（轮机工程专业论文）16v240柴油机单体泵电控系统设计与研究.pdf

武汉理t 大学硕七学位论文 摘要 柴油机电子控制技术发展至今，在些工业先进国家得到充分发展。国内自 主发展起来的柴油机电控技术也有很大进步，已处于蓬勃发展阶段。环境污染 和能源消耗两大难题，也将继续加快这种技术发展趋势。 计算机技术的发展，实现了微机控制技术在内燃机车上的应用。以美国为 代表的一些发达国家早在上世纪9 0 年代就开始发展内燃机车电喷技术，其技术 水平代表了国外内燃机车的水平。我国内燃机车经过4 0 多年发展，目前已经处 于第四代内燃机车的研制水平。适应重载、提速要求的我国第4 代内燃机车应 采用电子喷射技术。2 0 0 4 年戚墅堰机车车辆厂与奥地利令斯特研究所( a v l ) 合作成功改进了电控喷射的1 6 v 2 8 0 3 0 0 z j b 型柴油机，标志着我国已经开始机 车柴油机电喷技术研究与应用。不论是从可移植性的角度，还是从可行性角度， 电子喷射泵一管嘴系统是目前机车柴油机电控比较理想的方案。 论文基于上述综述，针对我国1 6 v 2 4 0 内燃机车柴油机进行单体泵电控系统 的研究，设计电控系统的驱动系统与控制策略。并对柴油机模型和e c u 模型的 建模仿真进行了探索和研究。论文主要完成以下工作： ( 1 ) 根据单体泵柴油机工作过程以及单体泵电磁阀的工作原理，设计电磁阀 驱动电路，解决快速泄流问题。 ( 2 ) 按照控制策略框架划分的方式整体设计电磁阀的控制流程，包括喷射系 统的控制算法，并对恒功率调节方面进行了研究。 ( 3 ) 初步建立柴油机系统模型和e c u 模型，为联合仿真做准备。 ( 4 ) 系统开发过程逐步遵循v 模式，对核心处理系统进行选型，并设计控制 系统的软硬件。 关键词：机车柴油机，e u p ，电磁阀，建模仿真，e c u ，x c l 6 4 c s 武汉理上人学硕士学位论文 a b s t r a c t u pt on o w t h ed e v e l o p m e mo fe l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e mo fd i e s e le n g i n eh a s b e e n 如l l ye x p l o r e di nh i g l ld e v e l o p e dc o u n t i y w h i l et h es i t u a t i o ni no u rc o u n t 巧h a s c h a n g e dd u d n gt h ep a s tt i m e ，i t sa l s ob o o m i n g t h ep m b l e m so fe n v i r o i u l l e n t p o l l u t i n ga n de n e 娼ye x h a u s t i n g 、) ，i l ls p e e du pt h i st r e n d m i c r o c o m p u t e rc o n t r o l l i n g h 2 l sb e e nu s e di nd i e s e l e n g i n ed u e t ot h e d e v e l o p m e n t o fc o m p u t e r c o u n t 巧l i k ea m 甜c ah a su s e de l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e mi n l o c o m o t i v ed i e s e le n g i n ei nl9 9 0 ，、h o s et e c 址1 0 l o g ys y m b o l st h ed e v e l o p e dc o u n t r i e s d 谢n gt 1 1 ep a s tf o u rd e c a d e s ，w eh a v eh a do u ro w nf o r t h g e n e r a t i o n1 0 c o m o t i v e d i e s e le n g i n e i ts h o u l d b ee q u i p p e dw i 也e l e c t r o n i cc o m r o ls y s t e m i i l 2 0 0 4 ， q i s h u y a nl o c o m o t i v ea i l dr 0 l l i n gv e h i c l ep l a n ta i l da v l ss u c c e s s 如lc o o p e r a t i o n h a si m p r o v e dm e1 6 v 2 8 0 3 0 0 z j be l e c t r o i l i cc o n t r o ld i e s e le n g i n e ，、h i c hm e a n sw e h a v ee n g a g e di 1 1 r e s e a r c k n g 2 u l d 咖d y i n g e l e c t r o n i cc o n t r o ld i e s e l e n g i n e c o n s i d e r i n gt h e9 0 0 dt r a n s p l a n t i n go r 诧a s i b i l i t y ，e u ps y s t e mw i l lb eai d e a i 啪yf o r l o c o m o t i v ed i e s e le n g i n e b a s e dt h ea b o v ei d e 2 l s ，t h i st h e s i sh a sc o n t a i n e dt h er e s e a r c ha 1 1 ds t u d yo fe u p f o r16 v 2 4 0l o c o m o t i v ed i e s e le n g i n e i ti n c l u d e st h ed r i v i n gs y s t e m ，c o n t r o ls t r a t e g y ， m o d e l i n ga n ds i m u l a t i n go ft h ed i e s e le n g i n ea n de c u 1 ) b a s e do nt h et h e o 巧o fd i e s e le n g i n ea n ds o l e n o i dv a l v e ，d e s i g nt l l ed r i v i n g c i r c u i to ft h ev a l v e ，s o l v et h ep r o b l e mo f d e c r e a s i n gt h ec u r r e n tq u i c k l y 2 ) d e s i g n l ec o n t r o lw a yo ft h es o l e n o i dv a l v ei nt h e 、v a yo fd i v i d i n gt h e c o n t r o l s t l a t e g y i n c l u d i n gt h ec o n t l 0 la l g o r i t l l i i lo ft h es y s t e ma 1 1 dt h es t u d yo n c o n s t a n tp o w e rc o n t 1 3 ) m o d e lt h el6 v 2 4 0d i e s e le n g i n ea n dt h ee c u ，g e tr e a d yf o rt h es i m u l a t i n g 4 ) u s evm o d ei nd e v e l o p m e n to ft l l es y s t e m ，c h o o s et h ec o r ep r o c e s s i n gs y s t e m a n dd e s i g nt h es o n w ，a r ea n db a r d 、 ，a 1 eo ft h ee c u k e yw o r d s ：l o c o m o t i v ee n g i n e ，e u p ，s o l e n o i dv a l v e ，m o d e l i n ga i l ds i m u l a t i n g ， e c u ，x c16 4 c s l i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。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过的研究成果，也不包含为获得 、 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签各：毛白啦日期：硷匕o 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权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。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：毛甾丧导师( 签名b 仨吻峭期p 绍砷7 d 武汉理j l ：人学硕十学位论文 1 1 选题背景意义 第1 章绪论 2 0 世纪中叶，汽车排放对大气污染愈发严重，以美国为代表的欧美发达国 家开始实施汽车排放污染物控制法规。从此，柴油机的排放污染物控制也被提 上议事日程。1 9 7 3 年，世界出现第一次石油危机。1 9 7 9 年，发生第二次石油危 机。至此，能源危机与排放污染成为围绕着汽车发展的两个重大问题。 能源方面，随着工业技术的发展，汽车等能源消耗工具越来越多。按照目 前的发展趋势，世界的石油能源将只有几十年的开采期。越来越严峻的资源缺 乏由此带来了一系列的技术革命。排放方面，汽车等动力工具因为高排放称为 环境污染的罪魁祸首。更严峻的是，环境污染已经成为经济可持续发展的制约 因素。 从2 0 世纪7 0 年代开始，在能源和环境新挑战下，电控式燃油系统开始被 开发和定型，并在2 1 世纪上半叶得到快速发展【l j 。 柴油机大扭矩、低油耗的特点，以及柴油机技术的发展，使发动机柴油化已 成为节能减排措施之一。柴油机电控，是汽车柴油机发展的必然方向，柴油机 电喷技术属于汽车关键的核心零部件技术之一，其直接决定车用柴油机排放和 综合性能。 机车柴油机作为柴油机应用的一个重要领域，其耗能和排放对环境造成了 很大影响。燃油消耗率是机车柴油机经济性的重要指标之一。在内燃机车总消 耗费用中，燃油消耗占百分六十五左右。可以看出，降低柴油机燃油消耗率，不 仅仅是提高内燃机车的经济性指标，更是节约能源的关键手段【2 ，3 】。 内燃机车柴油机的电控化是今后我国内燃机车的一个发展方面。计算机电 子技术的发展，实现了采用电子方式控制燃油喷射系统。对柴油机各参数进行灵 活控制，通过实验标定各个工况下运行时的最佳匹配值，解决经济性和排放指标 的矛盾【4 1 。 内燃机车与中型卡车，轻型商务车等相比存在着一定的差别，体积大，功 率大等特点使得内燃机车的电控技术有一定的独特性。 武汉理，j j 人学硕十学位论文 1 2 国内外研究现状 排放方面，表1 1 列出国际铁路联盟( u i c ) 、美国以及国内机车柴油机的排 放限值数据。 国际铁路联盟( u i c ) 最早提出机车柴油机排放标准概念。最早的是国际铁路 联盟试验研究所( 0 i 迮) 关于柴油机废气所含污染物的限值，对1 9 8 2 年前年后 生产的机车柴油机列出各排放参数的上限值。后又通过对德国和法国铁路各柴 油机试验计算，提出1 9 9 3 年后生产的柴油机设定排放上限。1 9 9 7 所有参数限值 又削减到原来的5 0 7 5 ，此即为u i ci 。在2 0 0 2 年的u i c i i 中，标准对 n o x 排放值提出更严格的要求，标准在降低n o x 排放基础上，对颗粒排放限 值也提出要求，并取消以前的烟度要求。2 0 0 8 年之后的限值标准被称为u i c i i i 。 每一次新的标准的制定，对各种排放指标的要求越来越严格。各柴油机生 产商不断在技术上寻找突破，导致了柴油机共轨式燃油喷射系统、单体泵等电 控技术的出现。 表1 1各国机车柴油机的排放限值比较5 】 国家标准( g l ( w h ) n o xh cc 0p m u i ci 1 9 9 71 2 oo 。83 0 u i ci i 2 0 0 3 9 9o 8 3 0 o 3 u i ci i 2 0 0 86 0o 52 0 0 2 美国e p at i e r 0 1 2 61 3 46 70 8 美国e p at i e r l 9 90 73 0o 6 美国e p at i e r 2 7 4o 42 00 3 中国1 9 9 7 1 6 o1 64 0 中国2 0 0 6 9 90 83 00 3 美国早在9 8 年就发布了机车柴油机排放标准e p at i e r0 ，标准所限制为1 9 7 3 年至2 0 0 2 年1 月生产的内燃机车。2 0 0 2 年后到2 0 0 5 年1 开始执行e p at i e r l 级 标准，2 0 0 5 年之后生产的必须执行e p at i e r 2 级标准。 为满足越来越严格的尾气排放法规，在柴油机工作原理控制策略上也变得 越来越严格，部分柴油机生产商也提出用尾气后处理方法来满足标准，其中电 子控制方式也开始被渐渐使用【6 j 。 我国发布的第一级铁路牵引柴油机排放污染物限值及测试规则 t b t 2 7 8 3 1 9 9 7 ，与国际铁路联盟最早的排放标准相类似。 2 武汉理，f 人学硕士学位论文 表中表明，我国的内燃机车排放标准落后并不多，与欧美国家大概十年左 右时间。技术上如及时采用电控技术，可弥补我国铁路内燃机技术的不足。 燃油消耗率水平方面，表1 2 为德国、俄罗斯、美国和中国内燃机车的燃油 消耗率参数。 表1 2各国柴油机燃油消耗率参数2 】 功率燃油消耗率 序号国家用途柴油机型号 l ( w g 瓜w h 1 德国机车 m t u l 6 v 1 l1 6 3 t b l 25 9 2 02 0 5 2德国机车m a k l2 m 2 8 22 6 5 0 1 9 8 3德国机车m t u l6 v 4 0 0 0 r 4 l2 0 0 01 9 5 4德国 机车 m t u 8 v 4 0 0 0 r 2 01 0 0 01 9 0 5 俄罗斯机车 l6 q h 2 6 2 62 2 5 02 0 5 6 俄罗斯机车 16 且h 2 3 2 7 93 0 6 01 9 8 7 俄罗斯机车 1 a 2 9 且r 2 2 5 01 9 6 8俄罗斯机车 12 q h 2 6 2 62 5 0 01 9 l 9美国机车e m d l6 2 6 4 5 2 f 3 a 2 8 3 42 0 8 1 0美国机车 c a t e r p i l l a r 36 0 0 216 5 4 2 0 2 0 1 1 l美国机车g e 7 f d l 2 1 62 9 4 21 9 6 1 2 美国机车 g e v ov 1 23 2 8 11 9 0 1 3 中国机车 l6 v 2 4 0 z j c2 9 4 02 0 8 8 1 4 中国机车 1 6 v 2 8 0 zj a3 8 6 02 1 2 5 1 5中国机车 1 6 v 2 4 0 zj d3 2 4 02 0 4 6 1 6中国机车 r l6 v 2 8 0 z4 7 0 51 9 2 8 以德国的m a k l 2 m 2 8 2 、俄罗斯生产的1 6 皿h 2 3 2 7 9 、美国的g e 7 f d l 2 1 6 以及中国生产的1 6 v 2 4 0 z j c 四个类型机车作为比较。四种类型的机车柴油机功 率相当，都在3 0 0 0 k w 左右，其中1 6 且h 2 3 2 7 9 、g e 7 f d l 2 1 6 以及m a k l 2 m 2 8 2 的燃油消耗率都在2 0 0 ( k w h ) 以下 相比之下1 6 v 2 4 0 z j c 的燃油消耗率达2 0 8 8 ( k w h ) 。我国现役内燃机车柴 油机燃油消耗率普遍超过( 2 0 8 + 7 ) ( k w h ) f 岿j 。 值得一提的是，德国的m t u 8 v 4 0 0 0 r 2 0 、俄罗斯的1 2 i h 2 6 2 6 以及美国通 用公司生产的g e v ov 1 2 这三种类型机车柴油机的燃油消耗率已经能维持在 1 9 0 ( k w h ) 左右。 如此良好的经济性，取决于先进的柴油机电子控制技术。目前国内已开始 对机车柴油机电子控制技术的研究，1 9 9 8 年2 月，戚墅堰机车车辆厂与奥地利 武汉理j ：人学硕十学位论文 a v l 公司合作开发1 6 v 2 8 0 zj b 型柴油机，其中就包含有柴油机电控喷油技术。 电喷系统采用奥地利罗伯特博世( r o b e r tb o s c h ) 公司生产的p f r l c y 2 2 0 m v 型电控泵，喷油器，德国h e i n z m a n n 公司的m v c 0 1 2 1 0 2 0 控制器，以及配套的传 感器及电缆【9 l 训。 在满足国i i i 排放标准技术中，主要包括以下几种电控技术，这同时也是国 内电控技术的主要市场分布： ( 1 ) 高压共轨技术，在中小型车中，美国德尔福公司在中国市场普遍使用高压 共轨技术。在重型车中，主要使用提供电控泵喷嘴和电控单体泵技术； ( 2 ) 德国博世在中国市场主推高压共轨系统。 ( 3 ) 同本电装公司同样使用共轨系统，并且已经开始第四代系统研发，包括开 发如何使得共轨系统适应中国的市场。 ( 4 ) 目前国内也有自主研发电控系统，例如成都威特公司等。 从应用角度上看，高压共轨技术和电控单体泵( 在小型车上表现为电控组合 泵) 为市场上轻重型车的主流技术方向。高压共轨系统中，喷射压力与喷射过 程独立，由压力调节单元控制共轨压力。因此，高压油管压力不受发动机转速 影响，避免了单体泵电控中低转速下油压较低的缺点，发动机的燃烧性能得到 提高，降低发动机排放【1 1 ，1 2 1 。 与机械高压油泵相比，电控单体泵油量控制不采用油门拉杆和柱塞组成的调 节机构，而使用高速电磁阀控制。电控单体泵构造简单，方便提升喷油压力， 高速电磁阀可以同时精确控制喷油定时和喷油量，并在理论上被证明可以进行 多次喷射，有利于优化缸内燃烧过程。泵内柱塞弹簧与凸轮接触，燃油的压力 提升受发动机转速控制。转速较大时，凸轮上升快，燃油压力也较高；反之不 利于建立油压，这一阶段的燃烧性能较差。 与共轨技术相比，单体泵技术对原柴油机系统不会有较大改动，采用外挂式 的泵结构不会影响柴油机的主结构，只需要更换机械喷油嘴即可，除此之外， 单体泵可靠性高，寿命长。目前单体泵技术已成功在柴油机上使用了十几年的 时间，证明了能够满足排放标准以及较佳的燃油经济性，并且性能还有待于提 高。 1 3 本文主要工作 本文研究对象是我国铁路1 6 v 2 4 0 型内燃机车柴油机电子控制系统，利用电 4 武汉理一 人学硕士学位论文 磁阀式单体泵取代机械单体泵，整体研究单体泵控制技术在机车柴油机上的应 用。本文的主要工作包括如下： ( 1 ) 了解单体泵柴油机工作过程以及单体泵电磁阀的工作原理，并设计了电 磁阀驱动电路，解决快速泄流问题。 ( 2 ) 按照控制策略框架划分的方式整体设计电磁阀的控制流程，包括喷射系 统的控制算法，并对恒功率调节方面进行了研究。 ( 3 ) 初步建立柴油机系统模型和e c u 模型，为联合仿真做准备。 ( 4 ) 系统开发过程逐步遵循v 模式，对核心处理系统进行选型，并设计控 制系统的软硬件。 武汉理1 ：入学硕十学位论立 第2 章单体泵控制方式与驱动系统 直列式喷油泵主要分为组合式泵和分列式泵( 单体泵) 。电控泵不论是组合式 还是单体式，其机械结构都比传统的机械直列泵简单，零件数目少，可望达到 较高的可靠性。 对于体积型号均较小的柴油机，若下单体泵设计为一个整体，原理上与独 立分柿的单体泵相同。组合泵由两个缸及以上的泵组合而成，泵的最高可达1 2 个。以汪氏威特组合泵为例，有自主开发的电控组合泵。这一娄泵运用于体型 较小的柴油机上。图21 为典型的组合式泵控制系统。 丽急 叠萄 图2 l6 缸直列组合泵电控系统 对于长5 0 1 8 m m 的机车柴油机机械式高压油泵单独设计。如果采用电控 组合泵，要求8 缸的高压油泵全都设计在一个泵壳内，对制造和安装_ ：【艺要求 难度非常大。同时高压油管布置会变得复杂，增加了燃油喷射控制复杂度。 单体泵单独控制每个气缸，泵与泵之间相互独立，安装在对应的汽缸外。 这样做的目的：一、保证虽短高压油管，利于燃油升压；二、油管布置相同， 燃油喷射影响因素相同，有利于设计控制肇略：三、凸轮和轴承能承受较大压 力：另外，由于不受缸心距影响，单缸功率较大，此较适用于机车柴油机。圈 22 为1 6 2 4 0 柴油机的单体泵结构示意图。 g 口 武汉理1 人学硕 学f t 论文 一一= 一一- = 一= = = = 一一 罔22 单体泵电控系统 控制原理上，组合泵电控系统与单体泵电控系统基本相同。控制系统工作 时，通过传感器采集柴油机的曲轴参考信号、凸轮轴参考信号、燃油温度信号， 骨油压力信号等各种柴油机状态参数。控制策略也大体类似，控制信号经过驱 动或其他处理送至每个泵的高速电磁阀，驱动泵工作。 2 1 电控单体泵e u p 电控单体泵为时间控制式电喷系统，主要控制参数为喷油定时与喷油持续 时1 训。系统包括电子部分与液力部分，参考图2 3 。电子部分主要为一个两位三 通高速电磁阀，闽芯控制柱塞空司与回油管的闭合与断丌，利用电磁阀的作用 建立起柱塞腔内的燃油压力。电控单体泵的喷射压力可达1 5 0 m p a ，响应时间小 丁05 m s l 。”。 高速电磁阀是柴油机电子控制技术不可缺少的关键技术。不论足电控单体 泵、电控泵喷嘴、分配泵，以及共轨系统，高速电磁阀都是核心技术。日前系 统对高速电磁阀的开关响应要求到1 2 吣，甚至小于1 m s m ”j 。 单体泵安装在柴油机外部缸体上面泵的滚轮与柴油机凸轮轴凸轮相配合。 泵内带有柱塞回位弹簧，依靠回位弹簧的压力使得滚轮紧压着凸轮。由于凸轮 的运动，柱塞随着凸轮外型线上下运动。 21 1 电磁闽基本结构 图2 - 3 为b 0 s c h 的单体泵电磁阀外观结构单体泵电磁阀安装在单体泵的 上部，阀件外部接线柱用于连接电磁阀线圈。 武汉理l ：人学碗士学位论文 图2 3b o s c h 单体泵电磁阀 高速电磁阀结构如图2 4 ，阀芯 f l 台时，回油管被截止，柱塞下端与高压油 管相通。润芯打开时，回油管道与柱塞下端、高压油管导通。电磁阀的通电状 态决定了阀芯位置，通电持续时间决定循环供油量。 图2 4 单体泵高速电磁阀结构图 高压油管道2 回油管道3 阀芯倡什4 拄塞油管5 柱塞6 电磁蚓线圈7 泵体8 橡胶圈 2 1 2 电磁阀的工作原理 电控单体泵喷射系统的工作过程分为几个阶段进油过程，喷射过程，卸 武汉理 入学硕士学位论文 载过程。 进油过程，电磁阀没有上电，泵内活塞往下运动时，内部空间4 的压力下 降，开始进油。当活塞上行时，柱塞油管体积缩小。如果电磁阀仍然未通电， 阀芯被回位弹簧顶向左边( 参考图2 4 ) 。柱塞油管与回油管路相同，由于回油 管上溢流阀的开启压力要远远小于针阀的弹簧预紧力，柱塞内无法建立压力， 燃油全部流回回油管中。 喷射过程，电磁阀通电，柱塞往上运动。由于电磁阀通电后吸合阀芯往右 运动，阀芯将柱塞内空间与进回油通道完全隔离卜形成封闭空间。柱塞继续上 行时，柱塞内体积急剧缩小，压力也急剧上升。1 阀芯在横向截面上的设计使得 腔内油压对阀芯横向运动作用力较小。当腔内压力超过喷油器的针阀预紧力时， 针阀开启并开始喷油。 卸载过程，控制喷油脉冲信号终止时，电磁阀断电，回油通道重新打开， 燃油由此溢流，柱塞腔内压力迅速下降使得喷嘴闭合，喷射过程结刺1 8 】。 2 1 3 单体泵控制方式 单体泵喷油靠电磁阀通电断开及滚轮柱塞的配合工作。实际工作过程中， 喷油量的大小除受电磁阀关闭时间决定外，还与泵的基本型号有关，所以不同 的泵均需经过标定。图2 5 为单体泵柴油机控制系统的工作示意图。传感器检测 发动机的工况并发送信息至控制器，控制器e c u 根据信息调整控制信号，发送 控制指令至执行单元即高速电磁阀，从而驱动单体泵工作1 9 1 。 ：j 黼测繁激 传痘器h 篙翟墨黼h 执行器 发动机 图2 5单体泵柴油机控制系统示意图 9 武汉理j ：人学硕士学位论文 按照设计原理，设计控制信号如图2 6 。控制信号分为两部分：开启电流控 制信号和维持电流控制信号。 开启电流控制信号，系统接收到脉冲触发信号，控制器发送控制指令，如 图2 6 。t l 为高电平，m o s 管导通，电磁阀线圈电流快速上升。当线圈吸力超 过弹簧预紧力时，阀芯开始移动。在这过程中，由于磁隙的变化使得线圈电流 变化呈阶梯形状上升。当电磁阀完全吸合时，电流会有一个向下变小的波动。 从电磁阀阀芯开始运动到阀芯完全闭合的时间，称为闭合时间。如果此时仍为 高电平，线圈电流会一直上升。为确保电磁阀处于闭合状态，设计中t 2 、t 3 用 于保留部分裕量，使开启电流有一段维持时间。 维持电流控制信号，当阀芯完全吸合时，只需要一个较小电流就能维持阀 芯的状态。为减小系统能量消耗和线圈发热，驱动电路通过脉宽调制降低线圈 电流。t 4 时间，控制信号为低电平，m o s 管截止电流迅速下降。t 4 的大小与维 持电流的大小有关，时间越长，电流下降越多，直至维持电流大小。t 5 、t 6 为脉 宽调制，通过调整占空比以及t 5 + t 6 周期的大小，可以使电流维持在使电磁阀吸 合的水平。 ： 图2 6 电磁阀驱动信号 图2 7 为1 6 2 4 0 机车电控柴油机单体泵的控制信号( 转速4 0 0 r p m ) 。截取电 压控制信号和电流信号如图2 8 ，红色表示驱动电流信号，蓝色表示电磁阀电压信 号。实际开启脉宽时间t 1 = 0 9 9 m s ，中间的两个小矩形脉冲时间t 2 = 0 1 2 m s ，下 降时间t 3 = 0 1 8 m s ，脉宽调制时间t 4 = 1 7 3 m s 。( 其中每一个小维持脉宽为0 0 3 m s ) 。 电流上升时间t 升= o 9 4 m s ，尖峰电流时间t 尖= o 0 8 m s ，下降时间t 下降= o 2 1 m s ， 维持电流时间t 维持= 1 7 5 m s 。 l o 武汉理1 人学硕士学位论立 图2 71 6 v 2 4 0 柴油机瞥体泵电控信号图2 8 电磁阀驱动电流、电压信号 对于单体泵的电磁阀线圈来讲，需要l o a 数量绂的电流才能够驱动。而e c u 控制器输出的p w m 脉冲信号只是m a 数量级，难以驱动电磁阀工作，同时对于 燃油系统，要求的高速电磁阀具有很高的响应特性，这些都涉及到电磁蒯的驱 动系统设计问题。 2 2 单体泵驱动电路 单体泵的执行器为高速屯磁阔，阀的快速响应特性是衡量其工作性能的一 个重要指标。快速关闭才能保证喷油定时准确和迅速形成高压；快速”启， 以保证高压喷射的快速切断和稳定卸载，为实现最小供油量喷射提供系统硬件 保证。 221 驱动电路基本要求 驱动系统必须保证在较短时间内使电磁闽吸合，电磁阀吸合后磁隙降低， 所需维持电流下降，电磁阀断电时，需要快速泄流( 电流) 以保证电磁阀快速 打开，避免喷射延迟造成后燃。 总结起来，对高速强力电磁阀的控制要求有以下几个方面口。1 ： 吸合时以大电流注入，快速吸台，阀丌关响应时间在l 2 m s 以内一 ( 2 悯合时仅以维持阀芯吸合的电流保持，磁阻减少后，所需要的能量减少， 电流保持扫：一个鞍低水平可保证电磁阀闭合，从耗能和线圈散热角度上，也应 使线圈电流较小。 r 3 ) 断开时电流快速下降，由于线圈电流下降的速率影响燃油喷射的延迟， f 降时间越短，延迟越少。电路应将延迟时间控制在允许范围内。 武汉理一1 j 人学硕士学位论文 2 2 2 驱动电路的设计 图2 9 为参考文献 2 0 】中设计的单体泵驱动电路( 以下简称电路1 ) ，此电路完 成了单体泵驱动的基本功能。一，实现接收控制器发送的p w m 信号，并进行功 率放大，驱动电磁阀工作：二，实现电磁阀快速闭合，闭合时间在1 m s 内，满 足系统响应要求。由于机车处于长期运行工况，驱动电路也长期运行。三极管 2 n 3 0 5 5 的峰值电流为1 5 a ，电磁阀的丌启电流已经在1 5 a 左右。针对驱动信号 的控制原理，本文进行了进一步研究。实验证明，此电路在长期工作下三极管 2 n 3 0 5 5 易发热烧坏；同时，此电路尚未解决快速泄流问题。在此基础之上，本 文设计的改进电路( 以下简称电路2 ) 主要解决这两个问题。 2 2 3m o s 管发热问题 图2 9电磁阀驱动电路【2 0 】 试验中，电路如果长时间工作，三极管2 n 3 0 5 5 会有变热现象。在电路刚工 作的瞬间，三极管有出现过击穿现象。本文通过分析认为，电路的峰值电流为 1 5 a 左右，并且以较高频率反复开关，而三极管的最大允许工作电流为1 5 a 。三 极管长时间工作在最大允许状态，就会出现发热以及击穿。对电路进行了改进 后，本文重新选型了开关元件，利用m o s 管代替三极管。 电路中选用m o s 管型号为i r f p 2 6 0 n ，其最高允许工作电流为5 0 安。进行 芯片选型时，应选择大面积封装，有利于m o s 管的散热。小封装同样会出现发 热现象。以i r l 3 7 0 5 z s 为例，最大持续电流为7 5 a ，若采用d 2 p a k ，没有对芯 片进行良好散热设计，芯片也会过热。 1 2 武汉理1 人学硕十：学位论文 224 驱动电路快速泄流 对高速开关电磁阀的要求是阀芯闭合响应时日j 短，盯启快。电磁阀在工作 期间，采用p w m 脉宽调制方式以控制线圈电流在维持电流上。维持电流町以保 证线圈电磁吸力大于弹簧预紧力而使阀芯吸合，同时，电流又小于阀芯的丌肩 电流。 利用普通二极管的续流作用。与电磁阀线圈构成续流回路。以保持控制信 号在脉宽调制时电流维持在定水平上。二极管的续漉作用同时也使得脉宽调 制结束后，电流下降缓慢。这与要求控制信号断开时要求电流快速下降相互矛 盾，如图2 1 0 中，造成的喷油迟滞为25 m s 。 从控制脉冲信号结束到电磁阀驱动电路电流下降到拳再到阀芯完全打丌， 这一动态过程经历了延迟。系统的动态响应有电、磁、机、液等各方面因素综 合作用。其中液力为不可控因素，在可实现的情况下，如何尽快使驱动电流下 降到零，有助于减少系统的延迟时问叭2 ”。 图2 1 0 电磁阀驱动电压和驱动电流1 1 2 。】 参考文献【2 1 ，采用续流回路并联“= 极管+ 瞬变抑制二极管”，也能达到缩 短电流拖尾的目的。瞬态抑制二极管是普遍使用的一种新型高效电路保护器件， 它是在稳压管基础上发展起来的，也是反向工作，具有极快的响应时间( 亚纳秒 级) 和相当高的浪涌吸收能力，正好弥补了稳压二极管结电容大的缺陷。当其两 端经受瞬目的高能量冲击时，瞬忐抑制二极管能以极高的速度把阻抗由高变低， 武汉理工大学硕士学位论文 以吸收一个瞬间大电流，从而把两端电压限定在一个预定的数值上，保护后面 的电路元件不受瞬态高压尖峰脉冲的冲击。此外，能够承受大电流的稳压管也 不容易得到。器件封装上，瞬变抑制二极管比稳压管更易于安装和散热【2 川。 这类电路原理上可以实现快速泄流，把泄流时间控制在1 m s 以内，属于耗 能型泄流。电流图像2 1 1 表明，由于瞬态抑制二极管作用，p w m 期间电流上下 波动较严重，电流不稳定。同时，电容元件的反复充放电也增加了系统可靠性 风险。 - l 棚u t 衄圳咀僵恤 烟蜊i i l l 5 【i i i l 叮飘q 图2 1 1二极管+ 瞬变抑制二极管驱动电路及波形图【2 3 1 续流二极管型电路，二极管+ 瞬变抑制二极管驱动电路均为能量消耗型电 路，耗能较大。理想的电路应将能量反馈回电路。 对于基于能量回馈型电路，可采用h 桥半控能量回馈电路，在开关管关断 时将线圈能量回馈到电源中。这种电路不会产生能量浪费，但电路同样会有拖 尾现象，并且电路结构复杂元器件的数量增加近一倍。系统的复杂性并不能带 来性能的完善，所以这种方式存在一定缺陷。 图2 1 2h 桥型回馈回路【2 3 1 1 4 武汉理r 人学硕十学位论文 为了减少能量损耗，并使得电路结构最简单，文章对电磁阀驱动电路进行 改进如图2 1 3 。在续流回路上，增加了一个m o s 管并用控制信号控制续流回路 的开关。控制回路l 与原电路基本相似。控制回路2 主要解决续流以及快速泄 流问题。当回路2 为高电平时，续流回路导通，电磁阀电流得以维持；为低电 平时，续流回路断开，线圈两端电阻无穷大，可以实现快速泄流。 图2 1 3 电磁阀驱动改进电路 续流电路m o s 管导通时，导通电阻0 0 4 q 对续流回路基本没有影响，实现 电磁阀续流。p w m 调制结束，续流电路m o s 管截止，阻抗无穷大，电磁阀电 流迅速下降。续流电路信号与基本电路时序在算法中实现。电路中7 4 l s 0 6 与 t p l 5 2 1 n 元器件均为多路元器件，同一电路中7 4 l s 0 6 可以容纳6 路信号， t p l 5 2 1 n 同时可以隔离n 路信号( n m 。x _ 5 ) 。与原电路1 相比，只需增加一个m o s 管。 武汉理人学硕+ 学位论文 图2 一1 4 改进电路电磁阀驱动电流2 图2 1 4 为实验结果，从维持电流到完全开启，迟滞时间为0 2 m s 左右，与 实淘4 机车驱动电流迟滞时间为02 6 m s 相比，满足要求。 2 3 本章小结 本章首先分析了柴油机单体泵电控系统的工作原理，根据实车所测的电控 信号为参考，设计了单体泵的控制方式以及相应的驱动屯路。利用两路控制信 号，实现单体泵电磁阀快速闭合、电流维持以及快速泄流，并解决了m o s 管发 热严重的现象。 武汉理上人学硕七学位论文 第3 章单体泵电控系统控制策略 柴油机在启动、加速及运行过程中，涉及的工作状态时刻都可能存在改变。 这种变化一方面由于外界条件，如路况、负荷的变化；另一方面属于人为要求， 如档位变化，停车控制。一台完整的柴油机电控系统，对于柴油机控制策略的 制定、实施、检查和调整，都必须能够适应柴油机工作状态变化的实时性。机 车柴油机的运行，包括启动，常用工况，报警，停车控制等组成。每一种工况 都与柴油机及机车实际运行环境结合，设置控制策略。 时问控制式单体泵控制系统，燃油系统是控制策略最主要的控制系统。喷 射过程以油泵凸轮转角度数计量。电磁阀的动态特性所对应的曲轴转角随柴油 机的转速变化而变化。因此，基于电磁阀控制的柴油机电控喷油系统，在控制 上存在一个共同的问题，即必须测量曲轴转角和转速，并利用曲轴瞬时转速， 完成时间和曲轴转角的转换，以精确控制高速电磁开关阀的关闭时刻和关闭持 续时间，从而达到精确控制喷油量与喷油定时的目的【1 5 j ，是控制策略首先要解 决的技术。 对于内燃机车柴油机，其负载牵引发电机的特性要满足机车启动和调速要 求，同时和柴油机经济性能相互匹配，同时满足柴油机经济性和机车使用，必 须考虑牵引发电机的外特性和恒功率调节。 3 1 控制策略框架 对发动机的控制可以划分为工况控制，主要控制燃油喷射和进气。发动机 的基本状态有5 个：停机状态、启动状态、怠速状态、正常工作状态( 传统上 称为调速状态) 和故障状态【2 引。为了实现满意的控制，控制策略的处理方式是 将柴油机工作状态根据当前的运行数据和机车档位做出判断，将其归一入某一 “工况”。而针对每个工况设置不同的控制策略通过软件实现控制，以满足各工况 的不同控制具体需求1 2 引。 设计控制策略，按照一定结构对整体模型进行划分。有利于建立模型以及 软件程序的结构化。工况划分，是将电控柴油机的总体控制策略通过区分不同 的工况，划分为若干子控制策略。实际进入控制策略处理时，根据柴油机工况 1 7 武汉理i ：人学硕+ 学位论文 参数判断当前工况，然后转入对应的处理子模块。 通过结构化模块设计，可以优化程序结构，方便开发过程。对于不同的柴 油机对象，只需要更改具体模块中的内容。在对某一子模块的更改时，不需要 考虑与其他模块的影响，可以减少建模以及编程开发的工作量。 本文仅讨论1 6 v 2 4 0 内燃机机车的工况处理策略，对象为单体泵电控系统。 3 1 1 控制策略工况划分 程序设计中，需要采用一个全局变量的标志位m o d e 来描述柴油机目l j 工 况。针对不同状态值，实施不同控制策略。1 6 v 2 4 0 机车柴油机可分为以下工况： ( 1 ) 停止状态：设定标志位为l ，柴油机处于停机状态。控制器在上电之后经 初始化，标志位默认值为1 ，等待接收启动信号。由于没有曲轴信号和凸轮轴信 号，并且不满足启动条件，相应的中断函数不能执行。 ( 2 ) 启动状态：设定标志位为2 。描述柴油机满足条件启动运行的工况状态。 启动工况只能从停止状态转换，属于过渡工况。 ( 3 ) 空载状态：设定标志位为3 。启动成功后的机车首先进入空载，机车档位 为o 档位，最低稳定转速4 3 0 巾m 。空载工况下主要是实现暖机功能，为柴油机 加载做好准备。 ( 4 ) 负载状态：设定标志位为4 。空载完成暖机之后，对柴油机状态进行判断， 满足条件后进入加载模式。负载情况下，柴油机从空负荷加载到满负荷或者从 满负荷加载至空负荷运转，其过渡时间不应小于3 0 s 【2 6 】；负载情况下主手柄由第 1 6 档位突降至o 档位时，柴油机不飞车，增压器不喘振，转速过渡时间为1 7 2 0 秒；主手柄由o 档位突升至1 6 档位时，柴油机不冒黑烟，转速过渡时间约为 1 5 秒【2 7 1 。 ( 5 ) 超速状态：设定标志位为5 。超速工况是柴油机转速超过最高限定速度的 工况。1 6 v 2 4 0 型柴油机超速停车转速为1 2 3 0 平m 【2 7 1 。当柴油机转速超过最高限 速时，控制系统立即停止喷油，柴油机被动转动。 3 1 2 策略的控制流程 图3 1 为机车柴油机的工况流程图。系统上电后进行基本设置，默认模式为 停止模式，等待启动。当司机发送启动指令后，系统对启动条件进行判断，确 认可以启动后，开始进入下一模式。启动成功后系统首先处于空载模式，在满 1 8 武汉理l = 人学硕士学位论文 足加载条件下( 策略中判断) ，并接收到司机发送的加载信号( 提升档位) ，才 能进行加载。 图3 1 各工况模式转换图 在控制策略中，程序可以循环调用各模式处理对应的任务如图3 2 。系统不 断轮询判断当前工况是否改变。如果仍然处于当前工况时，系统继续执行当前 模块。如果表示系统工况的标志位发生改变，程序会进行判断目前处于那种工 况，并进入对应模块执行。 图3 2 工况控制流程图 流程反映用于完成工况模式选择任务的框架结构。可以看出工况各工况模 1 9 武汉理i ：人学硕士学位论文 式间为并行关系。当工况增加时可并列添加，也可独立修改其中予模块。 3 2 喷射系统的电磁阀闭合时刻预测 时间控制系统柴油机喷射过程，必须以曲轴转角或凸轮轴转角计算。电磁 阀动态特性与曲轴转角的对应关系也随柴油机转速变化而变化。因此，电磁阀 式柴油机电控系统，均涉及到曲轴转角与转速的转换，以精确控制高速电磁阀 的开闭时刻和闭合持续时间。柴油机运行当中曲轴转速是一个波动值，要进行 喷射过程时间转角换算，必须准确预报柴油机的瞬时转趔1 5 j 。 作为电磁阀性能的主要参数之一，上升时间t 受机械、液力、电磁、电子等 因素影响，且电磁阀的闭合时间所对应凸轮转角度数与转速也相关。所以在喷 油过程中，必须掌握电磁阀的精确闭合时刻。 目f j 有通过几种方法对关闭时刻进行预测： 1 ) 通过实验测量多种工况下的高速电磁阀的闭合时间，取平均值作为一个恒 定不变的常数。此方法能满足喷射控制精度不高的场合。 2 ) 通过电磁阀闭合时问反馈电路，精确测量上次喷射过程中的电磁阀上升时 间，作为本次喷射中电磁阀上升时刻的预报值。由于相邻两次喷射期间，为驱 动电路供电的蓄电池变化较小，蓄电池电压以及电磁阀的阻尼变化很小，电磁 阀上升时刻差别很小。 图2 6 为实测电控柴油机e c u 控制信号，控制脉冲为高电平，经过瓦础时 间，电磁阀反馈回路发送m a s k 信号，电磁阀关闭时刻反馈电路启动。检测电磁 阀反馈信号，捕捉到反馈信号后，控制信号关闭电磁阀高电平脉冲。电磁阀闭 合并开始喷射过程。 3 3 内燃机车电控系统恒功率调节 3 3 1 柴油机经济特性与恒功率 柴油机的经济特性，是指柴油机任何工况下运转时都能保持最低燃油消耗 率g e ，也称柴油机理想特性( 以下均称柴油机经济特性) 2 7 1 。 机车柴油机工况变化范围较广，在各种转速、负荷下的燃油消耗率不一样。 以转速n 为横坐标，功率札为纵坐标，各工况下等燃油消耗率的点连成等燃油 2 0 武汉理一r 大学硕十学位论文 消耗曲线。通过曲线可以清楚了解各工况下的