（机械电子工程专业论文）柴油机综合电控系统与监控系统的开发.pdf

中文摘要随着我国汽车排放法规的日趋严格，采用传统燃油喷射系统的柴油机将无法满足欧i i i 及以上法规的要求，应用电子控制技术己成为当今柴油机发展的重要方向和必然趋势，开展柴油机综合电子控制技术的研究具有十分重要的意义。本文针对柴油机进行了综合电控系统的开发，完成了电控单元( e c u ) 软硬件的设计，并开发了相应的监控系统和软件平台。首先进行了柴油机综合电控系统的总体方案设计，进行了电控高压共轨燃油喷射系统的分析和电控废气再循环( e g r ) 系统的开发。在此基础上，完成了综合电控单元的硬件和软件设计，选择m o t o m l a 公司m c 9 s 1 2 d p 5 1 2 单片机作为c p u ，完成了输入采集电路和驱动电路的设计。所设计的电磁阀驱动模块具有高压建立时间短、大电流起动小电流维持、泄流速度快等特点。采用美国n i 公司的图形化编程工具l a b v i e w 开发了监控系统，实现了数据的实时动态监测、显示、控制和存储。e c u 与上位机之间的数据交换采用r s 2 3 2 串行数据通信模式，在传输过程中设置了相应的纠错、识别机制，确保了数据传输的可靠性。考虑到柴油机综合电控系统多任务、实时性等特点，采用实时操作系统u c o s i l 搭建软件控制平台。在嵌入式实时操作系统中设计了时钟节拍、任务同步方式、控制任务等，既保证了控制系统的实时性，又实现了控制策略的模块化设计。通过在高压共轨油泵试验台架上的实验研究，表明电控单元能完成系统要求的信号采集、输出驱动、通讯和基本的供油泵控制，为后续的电控系统实验工作提供了有力的支持。关键词：电控系统；高压共轨；柴油机；监控系统；废气再循环w i t ht h cf i l t l l 他m o r es 啪d 吼i 豁i i e 百s l a t i o n ，t 姐d i t i o n a lm c c h a i l i c a lf i l c li n j c c t i o ns y s t e 傩撇n o te 舔yt 0m e c tt h c 北c d so fe u r 0i i ie m i 船i o nr c g u l a t i o n s s oi tj si n c v i t a b l et oa p p l yt h cc l e c 咖n i c0 0 n 仃o l t e c h n o l o g yt od i e s e l 蛐酉n e w a d a y s i i lc h i n a ，t h el c v e lo ft e d m o l q g yo fd e c t m n i cc o n t r o ld i e s c le n g i i l ei ss t 珊i n f c r i o rt ol h a to ft h eu s 柚d 圮e ua n dn d st ob cd c v e l o p c du r g 锄t l y d e s i 印so fe l e c t i o n i cc o n 仃0 ls y s t 锄、e c u 、m i t o rs y s t e m 柚dt h ce m b c d d c ds y s t e ma r ci n t r o d u di nt h i sp a p e r f i 瑙to fa u ，ao m n p l c t ce l c c t r o 】n i cc o n 仃o ls y s t c mf o rd i e s e l 锄g i n cw 勰d e s i 盟e d 1 n h c n ，b 勰e d 彻锄a l y s i so fh i g l l 胛鼯s u r co m n m 彻n i li i i j c c t i o ns y s t e m 姐de g rs y s t c l n b o t ht h ed e s i g n i n gt a s l ( s0 fh a r d w a r c 卸d 幽a f 研c l c c t m i l i c 鲫l t m iu l l i t h a v eb c c nf i n i s h e d m o t o r o l am c 9 s 1 2 d p 5 1 2w a sc h o s 锄鹞t l l ec p u ，t h em o d u l a t i 伽c i r c u i t 锄dd r i v i n gd r c i i i th a v cb e e nd e s i 弘e d 强dm a d ei n t op c bb o a f d t 1 l ed r i v i n gc i r c i i i tw 弱t e s t e dt oe n 如r cn l n n i n gw e l l 耶es o 脚a r co fm o n i t o rs y s t 锄w 髂d c v e l o p e db yu s i n gl 姬v i e w ，w h i c hi s 蹰e x c e l l e n t 掣a p hd e s i 印t 0 0 lo fn ic 0 m p 觚y ，u s a nc a l la c h j c v er c a l “m ec o n t r o l 、d i s p l a ya l l ds t o r a g c 1 1 l ed a t at 砌s m i t t i n gb e 腑e 明m p u t c r 柚de c ui sa c r d i n gt or s 2 3 2s e r i a lc o m m u n i c a t i s t a n d a r d ac e n a i nm e t h o do fe h o r - c o r r e c th a sb e e na d o p t e di nt h ep r o c c 鹃o fd a t at m s m i 豁i o n ，a n di t sr c l i a b i l i t yh 笛b e e ni 璐u 佗d n ec h 盯a d e r i s t i c0 fe l e c t m l l i cc o n t r o ld i 髂e l 锄g i n ei sm u l t i t 勰k s 柚d a l - t i i l l ea c c u r a c y s ot h e n 仃o l m r a r ch 弱b e e nd “e l o p e db yu s i n gt h ei m b c d d e ds y s t e mu c o s t 1 l ed o c kt i c k s 卸ds y n c h r o n i z a t i o ft a s l 【sh a v eb e 曲d e s i 印e dt 0m e c tt h er c q u i r e m e n to fc o n t r o l l o 舀co ft h ee l e c t r o n i c n t m ls y s t c m t h e 佗a l - t i m ef c q u i m e mo ft h ee l e d m n i cc o n t m ls y s t e mi ss a t i s 母i n 岛觚dt h eg o a lo fm o d u l a r j 切t i 彻d e s i 印i sa c h i e v e da tt l l es 锄et i m e n ee x p e r i m 蛐tw 鹤c a r r i e do u to nt h eh i g l lp r c s s u r cc o m m 伽r a i l 坷e c t i o nt e s t - b e d t 1 l er e s u i t ss h o wt h a tt l l ee c ui sf c 勰i b l e ，柚dt h cs y s t e mc 卸r e a l i z ct 髂l c so fa c q u i r i n gs i 印a l sf f d ms c n s o r s 、p r o c e s s i n gd a t a 、c o m m u n i c a t i n gw i t hp c 柚db 髂i cc o n t m lo fp a r a m e t e 幅1 t ”t sf o 州a r d ss 啪ep r o s p e df o rt h ef l l n h e rr c s e a r c h 佗l a t e dt ot e c h n o l o g yo ft h eh i 曲p r e s 蛐r cc o m m r a i li n j e c t i 彻s y s t e mf b rd i e s e le n 西n c 1 【e y w o r d s ：e l e d r o n i cc o n t m ls y s t 锄；c 咖m o nr a i l ；d i e s e le n g i n e ；m o l l i t 甜s y s t e m ；e g r致谢本论文的工作是在我的导师李国岫教授的悉心指导下完成的。李国岫教授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来李国岫老师对我的关心和指导。北京交通大学刘建华高工、山西北方发动机研究所二室徐春龙主任以及实验室管理员吴小军和北京理工大学刘兴华教授悉心指导我完成了有关实验工作，在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助，在此向他们表示衷心的谢意。在实验室工作及撰写论文期间，郑亚银、芮鹏、张庆武、许艳伟、毛剑锋和张艳等同学对我的论文研究工作和实验给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。另外也感谢我的父母、叔叔以及表哥，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。北京交通大学硕士学位论文第一章绪论1 绪论1 1 柴油机采用电控的必要性随着人类生产力的迅猛发展、人口数量的不断增长以及社会发达程度的不断提高，人们的环境保护意识日益增强。同时全球性能源紧缺及能源的消耗所带来的环境问题已经日趋严峻，全球汽车年度废气排放量1 9 9 9 年为4 3 亿吨，2 0 0 0 年为4 9 亿吨，有调查显示北京市大气中大约7 6 的c 0 、6 8 的n 0 】【和8 6 以上的h c来自于汽车尾气的排放。1 。能源紧缺和环境污染是困扰当今人类发展的两个主要问题。柴油机的特点显著，相比于其他各种热能动力机械，其具有油耗最低、热效率最高、功率和转速范围宽广、起动迅速、运行安全、维修方便、使用寿命较长等优点，柴油机作为一种高效的动力机械，在车辆、船舶、电站、工程机械和农用机械等领域得到了广泛的应用，但其造成的环境污染问题也日趋严重。为了减弱能源危机的影响和遏制生存环境的恶化，世界各国纷纷调整本国能源战略，并出台严厉的排放法规以限制车辆对环境的污染。1 9 6 0 年，世界上第一部汽车排放污染限制法规在美国加州诞生。继美国之后，日本与欧盟国家也相继定出排放法规，以制止全球性的大气污染。我国从9 8 年公布了最新的汽车排放法规，规定2 0 0 2 年达到欧洲9 0 年代初控制水平、2 0 1 0 年达到与国际控制水平同步。传统的机械式系统因其固有的缺点，如控制精度低、控制自由度小、响应速度慢等。而电子控制柴油机相比于传统的内燃机，具有以下鲜明的特点。1 ：( 1 ) 能够实现灵活可调的燃油喷射量，从而改善燃烧过程；( 2 ) 能够实现理想的喷油速率控制，包括低的初期喷油速率和预喷射功能；( 3 ) 能够实现准确的喷油定时控制，以获得精确的喷油持续期和喷油量。合理的控制喷油定时和喷油量可减少氮氧化物和碳氢的排放；( 4 ) 快速的停油功能，避免出现各种不利的喷射现象，影响燃烧过程；( 5 ) 能够获得较高的燃油喷射压力以获得足够高的燃油流出初速度和燃油粒子的雾化品质。同时，高压喷射可提高燃油经济性，显著地减少微粒和烟度，排气污染降低；( 6 ) 操作控制自动化，针对不同的工况能迅速做出反应。电控系统将驾驶员的要求转换成相应的控制信号，借助于各种传感器和执行器自动地实现发动机的管理。如可实现怠速自动控制、过渡工况最佳控制等，以适应车用柴油机恶劣的工作环境；北京交通大学硕士学位论文第一章绪论( 7 ) 具有高的耐久性和可靠性。电控柴油机具有智能化自诊断、故障保护和备用功能，能实现故障诊断和处理，电控柴油机还能根据发动机的运行状况进行相关标定参数的自我修正，以保证发动机在整个工作寿命内始终处于最佳状态；( 8 ) 电控系统具有调节精度高的优点，以喷油始点调节为例，机械式调节精度为正负2 。，而电控式的仅为正负0 5 。市场竞争、车辆性能、发动机动力、燃油经济性和排放限制这几方面的苛求，是传统的内燃机无法逾越的障碍。因此电子控制燃油喷射系统取代机械式供油系统是柴油机发展的必然趋势。要同时实现车辆的动力性、经济性和排放性，需要根据不同工况和环境实现发动机的电子控制，持续降低其有害物的排放。这些要求推动了柴油机技术尤其是电子控制技术的发展。电控燃油喷射“1 、可调涡轮增压嘲、废气再循环( e g r ) 嗍、排气后处理“1 等现代技术也只有采用电子控制才能与柴油机的运行工况匹配起来发挥作用“。因此，在柴油机上采用电子控制技术，是当代柴油机发展的需要，也是今后发展的必然趋势州口们“m 4 。1 2 国内外柴油机电控系统研究现状1 2 1 柴油机电子控制技术的发展概况从7 0 年代开始，电子技术开始引入柴油机控制。柴油机电子控制相比于汽油机要落后1 0 年左右，主要原因是柴油喷射电控实现起来有一定的技术限制。随着汽车工业和电子工业的不断发展，柴油机电子控制技术己在车用柴油机领域得到广泛应用。现代汽车的自动化离不开电子技术的迅速发展。微型计算机的应用给汽车工业带来划时代的变化。为了保证控制精度，控制策略日趋复杂，高性能、高速、存储容量大，能平行处理多个任务，对操作系统进行严格软件管理的徽处理器是汽车电子技术得以发展的首要因素。柴油机电子控制是一个复杂的多元动力问题。为了达到现代柴油机要求的动力性、经济性和排放性，目前柴油机电子控制技术已有下列三个方面的发展“”：( 1 ) 对柴油机燃油喷射系统的控制柴油机电子控制最基本最主要的部分就是对燃油喷射系统的控制，包括三个方面：喷油量的控制、喷油定时的控制和转速的控制。对转速的控制又称为调速特性，由软件可以根据不同工况进行改变。另外还可实现超速保护以及极限燃油喷射量的控制。( 2 ) 对柴油机其他系统的电子控制柴油机电子控制系统除了对燃油喷射系统电控之外，还要对其他系统，包括2北京交通大学硕士学位论文第一章绪论废气再循环、可变气门定时控制、进气涡流调节、可变几何截面涡轮增压器、暖机电子控制等进行电控，才能使整个柴油机处于最佳状态，收到最好的效果。控制手段有双、多e c u 控制或者一体化单一e c u 控制。本文采用单一的e c u 进行综合控制。( 3 ) 与传动系统相匹配的电子控制现代传动系统比如液力机械传动或者混合动力电传动等也需要电子控制，全液压动力转向也将被电动辅助动力转向和电控动力转向所代替。其控制参数与发动机共享，因此有必要一体化、综合控制。在液力机械传动中，可闭锁液力变矩器需要根据发动机的实际运行工况确定是否闭锁；在电传动中，电池组由根据发动机运行工况进行充放电或从车辆制动中进行能量回收，能源分配跟电控系统紧密联系在一起，实现精确控制。完美的匹配与控制才能进一步提高车辆的三大性能。目前，发达国家的柴油机电子控制产品已从实验开发阶段进入产品推广阶段，一些国家已有较成熟的柴油机电控产品投入市场，典型的如德国b o s c h 公司的直列式喷油泵、英国c a v 公司生产的分配泵等。我国的柴油机电子控制技术相比于国外在技术上晚了2 0 年，有较大差距。国产柴油机跟国外相比质量上差距较大，对排放限制的不严厉和国产电子器件的性能及适应性不理想是制约我国柴油机发展的主要因素。通过引进国外先进的制造技术以及国内许多研究部门和企业单位的共同努力下，我国柴油机产品水平明显提高。大连理工大学研制的喷油定时系统、上海内燃机研究所研制的电子控制中小功率柴油机系统、天津大学研究的共轨蓄压式电控燃油喷射系统、上海船舶运输科学研究所研制的节流式电控喷油器、大连机车厂和北京交通大学联合研制的内燃机车恒功率微机控制系统、清华大学汽车安全与节能国家重点实验室研制的车用柴油机电控系统及相关课题的研究等，对于柴油机电控技术的产品化，系列化都有积极的作用。本课题将高压共轨柴油机燃油喷射控制和废气再循环( e g r ) 集中在一起，采用单一e c u 进行综合控制。1 2 2 柴油机电控燃油喷射系统发展概况国外在上世纪7 0 年代就开始研制电控燃油喷射系统，从开发至今发展了近3 0年。世界上有许多研究机构和公司的研究部门都在致力于该系统的研制。从2 0 世纪8 0 年代开始出现了各种位置及时间控制式电喷系统。9 0 年代开发了功能更为强大的共轨式电喷系统。目前的燃油喷射系统不仅能够控制所有的喷油参数，而且对怠速稳定性、起动性、增压、e g r 以及各缸喷油量均衡性等也可实施控制。我们按燃油喷射系统的工作原理和控制方式可以将它划分为三代：位置式电控燃油喷3北京交通大学硕士学位论文第一章绪论射系统、时间式电控燃油喷射系统和高压共轨燃油喷射系统。一、位置式电控燃油喷射系统位置式电控燃油喷射系统保留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定时的基础上，改进更新机构功能，使用直线比例式和旋转式电磁执行机构控制油量调节齿杆( 或拉杆) 位移和提前器运动装置的位移，实现循环喷油量和喷油定时的控制，使控制精度和响应速度较机械式控制方式得以提高。位置式电控系统具有以下的技术特征与系统特点：( 1 ) 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，但却使直列泵的机构复杂性加大。( 3 ) 传统柴油机的结构几乎无须改动即可改造成位置式喷射系统，故生产继承性好，便于对现有机器进行升级改造。( 4 ) 由于燃油泵输送和计量机构基本不变，喷油系统参数受柴油机转速影响大，很难实现喷油规律控制，凸轮机构、柱塞套的应力和变形限制了喷油压力的进一步提高。位置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。按照结构原理主要分成直列柱塞泵电控系统和转子分配泵电控系统。目前，国外成熟的位置控制式电控系统主要有：在直列喷油泵上实施位置控制包括美国c a t e r p 订1 a r 的p e e c 系统、德国b o s c h 公司的e d r 系统、日本z e x e l公司的c o p p e c 系统、日本z e x e l 公司的可变预行程t i c s 系统、日本电装公司的e c 旷_ p 2 系统；在分配泵上实施位置控制包括日本电装公司的e c 沪- v 1 系统、日本z e x e l 公司的c 0 v e c 系统、德国b o s c h 公司的e d c 系统、英国l u c a s 公司的e p i c系统、美国a m b a c 公司的电控1 0 0 型分配泵系统等“”。国内在九十年代初期才出现了位置式电控喷射系统，清华大学汽车与节能国家重点实验室柴油机电控课题组曾在位置式燃油喷射系统核心的柔性动力系统开发中，对发动机控制策略进行过研究。二、时间式电控燃油喷射系统时间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，用高速强力电磁阀控制喷油量及喷油定时。泵油机构和油量控制机构完全分开，喷油量是由喷油器的开启时间长短和喷油压力的大小来确定的。喷油定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一体控制，其控制自由度和控制4北京交通大学硕士学位论文第一章绪论性能都是位置式电控系统所无法比拟的。时间控制式电控燃油喷射系统的技术特征包括：( 1 ) 属直接数字控制式电控喷射系统：( 2 ) 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。时间式电控燃油喷射系统的技术关键是：高速强力电磁阀的响应速度。此类系统主要分为以下几类：电控泵喷嘴系统、电控分配泵系统、电控单体泵或直列泵系统。时间式系统的特点是通过高速电磁阀直接控制高压燃油。一般情况下，电磁阀关闭，开始喷油，电磁阀打开，喷油结束。喷油始点取决于电磁阀关闭时刻，喷油量取决于电磁阀关闭时的持续时间，而传统的喷油泵中的齿条、滑套、柱塞上的斜槽、提前器等可全部取消。目前时间式电控系统有许多比纯机械式或第一代系统优越的地方，但其燃油喷射压力仍然与发动机转速有关，喷射后残余压力不恒定。另外电磁阀的响应直接影响喷射特性，特别是在转速较高或瞬态转速变化很大的情况下尤为严重，而且电磁阀必须承受高压，因此对电磁阀提出了很高的要求。典型的电控单体泵系统如图1 1 所示。譬圭喷镝辅力搿柱塞图1 1 典型的电控单体泵f i g 1 11 v p i c a le l c c l r o n i cu n i tp u m ps v s t e m目前，国外该类系统的产品有在单体泵上实施时问控制的有德国b o s c h 公司的e u p l 3 型；在分配泵上实施时间控制的日本z e x e l 公司的m o d e l 1 型系统、日本电装公司的e c d _ _ v 3 系统、德国b o s c h 公司的v p 4 4 系统。国内北京理工大学研制了一套带单级阀的s e r v o j e t 型电控泵一喷嘴系统，并进行了初步实验。在电控5北京交通大学硕士学位论文第一章绪论分配泵方面，已经有研究项目实现了滑套位置式电控v e 泵系列与江铃4 j b l 和大柴4 9 8 两种机型的初步性能匹配，该系统的排放测试结果表明其微粒排放和c o 、c h 及氮氧化物的排放都达到欧i 标准。国内成都威特公司与清华大学联合予2 0 0 4年成功研制出具有自主产权的电控单体泵，但是总体来讲，在燃油喷射系统的研究方面还处于比较低的水平。三、高压共轨燃油喷射系统共轨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。共轨式电控喷射系统具有公共控制油道( 共轨管) ，高压油泵只是向公共油道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。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定时，使其达到与工况相适应的最优数值，而且还使得喷油压力和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。目前，共轨式电控燃油喷射系统的技术关键是：高压油控制技术、高速电磁图1 2 高压共轨喷射系统结构f i g 1 2s i n l d u ”o fh i g l lp r e 豁u r ec 0 舢o nr a i l 嘶e c o ns y s i e m阀技术和组合喷油器制造技术。高压共轨喷油系统的结构如图1 2 所示，为典型的电控高压共轨喷射系统，主要由高压泵、带调压阀的共轨管、带电磁阀的喷油器、各种传感器和电控单元( e c u ) 组成。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6北京交通大学硕士学位论文第一章绪论道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，本共轨系统轨压最高可达1 7 0 m p a ) ，喷油量和喷油定时通过脉宽控制的高速电磁阀来调节，利用电磁阀控制喷油器的背压变化以改变喷油量和喷油定时。高压共轨系统的喷射压力、喷油量、喷油定时和喷油速率可全部柔性控制，但共轨中高压燃油的持续恒压反馈控制比较复杂。高压共轨喷油系统的特点有以下几点：( 1 ) 喷油压力的建立与喷油过程无关，解决了喷射压力对发动机转速的依赖关系，使喷射压力可以根据发动机工况柔性可调；喷油压力、喷油过程和喷油持续期不受负荷和转速的影响；( 2 ) 喷油压力的建立与燃油计量完全分开，可以使喷油量的计量更加准确；可以灵活控制供油规律，能实现预喷射、喷射、靴型喷射、快速停喷、后喷射、多次喷射等( 3 ) 可以实现很高的喷射压力，能够在不同工况下都以较高的喷射压力实现稳定可控喷射，使柴油机燃烧性能改善，排放物中的有害成分减少。( 4 ) 由于压力的产生与燃油定量的控制分开，所以在较低的发动机转速下也可实现较大的喷油量，保证了发动机的低速转矩。发图1 3b c d u 2 系统f i 9 1 3e c d u 2s y s t c m目前国外主要的高压共轨喷射系统主要有德国b o s c h 公司的高压共轨系统、日本电装公司的e c d u 2 系统( 如图1 3 所示) 、意大利f i a t 集团的u n i j e t系统、英国l u c a s 公司的l d c r 型系统、德国m t u 4 0 0 0 系列柴油机高压共轨喷射系统、德尔福m u l t e cd c r 一1 4 0 0 共轨喷射系统。国内天津大学内燃机燃烧实验室进行了中压共轨喷射系统的试验研究，开发了一套p a i r c u i 的蓄压式电控喷射系统。在1 9 9 9 年无锡油泵嘴研究所与无锡柴油机厂共同研制出了共轨柴油机的样机，7北京交通大学硕士学位论文第一章绪论国内的高压共轨喷射系统尚未能完全实现产品化。1 2 3 电控柴油机电控单元( e c u ) 发展现状单片机芯片的选择直接决定了系统功能的强弱。柴油机电控单元( e c u ) 包括硬件和软件两部分，围绕单片机设计组织的e c u 是整个系统的核心。随着微电子技术的迅速发展其功能不断增强，并且逐渐由单一控制向集中控制方向发展。从电子技术诞生开始，汽车工业就与新科学新技术紧密联系在一起。7 0 年代是汽车电子技术蓬勃发展的年代，i n t e l 公司的4 位、8 位集成单片机、1 6 k b 的r a m 问世。在8 0 年代，微机技术有了更长足的发展。继1 9 8 3 年i n t e l 公司1 6 位c p u 闯世后，摩托罗拉公司于1 9 8 4 年推出3 2 位的c p um c 6 8 0 2 0 ，1 9 8 7 年推出眦6 8 0 3 0 。与此同时，内存芯片也从1 9 8 3 年的2 5 6 k b 、1 9 8 5 年的l m b 增长到1 9 8 8年的4 m b 。9 0 年代后期与9 0 年代初期相比，相同尺寸的芯片效率提高了4 倍，单片机在功能方面将更多满足汽车发展的需要。电控转向系统、电控制动系统、废气再循环、可调涡轮增压等与电控系统紧密联系的技术将得到更多的应用。早期的汽车产业e c u 采用8 位和1 6 位微处理器，最近几年开始采用3 2 位的单片机。由于微处理器的速度越来越快，e c u 也由早期的单机控制向集中控制迅速发展，e c u 的可靠性也大幅度提高。目f ； 用的c p u 主要有m o t o r 0 1 a 公司的1 6 位和3 2 位单片机、i n t e l 公司的m s 一9 6 系列单片机和日立的h 8 系列1 6 位单片机。1 9 9 8 年日本开发了e c u 专用3 2 位微处理器r i s c s h 7 0 5 1 ，速度是1 6 位c i s cc p u的5 倍，可靠性也大大提高。其中，m o t o r o l a 公司专为汽车电子设计的3 2 位的p o w e r p c 系列处理器是r i s c 嵌入式应用的理想基础平台。从一开始，革命性的可扩展p o w e r p c 体系结构就是为满足解决方案( 从台式机c p u ，到高性能、高度集成的嵌入式m p u ) 的不同需求设计的。p o w e r p c 处理器提供极具吸引力的性价比、扩大的运行温度范围、多处理功能和高集成度，它的指令在整个产品线中兼容，并提供最广泛的开发工具选择“8 。在e c u 的开发方面，目前已经进入模块化设计阶段。在e c u 的控制程序设计上，主要由监控、管理、计算、控制、检测、自诊断等部分组成，控制方法多种多样，如北京理工大学开发的单体泵电控系统利用台架实验找出各种工况下的最佳喷油提前角，存入e c u 的r o m 中，同时，在发动机运行过程中，实时检测发动机工况进行喷油m a p 标定。目自订世界各大发动机厂商都相应的建立了一些设计规范和规程，来指导e c u 的开发。在国内，e c u 程序的开发大多尚处在各自独立编写的阶段，效率很低，天津大学和北京理工大学分别开发了一些e c u 实验系统和仿真系统，提高了e c u 的开发工作效率。”噙1 。北京交通大学硕士学位论文第一章绪论1 3 选题意义本课题研究和开发一种集成废气再循环( e g r ) 控制的柴油机高压共轨综合电控系统。本文为实现高压共轨燃油喷射与废气再循环电控系统的综合控制进行了大量而细致的工作。为了实现整个控制系统，选择了性能优越的电控元件，其多路复用功能和加锁功能强大，能满足系统的实时、多路控制的要求。本课题的主要意义和特点有：( 1 ) 随着现代社会对车辆排放的各项性能指标提出了越来越高的要求，发展柴油机电子控制技术对节约能源、改善环境具有积极的意义。( 2 ) 选用摩托罗拉公司1 6 位单片机m c 9 s 1 2 d p 5 1 2 和高级语言为主的开发环境，能与上位机之间实现实时数据交流，为实验创造了良好的条件。( 3 ) 电控高压共轨燃油喷射与废气再循环的综合控制，实现输入信号的同步采集与综合利用和输出的实时控制。( 4 ) 通过电控高压共轨的台架试验，完成初步的特性实验研究。通过对废气再循环电控系统的测试与监控，完成电控开发，为后续的电控系统实验工作提供了有力的支持。1 4 论文的主要研究内容本课题针对高压共轨燃油喷射系统，基于高性能微处理器，进行综合电控系统的研究和开发。本课题的主要研究工作可概括为以下几点：( 1 ) 高压共轨柴油机综合电控系统总体设计；( 2 ) 电控废气再循环( e g r ) 系统设计与开发；( 3 ) 基于m c 9 s 1 2 d p 5 1 2 单片机的综合电控单元设计；( 4 ) 基于n i 公司l a b v i e w 开发柴油机监控系统；( 5 ) 实时嵌入式操作系统u c o s 一的移植与应用；( 6 ) 综合电控系统台架实验与调试。9北京交通大学硕士学位论文第二章柴油机综合电控系统总体设计2 柴油机综合电控系统总体设计在第一章中已经叙述了共轨式电控燃油喷射系统容易实现高压喷射及喷油参数的柔性控制，是实现柴油机低油耗、低排放、高比功率的最佳方式，已经成为近几年来柴油机电控燃油喷射系统的一个发展方向。本章进行柴油机综合电控系统的总体设计。2 1 柴油机综合电控系统介绍及总体设计柴油机综合电控系统主要由传感器、e c u 和执行装置三部分组成。传感器对表征柴油机的各种信号进行采集，e c u 根据传感器采集到的信号进行分析、判断、处理和计算，并根据综合电控系统设计的任务输出控制信号，执行器则按照e c u 发出的指令进行动作。本综合电控系统如图2 1 所示。图2 1 综合电控系统不意图f 醺2 1s c h e m a t i cd i a 肿mo fe l c c h o n i c n t r d ls v s t e m高压共轨燃油喷射系统，主要由高压油泵、高压共轨管、喷油器、传感器、执行器等组成，其主要控制参数包括喷油量、喷油时刻、共轨压力。喷油压力是通过p c v 阀控制的；喷油量和喷油定时是由喷油器电磁阀的打开时间和开启时刻决定。e g r 系统主要由e g r 阀、e g r 控制电磁阀、电机、真空泵等组成，e g r 率由e g r 阀的开度控制。2 1 1 系统总体设计功能随着现代传感器检测技术与驱动芯片集成化设计的飞速发展，尤其是现代单1 0一一一一一一；-；北京交通大学硕士学位论文第二章柴油机综合电控系统总体设计片机技术的飞速发展和广泛应用，使得原来复杂、昂贵的机械控制过程转化为单片机的自动调节，与此同时，控制的功能越来越广泛和集成化。电控技术的发展动向是燃油系统和车辆的其它电子控制系统之间进行数据通讯，各种传感器的信息和技术数据可以共享，实现车辆控制综合化、智能化、网络化。系统的总体设计思想是，通过选择合适的电予控制单元，对采集的信号进行处理，并制定相应的控制策略和控制算法，编制相应的软件程序，达到对发动机各参数的精确控制，从而实现电控单元e c u 与发动机的匹配以及排放的达标。本文设计的是集成e g r 和共轨燃油喷射系统的综合电控。在进行高压共轨电控喷射系统开发过程中，一方面要完成高速电磁阀及其驱动模块设计，另一方面，也要设计完善的开发环境以监测和评价这一瞬态微观过程。本综合电控系统的设计任务包括：( 1 ) 实现最基本也是最重要的喷油量控制。通过电控系统的台架实验确定系统的基本喷油规律；( 2 ) 实现共轨压力控制；( 3 ) 实现废气再循环控制；( 4 ) 实现与上位机之间的通讯，实时监测综合试验台各项运行参数，为分析试验台架的运行提供依据。( 5 ) 其他辅助功能，如实现超速报警功能等。本系统在研究过程中首先开发了基于m c 9 s 1 2 d p 5 1 2 单片机的电控单元，在此基础上完成了u c o s 嵌入式系统的移植，完成上位机l a b v i e w 监控系统的建立，为后续的电控系统控制策略实验验证提供硬件和软件操作平台。2 2 共轨系统分析2 2 1 供油泵和控制阀的工作原理供油泵的主要作用是产生喷油所需的高压燃油，在p c v 阀的调节下保持共轨管高压。在保持供油频率和喷油频率稳定的条件下通过凸轮和柱塞机构使燃油增压，可以保持共轨管道的压力稳定。本高压共轨管最大压力可以达到1 7 0 m p a 。供油泵通过压力控制阀也就是p c v 阀控制共轨压力，控制该阀的开启和关闭时刻，来实现高压油泵单个行程供油量大小的调节，从而调整共轨管道内的燃油压力。工作原理分为下面几个步骤”1 ：( 1 ) 柱塞下行，装在油泵顶端的供油量控制阀打开，低压燃油经p c v 阀流入柱塞腔。( 2 ) 柱塞上行，如果控制阀中并未通电，则仍处于开启状态，吸进的低压燃油1 1北京交通大学硕士学位论文第二章柴油机综合电控系统总体设计并没有被加压，而又流回低压腔；当控制阀通电以后，回路关闭，柱塞上行过程使低压燃油加压后流入共轨管。( 3 ) 在凸轮到达最高点时柱塞内压力下降，出油阀关闭，p c v 阀打开，低压燃油重新被吸入柱塞。控制阀的作用是通过调整供油泵供入共轨内的燃油量来调节共轨内的燃油压力。所以，控制阀通电和断电的时刻就可以决定供油泵向共轨管道内供入的供油量。显然控制阀关闭后的柱塞行程与供油量对应。如果使控制阀的开启时间改变，实际上是改变柱塞的预行程，就可以改变供油量，从而实现了共轨内燃油的压力的控制和调节。高压燃油的供给与喷射几乎是同步的，喷油量与供油量被精确地平衡，从而共轨管道内的燃油压力可以达到很高的精度与维持较快的响应稳定性。本系统使用控制p c v 阀的脉冲频率为9 9 7 h z 。2 2 2 喷油工作原理在高压共轨系统中，喷油器是很关键的器件。喷油器根据喷油m a p ，将共轨内的高压燃油以最佳的喷油始点、喷油持续期、喷油速率和喷雾状态喷入燃烧室中。喷油器通过电磁阀的开启和关闭来控制喷油定时和喷油量。本系统采用了两位两通的高速电磁阀。在不喷油时，高压燃油通过进油节流孔流入控制室，使得控制室的压力升高，直至与共轨的压差消失，使得作用在喷油嘴腔两端的压差为零，保持针阀的关闭状念；开始喷油时，两通阀打开，控制腔内的高压燃油经出油节流孔流入低压腔，使得控制腔中的燃油压力降低，导致喷油嘴压力腔的燃油压力大于控制腔，压差导致针阀移动，开始喷油；喷油结束后，电磁阀关闭，控制室与低压腔断开，压力重新上升到与共轨压力相当，较大的压力作用面积使得针阀关闭，如此反复循环。两位两通阀的通电时刻确定了喷油始点，两位两通阀通电时间决定了喷油量。这些基本喷油参数都是由硬件逻辑电路产生的脉冲控制的。阀开启和关闭的响应速度很快，本系统所使用的喷油阀的响应速度在o 3 m s以内。2 3e g r 系统设计2 3 1e g r 排放控制机理柴油机的排放控制重点是控制n o x 与微粒物。但降低n o x 排放却与改善燃烧特性矛盾。e g r 是废气再循环( e x h a u s tg a sr e c i r c u l a t i o n ) 的简称，其功能就是将排气中的一部分废气引入气缸重新参与燃烧的过程。它是一种降低发动机n 0 x排放非常有效的方法。高温、富氧以及氧与氮在高温下滞留时间是决定柴油机燃烧过程中n 0 x 生成北京交通大学硕士学位论文第二章柴油机综合电控系统总体设计率大小的三大要素。e g r 正是通过破坏其生成条件来达到减少n 0 x 排放的目的。e g r能减少n 0 x 排放的机理主要是：由于e g r 的作用，使得进气中惰性气体水蒸气、氮气和c o 等的比例增加，由于这些气体具有较高的比热，致使气缸内再循环的气体比热增高，发动机最高燃烧温度下降，同时混合气体中氧的浓度下降，从而破坏了n 0 x 的生成机理，有效地抑制了n o x 的生成，使有害气体的绝对排放量减少嘲】【茄】【儿2 7 】o2 3 2e g r 系统控制方式电控e g r 系统能实现精确的e g r 率控制。目前在柴油机中使用的e g r 电控系统有以下两种：2 3 2 1 真空度控制的e g r 系统e g r 阀的开启动力由真空源提供，e g r 阀的控制靠电磁阀控制的真空度信号来实现，并且在气动控制过程中真空度消耗低。典型的真空控制e g r 系统元件主要包括e g r 阀、油门位置传感器、e g r 控制阀( 如图2 2 所示) 、曲轴位置传感器、电控单元、水温传感器、起动信号等。e g r 阀膜片的下部通大气，上部( 弹簧侧) 为真空室，其真空度由电磁阀控制。真空度大，吸动膜片上拱，阀抬起，废气再循环系统工作。当失去真空度时，膜片在弹簧的推动下下拱，阀关闭，阻止废气再循环。真空进真j 瀚出i 矾口图2 2e g r 控制电磁阀剖面图f i g 2 2s e c t i 0 f t h ee l e c 仃0 n i cc o n t m lv a l v c1 3北京交通大学硕士学位论文第二章柴油机综合电控系统总体设计2 3 2 2 步进电机驱动的e g r 系统步进电机驱动的e g r 系统的特点是：( 1 ) 适合于柴油机总体布置的多种形式。( 2 ) 再循环废气的控制精度高。( 3 ) 结构相对简单。( 4 ) 采用辅助弹簧增加阀门回落时的驱动力。但是电机驱动的e g r 系统的经济性相比真空控制系统较差，整套系统造价相当昂贵，且目前国内市场不易购买。现在的e g r 控制手段有了进一步的发展，在废气再循环阀上设置了一个位置传感器。因此e g r 阀的开度大小可以通过位置传感器反馈的电压值精确计算。上位机根据废气再循环阀位置传感器的信号即可检测出e g r 阀是否工作及开度是否正常。e g r 阀开度的大小和反馈电压成线性关系，当采集信号显示e g r 阀不能正常工作或开度需要调整时，电控单元可通过废气再循环控制电磁阀来调整废气再循环阀的开度。若调整无效，则显示故障，发出警报信号。2 3 3e g r 系统设计本电控e g r 系统采用真空闭环控制的方式。通过e c u 产生的p 删信号，控制e g r 阀的开度，并根据实际针阀位置传感器的反馈信息随时修正e g r 流量。本系统所使用的e g r 阀和控制e g r 的电磁阀如图2 。3 所示，安装在台架上的真空泵和电机如图2 4 所示。图2 3e g r 阀和电磁阀f i g 2 6e g rv a l v c 柚de l e c 瞅，n n 翻e t i 锄v a i v e图2 4 安装在台架上的真空泵f i g 2 7v a c i l u mp u m pl i x e do nt e s t 舭d北京交通大学硕士学位论文第二章柴油机综合电控系统总体设计真空磊图2 5e g r 系统总体设计结构图f i g 2 5s t m c t u o ft h ee g rs y s t e me g r 系统总体设计如图2 5 所示，控制信号由e c u 根据实际需求的阀门开度，输出一定占空比的方波信号控制电磁阀，p w m 信号的占空比在2 0 9 6 9 5 之间变化。电磁阀的开度决定了作用在e g r 阀膜片上的真空度，从而控制e g r 阀的开度。真空源由安装在发动机上的真空泵产生，通过真空管引到电磁阀的v i n 接口上。本系统e g r 阀自带位置反馈传感器，通过采集其开度电压值，实现e g r 系统的闭环控制。2 4 系统硬件选型及性能分析2 4 1e c u 芯片选型及性能分析目前发动机上常用的电控系统一般分为两种形式：一种是使用单一的e c u 完成柴油机甚至整车的控制，即现代的集成化控制技术。另一种是采用多个e c u 分别控制各个不同的模块，再通过各种总线方式进行通讯。这两种方式各有其优缺点，前者采用一个电控单元，可提高可靠性并降低成本，但同时进行多种控制对e c u 性能要求更高，控制软件编制更为复杂。后者采用多套控制系统，元器件数目增加，系统的可靠性降低，成本增加。但各套系统可分开试验调试，对于系统开发是比较方便的，控制事件的减少使得编制软件的难度降低，从而提高了软件的可靠性。根据上述分析，考虑到实际开发的需要，本电控系统采用单e c u 形式。由电控系统的定义可知，在传感器、e c u 及执行器三部分中，e c u 是电控系统的核心部件，历来是开发的难点和重点，其控制策略决定了发动机在起动、怠速、正常运转和故障的运行模式和性能，对柴油机的性能有决定性影响，主控制器的选择在整个电控系统的设计中是最重要的一环。北京交通大学硕士学位论文第二章柴油机综合电控系统总体设计电控单元是控制部分的核心，由硬件组成和软件实现两大部分组成，管理整个柴油机及车辆的运行。现代市场要求了汽车的安全性、舒适性、可驾驶性，因此e c u 就不仅仅只是完成基本的喷油控制，还包括故障检测、网络通讯、自学习以及与a b s 系统、牵引力控制系统、防盗装置的通讯等功能，从而形成车辆管理系统。它完成参数采集、控制输出和通讯等的全过程，所以电控单元的性能对整个电控系统有决定性的影响。由于电控单元的重要地位，因此要求电控单元应具有很好的稳定性及较强的抗干扰能力，以保证其工作的可靠性。作为电控系统的核心，在本设计课题中，e c u 的主要功能有：( 1 ) 实时采集各个传感器参数，并对参数进行处理，转化成可交流的数据形式；( 2 )