硕士论文-汽车电动燃油泵控制模块的研究开发.pdf

5 , - 9 5 1 9 0 7 钷旦大学 硕士学位论文 ( 专业学位) 学校代码： 1 0 2 4 6 学号j0 3 3 0 2 1 0 2 0 汽车电动燃油泵控制模块的研究开发 院系： 专业： 姓名： 指导教师： 完成日期： 信息科学与工程学院 电子与通信工程 朱振华 陈雄副教授陈江红高工 2 0 0 5 年1 1 月2 0 日 摘要 汽车电动燃油泵电子控制模块项目是我公司承接德国B O S C H 公司的开发项 目。该项目采用协同开发的模式，我公司主要负责开发该项目的电子部分( 包括 系统的软硬件及相关测试) ，机械部分的设计( 包括接插件和外壳) 由德国B O S C H 公司负责。 作者在详细分析了汽车燃油供应系统的燃油控制策略基础上结合本项目的 实际情况研究了按需控制供油系统的控制策略同时作者结合汽车电子的特点， 针对汽车电磁兼容性做了理论分析，详细地研究了汽车上的各种电磁干扰及相应 的测试方法。 作者的主要工作是：根据按需供油系统的要求、汽车电动燃油泵的特性及汽 车环境的要求，开发了一套单片机控制系统，该系统实现了智能控制油泵的功能。 它可以通过一根通讯线接受汽车电子控制器的控制指令从而控制油泵的运行，并 且通过该线将有关油泵的故障信号回传给汽车电子控制器：还可以通过该通讯线 实现正常工作和睡眠模式的切换。在系统开发过程中，作者充分研究了油泵的控 制策略，在定义了本系统各个模块功能的基础上进行了硬件设计以及系统调试和 分析等工作。 系统开发完成后，进行了功能测试，测试结果表明系统能够按预先定义的控 制策略工作。对系统的电磁兼容测试结果也表明系统能够正常工作在汽车环境 中。 关键字 电动燃油泵电子模块( P E B ) ，燃油供给控制策略( C o n t r o Is t r a t e g yf o rr u e s u p p l y ) ，电磁兼容性( E M C ) 中图分类号：T P 3 6 8 2 文献标识码：B 第4 页共势页 A b s t r a c t F u e lp u m pe l e c t r o n i cm o d u l ef o ra u t o m o t i v ei sac o d e v e l o p m e n tp r o j e c t b e t w e c l lB O S C Ha n dU A E S ( m yc o m p a n y ) U A E Si sm a m l yr e s p o n s i b l ef o rt h e e l e c t r o m cp a r t ( m v & s wd e s i g na n ds y s t e mt e s t ) o ft h eP E M ；B O S C Hw i l lb e r e s p o n s i b l ef o rt h em e c h a n i cp a r t ( c o n n e c t o ra n dh o u s i n gd e s i g n ) o ft h eP E Ma n dt h e S Wd e v e l o p m e n ti nE M SE C U A f t e r a n a l y 商n gt h ef u e lc o n t r o ls 订a t e g yi nt h eE M SE C U ，t h eA u t h o rs t u & e s t h ec o n t r o ll o g i co f D E C O S ( D e m a n d e dF u e lc o n t r o ls y s t e m ) a c c o r d i n gt ot h ep r o j e c t b a c k g r o u n d B a s eo nt h es p e c i f i c a t m no ft h ea u t o m o t i v ee l e c t r o n i cf i e l d , t h ea u t h o r r e s e a r c h e dt h eE M Cf e a t u r ei na u t o m o t i v ef i e l da n dt h er e l a t e dt e s tm e t h o do r E M C 1 1 l ea u t h o r sm a r e j o bi st od e v e l o pac o n t r o ls y s t e m , w i n c hr e a l i z e st h es m a r t c o n t r o lo f t h ef u c lp u m p 皿ec o n t r o le o n u n a n dI St r a n s m m e dt ot h eP E Mv i ao n el i n e S Oa st oc o n t r o lt h er u n m n go ft h ef u e lp u m pa n dt h es w l t e h i n gb e t w e e nt h en o r m a l m o d e & s l e e p i n gm o d e ；a l s ot h ed i a g n o s i si n f o r m a t i o ni ss e n d b a c kv i at h es a m el i n e t ot h eE M SE C U D u r m gt h ed e v e l o p m e n t , t h ea u t h o rs t u d i e st h ec o n t r o ls t r a t e g g d e f i n e se a c hf u n c t a o n a lm o d u l e d e s i g n & d e b u gt h es y s t e mf u n c t i o n A f t e rt h ed e v e l o p m e n t , t h ef u n c t i o nt e s t 埽e x e c u t e da n dt h et e s tr e s u l ts h o w s t h a tt h eP E Mc a n1 1 1 1 1a se x p e c t e d a l s ot h eE M Ct e s tr e s e te n s u r et h eP E MC a nw o r k w e l li nt h e a u t o m o t i v ee n v i r o n m e n t K e y w o r d ： P u m pe l e c t r o n i cm o d u l e ( P E g ) C o n t r o l s t r a t e g yf o rf u e ls u p p l y E l e c t r o m a g n e t i s mc o M p a t i b lIi t y ( E M C ) 第5 页共5 9 页 刖舌 随着电子和计算机技术向汽车制造业不断渗透，汽车的机械部件正逐步被电 子部件所取代，车载通讯和娱乐设施也相继在车内安家落户，汽车电子化已成为 当前的热点。随着汽车市场的快速发展和汽车电子价值含量的迅速提高，我国汽 车电子产业将形成巨大经济规模效应，成为支持汽车工业发展的一门相对独立新 兴支柱产业。 汽车电子化已被视为衡量一个国家汽车工业发展水平的重要标志。汽车电子 最显著特征是向控制系统化推进，用传感器、微处理器M P U 、执行器、数十甚至 上百个电子元器件及其零部件组成的电控系统，正获得极其广泛的市场。当前国 内的汽车电子化的程度还比较低，且大多为汽车音响等方面，对于技术含量和附 加值较高的发动机控制，A B S 控制等方面电子化程度还比较薄弱，大多数电子信 息设备的核心技术要从国外引进，自主开发薄弱，原创性技术和产品少。而这些 方面的应用正是我们努力的方向 汽车电子在发动机上的应用主要为电子控制喷油和点火在现代汽车上，机 械式或机电混合式燃油喷射系统已趋于淘汰，电控燃油喷射装置因其性能优越而 得到了日益普及。电子喷油装置可以自动地保证发动机始终工作在最佳状态，使 其在输出一定功率的条件下最大限度地节油和净化空气。经过实验并修正得到发 动机最佳工况时的供油控制规律、事先把这些客观规律编成程序存在微机的存储 器中，当发动机工作时，根据各传感器测得的空气流量、排气管中含氧量、进气 温度、发动机转速及工作温度等参数，按预先编好的运算程序进行运算、然后和 内存中的最佳工况的参数进行比较和判断再调整供油量。这样就能够使发动机一 直处于最优工作条件下运行，从而使发动机的综合性能得到提高。 电动燃油泵控制作为电子控制喷油系统的重要组成部分，可以实现按照需要 控制燃油压力，能应用于恒压控制的传统燃油径制系统及汽油机直喷和歧管喷射 等新技术中；并具备了更多的诊断和故障处理功能，实现了更好的安全性。 本文将从下面五部分详细分析研究电动燃油泵的控制模块的开发： 第一章简单介绍燃油供给系统的构成和燃油喷射的发展历程。并对本项目情 况做了介绍。 第二章介绍汽车发动机管理系统中控制喷油的策略，在此基础上对油泵电子 模块的控制策略进行了研究此外还结合发动机管理系统的硬件结构定义油泵控 第6 页共5 9 页 制模块的通讯方式。 第三章作者在研究国内外E M C 标准基础上结合本项目特点，分析了汽车环 境中的电磁兼容性情况和相关的测试要求。 第四章详细描述作者开发的油泵电子控制模块，包括硬件设计、软件设计、 系统测试等作者还对系统调试中的问题进行了分析，给出了解决方案。 第五章作者对本项目中所从事的工作进行了总结。对油泵电子控制模块的发 展和前景给予了展望。 在本论文的写作中，由于本人水平有限和知识的不足，难免会有不足之处， 希望各位专家和老师批评指出。 第7 页共5 9 页 第一章燃油供给 一、燃油供给系统简介 燃油供给系统必须能够在所有运行工况下向发动机提供所需的燃油量。电动 燃油泵将燃油从油箱抽出，通过一个滤清器，送到装有电磁喷油器的燃油分配管 内，喷油器将精确计量的燃油喷入发动机进气管，多余的燃油通过燃油压力调节 器流回油箱。 压力调节器般使用进气歧管内的压力作为基准。保持这样的压力，加上使 燃油不断地通过燃油分配管( 冷却效应) 以防止在燃油中形成气泡。喷油器的压 力差通常一直保持在3 0 0 k P a 左右。需要时，燃油供给系统还能采用配装稳压器 的设计，以降低油路的压力波动。 电动输油泵连续不断地从油箱吸出燃油。它既可以安装在油箱内( 油箱内置 泵) ，也可以安装在外部的油路中( 油路泵) 。 目前常使用的箱内泵安装在油箱中，集成在一起的还有油位传感器和用来消 除回油路中气泡的涡流板。使用油路泵时，高温下供油的问题可以通过增加一个 箱内辅助泵从油箱输出低压燃油来解决。 第8 页共5 9 页 为了保证系统供油压力满足所要求的水准，最大供给能力总是要高于系统的理论 最大需求量。 电动燃泵通常由发动机管理系统的E C U 操纵。当发动机处于静止状态而点火 系统并未关断时，安全电路会切断燃油供给。电动燃油泵由以下元件组成： 一泵总成， 一电动机和尾盖。 电动机和泵安放在同一壳体内，浸泡在循环燃油里这样可使电动机得到有 效冷却。因为没有氧存在，所以不可能形成可燃混合气，也没有爆炸危险。尾盖 包含有电线接头、单向阀和连接到压力侧的液压接头。油泵关闭后，单向阀可以 使油泵内的压力维持一段时间，以防止气泡的形成。尾盖组件中还可以包含抗干 第9 页共5 9 页 扰装置。 电动燃油泵把燃油从油箱中吸出，连续不断地供给燃油循环回路。电动燃油 泵使燃油不断地从油箱流出。它可以直接装在油箱内( 内置泵) ，也可以装在油 箱外的油管内( 油路泵) 。 油箱内置泵现在被普遍使用，它和油位传感器及用于消除回油管路中燃油蒸 气的涡流阻尼板一起被集成在油泵总成中。管路泵系统的高温燃油输送问题可以 通过在油箱内安装一个辅助增压泵，在主泵前的低压油路保持一定压力来解决。 输油泵的最大输送能力总是超过系统的理论最大需求值，以保证在所有工况下， 能够稳定地维持系统的压力。 二、燃油喷射的发展 燃油直接喷射的历史可以追溯到百年以前 早在1 8 9 8 年，D e u t z 煤气机厂就在制造柱塞式喷油泵用于有限的产品系列 中。 不久之后，文氏管效应用于化油器设计中，使得基于当时技术的燃油喷射系 统失去了竞争力。 1 9 1 2 年，B o s c h 开始了汽油喷射泵的研究。以B o s c h 燃油喷射为特征的第一 台航空发动机( 1 2 0 0 马力) 在1 9 3 7 年进入了成批生产。化油器存在结冰和着火 危险的问题，这给在航空领域发展燃油喷射工作特别的动力。这一发展标志着 B o s c h 燃油喷射纪元的开始，不过燃油喷射应用于轿车装置还是走了很长的一段 路。 1 9 5 1 年，一种B o s c h 直喷装置首次成为了小轿车上的标准装置。几年后，戴 姆勒一奔驰( D a In l I e r B e n z ) 公司的传奇性赛车3 0 0 S L 型安装了这种燃油喷射装 置。 随后的数年里，机械喷射泵继续得到发展 1 9 6 7 年燃油喷射取得了又一次巨大进展，出现了第一个电子喷射系统，进气 压力控制的B - J e t r o n i c1 1 9 7 3 年空气流量控制的L - J e t r o n I C 出现在市场上，同时出现的还有 K - J e t r o n I C ，其特征是机械液压控制和有一个空气流量传感器。 1 9 7 9 年标志着一种新系统：U o t r o n I C 的问世，其特点是各种发动机的功能的 数据化处理。这种系统将L - J e t r o n I C 与电子程序控制的点火系统相结合，是第 一个汽车微处理器。 1 9 8 2 年K - 3 e t r o n i c 投放市场，还可以配备一个电子闭环控制电路和一个 L a m b d a 氧传感器的结构即K E J e t r o n I C 。 第1 0 页共鹑页 1 9 8 3 年又增添了M o n o 一3 e t r o ni c ，这种具有特别性价比的单点喷射装置使得 在小型车辆上装备J e t r o n i c 成为可能。 到1 9 9 1 年，世界上有3 7 0 0 多万辆汽车使用着B o s c h 燃油喷射装置。 1 9 9 2 年有5 6 0 万套发动机管理系统出厂，其中2 5 0 万套是M o n o J e t r o nic h 和M o n o - M o t r o n i c 系统。同期2 0 0 万套M o t r o n i c 系统供应市场。今天，燃油喷 射系统已成为关键的汽车零部件。 三、项目情况介绍 1 按需供油系统( D e m a n dc o n t r o lI e df u e ls u p p l y ) 当前对电动燃油泵的控制大多为通过发动机管理系统对油泵继电器进行简 单的开关控制。在这种控制方式中，通常是启动汽车后一直打开油泵继电器从而 使油泵持续运行直至熄火，诊断功能也仅是对继电器的简单诊断。随着汽车电子 的发展，节约能源的要求及汽车安全性要求的提高，简单的控制继电器已经不能 满足车辆的要求。 随着汽油直喷和歧管喷射等技术的提出，在高档车上按需控制供油系统逐渐 得到应用。其系统结构图如下： 第1 1 页共5 9 页 系统的基本概念是发动机管理系统E C U 计算出相应的对油泵控制信号后将 控制信号传输给独立的电子模块控制油泵的运行，和当前的单纯控制油泵继电器 的方式相比有如下好处： 一最小化油泵的耗电 减少了电子系统的负担 一增加了油泵的寿命 一减少了油泵的噪声 - 减少了百公里油耗 一降低了油温和燃油涡流 一对当前的发动机管理系统E C U 的改动最小( 只需要更改软件) 2 项目背景 本项目是我公司承接德国S c H 公司的开发项目，其中我公司主要开发油泵 电子模块的软硬件B O S C H 公司开发油泵电子模块的外壳和接插件 之前B O S C H 公司已经开发出了第一代的油泵电子模块但是第一代的产品全 部由分立器件构建，没有单片机中央控制，而且外观尺寸比较大，安装比较困难 此外宝马公司也自行研发了油泵电子模块，由单片机控制，但是存在着高成本及 大尺寸的安装问题，导致没有推广应用本次开发的主要任务就是要实现低成本 小尺寸的油泵电子模块 c h a c _ s l sg r o u n dc h a s s i sg r o u n d 3 项目需求 要求油泵电子模块接受发动机管理系统E C U 传递的控制信号后将之转换为 第1 2 页共5 9 页 相应的控制信号直接控制油泵的运行，同时监控油泵的运行情况，将故障信息传 回给E C U 进行处理。油泵电子模块可以工作在正常模式和睡眠模式( 极低功耗) 。 两种模式的切换的控制信号也由E C U 发出。 系统的成本要求为电子元器件的材料成本不超过8 0 元。 油泵电机为单相，需要油泵电子模块能提供1 6 A 以上的驱动能力。能区分不 同的故障，如短路和堵转。 系统总功耗小于5 一。其中驱动管和续流管的功耗均需小于2 瓦极低功耗下 整个系统的电流小于1 0 0 微安 整个系统印刷线路板大小约4 0 + 2 8 毫米 在汽车环境下能正常工作，满足B O S C H 电子兼容性的要求。 可选功能：能接受1 2 路的模拟信号输入，如燃油压力等 4 需求分析 根据项目需求，需要了解汽车中燃油供应的策略进而定义油泵运行的控制方 式。由于系统对电磁兼容性的要求，有必要研究汽车电磁环境并做针对性的设计， 还需要研究s C H 的电磁兼容测试的规范据此做相应的测试。此外根据成本和功 能的要求选择合适的I C ，小尺寸大电流带来的散热问题等都是在设计中需要考 虑的问题。 第1 3 页共5 9 页 第二章P E M 控制策略 一、电喷系统介绍 化油器和汽油喷射系统都为一个共同的目标而设计：在发动机任何工况下， 供给发动机理想的空燃混合气。汽油喷射系统，尤其是电子汽油喷射系统，在维 持空燃混合气在严格的限制范围方面有比较好的效果，这带来经济性、舒适性、 方便性和功率输出上上佳的表现。由于对废气排放的要求越来越高，导致了化油 器的逐渐淘汰和燃油喷射的兴盛。 现在的供油系统几乎都采用在燃烧室外形成混合气，而基于燃烧室内形成混 合气的概念，即燃油直接喷射到燃烧室内的概念是当初第一个汽油喷射系统的基 本设计思想。由于在进一步降低燃油耗方面非常有效，因此，汽油喷射系统获得 起来越广泛的应用。 1 电喷系统的特点 电喷系统是闭环电控多点燃油喷射系统。其突出的特点是将点火系统与燃油 喷射系统复合在一起。电喷系统的核心部件是电子控制器。电子控制器将汽油喷 射及点火控制两者互相联系起来。 1 ) 与采用化油器系统相比，节约了燃油。 2 ) 由于燃油加浓的计量精确，在暖机阶段点火角匹配恰当，因而降低了燃油消 耗量。 3 ) 在全负荷时，可根据转速精确的计量燃油的加浓量，从而节省了燃油。 4 ) 点火角可适应发动机的所有工况，这既满足了废气排放的要求，也达到了节 油效果。 5 ) 由于点火角有利于启动，燃油计量精确，因此使起动及冷起动性能可靠。 6 ) 低转速时发动机扭矩特性好。 7 ) 采用闭环控制，进一步改善了废气排放。 8 ) 在发动机倒拖时，通过倒拖断油控制系统，切断燃油供应，减少了燃油的消 耗。 9 ) 发动机工作期间，不需要重新进行校正，易于保养。 2 电喷系统的基本组成 第1 4 页共5 9 页 说明： C a r b o nc a nis t e r i rm a s ss e n s o r 碳罐 空气流量计 I n t a k em a R i f o l ds e n s o r ：进气压力传感器 F u e l i n j i e c t o r ： 燃油喷射器 l g n i t i o nC O lI ： 点火线圈 O x y g e ns e n s o r ： 氧传感器 K n o c ks e n s o r ： 爆震传感器 T e m p e r a t u r e s e n s o r ： 发动机温度传感器 S p e e ds e n s o r ： 转速传感器 E I e c t r o n i cc o n t r o lu n I t ：电子控制单元 A c c e I e r a t o rp e d a lm o d u I e ：加速踏板 P u m p ： 电动燃油泵 C a n I s t e rp u r g ev a I v e ：碳罐清洗阀 T h r o t t l ed e v i c e ：电子节气门 C a m s h a f ts e n s o r ： 凸轮轴位置传感器 P h a s es e n s o r ： 相位传感器 从以上图示，电喷系统可分为： 1 ) 供气系统 第1 5 页共5 9 页 供气系统负责测量控制汽油燃烧所需的空气量。它主要包括以下几部分：空 气滤清器节气门体( 位于空气滤清器和稳压箱之间，与加速踏板联动，用以控制 进气通路截面积的变化，从而实现发动机转速和负荷的控制) 、空气压力传感器 ( 与稳压箱相连，它的作用是把进气管内的压力变化转换成信号输给E C U ) 、稳 压箱和空气阀等组成。 由空气滤清器过滤的空气，经节气门体流入稳压箱并分配给各缸进气管，当 空气与喷油器喷出的汽油混和后形成可燃混合气体进入气缸。 吸入发动机的空气量由E C U 通过计算压力传感器测出的进气压力和转速传 感器测出的曲轴转速得知 2 ) 供油系统 供油系统的作用是向各缸喷射燃料用油。它主要包括以下几部分：燃油管、 燃油泵( 电动) 、燃油滤清器、压力调节器( 与喷油相连，用以控制供油系统的 压力，使喷油器中的油压与进气管负压之差始终保持在3 0 0 K p a ，可使喷油器中 的喷油量只受通电时间长短的控制) 、喷油器( 根据E C U 指令将燃油以雾状喷入 进气管) 等。 燃油泵将燃油从燃油箱泵出，经燃油滤清器过滤及压力调节器的稳压，输送 给各缸喷油器，喷油器再适时喷入进气管中。 3 ) 点火系统 点火系统的功能是在适当的时刻点燃被压缩的空燃混合气，开始燃烧。在点 燃式发动机中这项功能是由火塞两极间产生一短暂的放电而形成的电火花来实 现的。它主包括以下几部分：火花塞( 安装与气缸内) 、霍尔传感器( 安装在分 电器内，用以测量发动机啦轴的转角，为E c u 控制点火时刻提供信号) 、点火线 圈( 点火圈的初级线圈的接通和断开受到E C U 的控制，断开时刻即对应点火时 刻) 、高压分电器( 点火线圈的高压电脉冲通过分电器分配到四个气缸的火花塞) 和爆震传感器。 4 ) 控制系统 控制系统负责收集发动机的工况信息并确定最佳喷油量、最佳喷油时刻及最 佳点火时刻，它主要包括以下几部分：E C U ( 一种电子综合控制装置，电控喷射 装置的控制中枢，由模拟数字转换器、只读存储器R O M 、随机存储器P , A l l l 、逻辑 运算装置和一些数据寄存器等功能模块的单片机系统组成) 、水温传感器( 用以 把发动机的温度信号输入E C U ) 、氧传感器( 用以检测发动机的燃烧状况，随时 向E C U 提供修正喷油量的电信号) 、节气门位置传感器( 安装在节气门体上，用 来检测节气门的开度，进而反映发动机的不同工况) 、空气温度测试传感器( 安 装于节气门之后的进气管上，用以检测进气温度，与进气压力传感器联合作用， 第1 6 页共5 9 页 可以准确地反映气缸的进气量) 、空气压力传感器( 与稳压器相连，用以将进气 管内压力变化转换成电信号，输送给E C U ) 、爆震传感器( 安装于缸体上，能将 发动机爆震情况转换成电信输入给E C U ，供其修正点火时刻) 及霍尔传感器( 用 以控制发动机曲轴的转角，为E C U 控制点火时刻提供信号) 等。 3 电喷控制系统的控制策略 电喷系统原理图 电喷系统对发动机的控制，就是怎样去控制发动机的喷油量，点火提前角， 怠速进气量等参数，使发动机性能发挥最优，最大限度的降低尾气排放。 1 ) 接收并采集输入信号 E C U 采集的信号有：发动机的转速信号，发动机的温度信号，进气压力、迸气 温度，节气门开度，氧传感器信号等。 2 ) 信号处理 E C U 根据输入信号决定当前发动机的运行模式：冷启动，暖机，怠速闭环模 式，空燃比闭环控制，开环控制模式，加减速模式等。 首先，进行当前运行模式的控制，确定需控制参数的基本量，再根据其他输 入信号确定各种修正量，或根据闭环反馈信号确定控制参数的修正量，输出喷油 脉宽、怠速空气阀开度、点火角控制信号。 3 ) 故障检捌与处理 执行故障自检功能：将各种传感器信号的当前值与预存的极限值比较，超过 就表示有故障。 执行故障处理：针对检出的故障采取相应的对策。如用替代值替代等。 4 ) 喷油时间计算过程 下面以框图形式画出： 第1 7 页共5 9 页 喷油时间计算 4 电喷发动机运行工况燃油供给情况分析 起动工况 节气门全闭，转速低于某一定值，发动机温度低于某一定值。冷起动时，吸 入的空气燃油混合气减少，混合气变稀。混合气变稀的原因是：在低转速和 低温度下，燃油微粒的旋流运动减弱，燃油蒸发量减少，气缸壁部被燃油严重沾 湿。为了消除这种现象，保证发动机在低温下顺利起动，必须在起动的瞬间多喷 入一些燃油，点火角也作相应匹配。 起动时，由于转速剧波动，从而强烈地影响测定的空气量精度，电子控制器 预定一个固定的负荷信号，此信号由一个与发动机温度有关的系数而定需要的 喷射量增加借助于一个冷启动控制机构( 此机构中用喷油器来计量启动燃油增 量) 得到。为实现这一点，只能采用复杂的喷油持续时间控制机构。为了产生均 匀的空气一燃油混合气，以及火花塞尽量不被燃油沾湿，曲轴每转一转，喷油器 喷油多次。此外，电喷系统根据起动开始后经过的转数、发动机和发动机温度来 控制喷油持续时间，从而控制喷射量。 燃油起动增量的降低是在超过与温度有关的转速阈值( 例如2 0 0 3 0 0 r m i n ) 之后或一定的转数后进行的。这样，喷油器起初为湿润壁部而喷射的 时间不致超过必要的程度。起动增量随起动经过的转数而变化的关系是基于起动 后发动机需要的油量不断减少。这种功能还带有转速的影响，因为在转速很低时， 不论转速处于何值，每循环的空气量都为常值。转速较高时，出现节流现象，每 循环的空气量减少，喷射量必须降低。与此同时，电喷控制器调整点火角，以进 第1 8 页共5 9 页 一步改善起动特性和起动后的加速。 暖机工况 冷启动结束后，发动机进入暖机阶段，暖机工况时发动机温度尚低，仍有燃 油冷凝，燃油与空气混合欠佳；发动机需要附加的暖机加浓。在暖机阶段，根据 温度，负荷及转速的不同，发动机得到精确的燃油增量和精确的点火瞬时。 根据温度修正系数与转速、负荷有关的修正，利用转速、负荷曲线，对加速 和行驶特性起关键作用的范围内，暖机加浓系数设计的高些，而在非关键的转速 范围内，暖机加浓系数设计的低些。 怠速工况 节气门全闭：发动机转速大致等于怠速转速设定值，此值与发动机温度有关。 怠速的控制框图： 怠速控制框图 怠速时，发动机不提供扭矩给飞轮。为保证发动机在尽可能低的怠速下稳定 运行，闭环怠速控制系统必须维持产生的扭矩与发动机“功率消耗”之间的平衡。 系统通过要求更大扭矩以响应新的“干扰因素”，如空调压缩机的开停或自 动变速器换档。在发动机温度较低时，为了补偿更大的内部磨擦损失和，或维持 更高的怠速转速，也需要增加扭矩。 所有这些输出扭矩要求的总和被传递到扭矩协调器，扭矩协调器进行处理计 算，得出相应的混合气成分和点火正时。 通常情况下，为使怠速正常及怠速后的加速无冲击，怠速的混合气需调的浓 第1 9 页共5 9 页 一些。利用点火瞬间的响应调整，电喷系统得到了所希望的无怠速加浓时的效果。 加速，减速工况 喷射到进气歧管中的燃油有一部分不会及时到达气缸参加接着的燃烧过程。 相反，它在进气歧管壁上形成一层油膜。根据负荷的提高和喷油持续时间的延长， 储存在油膜中的燃油量会急剧增加。 当节气门开度增加，部分喷射的燃油被该油膜吸收。所以，必须喷射相应的 补充燃油量对其补偿并防止混合气在加速时变稀。一旦负荷系数降低，进气歧管 壁上燃油膜中包含的附加燃油会重新释放，那么在减速过程中，必须减少相应的 喷射持续时间。 加减速过程如下图所示： 1 由充量密度计算出的喷油信号 2 经修正的喷油持续时间 3 补充喷油量 4 减少的喷油量 5 节气门角度胡一v 倒拖断油恢复供油 - - 一 瞬变时的喷油持续时间 倒拖或牵引工况指发动机在飞轮处提供的功率是负值的情况。在这种情况下， 发动机的摩擦和泵气损失可用来使车辆减速。发动机可在有或者没有喷油的情况 下运转。 对被动的，无喷射的牵引工况，喷油被切断以减少燃油耗和废气排放。 l I E M o t r o n i c 扭矩为主控制系统对燃油喷射脉冲进行抑制以免在过渡到牵引工况 时扭矩急剧上升，使之能够平缓的下降到规定的输出扭矩。 一旦转速下降到怠速以上特定的恢复供油转速时，喷油系统重新供油。实际 上，E C I J 的程序中有一个恢复转速的范围。它们根据发动机温度，发动机转速动 第2 0 页共s 9 页 发 态变化等参数的变化而不同，并且通过计算防止转速下降到规定的最低阈值。 一旦喷射系统重新供油，系统开始使用初次喷射脉冲供给补充燃油，并在进气歧 管壁上重建油膜。恢复喷油后，扭矩为主的控制系统使发动机扭矩的增加缓慢而 平稳( 平缓过渡) 。 二、P E M 的燃油控制策略 对于该控制系统来说，需要控制的是油泵的泵油量( 即控制P 哪输出信号的占 空比从而调节油泵电机的运行情况) 因此控制系统的输入必须是和燃油量相关 的信号按前节所叙，发动机在启动，怠速和加减速等过渡工况下对燃油的需求是 不同的，有时侯需要加浓有时侯需要偏稀，在倒拖工况下为省油还可以切断供油 为了按照供油的需要从而控制油泵的运行按照发动机的工况计算系统需要的燃 油压力作为系统的主要输入控制条件燃油压力传感器的信号作为系统的反馈， 大致的控制框图如下： 燃油压力传感器的信号经过滤波处理后和预设的燃油压力进行比较，比较的 结果经过P I D 调节决定了最终产生的占空比该占空比信息将被传递给油泵控制 模块从而控制油泵的运行。 由于噪声在压力回路中是很典型的，压力测量值会突然升高或降低。为了抑 制该高频干扰，对于燃油压力传感器的信号需要先做低通滤波处理。之后P I D 环节的参数整定成为控制的重要环节。 P I D 调节就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控 制。P I D 控制以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的 主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模 型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验 和现场调试来确定，这时应用P I D 控制技术最为方便。对于本系统来说，由于 我们不完全了解该系统的数学模型，因而比较适合用P I D 控制技术。P I D 控制规 律为 第2 1 页共5 9 页 M ( e + 吉胁+ 乃爿 式中屯比例增益，k 与比例度占成倒数关系，即：t = I 8 Z 积分时间； 乃微分时间； P P I D 调节器的输出信号； P 初始设定值与测量值之差 对其进行离散化，得到相应的近似差分方程： p * 正窆巳I 生。! ! = 垒I 出 王 j 式中L 采样周期。 由上式可得增量型P I D 控制算式 第( n 一1 ) 次采样的控制算式为 只- - I = K c 卜昝专刊 。 两次采样计算机输出的增量为： 蛾= 只一= 也 c 巳一，+ 詈巳+ 考c 巳一2 。+ 巳。) 。， = K 。( 巳一巳- I ) + K ，+ 量D ( 巳一2 巳- 1 + e 。- z ) 式中K - 积分系数，玛= t K 一微分系数，足。= 丘号 在整定P i D 参数时先根据压力系统的特性选择采样周期的经验值，之后可以 采用扩充临界比例度法整定系统参数I 、置，、霉、乃。方法如下： 使计算机控制系统为纯比例控制，改变比例系数，使其出现等幅振荡，得到 临界比例系数K k 和临界周期T k 。然后按照经验公式( 基于齐格勒一尼柯尔斯规则 第2 2 页共5 9 页 控制度取1 2 ，对于压力系统取P I 控匍J ) T s = O 0 5 T k ，T i = O 9 1 T k ，K p = 0 4 9 K k 计算。 所得结果需要在实际测量中予以调整以获得较好的响应时间和较小的超调。 三、发动机管理系统E C U 和P E M 的通讯方式 1 当前汽车电子模块间的通讯方式 汽车电子控制系统在如下领域得到越来越多的应用： 一变速器控制( G S ) ， 一电子节气门控制( E 惦，电子节气门) ， 一电子发动机管理( B o t r o n i c ) ， 一防抱死系统( 船S ) ， 一牵引力控制( A S R ) ， 一车载计算机等。 这些应用使得各E C t l 间的数据传输成为日益重要的问题。控制系统问进行数 据传输可以减少传感器数量，有利于各系统更好地发挥潜能。 数据传输的接口可以分为两种： 一传统接口，使用二进制信号( 开关输入) ，脉冲占空比因素( 脉冲宽度调 制信号) ， 一串行数据传输，例如，控制器区域网( C 州) 。 传统数据传输接口 在传统的汽车数据通讯系统中，每个信号占用一根线。二进制信号只能以两 种状况“1 ”或“0 ”( - - 进制码) 之一进行传送。例如，空调压缩机为“开”或 “关”。 脉冲占空比方式( 电位计) 能被用来转换更多的详细数据，如节气门开度。 当前比较典型的是K 线通讯和L I N 总线。K 线多用于故障诊断中，是一种半双 工的通讯方式。L I N 线类似K 线，但有更复杂的定义，能用在一些简单控制的数 据传输应用中。 串行数据传输( C A N ) 汽车上有三种基本的C A N 应用： 一连接各E C t l ， 一车身和配备方便的电子系统( 多路) ， 一移动通讯。 对于E C U 间的连接 第2 3 页共5 9 页 这里电子系统如M o t r o n i c 、变速器电子控制等电子系统被连接在一个网络 中。典型的传输速度大约在1 2 5 k B = t s s 和1 M B i t s 之间。传输速度必须足够高， 以支持所要求的实时响应。串行数据传输与传统接口( 如脉冲占空比因素、开关 和模拟信号) 相比的一个优点是高速传输而不会在E C U 的中央处理器( C P U ) 上 产生高负荷。 C A N 在“多主体”原则下工作。这个概念是将几个优先级相等的E C U 连接在 一个线性总线结构上( 图2 ) 。这种结构的优点是一个部件失效不会影响其它部 件的入口。因此，与其它逻辑安排( 如环形或星形结构) 相比，总失效的概率要 低得多。对于环形或星形结构，一个部件或中央E C U 的失效就会导致整个系统的 失效。 C A N 总线系统根据内容来安排数据的地址，每一个信息都被赋予1 1 位的永久 识别码，识别码表示信息的内容( 例如发动机转速) 。每一站只处理那些识别码 包含在其接收清单( 接收检查) 中的数据，这表明C 州不需要站的地址来传输数 据，并且节点无需管理系统的配置 C A N 采用总线仲裁的方式，只要总线一有空，每一站就会开始传输其最高优 先级的信息。如果几个站同时传输，则所引起的总线冲突将使用“线与”仲裁协 议来解决。这一协议将第一个入口分配给具有最高优先级别的信息，既不会浪费 时间，也不会损失数据位。当一个站失去仲裁后，它就会自动转成待命状态，并 不断重复其传输请求，直到总线显示它不再占线为止。 传输到总线的数据是长度不超过1 3 0 位的数据结构，这可以保证下至一个传 输数据的排队时间( 可能非常紧急) 最短。数据结构由七个连续的字段组成。 国际标准化组织( I S 0 ) 已经认可C N 作为一个使用在汽车应用领域的标准， 该标准的数据传输速度超过1 2 5 k B s ，并具有两个数据传输速度达到1 2 5 k B s 的 附加协议。 2 本项目通讯方式的考虑 考虑到项目的特殊性，对当前系统的改造最少是目的之一考虑到当前发动 机管理系统E 伽上有C A N 总线，也有K 线，故需要着重考虑的是油泵电子模块的需 求 采用C 州通讯的方式需要一块C A N 的接受器芯片，单片机需要支持C A N 的硬 件( C A Nc o n t r o I I e r ) 成本太高，不能被接受 采用K 线通讯的方式也需要有支持K 线的收发芯片( 或用两块运放构建) ，此 外由于对油泵的控制是实时的，需要独占K 线从而会影响其他E C U 之间的通讯， 该种方式也不能采用 第2 4 页共5 9 页 综上所述，只有用发动机管理系统E C U 上多余的数字输出口来输出P W M 信号 给油泵电子模块实现占空比信号的传递对于故障诊断信号的接受，另外用一个 多余的输入口来处理同时在油泵电子模块内也用一个输入和一个输出来模拟该 双向通讯的功能具体框图如下： 同时对通讯的协议做如下规定： 发动机管理系统E C U 输出4 0 0 H Z 的P M J 信号给油泵电子模块作为对油泵电机 运行的控制信号油泵电子模块监控电机的运行，在发现电机故障后先将通讯线 拉低1 0 毫秒然后按故障类型发出故障信息发动机管理系统的输入端检测到1 0 毫秒的低电平后就接受故障信息，并根据故障类型做相应处理 0 呵I 士l b l ， 一l 蛾l _ I 哳 -LI-。 通过对t 。不同来区分不同的故障类型 t ，= 0 5 O 1 s 油泵电子模块软件校验和故障 t = 2 5 0 1 s 油泵电机开路故障 L = 1 5 _ _ - 0 1 s油泵电机对地短路故障 油泵电子模块在检测到故障后发送5 次故障码从而使得在某些不重要的故 障发生时还能控制油泵的运行，若是发生严重故障，发动机管理系统会发出关断 电机的指令 通过这种简单的控制，既实现了系统需要的功能又节约了成本在系统调试 中发现这样是可行的 第2 5 页共5 9 页 第三章汽车电磁兼容性研究 一、汽车电磁环境 电磁兼容( E I e c t r o n m a g n e t i cc o m p a t i b 1i t y ，E M C ) 指某电子系统在和其他 电子系统相临时保持完全中立的能力。也就是说系统不干扰其他系统，同时也保 护自己不受其他系统干扰的能力。针对汽车上的应用来说，安装在汽车上的多个 电子系统，比如点火系统，电子燃油喷射，A B S ，汽车音响等，都必须能在靠的 很近的多个系统中有效的工作同时也不能对其他系统有负面的影响。从另一个方 面来说，汽车作为一个完整的系统也要能够在其环境中保持中立性。换句话说， 不能对其他车辆有电磁干扰，不能干扰广播，电视等通讯设施：反过来，即使在 强电场中( 如：电视塔，基站) 汽车必须保证完全的功能性。这就意味着汽车电 子系统和车辆作为一个整体都必须确保其电磁兼容。 1 汽车各系统间的电磁兼容 1 1 共同的电源 汽车中的各个电子系统都是由一个共同的电源( 汽车电瓶) 供电的，因此在 一个系统中产生的干扰马上就会出现在另一个系统的输入上。当一个电路开或关 的时候就产生这样的干扰脉冲( 电压或电流的突然增加) 。德国标准D I N 4 0 8 3 7 部分1 对这些干扰脉冲进行了分类和总结 按D I N 4 0 3 8 9 部分1 的测试脉冲允许的脉冲幅值分级 脉冲形状内部电 脉冲宽度 Jl II III V 阻 1 0o h m2I l l S2 5 V5 0 V7 5 V一1 0 a V 1 0o h m5 0u s+ 2 5 V+ 5 0 V+ 7 5 V+ 1o 【) v 5 0o h m 0 1u s4 0 V7 5 V一1 1 0 V一1 5 a V 1 0m o h m最大2 0s+ 2 5 V+ 5 0 V+ 7 5 V+ 1 0 0 V 1 2 V1 2 V1 2 V1 2 V ，3 v 一5 V 一6 V7 V 1o h m 最大 + 3 5 V+ 5 0 V+ 8 0 V+ 1 2 0 V 4 0 0 m s 脉冲1 表示电感性负载的打开，如继电器，螺线管 脉冲2 表示电机负载关断的结果，如风扇电机，当运行中的电机被关断时产生一 第2 6 页共5 9 页 个正向的高压 脉冲3 a 3 b 模拟了开关产生的过电压 脉冲4 模拟了汽车启动时电瓶电压的曲线 脉冲5 产生于扔负载，当发电机正在以大电流向电瓶充电时，电瓶突然被断开。 脉冲按照其幅值大小分级从而能优化干扰源和敏感源的配置例如可以定义 在某种车辆上所有的干扰源适用于l I 级，所有的敏感源如E C U 将为设计为遵守 | lI 级的定义以留有一定的安全裕量着在对干扰源的抑制措旅比对敏感源的抑 制措施的花费少的话也可以采用级别I I l 的定义，相反若对敏感源的抑制措施 代价低则可采用级别l II I V 除了这些脉冲，高频振动也是车辆电子系统中不希望看到的干扰这些高频 振动是一些高频开关过程的结果，如：调制直流电机或在E c U 中U C U 的工作等在 此不讨论单个的正弦波，而是讨论由许多不同频率和幅值谐波叠加结果除了用 时间曲线来表示这些振动，它们的幅值也可表示为各自频率的函数，换句话说它 们的频谱是给定的频谱相对平滑的曲线的振动被称为宽带噪声源，频谱由单个 峰值构成则称为窄带噪声源 一般说来，低功率的电动机和发电机属于宽带噪声源，所产生的干扰电压的 幅值在V D E0 8 7 9 第三部分的表格二中得到描述 频率范围 干扰抑制等级 U -删K 一 U 删 0 1 5 电3 N H z0 S _ 一1 6 5 M H z5 9 5 2 61 M H z8 7 5 - 一1 0 8 M H z 允许的广播干扰电压( 单位：d B ) 56 05 04 02 4 4 7 05 8 4 63 0 38 06