（轮机工程专业论文）电控柴油机控制模块ecm的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 面对日益严重的能源危机和环境污染，全世界人们的环保意识越来越强。 随着排放法规的日益严格和柴油机电控喷射技术的发展，电控高压共轨柴油机 以其显著的优越性，已成为现代车用柴油机发展的趋势之一。 本文在深入研究柴油机电控技术原理和特点、国内外研究现状和发展趋势 的基础上，首先，结合控制理论、单片机原理，对柴油机e c l 4 硬件部分作了系 统分析与介绍，特别是发动机相关部分和共轨组件。其次论文深入地研究了高 压共轨柴油机控制策略。根据柴油机燃烧特点和控制理论，结合p i d 控制技术， 提出了适合共轨发动机的各种控制策略和实现方式。对喷油量、喷油定时、共 轨压力及怠速的控制策略进行了深入分析，最终得出它们的主要控制策略：喷 油量、共轨压力及怠速采用m a p 图或模糊p i d 控制，喷油定时则通过查m a p 图 计算喷油提前角来实现。通过对柴油机的运行状态进行划分，对不同运行状态 给出相应控制算法，包括喷油量、喷油定时和共轨压力等参数的控制，实现柴 油机快速起动和平稳运转的要求。最后利用单片机c 8 0 5 1 f 0 4 0 对e c m 进行开发， 实现了发动机电控模块e c m 的硬件设计和软件设计。通过起动，怠速模糊p i d 或m a p p i d 控制、调速控制和超速保护等方面在柴油机仿真器上的实验，验证 了喷油量一速度控制的可行性和稳定性，控制效果达到了预期要求。 对共轨柴油机进行的相关研究表明，共轨系统具有提升直喷柴油机性能的 巨大潜力。此论文为电控柴油发动机控制系统的进一步研究搭建了基本的开发 平台。 关键词：高压共轨柴油机，控制策略，控制模块e c l l ，单片机，软件 武汉理工大学硕+ 学位论文 a b s t r a c t w h e nf a c e i n gt h ei n c r e a s i n ge n g e r yc r i s i sa n dp o l l u t i o n , t h ep e o p l em o r ea n d m o r ee m p h a s i st h e p r o t e c t i n ge n v i r o n m e n t w i t hi n c r e a s i n g l y s t r i c te m i s s i o n r e g u l a t i o na n dd e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i cc o n t r o l l e dd i e s e l - f u e li n j e c t i o nt e c h n o l o g y , h i g hp r e s s u r ec o m m o nr a i l ( c r ) e n g i n e sh a v eb e c o m et h et r e n do fv e h i c l ed i e s e l e n g i n e s 。w h i l ec o n f i r m i n gt ot h es t r i n g e n te x h a u s te m i s s i o ns t a n d a r d s i nt h i sp a p e r ，f i r s t l ye c mh a r d w a r eo fd i e s e le n g i n e , e s p e c i a l l ye n g i n ea n dc r ， f i l ea n a l y z e do i lt h eb a s i so ft h e p r i n c i p l e ，h i s t o r ya n dt r e n d o fe l e c t r o n i c a l l y c o n t r o l l e ds y s t e mo fd i e s e le n g i n ea n dw i t hc o m b i n et h a tt h ei n j e c t i o nt h e o r yo f d i e s e l e n g i n ea n ds i n g i e e h i p , s e c o n d l yb a s e do nd i e s e le n g i n ec o m b u s t i o n c h a r a c t e r i s t i ct h ep r o p e rc o n t r o ls t r a t e g i e sh a v eb e e nb r o u g h tf o r w a r d ，w i t ht h e m a t t i n gc o n d i t i o n sd i v i d e dp r o p e r l y , d i f f e r e n tc o n t r o ls t r a t e g yf o re a c hc o n t r o l p a r a m e t e r , i n c l u d i n gi n j e c t i o nq u a n t i t y , i n j e c t i o nt i m i n ga n dc o m m o nr a i lp r e s s u r e , f o rd i f f e r e n tr u n n i n gc o n d i t i o nh a v eb e e no b t a i n e d o nt h eb a s i so ft h ec o n t r o lt h e o r y , s i n g l e c h i p , t h es t r a t c g yo fi n j e c t i o nq u a n t i t y , t i m i n ga n dp r e s s u r ec o m ei n t ob e i n g a f t e rb o t t o mp r o g r a mh a sb e e ns t u d i e sd e e p l y i n j e c t i o nq u a n t i t ya n dr a i lp r e s s u r e c o m et u r eb yu s i n gp i do fc l o s e dl o o p , a n di n j e c t i o n t i m i n gi sr e a l i z e db y c o m p u l a t i n gp r e a n g l eo fi n j e c t i o nv i am a po fi n j e c t i o nt i m i n g a tl a s tw i t h s i n g l e c h i po fc 8 0 5 1 f 0 4 0t h ee c md e v e l o p e dt og a i nt h eh a r d w a r ea n ds o l t w 缸e d e s i g no fe c m ，t h et e s tr e s u l t sv e r i f yt h ep r e c i s i o n ，f e a s i b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo f s p e e dc o n t r o ls o f t w a r ed e s i g n t h r o u g ht h er e s e a r c ho fe n g i n ec ri n j e c t i o ns y s t e m ，i tw i l li m p r o v et h eh u g e p o t e n t i a lp e r f o r m a n c e t h et a r g e to ft h i sa r t i c l e si sa c c u m u l a t i n gm m e f i a l sf o rt h e l a t e rw o r ki nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：c ri n j e c t i o ns y s t e m ，c o n t r o ls t r a t e g y , e c m ，s i n g l e c h i p ，s o f t w a r e 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 引言 当今，柴油机发展越来越完善，以它的高效率、功率范围宽广，已广泛应 用于工业，农业、国防等各种用途。随着柴油机数量的不断增多，人们对柴油 机燃油经济性和排放性越来越关注，特别是现在排放性能已经被提到首要位置。 各国政府从上世纪7 0 年代开始就陆续出台了越来越严格的排放法规。人们也一 直不断地致力于完善柴油机的性能以期得到好的排放性、经济性及噪声性。影 响它们的因素很多，而且相当复杂。优化柴油机性能最主要的手段是改善燃烧 状况。而其中影响最大的当属于喷油系统。 现在，国外在柴油机方面己普遍采用电子控制技术。电子控制共轨喷射技 术也已进入实用阶段，并且正在迅速的推广应用。虽然电控技术未改变柴油机 的工作过程及燃烧排放的机制与规律，但是它能使各种参数的调节和对各种过 程的控制更为精确和柔性，比之传统的机液控制更易实现性能优化与合理折中， 在很多工况下能够大幅度降低油耗和有害排放量。同时，电控技术能够实现简 便而精确的预喷射控制、喷油率和喷油压力控制，克服了机液控制在结构、工 艺上的复杂性和局限性，避免了增加附属机械装置带来的成本上升、可靠性降 低等缺陷，从而使整机性能得到一个新的高度。引入电控技术后，控制对象和 目标大为扩展，除常规稳态性能调控外，更扩展到各种过渡过程的优化控制、 故障自动监测与处理、操作过程自动化以及自适应控制等领域，最终发展成为 整机的综合管理系统，充分显示了机电一体化带来的巨大优越性。电控喷射技 术被认为是柴油机问世以来继机械喷射技术、增压技术之后的第三个里程碑i l l 【4 l 【习。 1 1 柴油机电控喷射系统的发展趋势 柴油机电控燃油喷射系统从7 0 年代末起步，在短短二十多年问，己经发展 了三代： 武汉理t 大学硕士学位论文 第一代为位置控制式系统，即在不改变传统喷油系统结构的基础上，用电 控组件来代替原有的机械控制机制。其优点是可以提高控制精度和响应速度且 无须对柴油机的结构进行改动，生产继承性好，便于对现有机型进行技术改造： 缺点是控制自由度少，精度仍然不够高，喷油率和喷油压力难于控制，而且不 能改变传统喷油系统固有的脉动喷射特性，因此很难较大幅度地提高喷射压力。 第二代为时间控制式电控喷油系统，它是在第一代位置控制式的基础上发 展起来的。采用高速电磁阀喷油调节原理，柱塞只承担供油加压的功能，供油 量、供油时刻则由高速电磁阀单独完成，因此供油加压与供油调节在结构上就 相互独立。由于采用了高速电磁阀，其控制自由度较第一代有了阶跃式的提高。 第三代为时间压力控制式系统，利用高压共轨或共轨蓄压或液力增压的形 式获得高压，采用时间一压力方式进行燃油计量控制。即高压油泵并不直接控 制喷油，只是向公共控制油道( 共轨) 供油以维持所需的共轨压力，通过调节共 轨压力来控制喷射压力，而电磁阀则控制喷射过程。根据柴油机运行工况的不 同。适时调节喷油量与喷油定时，就可达到最佳的工作状态。由于共轨式喷油 系统中共轨压力与喷射压力互不相关，因此其喷射压力不受柴油机转速和喷油 量的影响。共轨式喷油系统取消了齿杆、调速器、提前器等传统的油量调节机 构，利用高速电磁阀控制系统的喷油量、喷油定时、喷射压力及喷油速率等， 实现了喷油系统的全电子控制，将高压喷射与电子控制完美地结合起来。根据 高压产生的形式，可分为高压共轨、共轨蓄压式和液力增压式系统。 由于共轨蓄压式系统和液力增压式系统每次喷射只是喷油器蓄压室中蓄积 的高压油，喷射压力会越来越低，喷射速率越来越小，喷油规律先急后缓，喷 油率形状不理想。而高压共轨系统能够在高压喷射的前提下根据工况需要实现 喷油压力、喷油量、喷油定时和喷油速率的动态优化，可以实现灵活的预喷射、 后喷射和多段喷射，以及型和靴型喷油规律，使柴油机的有害成分排放、噪 声和冷起动性能得到很大改善。因此，高压共轨系统将成为未来柴油机喷油系 统的主要发展方向m 。 1 2 高压共轨系统的发展现状 高压共轨喷油系统是一种崭新的柴油机电控喷油技术，与传统的泵管一 嘴脉动供油形式不同，采用一个可将低压燃油加压为高压燃油的高压油泵，以 2 武汉理工大学硕士学位论文 一定的速比连续将高压燃油输送到共轨内，高压燃油再由共轨送入各缸喷油器。 这种系统中，高压油泵并不直接控制喷油，仅仅是向共轨供油以维持所需要的 共轨压力，通过连续调节共轨压力控制喷射压力。喷油压力，喷油量和喷油定 时由电控模块( e c m ) 灵活控制。这种新兴的共轨式电控喷射系统抛弃以往运用 的脉冲高压供油原理，采用压力一时间式燃油计量原理，并通过公共油道油压 的连续控制和各缸喷射过程的电磁阀控制相结合方式实现喷油控制。 目前共轨式电控喷射系统己在国外轿车和中型卡车柴油机上得到批量应 用。其中具有代表性的有德国b o s c h 公司、日本电装公司和美国c a t e r p i l l a r 公司产品川。 1 2 1 电控共轨式燃油喷射系统的特点 这种系统具有如下优点： 1 1 具有良好的喷射特性，可优化燃烧过程，使发动机油耗、烟度、。噪声及 排放等性能指标得到明显改善，并有利于改进发动机转矩特性。结构简单，可 靠性好，适应性强，易于匹配，市场前景好。 可实现高压喷射，喷射压力可比一般直列泵系统高出一倍，最高达 2 0 0 m p a 。 3 1 喷油定时和喷油量可自由选定。 4 1 喷射压力独立于发动机转速，可以改善发动机低速、低负荷性能。 5 1 可以实现预喷射，调节喷油速率形状，实现理想喷油规律，为优化柴油 机喷油规律、改善其性能和降低废气排放提供了有效手段。 1 2 2 共轨式喷射系统的分类及几种典型 按照喷油高压形成的不同，共轨式电控燃油系统有两种基本形式，即中压 共轨式和高压共轨式。 中压共轨系统中，中压输油泵( 压力为i o - 1 3 m p a ) 将中压燃油送至共轨管中 消除压力的脉动，再分送至带有增压柱塞的喷油器中：当高速电磁开关阀接受到 电子控制装置发送的指令信号后，就迅速开启或关闭，从而控制喷油器的工作， 迅即通过增压柱塞的增压作用，将从共轨中来得中压燃油加压至高压 ( 1 2 0 - 1 5 0 m p a ) 后喷出或停喷。高压共轨式的特点是：高压输油泵( 压力在1 2 0 m p a 3 武汉理工丈学硕士学位论文 以上) 直接产生高压燃油后，输送至共轨管中消除压力的脉动，再分送给各个喷 油器；当电子控制装置按需要发出指令信号后，高速电磁阀( 响应在2 0 0us 左右) 迅速打开或关闭，进而控制喷油器工作。即按设定的要求喷出或停喷高压燃油。 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用高压共轨燃油喷 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模块来实现高压共轨系统与中压共轨系统的主要差 别在于：高压燃油的获得方式不同。前者由高压燃油泵直接提供，而后者则借助 于增压柱塞增压后获得。目前已经投入使用的共轨系统中，大多数是高压共轨 喷油系统嗍。 1 3 电控模块( e c m ) 的介绍 和传统的机械控制的发动机相比，电控发动机通过一个中央电子控制模块 ( e c m ) 来控制和协调发动机的工作，e c m 就象人的大脑一样，通过各种传感 器和开关实时监测发动机的各种运行参数和操作者的控制指令，通过计算后发 出命令给相应的控制元件，如喷油器等，实现对发动机的优化控制。控制系统 通过精确控制喷油时间和喷油量，以达到降低排放和提高燃油经济性的目的。 e c m 处在整个发动机控制系统的核心位置。各种输入设备，包括传感器、 开关和油门踏板向e c m 提供各种信息，e c m 通过这些信息来判断发动机当前 的运行工况和操作者的控制指令。输出设备为执行元件，它们执行e c m 通过 计算得出的各种控制指令。在所有的执行元件中，最重要的执行元件是实现喷 油量控制和喷油时间控制的元件。在不同的燃油系统中，实现喷油量和喷油时 刻控制的元件各有不同。比如：在共轨系统中实现喷油量和喷油时刻控制的是 喷泊器中的电磁阉。 4 武汉理工大学硕士学位论文 图1 1 电控模块e c m 照片 1 ) 发动机电控模块的概念 e c m 主要由输入回路、a d 转换器、单片机和输出回路四部分组成。 发动机电控系统所具备的基本功能如下： 1 接受传感器或其他装置输入的信息，将输入的信息转交为计算机所能接 受的信号。 2 存储、计算、分析处理信息，计算出输出值所用的程序，存储该车型的 特性参数，存储运算中的数据及故障信息。 3 输出执行命令。把弱信号变为强的执行命令、输出故障信息。 4 自我修正功能( 白适应功能) 。 2 ) 电控发动机的特点： ( 1 ) 能自动实现起动加浓、冷车快怠速、加速加浓、全负荷加浓等功能。 ( 2 ) 具有自动稳定怠速转速的功能，在使用和维护中无需调整怠速。 ( 3 ) 具有急减速断油、起动溢油时自动断油及超速断油等功能。 ( 4 ) 采用e c m 控制的涡轮增压器和可变惯性充气系统，充分利用迸气气流 惯性所产生的谐振增压效应，最大限度地提高充气量，便发动机在所有转速范 围内都能产生充足的扭矩。 ( 5 ) e c m 除了控制各个系统的工作外，还具有故障自诊断和保护功能，能自 武汉理工大学硕士学位论文 动检测各传感器、执行器线路方面的故障，并能在出现故障时按预定的保护程 序维持发动机运转等。 1 4 电控技术的发展状况及独立开发的意义 在国外，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； 1 9 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。【1 习 近年来，电控模块开发技术的发展趋势可以总结为以下几点： 1 、多个电控模块间的通信和协作加强，电控模块的整车体系开始、建立： 2 、随着控制功能和精度要求的提高， 3 、快速原型、自动代码生成及硬件在环仿真技术的成熟改变了电控模块开 发模式和开发流程， 4 、电控模块的工业规范性加强，符合o s e k v d x 规范的实时操作系统在 电控模块中应用越来越广泛。 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 子公司等己经实现了高压共轨系统产业化，并在柴油机上大量应用。由于发动 机燃油系统的电子控制具有改善排放、燃油经济性以及驾驶性等整机性能的巨 大潜力，越来越多的研究机构和企业开展了形式多样的电控燃油系统的开发研 究，甚至已有成熟产品推向市场。我国在该领域的研究起步较晚，尤其是柴油 机电控燃油系统的开发，才刚刚起步。近年来，随着国家对柴油机电控技术研 究的支持，国内已有多家研究单位针对不同机型，进行各具特色的柴油机电控 燃油系统的开发工作。 在中国经济保持快速、稳定发展的环境下，我国的柴油车产业迎来了一个 新的发展阶段，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39 ，而柴油机功率大的优势使得柴油机几乎占用了全都的中型和重型 卡车的应用。而在国内，我们的柴油机产品的质量一般不高，车用柴油机的水 6 武汉理工大学硕士学位论文 平还相当落后。表面很红火的柴油发动机产业实际上是在给外国企业做“嫁妆”。 因为凡是涉及到电子零部件等高附加值的产品都由国外进口，换句话说就是， 钱都进了外国入的口袋。虽然柴油车电子市场逐步成为新的经济增长点，但由 于国内柴油车电子业目前尚处于起步阶段，规模化大生产还没有形成。而且， 国内柴油车厂大多是合资企业，由外方掌握着技术的决策权，所使用的电子产 品也多由外方配套商提供，国内自主开发的电子产品很难进入其配套体系，这 严重影响了国内柴油车电子产业的发展。作为电控发动机的核心和关键，电子 控制模块的软硬件研究势在必行，这是因为核心技术国外公司是不可能进行技 术转让的；只有以我为主，积极汲取国内外先进技术，开发我们自己的电控模 块，打造我们自己的核心竞争力。只要积极跟踪国外先进柴油车电子技术，尽 快缩短我国与国外先进柴油车电子技术的差距，我国的柴油车产业是大有希望 的。为使我国的内燃机工业实现可持续发展，就必须在新技术方面加大人、财、 物的投入，在这中问，柴油机采用电子控制技术，特别是电控共轨式燃油喷射 技术己势在必行例。 1 5 本文研究的主要工作 柴油发动机e c m 的研究领域是一个多学科的，交叉的。本文将对e c m 设计中的一部分内容进行研究，主要目标是建立控制器的一些控制策略， 为控制器各控制功能的具体实现做前期研究，并设计其中的部分控制功能。 在起动，怠速，加速，减速及超速等条件下转速的调速策略 共轨压力、喷油量及喷油定时的控制策略的探索研究 e c m 硬件设计。包括e c m 电源电路、基本系统、各种传感器输入 信号的交换和调理电路、通讯接口、调试接口等 在单片机c 8 0 5 1 f 0 4 0 基础上，并且设计一些外围模块对发动机在起 动，怠速，加速，减速，超速及停车等条件下进行控制并通过在环 仿真技术进行仿真试验 发动机怠速条件下用模糊p i d 控制和m a p p i d 控制，达到怠速稳定 性，反应及时性的控制要求 小结 7 武汉理f 大学硕士学位论文 本章对高压共轨电控柴油机控制模块e c m 的概况、工作特点、国内外发 展现状及趋势进行了简要的介绍和分析。在总结前人的基础上，提出了本文的 工作内容并阐明了工作的意义。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章高压共轨柴油发动机e c m 控制策略探究 电控发动机是未来的一种发展趋势，它的核心是电动控制模块e c m ，e c i l 关 键是它的控制策略。本章就控制策略进行探讨。 2 1 控制系统的介绍 整个控制系统共分为三大部分，发动机部分、e c m 控制部分和外围设备部 分。本文的主要任务是关于电控模块的控制和算法，故这里我们只考虑控制部 分的内容，包括输入设备，输出设备，油泵及共轨系统。 本文控制系统的总体设计思想是，通过选择合适的控制模块e c m ，对数据 采集信号进行处理，制定合适的控制策略和控制算法，编制相应的软件程序， 达到对柴油机共轨式喷油系统各个参数的精确控制，从而实现电控模块e 叫与 发动机的匹配。本文首先介绍柴油发动机控制系统的外围设备，并提出在应用 过程中对这些设备的理解。然后分别论述且提出控制系统核心控制量的控制策 略和控制算法。 2 1 1 e c m 的输入设备 输入设备向e c m 输入各种参数，e c m 通过这些参数来判断发动机当前的 运行工况，司机的操作指令和其它的一些信号只有基于输入设备输入的正确 参数，e c m 才能做正确的判断，控制发动机的运行湖。 按照输入设备功能的不同，可简单地将其分为三类，传感器、开关和油门 踏板。输入设备由e c m 提供工作电源，大部分输入设备的工作电压都为5 伏。 一。传感器 发动机主要通过安装在发动机和车辆上的各种传感器来实时监测当前的运 行参数，不同的机型在传感器类型和数量上会有所不同，对柴油电控发动机这 些传感器通常包括：机油压力和温度传感器，进气温度和压力传感器，冷却液 温度传感器，柴油温度传感器，发动机转速传感器，发动机位置传感器，大气 压力传感器等等。 9 武汉理 大学硕士学位论文 1 温度传感器 温度传感器为二线式热敏式温度传感器。随着温度的升高，熟敏电阻的阻 值降低，正常情况下阻值在5 0 0 欧姆和4 0 千欧之间变化。 下图所示为温度传感器的工作原理。随着温度的升离，热敏电阻值降低， 从而使信号电压降低。根据温度传感器的工作原理，可以用检查热敏电阻阻值 的方法检查温度传感器。通过对比实际测得的电阻值和参数表中的电阻值，即 可判断温度传感器是否在正常工作。 图2 1 温度传感器原理图 发动机上使用的温度传感器通常包括冷却液温度传感器、进气温度传感器、 燃油温度传感器、机油温度传感器等等。需要指出的是，温度传感器有时会和 压力传感器集成到一起形成一个复合传感器，此时温度传感器的工作原理和检 查方式均没有变化。复合传感器的优点在于可以减少系统的零件数量，使发动 机线束更简单。 2 压力传感器 控制系统中典型的压力传感器包括机油压力传感器，进气压力传感器、大 气压力传感器等等。 发动机上使用的压力传感器有两种不同的工作原理，一种为电容式压力传 感器，另外一种为压电晶体式。两种传感器均为三线式，两根电源线向传感器 提供5 伏的工作电压，一根信号线向e c m 提供压力信号电压。 电容式压力传感器通过内部的个电容来感应压力的变化，当压力变化时， 压力差使电容的两个极板之间的距离发生变化，从而输出一个信号电压。压电 武汉理工大学硕士学位论文 晶体式传感器通过内部的一个压电晶体来感应压力的变化，当压力变化时，作 用在压电晶体上的压差使压电晶体输出一个信号电压。 。 根据压力传感器测量压力时参考压力的不同，压力传感器又可以分为相对 压力传感器和绝对压力传感器。相对压力传感器测量压力时的参考压力为大气 压，因此其测量大气压时的测量值为零。绝对压力传感器测量压力时的参考压 力是真空，其测得的压力值为绝对压力。 如前所述，为了减少零件数目和使发动机线束简单，有些系统将温度传感 器和压力传感器集成到一个传感器中，比如测量进气压力和温度的进气压力 温度复合传感器，测量机油压力和温度的机油压力腽度复合传感器等。和其它 输入设备一样，压力传感器的工作电压为5 伏。 图2 2 压力传感器接线图 3 速度与位置传感器 速度与位置传感器是电控发动机上用于检测发动机运行速度与凸轮轴位置 的传感器。有两种不同形式的速度传感器：磁绕组式( v r 式) 和霍尔效应式 磁绕组式( v r 式) 速度传感器内部有一电磁铁心和磁线绕组，电磁铁心 产生电磁场，速度信号轮在旋转时切割磁场，在磁张绕组上产生交流信号，e c m 通过计量交流信号的频率即可计算出信号轮的转速。 磁绕组式的速度传感器可以通过测量电阻值来检查其是否工作正常，具体 请参考随电路图提供的传感器参数表。有些磁绕组式速度传感器内部有两组绕 组，这两组绕组的功能是一样的，其中一组用于另外一组失效时备用。 i l 武汉理1 = 大学硕士学位论文 图2 3 磁绕组式速度传感器原理图 霍尔效应式速度传感器内部有一特殊的半导体，在金属物体总接近此半导 体时其电阻会发生变化，通过传感器内部的电路输出信号电压。和磁绕组式速 度传感器输出的模拟信号相比，霍尔效应式速度传感器输出的是更精确的数字 信号，因此越来越多的机型开始采用霍尔效应式的速度和位置传感器。 霍尔效应式的速度和位置传感器无法通过测量电阻来检测。可能通过盘转 发动机，测量其输出信号电压的方法来判断其工作的好坏。在盘动发动机时， 正常工作的霍尔效应式速度传感器的输出电压在0 伏和五伏之间切换( 0 伏和5 伏为名义电压，实际电压比0 伏稍高，比5 伏稍低) 。 在速度信号轮上做出个异型的轮齿或其它的标记，速度传感器即可以测量 出曲轴或凸轮轴上的传感器叫位置传感器，安装在曲轴上的传感器叫速度传感 器。 图2 4 霍尔效应式速度传感器原理图 武汉理工大学硕士学位论文 二开关 开关是电控系统中另外一类的输入设备。和传感器不同，开关向e c m 输 入的是开关量，所以它通常是用于向e c m 输入司机的操作指令，如诊断开关 等。根据开关控制电路的数量和结合位置的不同，开关可以分为单刀单掷开关、 单刃双掷开关、双刀单掷开关等等。 图2 5 开关图 三油门踏板 在车用和工程机械用电控发动机上，传统的机械拉杆式油门被一个标准的 6 线式电子油门所取代，油门踏板和发动机之间不再有任何的机械连接，既挹 高了油门的响应速度和精度，也有利于整车的布置。 如下图所示，油门内部由一个电位计( 可变电阻) 和一个单刀双掷开关组 成。单刀双掷开关的作用是向e c m 提供怠速与非怠速信号，所以此开关也叫 怠速校验开关。在司机踩与不踩油门时，此开关分别处在非怠速与怠速两个不 同的接通位置，e c m 即可通过此开关的接通位置判断司机是否已经踩下油门。 司机踩下油门的深度，即油门踏板开启角度或油门信号，是通过一个电位 计来提供的此电位计的工作电压为五伏，油门信号电压在略大于0 和小于5 伏 之间的电压变化。 油门踏板和远程油门技术参数 油门位置传感器线圈电阻： 电源和回路导线之间 2 0 0 0 至3 0 0 0 欧姆 武汉理1 = 大学硕士学位论文 电源和信号导线之间( 释放踏板) 1 5 0 0 至3 0 0 0 欧姆 电源和信号导线之间( 踩下踏板) 2 0 0 至1 5 0 0 欧姆 注：释放踏板时的电阻减去踩下时的电阻必须为1 0 0 0 欧姆。 2 1 2 输出设备 图2 6 油门踏板原理图 e c m 通过输入设备输入的参数，通过内部程序的计算，向各输出设备控制 指令。由于电控柴油机燃油系统的多样性，各种不同的电控燃油系统，其所具 有的执行元件各不相同。以系统最主要的输出设备，实现喷油量和喷油正时控 制的执行元件为例，中马力共轨系统通过喷油来直接实现对喷油量和喷油正时 的控制，而有些燃油系统通过单个电磁阀实现对所有6 个缸的控制。 1 电磁阀 电控系统中最主要的执行元件为电磁阀。根据电磁阀工作方式的不同，可 以分为常开常闭型( o n o f f ) 和脉频宽调制型( p w m ) 。常开常闭型( o n o f f ) 电磁阀接受来自e c m 的控制信号，其只有两个开启状态，全开或者全闭。通 常控制这种电磁阀的信号为一个常压信号，典型的常开常闭型( o n 加f f ) 电 磁阀，燃油切断阀、四级废气旁通门执行器等。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 图2 7 电磁阀接线图 脉宽调制型( p w m ) 执行器其开度可根据控制信号不同实现连续的变化， 所以这种执行器能实现更灵活的控制。如中马力共轨系统中燃油计量阀，可以 实现对低压燃油流量的精确控制。 脉宽调制型( p w m ) 执行器是通过脉宽调制信号来实现连续控制的。脉冲 信号一个频率不变的信号，通过改变脉冲( 高电平) 宽度( 0 - 1 0 0 之间变化) ， 执行器即可实现相对应的开度变化。 图2 8 脉宽调制型( p w m ) 执行器接线图 2 继电器 继电器在电控系统中也被用作输出设备，用于实现小电流对大电流的控制， 或者一个电路对多个电路的控制。典型的如下右图所示的格栅加热器控制电路。 由于格栅加热器的工作电流很大，无法直接在e c m 内通过，e c m 通过控制一 武汉理r 大学硕士学位论文 个继电器来控制格栅加热器的工作。e c m 对继电器的控制电流最大可以达2 安 培。 图2 9 继电器图 3 指示灯 指示灯是e l m 向操作者输出指示信号的输出设备，这些指示信号包括故 障信号，停机警告信号、等待启动信号和保养提醒信号信号等等。 由于电控柴油机燃油系统的多样性，有多种不同型号的e c m 用在不同型 号的发动机上。下图列出了不同的发动机上使用的德国b o s c h 的e c m 图2 1 0 b o s c h 的e c m 对同一平台的发动机，由于应用场合的不同，e c m 会有所不同。对车用和 工程机械应用，通常e c m 的型号和零号是一样的，但采用不同的标定软件。 对发电机驱动应用，不同的e c m 。值得指出的是，在发电机驱动应用中，在一 般的技术献中不再称电子控制模块为e c m ，而是称其为控制器。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 对同一型号的发动机，在相同的应用场合，e c m 内的控制软件依然有所不 同，这是由于发动机的功率，适应的排放法规的不同等等原因造成的。在重新 标定e c m 时必须注意选择合适的标定软件，这些不同的标定软件是通过e c m c o d e 号来区分的。 2 1 3 高压燃油泵的介绍 燃油流过电子控制模块( e c m ) 冷却器进入齿轮泵，产生6 至9 b a r 的压 力。在高压泵中，偏心转子和三个径向柱塞将流入高压泵的燃油压力提升到3 0 0 至1 4 0 0 b a r 。 燃油喷射不需要内部旁路燃油，因此只有要进行喷射的燃油才会被加压， 喷射所需的燃没量是由电子控制模块( e c m ) 通过泵中的讲计量阀，即电子燃 油控制阀来调节的。高压燃油泵由齿轮驱动，其转速是发动机转速的1 3 3 倍。 达到喷射压力的燃油通过单高压油管输送到高压共轨腔。 燃油泵由四个主要部件组成； 1 、齿轮泵 2 、电子燃油控制阀 3 、多级溢流阀 4 、高压泵 2 1 4 高压共轨的介绍 图2 1 1 高压共轨结构图 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 燃油共轨是锻造部件，可承受高压，位于进气歧管上方。燃油共轨设有过 压失灵保护装置，即释放压力设定在1 6 5 0 b a r 的一个弹簧减压阀，如果出现压 力过高的情况，减压阀会将燃油释放到回油管中以减小压力。液流缓冲器和高 压油管相连，可抑制共轨内和高压管路内的压力波动，以稳定的压力，将高压 燃油送入喷油器。电子控制弗4 模块( e c m ) 通过燃油共轨的压力传感器来监控 油压燃油共轨油压在从怠速空载时的3 0 0 b a r 到满负荷时的1 4 0 0 b a r 范围内 变化。 燃油的输送由电子控制模块( e c m ) 通过燃油泵中的计量阀来控制，电子 控制模块( e c m ) 利用燃油共轨上的传感器来监控油压。 2 1 嗍 6 1 9 1 2 2e g m 基本的控制策略 柴油机发动机电子控制的最主要的部分是对燃油喷射系统的控制，如喷油 正时电子控制，喷油量电子控制，喷油压力电子控制，怠速电子控制等等。除 了对柴油机喷油系统的电控之外，还要对其他系统进行电控，才能使整个柴油 机处于最佳状态。其中包括废气再循环、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和冷却系统电子控制等等1 2 1 1 。 发动机的工作状态定义为5 个：停车，启动，怠速，通常及超速。主要控制 思想是，启动时加浓，怠速时用模糊p i d 控制，通常加速加浓和急减速停油， 超速停油。在基本总油量的基础上引入的修正量包括起动油量修正、瞬态工况 油量修正及冷却水温度、燃油温度等环境参数的修正。对柴油机而言，由于过 量空气系数总是大于1 ，因而不需要进行进气温度和进气压力环境参数修正。 喷油量的计算在起动工况、怠速工况、正常运行及超速工况时是不同的。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 1 2 共轨控制策略图 1 起动 起动过程是否迅速是柴油机的一个重要性能指标，直接影响柴油机的工作 可靠性和使用寿命。冷机起动后的数十秒内，应进行燃油修正，发动机越冷， 燃油增量越大，需修正的时间越长，这是因为在低温起动后的一段时间内，进 气门及气道壁处的柴油雾化不良，造成燃油供应不足，仍会使实际参与燃烧的 混合气变稀，如果不进行燃油增量修正，就会发生怠速运转不稳、振动、发动 机熄火等现象因此，冷发动机起动后的增量修正，是对此时造成的燃油供给 不足的一种补偿措施嘲。 起动时根据柴油机的状态参数，如转速、冷却水温度等，查相应的m a p 求出相应的启动唼油量，在不冒白烟与黑烟的前提下保证柴油机顺利起动。同 时，采用起动用的特殊方式驱动高压油泵压力控制电磁阀( p c v ) 向共轨管供油， 以迅速建立起动所必需的喷油压力。最后，在满足喷射的条件下，主要根据喷 油量、转速与冷却水温度等查相应的脉谱计算主喷射与预喷射的喷射正时与喷 油持续期。图2 1 3 是起动控制策略的流程图。 武汉理工大学硕七学位论文 图2 1 3 起动控制策略的流程图 起动工况的判断 e c m 通电后，转速传感器接通电源，如果起动马达开始工作，当e c m 测 量到转速信号( 为防假信号干扰，特设定当n 大于1 0 0 r p m 时) 后，立即进行 起动轨压控制，以尽快建立起所需喷射压力。但是只有在柴油机转速n 大于最 小启动转速n 晌时才能进入起动喷射控制，此后转速会迅速上升。当转速高于 由冷却水温，机油压力等因素确定的起动成功转速n 。时，e c m 此时判断起 动成功，并向怠速过渡。若因某些原因使转速1 1 低于起动判断最低转速n 。时， 则再次被e c m 认定为起动状态。当柴油机运行于n 曲与n 一转速范围内的时 间大于起动最大允许时间t d 。时，认为柴油机起动失败，停止喷油，以防止在 气缸内大量积油而未燃烧。 起动油量的计算 发动机在起动工况下由于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，电控模块根据 冷却水温度传感器返回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所示。图中q 表示油量，n 表示转速， 不同曲线对应不同水温。 2 0 武汉理工大学硕士学位论文 q 冷却水温度 n 图2 1 4 起动油量与冷却水温度和转速的关系图 起动油压的控制 为了促进起动过程中燃油的雾化，必须有较高的喷射压力。为了迅速建立 喷射压力，在起动过程中对建立共轨油压依次采用3 种控制方式。而在实现起 动目标油压后，则采用闭环控制方式维持油压。 模式1 ：柴油机起动初期，e c m 没有检测到判缸信号时，也就是不能判断出 柴油机的精确相位，无法按与转速同步的方法驱动电磁阀p c v 向共轨管供油。 此时，根据供油泵的工作特性可以采用特殊的开环控制，以固定的频率开启和 关闭p c v 阀，尽可能早地在进起动初期建立初步轨压。 模式2 ：在e c m 检测到判缸信号、建立控制时序后，在起动目标油压尚未 达到之前，驱动p c v 利用高压油泵凸轮的整个上升段供油，以迅速建立起动目 标油压。模式2 是按照与转速同步得方式驱动p c v 工作。经过该模式的快速供 油，可以很快建立起所需要轨压。 模式3 ：待轨压进入闭环控制范围后，则切换至模式3 以闭环方式维持目标 油压。 武汉理i = 大学硕七学位论文 模式1 模式2 模式3 图2 1 5 共轨油压控制方式图 当发动机同时满足以下几个条件：发动机在运转；油泵继电器已经吸合9 起动预喷蓄压延迟己超过某一设定门槛值( 与发动机温度有关，温度越低，蓄 压时间越长，这主要是为了在喷油器打开之前能保证油路里的雄定压力) ：起动 预喷标志位为0 。那么喷油器就以同样的开启时刻和时间喷向进气道，喷油器 开启时间长短与发动机起动温度有关，冷却水温度越低，开启时间越长。同时 起动预喷标志位置1 。当发动机正常运行超过一段时f s q ( 2 0 秒左右1 或e c m 完全 关闭后。此标志位才置0 。如果因某种原因，发动机需要重复起动时，由于此 武汉理工大学硕士学位论文 时起动标志位为1 ，所以不会在连续起动过程中每次都喷油，这样做的目的主要 是为了防止淹缸。同步产生后，燃油控制子系统在顺序模式下进行喷油。在顺 序模式下，计算出的油量按顺序逐缸被喷射到进气道中。 2 暖机 冷车起动后，接着就进入发动机暖机时期。暖机的目的使发动机的各系统 达到正常的状态，为怠速的运行做好准备。暖机时燃油增量的修正，也是对发 动机冷态运行时燃油供给不足的一种补充措施，在进行起动后燃油增量修正的 同时，进行暖机修正时阔较长，应在冷却水温度达到规定值前一直持续进行。 与此同时冷却水温度也不断上升，发动机逐步达到暖机状态。可以说，暖机时 燃油增量的修正，是与冷却水温度的整个上升过程伴随而行的，而且它随冷却 水温度的上升而逐渐衰减。 3 怠速 柴油车的运行复杂，工况变化频繁，若在交通拥挤，车辆众多城市中行驶 时，柴油车经常处于怠速工况，燃油约有3 0 消耗于此工况。在柴油机怠速工 况下，燃烧不完全，是产生c o 和h c 有害排放物的主要工况，对柴油机的怠 速加以控制，成为柴油机控制中的一项重要内容。 过去曾经认为，柴油机的怠速转速越低越好，这样可以节约燃油。但是怠 速转速越低，废气的稀释作用越明显，所以要提供浓的混合气，这会使c o 和 h c 的排放浓度增加。提高怠速转速对减少c o 和h c 的排放是有利的。怠速从 7 0 0 r l m i n 提高到8 0 0 r m i n , c o 排放量下降1 0 ，h c 排放量下降1 5 。因此柴 油机怠速控制的目标应是在尽可能低的c o 和h c 的排放量下，保持怠速工况 在较低的转速下运转平稳。怠速的控制在第三章有具体的论述。 4 。调速控制 当油门开度大于5 或者转速高于目标怠速5 0 r p m 时，柴油机进入调速控 制过程。调速控制采用全程调速的控制模式，根据油门开度和转速通过查m a p 得到调速油量。m a p 斜率即调速率是保障柴油机调速控制稳定性的关键因素。 武汉理工大学硕七学位论文 。 摹 昌 目 、 咖 曩 矧 磐 转速r p m 图2 1 6 调速控制油量m a p 对于加速过程的处理，要注意协调好加速性能与加速烟度之间的矛盾。加 速性好意味着喷油量大，这样必然导致烟度增大。本文中将增压压力作为控制 发动机瞬态供油量的依据。因为在瞬态调速过程中，涡轮增压器的响应速度要 低于喷油器电磁阀的响应速度，如果直接采用稳态条件下喷油量，则势必导致 加速过程喷油量过多，由于涡轮增压器的响应滞后，导致发动机供气量小足， 燃烧恶化，烟度增加。解决方法是根据增压中冷后的进气压力和温度以及当前 的发动机转速得到当前的进气流量，再根据此工况下允许的加速空燃比，对加 速过程中的喷油量进行限制。 5 超速控制 超速是非常严重的故障。超速故障一旦发生，首先应该确保停止喷油和供 油。如果发动机的转速降低，则说明电控系统能够正常控制发动机，在发动机 的转速