。与传统的泵管嘴系统相比，e c d u 2 对 燃油消耗率改善1 2 以上，噪声降低6 d b 以上。 圈1l彻一i 断每压共轨秉娆结丰日朗 1 9 9 9 年，日本电装公司的e c d - u 2 p 高压共轨系统应用到轿车上，e c d u 2 p 的岛压油泵丌始采用内 轮型的分配泉。 2 0 0 2 年，日本电装公司开发的最新共轨系统轨压达到1 8 0 0 b a r ，最小喷油间 隔达到o 4 m s ，实现的最小喷油量为l m m 3 ，喷油器参数的改进使得系统可以实 现5 次喷射来降低n o x 和p m 排放，噪声降低到跟汽油机相当的水甲。 根据电装公司公布的发展计划，目前电装公司正在发展压电晶体喷油器和最 要喷油压力2 0 0 0 b a r 的共轨系统，采用乐电晶体控制的喷油器最小喷油问隔将达 到0 1 m s ，并计划在2 0 0 5 年应用到现在的1 8 0 0 b a r 高压共轨系统上。 1 9 9 7 年，b o s c h 公司第代高雎共轨系统研制成功，并应用到轿车和卡车 上，最高喷射压力为1 3 5 0 b a r 。之后b o s c h 公司高压共轨系统经历了第二代和 销曼代的发展。第二代和第三代共轨系统的最高喷射压力都为1 6 0 0 b a r ，但第三 代系统的喷油器( p i e z o i n l i n e1 n j e c t o r ) 采用压电晶体，并在结构上做了很人改 进，运动部件的体积和质量比第二代减少了7 5 ，响应速度是电磁阀喷油器及普 通压电晶体喷油器的2 倍。第三代共轨系统依靠喷油器的改进获得了更好的系统 4 性能，根据b o s c h 公司公布的数据，第i 代共轨系统比其第二代能有效降低柴 油发动帆喷射近2 0 ，提高发动机动力5 - 7 ，减少燃油消耗3 ，并降低发 动机噪音3 d b 。装配b o s c h 第i 代共轨系统的a u d ia 83 0 升排量柴油机可以 在没有使用排气后处理装置的情况下达到e u r oi v 排放标准。 b o s c h 第三代共轨系统在2 0 0 3 年5 月份已经开始批量生产。根据b o s c h 公布的发展计划，b o s c h 于2 0 0 6 年实现的下一代共轨系统的改进对象仍然是喷 油器，系统通过在喷油器巾采用增医器的方法实现2 0 0 0 b a r 的喷射压力，并实现 可燹针阀孔径( v a r i 曲l en o z z l eg e o m e t r y ) 。 晟早发展以压电晶体为执行机构的高压共轨系统的是西门子公司。2 0 0 0 年， 西门子公司开始把采用压电晶体为执行器的共轨系统提供给客户。压电石英晶体 执行器与电磁阀相比具有没有死点、开闭速度快、精度及重复精度高、寿命长等 优点表1 1 是压电晶体执行器与电磁阀技术的对比。 表1 1压电阀技术和电磁阀技术的对比 在第2 4 界维也纳( 、i f m n n a ) 发动机技术研讨会上，西门子公司展示了他们将 要在2 0 0 6 年实现批量生产的第三代高压共轨系统。新系统中的喷油器压电晶体 执行器体积更小，采用集成到阀顶杆( v a l v es h a f t ) 的结构，这与b o s c h 第三 代高压共轨系统上采用的喷油器结构类似；最高喷射压力将达到18 0 0 。2 0 0 0 b a r 。 目前典型的高压共轨系统有电装公司的e c d - u 2 、h p 3 、h p 4 ，b o s c h 公司 的c p 2 、c p 3 、c p 4 ，西门子的p c r 系统，及d e t p h l 公司的m u l t e c d c r 系统等。 从电装、b o s c h 、西门子、d e l p h i 等几个主要高压共轨生产商的发展可以看 出，现阶段高压共轨系统的发展重点是高压油泵、喷油器部件结构及性能的改进， 高压共轨系统在设计概念和方法上没有改进。 高压油泵的发展是有第一代系统( 如e c d u 2 ) 上采用的直列泵形式改变为 转子泵形式，轨压控制原理由e c d - u 2 上的泵油开关控制改变为进油节流控制。 电装公司和b o s c h 公司目前采用的分别是两柱塞和三柱塞的转子泵，其控制原 理是通过进油计量电磁阀控制进油量孔的大小，通过控制进油量来控制轨压。改 进后的高压油泵进油计量电磁阀不要求快速响应，同时不承受高压，可靠性高： 由于e c d - u 2 上的高压油泵控制需要判定曲轴位置，e c u 控制软件实现难度大， 特别是完成发动机转速信号识别以前，由于不能判定篮轴位置，轨压建立困难， 逝江盔堂堑! 坚! i 幺童噩童i i 言 相比之下，改进后的进油量孔形式大大简化j - e c u 控制难度，起动时只需加人 进油量扎便t ，r 以很快建直起轨压。 喷油器的发展趋势是尽可能减少运动部件的体税和质量、采用压电晶体来提 高响应速度和控制精度以及可变针阀孔径技术的应用。喷油器丌闭响应时间及能 够实现的最小喷油量、最小喷油间隔是喷油器性能的重要参数，为了满足未来严 格的排放指标( 欧洲2 0 0 5 年开始实行e u r of v 排放标准) ，喷油器需要满足5 次 喷射、最小喷油间隔0 i m s 和最小喷油量1 1 1 1 1 1 3 的性能要求。 由f 高压共轨系统的燃油喷射是在几乎恒定的轨压下进行，喷油速率接近方 形，而理想的单次喷油速率要求开始阶段喷油速率低。为了解决高压共轨系统喷 油速率的题，已经有两种方案：一种是利用压电晶体执行器控制针阀孔径，在 喷汕开始时以较小的喷油孔喷入小量燃油：另外一种是通过喷油压力控制，即喷 油开始时喷油拯力较低，然厉进入高压喷射。图1 2 是m i t s u b i s h im o t o r s 公刭提 的下一代共轨系统设计方案n c r s ，系统包含高压和低压两个油轨，喷油开始 时高雎开关阀s w i t c h i n g v a l u e 关闭，低压油轨向喷油器供油，然后阀打，f ，由高 压轨供油。这些系统代表了高压共轨在设计概念卜的改进，其可行性需要验证。 图1 2n c r s 系统结构示意图 崮内高压共轨系统还处于开发研制阶段，无锡油泵油嘴研究所在自行研制开 发共轨系统，已经实现了初步阶段的开发上作；同时，目外电装、b o s c h 、d e l p h i 等公司的高压共轨系统涌入中国市场，并开始在中国建立合资公司生产制造。 6 盔堂殛尘坐些盐塞簋二重l 盲 1 4论文各部分内番 论文第二部分对高压共轨系统控制策略进行了初步研究分析，做为后面控制 单元开发的基础；第三部分对电控单元开发技术进行了研究用传统的开发方法 在m p c 5 5 5 平台和g n ug c c 环境下开发高压共轨控制单元，完成初步的调试和 功能验证；第四部分对o s e k v d x 规范进行研究，把实时操作系统o s e k t u r b o 应用到开发出来的电控单元中，对其作用和意义进行研究分析；第五部分是基于 c c p 协议的标定系统搭建相关内容：第六部分内容是e c u 调试和用搭建的标定 系统在油泵实验台架上面进行功能验证的实验结果。 逝延太堂硒望业论塞基三重菌压基扭垂荭控& i 蓝璺 第二章高压共轨系统控制策略 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 况灵活柔性拄制，高压共轨系统对发动机性能的改善，除了依靠机械方面性能和 e c u 硬件电路性能的保证外，主要依赖于电控单元控制策略和控制算法。 发动机电子控制策略可以分为基础策略和控制策略两部分；发动机位置正时 策略、发动机工况管理策略以及对发动机状态参数输入的处理策略是任何发动机 电子控制的基础；控制策略因发动机和燃油系统的不同而不同，如柴油机跟汽油 机的控制策略相差很大，柴油机系统中，不同的燃油系统控制策略也不同，对柴 油机高压共轨系统而言，控制策略包括轨压控制、油量控制、喷油规律和喷油定 时控制四个方面；控制策略需要对发动机的各种工况进行控制。 发动机是一个复杂的非线性系统，其控制策略设计没有成熟的理论可以遵 循，需要在大量试验中不断测试和改进，因而控制策略的设计更多是一门试验的 科学，具体的控制细节需要在试验中根据实际运行情况制定。本章中讨论了作者 对高压共轨系统基本控制策略的理解，这些基本的控制策略只能构成控制策略的 框架。 其他辅助参数发动机工况参数 图2 1高压共轨控制示意图 8 堑江厶堂亟生墅论童 箍三童直廷基熟苤统燕劁篮坚 2 1系统控制原理 高压共轨燃油喷射系统主要的控制量包括目标轨压控制、喷油量、喷油定时， 另外需要确定不同工况下的喷油规律。图2 1 是高压共轨系统控制的简图，电控 单元采集发动杌工况参数及其他些辅助参数来确定发动机工况，计算喷油量和 日标轨矗值，根据当前 ：况合理选择喷油规律，并计算各次喷射( 预喷、主喷、 后喷等，由确定的喷油规律决定) 的喷油量和喷油定时，图2 , 2 足计算流程，各 个计算环节的详细过程放在各个小节中。 发动机上况参数主要包括轨压、油门开度、大气压力、进气温度、进气压力、 燃油温度、冷却水温度以及发动机转速信号；其他辅助参数主要是一些开关量， 包括怠速触点信号、宅挡信号、离合器触合信号、刹车信号、手刹车信号以及其 他一些辅助设备开关信号，如守调、p t o 等。 图2 2 控制量计算流程 9 逝江太堂殖望些论室 笙三童高压基塾蠢统控劐篮嗑 2 2位置正时 位置正时是指电控单元通过对转速信号的处理，判定当前工作缸号及计算曲 轴当前位置的过程。位置正时是电控单元正常工作的基础，电控单元工作时必须 确定当前的工作缸号及当前曲轴的位置才能在正确的时刻把燃油喷入到正确的 气缸。 电控单元一般利用安装在曲轴和凸轮轴上的齿盘和转速传感器( 霍而或者电 磁) 发出的转速信号进行位最正时，具体的正时策略取决于曲轴和凸轮轴齿盘的 形式。通常曲轴上的齿盘通常采用缺齿的形式，齿数较多，以便更加精确的判定 曲轴位置。凸轮轴上的齿盘齿数较少，通常有两种结构形式：一种是齿盘上只有 一个齿，在第一缸上止点前( 通常为7 5 。b ) c ) 发出信号，用来判定第一缸； 另外一种采用n + i 齿的多齿形式，n 为发动机缸号，除了判定第一缸外，还可 以在其他各缸到达压缩冲程上止点前发出信号。由于发动机需要在曲轴传感器损 坏的情况下保持正常工作，现在凸轮轴转速信号齿盘多采用多齿形式。 转速信号的波形取决于齿盘的形状。在论文系统中采用的转速信号齿盘形式 为曲轴齿盘( 4 8 - 3 ) ，凸轮轴齿盘( 6 + j ) 。图2 3 是论文系统中发动机曲轴转速信号 ( 下) 和凸轮轴转速信号( 上) 的波形。 两个齿轮在曲轴和凸轮轴上的安装必须满足下面两个条件：检测到凸轮轴齿 盘的多齿时发动机位置处于1 缸上止点前7 5 。；曲轴齿轮的安装需要保证凸轮 轴多齿落入曲轴缺齿内。 在系统中，用落在曲轴缺齿位置内的凸轮轴齿轮上的多齿来判定第一缸，即 检测到曲轴缺齿时，如果凸轮刚好在多齿位置，表明发动机处于第一缸上止点前。 发动机位置用曲轴齿轮齿数计数来表示，计数范围为1 9 3 ，凸轮轴多齿后第 。一个曲轴齿计数为l ；发动机位置计数为l 时距离一缸上止点的位置用( 7 5 o ) 计算，0 为凸轮轴多齿到其后面第一个曲轴齿轮阆的角度，由电控单元计算得出 或者根据安装固化到电控单元中。发动机位置根据计数和0 可以准确确定。 田2 ，3 糟琏_ f l l - g - l l 蟒 1 0 越江上堂亟! ：生业论奎 笠三童直筐基毡丞统撞女l 蓝嗑 2 3轨压控制 高压喷射是柴油机提高功率和降低排放的关键技术，提高喷射压力使喷油液 滴更加细化，提高与空气混合质量，缩短喷油持续时间：对喷油压力的研究结果 表明，提高喷射压力使缸内最高爆发压力、最高燃烧温度、最大放热率有明显提 高，有利丁提高发动机平均有效压力、降低燃油消耗率和微粒排放但噪声和 n o x 排放增加。 高压共轨系统能够实现对喷油压力的自由控制，电控单元根据当前上况( 转 速和油量) 查m a p 表获取目标轨压，根据轨压传感器反馈回来的当前轨压对轨 压力实行闭环控制，使轨压在二l 作过程中保持稳定。图2 4 是基本的轨压控制原 坪。 图2 4轨压控制框图 不同形式的高压油泵的控制原理是不同的，对于泵油开关式的高压油泵( 如 e c d u 2 上的高压油泵) ，泵电磁阀控制脉冲输出的时刻决定了泵油量的大小， 输出时刻越早泵油量越大，此类油泵的控制算法功能就是通过改变油泵控制脉宽 输出的时刻来调节轨压。控制脉宽输出的时刻用上j l 点前的曲轴角度来描述。 轨压控制算法采用工业中常用的位置式h d 算法，其计算公式如下： 女 a u ( k ) = k p e ( k ) + k ，p o ) + e ( t ) 一p ( 1 1 ) 1 ( 2 1 ) j i o 算法中的积分环节的作用是用于消除静态偏差，提高系统的控制精度。在过 程启动、结束或者大幅度增减时，偏差p ( ) 较大，容易引起系统超调甚至震荡。 解决积分项引起的超调问题有两种解决方法，一种是积分分离，即当偏差e ( t ) 的 1 1 堑江占堂殛生业j 金塞望三童赢匡基执墓统控剑鲢略 绝对值大于某个设定值时，采用p d 控制，脱离积分项：另外一种是对偏差e ( 女) 限制，即当l p ( i ) i 口一时，i p ( ) i 取值p 。 在轨压控制的应用中，p i d 算法的输出量有最大值和最小值的限制，当输出 控制量超出限铝范围时，积分项容易引起积分饱和的问题。例如，当输出控制量 ”( t ) “船h 时，u ( k ) 受最大值限制，只能取值“一，系统的输出量会由于控制量 u ( k ) 受到限制变化变慢，偏差p ( ) 保持正值的持续时间比正常状态更长，积分项 有较大积累值，这种状态称为积分饱和；当p ( 七) 出现负值时，由于积分项的值较 大，需要一段时间才能退出饱和区，这样使系统的输出出现明显的超调，系统过 渡时间加长。解决积分饱和问题可以采用下面的方法；计算”( i ) 时，先判断 u ( k 一1 ) 是否达到饱和( 超过“一为上饱和，小于。为下饱和) ，若为上饱和， 则只累加负值；若为下饱和。则只累加正值。 图2 5 是改进后的p l d 算法流程图。 高压共轨系统对轨压控制的要求是在每次喷射前能够建立轨压到目标轨压 值，目标孰压值由e c u 根据发动机当前工况计算得到。 j 2 蜇扛厶堂亟= 生业监堂 苤三童高筐基毡基统控1 4 筮略 圈2 5改进后p i d 算法流 3 逝西厶望醵望韭论室差三童商廷基毡嚣蕴控盔4 蓝晓 2 4喷油控制 喷油控制的内容包括喷油量、喷油定时和喷油规律。喷油量取决于发动机不 同工况扭矩的需求；喷油定时和喷油规律是决定发动机排放的重要因素，同时也 影响到发动机燃油经济性，喷油定时和喷油规律需要在标定时根据排放和燃油经 济性要求做折中考虑。 2 4 1 喷油量控制 在高压共轨系统中，喷油量是由电控单元作用在喷油器电磁阀上的控制脉冲 的宽度决定的。电控单元对喷油量的控制分两步计算：( 1 ) 根据发动机工况计算 目标喷油量：( 2 ) 把喷油量转化成喷油脉宽的时间 目标喷油量包括基本油量和修正油量两部分。在多次喷射模式下，电控单元 需要根据总油量和转速确定其他备次辅助喷射的油量，先介绍总油量的计算。 发动机的电子调速特性曲线是计算发动机总油量基本值的依据。调速特性曲 线的基本形式如图2 6 所示，其作用包括： l 、起动油量控制，保证发动机能够正常起动： 2 、最大扭矩控制，防止发动机超负荷运行； 3 、最大转速控制，防止发动机超出标定转速运行和发生“飞车”现象； 4 、照小转速限定； 5 、部分负稿控制，发动机大多时候工作在部分负荷，工况在部分负荷洄变 化时需要保证车辆的可操作性。 上面的5 部分作用分别体现在图2 6 中调速特性曲线上的a 、b 、c 、d 、e 曲 线段内。调逮特性曲线在e c u 中以三维m a p 表的形式存储，x 、y 、z 轴分别 为油门开度( 或发动机扭矩) 、发动机转速和基本油量。 口 嘲l 景 图2 6发动机电子调速特性曲线 1 4 逝辽厶堂熊生业论奎 蕴三童商廷基熟萎蕴趁割燕嗑 在草木总油量的基础e 引入的修正量包括起动油最修正、瞬态工况油量修j 下 及冷击水温度、燃油温度等环境参数的修正。对柴油机而言，由于过量空气系数 总足人十1 ，因而不需要进行进气温度和进气压力环境参数修正。 总油量的计算在起动上况、怠速工况的计算与正常运行工况的计算不同。 发动机在起动工况卜- i 主 丁转速和缸内温度都较低，喷入气缸内的燃油雾化不 好，燃油需要加浓：这时油量主要根据冷却水温度和转速决定，电控单元根据冷 却水温度传感器返醐的温度值和转速查起动油量m a p 表获得起动油量。起动油 量与冷却水温度和转速的关系如图2 ，7 所示。 q n 图2 7起动油量和转速、冷却水温度的关系 发动机工作在怠速工况下时，电控单元对转速进行i 孤吓控制。使发动机转速 稳定存日标怠速。目前汽车上面装配有很多其他的负载，如空调、动力助力转向 等，怠速擦制的主要日的是保证发动机在这些系统负载启动时发动机能够稳定在 一定转速，防止发动机因系统负载的开启而转速过低，引起振动及燃烧恶化等现 象。怠速闭环控制的基本方法是电控单元根据冷却水温度查表获得目标怠速值， 计算当前转速与目标怠速值的偏差，通过闭环控制算法( 通常为p i d ) 对油量进 行调节。怠速p i d 算法的基本形式同轨压p 1 d ，当发动机转速低于某个设定值时， 发动机进入怠速闭环控制状态。怠速闭环控制实际上是控制发动机的最低转速。 怠速p i d 调节可以在调速特性m a p 的基础上进行( p i d 调节量+ 查调速特性获 取的基本油量= 当前喷油量) ，也可以独立工作，即怠速p i d 起作用时，油量计 算不杏调速特性m a p 。 发动机在低转速时，瞬时转速波动较大，电控单元需要根据各缸瞬时转速偏 筹对箨缸油量进行平衡校正。逐缸平衡校正的基本方法是选取一缸作为基准，根 据其他各缸的转速偏差( 通常是一循环中最高转速和最低转速的差) 与基准缸的 转速偏差问的差值查表获取补偿油量。逐缸平衡校正采用积分累加的形式。 修正后的发动机的目标喷油量不能超出最大排气烟度限定油量，排气烟度限 定油量是进气压力、进气温度和转速的函数，由e c u 根据相应参数查m a p 表 获1 汉。图2 8 是总喷油量的计算原理框图。 舾扛太坐硒肇业论奎 麓三童直压基觐基蕴控益l 茁坠 上面提到的目标喷油量是总的喷油量，在多次喷射模式下，电控单元需要根 据总油量和转速确定其他备次辅助喷射的油量，一般来说，总油量是主喷油量、 近预喷( p r e ) 油量和近后喷( a f t e r ) 油量的和，主喷油量由总油量减去近预 喷和近后喷油量得到。除了主喷油量外，其他四次喷油量的计算形式相同，在起 动工况矸、f 。根据转速和冷却水温度查表获取；在正常工况时，根据发动机转速和 总油量查表获取，并根据冷却水温度进行修正。图2 9 是除主喷油量外其他各次 喷射油量计算的示意图。 发动机转速 f p i l o t p r e p 儿o t p r e a f t e r p o s t 油薰 a f r e r p o s l n 冷却水温度补偿 总油量 油量m a p 羚知7 f ( 漏抖 图z9多次喷射模式下各次喷射油量的计算 喷油时间是目标喷油量和喷油器流率参数的函数，而喷油器流率主要由喷油 压力和喷油器的特性决定。在把目标油量转化到喷油时间时通常采用根据目标喷 油量和目标轨压力查m a p 表的形式。m a p 表根据喷油器台架标定试验的数据得 到。 电控单元必须对喷油器开启和关闭时间延迟进行补偿，使喷油器在准确的时 间开启和关闭。喷油器不同压力和油量下的开启、关闭延迟组织成m a p 形式， 喷油脉宽的补偿量为喷油器结束延迟与开启延迟之差，结束延迟通常比开启延迟 人。 1 6 堑盟厶堂亟土生业监z亟三童直量基觐歪统控割越睦 冷去j j 水& 度1 h w 厂 i 罐”襻i j一 7 1 1 t 1 j a c c p 发动机转速：n e 誓力油量m p _ 圈晰触陟 瞬i 付转速偏差 油门变化最 加速叫问 人气j f 、力 发动机转速 进气温度 燃m 墒i 堑 | j s 九j k f i 标喷 i i 量【l 【昏 目标轨址p 盟 月标汕量 q b a s e o 起动油鼙 周q l j 。 箨缸油篮修正星 瞬态t 说补偿浊奄 烟度限请最大油量 燃油温度修l i i t h f t 吼 喷油时间t q u 图2 8正常工况下总喷油量计算原理框图 几 m u xo i j 喷油脉宽 1 7 习囤匐圈圃圈回国匐圈固圈 堑江叁堂硒肇韭论奎 箍三童商匡基觐丕统整劁蓝堕 2 4 2 喷油定时控制 喷油定时对发动机燃油经济性、动力性和摊放都有很大影响。喷油定时推迟， 燃油在较高的温度和压力下喷入气缸，滞燃期短，可以降低最高燃烧温度，从而 降低n o x 的排放和燃烧噪声，推迟喷油定时是降低n o x 排放的最简单易行的方 法，现代直喷柴油机为了降低n o x 排放，喷油提前角已经减少到0 5 。c a ：另 一方面，喷油定时延迟会导致最高爆发压力下降，燃油经济性变坏，h c 和微粒 排放增加。一般来说，推迟喷油定时必须提高喷油压力，提高喷油压力能加快油 滴的雾化过程。 电控单元对喷油定时的计算分为两步实现，第一步是计算目标喷油提前角， 喷油提前角用上止点前的曲轴角度表示，如b 。b t d c ；第二步是根据发动机转 速和喷油提前角，计算输出喷油器控制信号的触发齿和延迟时间。 在多次喷射模式卜，e c u 需要计算主喷提前角和图2 8 中所示的其他各次喷 油定时。 i - 目标主喷提前角包含基本喷油提前角和修正量两部分；基本喷油提前角由电 控单元根据转速、目标总喷油量( q f i n ) 查喷油定时m a p 表计算；修正量包括 起动工况、瞬态工况及进气温度、进气压力、冷却水温度、燃油温度等环境参数 修正。 在发动机温度低的条件下，由于气缸内空气压缩所达到的温度比较低，着火 延迟比较大所以喷油提前角不能太小，否贝日燃油不能在上止点附近迅速燃烧， 造成后燃增加，发动机动力性和经济性降低，所以需要根据冷却水温度设定一个 最小主喷提前角0w ；另外，在发动机起动工况时，发动机转速低，空气运动弱， 混合气燃烧速度比较低，此时也要根据转速设定一个最小喷油提前角os 。e 、和 0s 由电控单元分别根据冷却水温度和发动机转速查m a p 表获得。 图2 8 中远预喷和远后喷定时的计算与主喷定时无关，e c u 根据转速、总喷 油量查m a p 表计算，并引入冷却水温度修正。起动工况下用远预喷改善起动性 能，其喷油定时根据转速和冷却水温度决定。近预喷和近后喷定时采用相对主喷 起始和结束时刻的间隔决定，是一种间接的方式；肘间间隔由e c u 根据转速和 总油量查m a p 表计算，同样引入冷却水温度修正。近预喷定时和近后喷定时的 计算涉及到相对主喷起始结束时刻的间隔、主喷脉宽及喷油器开启关闭延迟参 数。其计算公式如下： 近预喷定时= 主喷定时+ 喷油器开启延迟一近预喷间隔 近后喷定时= 主喷定时+ 喷油器开启延迟+ 主喷脉宽+ 喷油罂结束延迟+ 近后喷问隔 1 8 浙江厶生殛士坐业论竖箍三童画压基毡基统趁& 4 盈监 2 4 3 赜油规律控制 对直喷式柴油机来说，喷油规律直接影响放热规律，为了实现低排放柴油机 的优化放热规律，理想的喷油规律要求初期缓慢、中期按照一定的速率建立起较 高的喷油速率后保持稳定、后期快断( 图2 7 ) 。开始时喷射率低可以降低在滞燃 期内形成的可燃混合气量，降低初期燃烧速率，到达降低最高燃烧温度、降低 n o x 排放和燃烧噪声的目的；中期喷油保持较高的喷射率可以加速扩散燃烧，降 低颗粒排放；喷汕后期迅速结束喷射可以减少和避免燃油在雾化恶劣情况下的不 完伞燃烧，降低h c 和微粒排放。 糌 删 曩 螫 油 喷油持续时问曲轴转角 幽2 8 低排放柴油机理想喷油) i ! i 【律 高压共轨系统的每次喷油几乎是在恒定的高压下进行的，喷油速率曲线成方 形。与理想的喷油速率相比，高压共轨系统具备快速断油和中期保持高乐高速率 喷射的优势，但由于初始喷油阶段在高压下进行，喷油速率大，在滞燃期内喷入 燃油较多，导致发动机噪声和n o x 排放增大。解决的方法是使初期低速喷射与后 期的高速喷射分开，即采用多次喷油模式来改善喷油规律。 9 亟扛友芏鳕肇壁j 金童箍三塑矗匿基魍垂蕴控盔l 莲嗑 m a i n 图2 9多次喷射及定时关系 高压共轨系统在一次喷油中可以通过控制喷油电磁阀通断电来实现多次喷 射，从而实现对喷油规律的灵活控制。可以满足e u r oi v 排放标准的5 次喷射关 系如图1 所示，现在产品化的共轨系统一般实现虚线框内的三次喷射来满足e u r o i l i 排放标准。 多次喷射的实现的条件是在喷射过程中保持较高的喷射压力和喷油器电磁 阀快速响应。现有的柴油机燃油系统中，电控泵燃油系统通过采用双弹簧喷 油器能够实现一次预喷射，电控泵喷嘴系统e u i 也只能实现一次预喷射，由于 不能保证足够的喷油压力，无法实现后喷：高压共轨系统由于可以建立恒定的轨 压可以实现更多的喷射次数，如三次喷射( 一次预喷、一次后喷) 、四次喷射( 两 次预喷、一次后喷) 及5 次喷射( 两次预喷、两次后喷) 。 自上个世纪9 0 年代初，多次喷射便成为改善发动机n 魄和微粒排放、降低 噪声的重要手段和研究方向。多次喷射的目的是实现柴油机理想的喷油规律，各 次喷射对发动机燃烧过程有着不问的影响：远预喷通过在前期喷入少量燃油，可 以缩短主喷滞燃期，从而降低最高燃烧压力和燃烧温度，可以在降低燃烧噪和 n o x 的排放；近预喷与主喷问的间隔很小，其作用是按照一定的速率建立起较高 的喷油速率，从而进一步控制燃烧噪声和n o x 的排放；两次预喷在改善噪声和 n o x j f 放的同时也造成了微粒排放增加的负效应，近后喷的作用是改善发动机微 粒的排放；远后喷的作用是通过后燃为尾气后处理( 如三元催化还原剂) 的工作 提供温度和化学条件。 对于各次喷射的作用国外也开展了大量的实验研究工作，有很多研究成果我 们可以借鉴。 文献 9 4 0 6 7 4 对两次喷射( 一次预喷射+ 主喷) 的实验研究结果表明，两次喷 射模式可以很大程度上降低n o x 和微粒的排放，并降低燃烧噪声；预喷的关键参 r 玎一亡 h 鼠 一 | | _孝力。 一k 逝塑厶芏殛肇业论室 蓥三童画压基丝丕甄控制篷虽 数是预l 喷间隔和预喷油量，预喷间隔( t i n t p ) 应该在1 5 度曲轴转角左有，预 喷油量应该在i 5 2 m m 3 ，过大的预喷油量使主喷最高燃烧温度增大，不利于降 低n o x 的 放。 文献 2 0 0 3 - - 0 1 0 7 0 0 1 对矸i 同负荷下的预喷进行研究，研究结果表明