（动力机械及工程专业论文）电控柴油机高压共轨系统32位控制器的研究.pdf

上海交通大学博士学位论文 中文摘要 电控柴油机高压共轨系统3 2 位控制器的研究 摘要 随着电子技术的飞速发展和社会对柴油机各种性能的要求越来越 高，柴油机电子控制已经成为柴油机技术发展的必然方向。在多种柴油 机电控系统中，高压共轨供油系统具有喷射压力高、喷射参数( 压力、 时间、油量) 可完全单独控制、可以方便实现各种喷油规律、从而提高 燃油经济性和降低排放等优越性，因而成为国内外柴油机同行的研究重 点之一。高压共轨供油系统逐渐成为柴油机首选的电控系统。 本文结合厂校合作重大项目“电控柴油机高压共轨系统的开发 ，对 电控系统的重要组成部分控制器进行了研究。 1 本文在参阅大量文献的基础上，分析了国内外最常见的柴油机电控 系统。综合各种系统的优势得出结论：高压共轨系统是目前最有前 途的电控柴油机供油系统之一。另外，针对电控供油系统控制器， 分析了控制器硬件软件的发展方向。论文还从系统功能、可靠性、 实时性等方面分析了目前电控系统存在的主要挑战。 2 进行了高压共轨系统的方案设计。对整个高压共轨供油系统的硬件 系统需求进行了全面分析。建立了电控系统硬件软件系统的评价体 系。在此基础上探讨了硬件软件的设计方法，得出了具体的设计思 路：为了达到系统功能和实时性的要求，采用了m o t o r o l a 公司生 产的3 2 位集成智能化微控制器m c 6 8 3 7 6 ：采用电路仿真手段进行 硬件电路设计：设计硬件在环仿真系统并在此基础上进行底层和上 层软件设计。另外还进行了系统所需传感器的筛选，并标定了传感 器。 3 国内首次利用电路仿真的手段，对高压共轨系统的控制器硬件进行 了模拟设计。首先给出了电路仿真必须的各种元器件模型，然后根 据系统的需要设计了基本的电路原理图，在此基础上进行仿真设 计。重点仿真设计了高压电源电路和电磁阀驱动保护电路，达到了 喷油器电磁阀高速可靠打开和关闭的要求，从而能够实现多种喷油 规律；还重点仿真设计了磁电式转速传感器信号的处理电路，能够 适应几百毫伏到数百伏的信号强度。充分利用电路仿真的优势，解 上海交通大学博士学位论文 中文摘要 决了模拟电路中各元器件的优化选型。另外，在对影响系统可靠性 的方面进行分析的基础上，进行了控制器硬件可靠性设计，包括 e m c 电磁兼容设计等。 4 对高压共轨供油系统的底层软件进行了详细的研究。利用汇编语言 与c 语言混合编程，设计了底层控制软件，即对整个系统进行调 度、与硬件联系最为紧密的软件。发动机控制系统中，快速准确的 判缸一直是难以解决的问题，本文设计的软件达到了发动机起动中 一个工作循环之内能够准确判缸。针对各种传感器信号的特点，以 及在系统中的作用，分别设计了及时可靠的信号采集程序，重点解 决了瞬态燃油压力和平均燃油压力、瞬态转速和平均转速的合理性 和可靠性问题，为油压闭环控制、失火诊断、喷油一致性补偿等提 供了可靠的支持。作为控制系统重要的组成部分，传感器、执行器 等的基础故障诊断软件也在本文中设计出。测试表明，在最恶劣情 况下，系统控制软件能够在2 5 m s 内完成一个计算循环。 5 设计开发了全新方案的硬件在环仿真系统。该系统的独特之处是发 动机模型完全在p c 系统而非在仿真单元中运行，解决了仿真单元 运算速度的瓶颈。p c 与仿真单元由c a n 总线相连，仿真单元把 p c 内模型计算的值送入e c u ，同时把系统运行的结果送入p c 系 统。电控供油系统的开发过程表明，该硬件在环仿真系统是很好的 发动机电控系统开发工具。 6 文章的最后介绍了油泵和发动机试验。先设计了试验所需的线束及 控制箱等外围部件，然后进行了一系列试验。得出结论：该控制器 具有很强大的功能；达到了系统对实时性的要求；信号处理和输出 驱动电路合理可靠；判缸和信号采集以及系统软件的调配能够适应 系统的要求。 关键词：柴油机，高压共轨系统，控制器，电路仿真，硬件在环仿真， 底层软件 上海交通大学博士学位论文 a b s t r a c t t h er e s e a r c ho f3 2 b i tc o n t r o l l e r o fe l e c t r o n i cc o n t r o lh i g hp r e s s u r ec o m m o n r a i ls y s t e m f o rd i e s e le n g i n e a b s t r a c t a st h eh i g h - s p e e dd e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i ct e c h n o l o g ya n dt h eh i g h e ra n d h i g h e rr e q u i r e m e n to fd i e s e l sp e r f o r m a n c e ，e l e c t r o n i cc o n t r o lh a sb e c o m et h e i n e v i t a b l et r e n do fd i e s e l c o n t r a s tw i t ho t h e r sd i e s e le l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e m s b e c a u s eo ft h eh i g hi n j e c t i o np r e s s u r e 。t h ei n j e c t i o np a r a m e t e r ( p r e s s u r e t i m i n g ， f u e la m o u n t ) c a nb ec o n t r o l l e dr e s p e c t i v e l y 。a n dt h ec o n v e n i e n c et or e a l i z es e v e r a l i n j e c t i o nl a w s ，a n dt h eh i g h e rf u e le c o n o m ya n dl o w e re x h a u s t ，h i g h - p r e s s u r e c o m m o n r a i l ( h p c r ) f u e ls y s t e mh a sb e c o m eo n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp o i n to f d i e s e lr e s e a r c h e ri na l lo v e rt h ew o r l d a n dh p - c rf u e ls y s t e mi sb e c o m i n gt h ef i r s t c h o i c eo fd i e s e l b a s e do nt h ec o o p e r a t i v ep r o j e c to fs c h o o la n df a c t o r y t h ed e v e l o p m e n to f e l e c t r o n i cc o n t r o lh i g h - p r e s s u r ec o m m o n - r a i lf u e ls y s t e mf o rd i e s e l e n g i n e ，o n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r t 。t h er e s e a r c ho fs y s t e mc o n t r o l l e r i s c o m p l e t e di nt h i st h e s i s 1 s o m ec o m m o nd i e s e le l e c t r o n i cc o n t r o if u e is y s t e m si na l io v e rt h ew o r l d a r ei n t r o d u c e da n da n a l y z e d 。a n dac o n c l u s i o ni sd r a w n ：h p c rs y s t e mi so n eo f t h eb e s tf u e ls y s t e m sn o w a g a i n s tw i t ht h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fe l e c t r o n i c c o n t r o lf u e ls y s t e m ，t h ep a s ta n df u t u r eo fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei sa n a l y z e d a l s o t h ec h a l l e n g eo fc o n t r o ls y s t e mi nf u n c t i o n 。r e l i a b i l i t ya n dr e a l - t i m ea r ea n a l y z e d h e r e 2 t h es c h e m eo fh p c rs y s t e mi sd e s i g n e d a tf i r s t 。t h i st h e s i sa n a l y z e sa l l t h er e q u i r e m e n t so fh a r d w a r eo fh p - c rs y s t e m 。a n dt h e nb u i l du pae v a l u a t i o n s y s t e mo fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e b a s e do nt h e m ，t h es p e c i f i cm e t h o do fh a r d w a r e a n ds o f t w a r ed e s i g ni sc o n c l u d e d ：f o rt h er e q u i r e m e n to ff u n c t i o n a l i t ya n dr e a l - t i m e 。 m c 6 8 3 7 6 ，w h i c hp r o d u c e db ym o t o r o l a 。i ss e l e c t e da sm c uo fs y s t e m c i r c u i t s i m u l a t i o nw i l lb e u s e dt od e s i g nh a r d w a r eo fc o n t r o l l e r ah a r d w a r ei n l o o p m 上海交通大学博士学位论文a b s r p a c t s i m u l a t i o ns y s t e mw i l lb ed e s i g n e df o rf u n d a m e n t a la n df u n c t i o n a ls o f t w a r ed e s i g n a l s oa l ls e n s o r so ft h es y s t e ma r es e l e c t e da n dt h ec a l i b r a t e d 3 t h eh a r d w a r eo fh p c rf u e ls y s t e mi sd e s i g n e dw i t hc i r c u i ts i m u l a t i o n f i r s t l yi nc h i n a a tf i r s t ，a l it h ep a r tm o d e l so fc i r c u i ts i m u l a t i o na r ei n t r o d u c e d s e c o n d l yb a s e do nt h eb a s i ch a r d w a r es c h e m a t i cd i a g r a md e s i g n e da c c o r d i n gt h e r e q u i r e m e n t so fs y s t e r n t h es i m u l a t i o nd e s i g ni sc o n d u c t e d e m p h a s i si sm a d eo n ： h i g hv o l t a g ec i r c u i ta n dd r i v ea n dp r o t e c t i o nc i r c u i to fs o l e n o i d ，w h i c hc a nm e e t s w i f t l yo p e n i n ga n dc l o s er e q u i r e m e n to fi n j e c t o r ；a n dv rs e n s o rp r o c e s s i n gc i r c u i t ， w h i c hc a nh a n d l eh u n d r e d so fm i l l i v o l tt oh u n d r e d so fv o l t a g e a tt h ei a s to f h a r d w a r ed e s i g n ，b a s e do nt h ea n a l y s i so fi n f l u e n c eo fr e l i a b i l i t yo fh a r d w a r e ，t h e r e l i a b i l i t yd e s i g no fs y s t e r ni sc o m p l e t e dw h i c hi n c l u d ee m cd e s i g n 4 t h ef u n d a m e n t a ls o f t w a r ej sr e s e a r c h e di nd e t a i lf i r s t l yi nc h i n a u s i n g a s s e m b l ya n dcp r o g r a m m i n gl a n g u a g e t h es o f t w a r ew h i c hd i s p a t c ha l lm o d u l eo f c o n t r o is o f t w a r ea n dw h i c hh a sm o s tc l o s er e l a t i o n s h i pw i t hh a r d w a r e f u n d a m e n t a is o f t w a r ei sd e s i g n e d c y l i n d e rj u d g es w i f t l ya n da c c u r a t e l yi sa d i f f i c u l t yo fe n g i n ec o n t r o ls y s t e m e n g i n ee q u i p p e dw i t ht h i ss y s t e mc a nb e c y l i n d e rj u d g e dw i t h i n o n ee n g i n ec y c l e a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r sa n d f u n c t i o n a l i t i e so fa l ls e n s o r s ，s i g n a ls a m p l i n gs o f t w a r ei sd e s i g n e d e m p h a s i si s m a d eo nr a t i o n a l i t ya n dr e l i a b i l i t yo fs a m p l i n gt r a n s i e n tf u e lp r e s s u r ea n de v e nf u e l p r e s s u r e ，t r a n s i e n te n g i n es p e e da n de v e ne n g i n es p e e d t h i sw i l l b eu s e f u lf o r c l o s e - l o o pc o n t r o lo ff u e lp r e s s u r e ，m i s f i r ed i a g n o s t i ca n dc o m p e n s a t i o no ff u e l a m o u n t a si m p o r t a n tp a r to fc o n t r o ls y s t e m 。t h eb a s i cd i a g n o s t i cs o f t w a r eo f s e n s o ra n de x e c u t o ri sd e s i g n e dt o o t e s tr e s u l t ss h o w si nw o r s tc a s e s o f t w a r e c a nb ec y c l e dw i t h i n2 5 m s 5 an e wh i l s si sd e v e l o p e d t h es p e c i a l t yo fi ti st h ec o n c e p t i o n w h i c hc a n b ed e s c r i b e da s ：t h ee n g i n em o d e r u n si np cn o ti ns i m u l a t o r t h i sc a ns o l v et h e b o t t l e n e c ko fc o m p u t i n gs p e e do fs i m u l a t o r p ca n ds i m u l a t o ra r el i n k e db yc a n b u s a f t e rr e c e i v i n gt h er e s u l to fm o d e if r o mp c 。s i m u l a t o rc o n v e r t sa n ds e n d s t h e mt oe c u a tt h es a m et i m e ，s i m u l a t o rs a m p l e st h er e s u l to ff u e ls y s t e ma n d s e n d st h e mt op c t h ed e s i g np r o c e s so fe l e c t r o n i cc o n t r o if u e is y s t e ms h o w st h a t t h eh i l s si sag o o dt o o lo fe n g i n ee l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e md e v e l o p i n g 6 f u e lp u m pb e n c ha n de n g i n eb e n c ht e s ta r ec o m p l e t e d t h ew i r eh a r n e s s 。 p o w e rs u p p l i e r a n ds t a t u sm o n i t o ra r ed e s i g n e df i r s t 。a n dt h e nas e r i e so ft e s t s a r e c o m p l e t e d ac o n c l u s i o ni sd r a w n ：t h ec o n t r o l l e ro fh p c rs y s t e mi so fp o w e r f u l 上海交通大学博士学位论文 a b s t r a c t f u n c t i o n a l i t y , c a nm e e ts y s t e mr e q u i r e m e n to fr e a l t i m e ，s i g n a lp r o c e s sc i r c u i ta n d d r i v ec i r c u i to fi th a sh i g hr a t i o n a l i t ya n dr e l i a b i l i t y ，f u n d a m e n t a ls o f t w a r eo fi tc a n d i s p a t c hs y s t e ms o f t w a r es w i f t l y k e yw o r d ：d i e s e le n g i n e ，h i g hp r e s s u r ec o m m o n r a i ls y s t e m 。c o n t r o l l e r , c i r c u i ts i m u l a t i o n ，h a r d w a r ei n l o o ps i m u l a t i o n ，f u n d a m e n t a ls o f t w a r e v 附件四 上海交通大学上海父迥大罕 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论睾作者签孝：毒客套劳b 日期：研年，旧7 日 附件五 上海交通大学上海父逋大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校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。本人授权上海交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 上 保密口，在磐解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名之磊吞 日期：埘年，月7e t 指导教师签名：茸嵌j f 白期：订年) 月7e t 上海交通大学博士学位论文第一章绪论 1 1引言 第一章绪论 人类社会步入n - 十一世纪，经济的发展和社会的进步使道路、交通等基础设施 进一步完善，加之人们对生活质量要求的提高，为各种类型交通运输工具数量的增加 创造了必要条件。但与此同时，剧增的交通运输工具又带来了一系列负面的影响，比 如能源问题和环境污染问题。目前世界能源的主要来源还是石油。而在世界能源消耗 中，汽车占有很大的比重。据国际汽车工程师协会( f i s i t a ) 9 6 年公布的资料，公 路运输是当今世界最主要的运输方式，世界客运量的8 0 和世界货运量的4 2 由公 路承担。在世界能源消耗中，公路运输要占石油消耗的4 2 ，约占人类能源总消耗 的1 6 。随着汽车工业的飞速发展，汽车的保有量急剧增加( 据千龙网报道，截止 2 0 0 3 年，中国的汽车保有量达到2 3 0 0 万辆) ，汽车消耗的能源所占比例将越来越大， 使有限的能源资源更显紧张，能源危机日益严重。2 0 世纪7 0 年代的两次石油危机已 经使人们注意到了这个问题。 汽车在消耗大量能源的同时，把石油燃烧的产物排入了大气，造成了环境污染。 随着汽车保有量的持续增加，车辆排出的废气在环境污染中占有越来越重的比例。由 于它们对人体的健康和对大自然的危害极大，因此影响到了很多国家以及全人类的生 活质量。据有关资料统计，北京市机动车辆排放量在污染物总排放量的比重c o 达到 了5 8 4 ，h c 达到8 6 8 ，n o x 达到4 6 。特别是近年来，随着改革开放的深入， 工业化程度的增强，工业污染对国民经济的可持续发展和人们的生活环境造成了严重 的负面影响，环境污染的恶化已经成为阻碍国家经济发展的重要因素l 羽。 为了缓解能源危机，改善人类自身的生存环境，减少环境污染，世界各国都相继 制定了严格的排放法规，控制和限制废气的排放，而且随着汽车对环境污染的加重， 控制和限制车辆污染物的排放法规也越严格。自1 9 5 7 年美国加州颁布了第一个汽车 排放法规以来，世界各个国家或组织陆续制定了不同的法规。其覆盖面越来越广，规 定的内容越来越多，要求也越来越严。如美国国会通过的“大气污染防治法要求将 重型车柴油机的排放降低9 0 。目前，美、日、欧洲等发达国家的重型货车用柴油 机均达到e u r o i i i 和u s 9 8 排放法规。我国在这方面起步较晚，从19 8 4 年4 月1 日起开始执行第一个汽车排放法规。表1 1 是美、日、欧洲和中国柴油重型车的排放 法规比较孓n 。我国目前在大城市已经实行了改良的e u r o i i 法规，北京将在2 0 0 5 年7 月实e u r o i 排放法规。 上海交通大学博士学位论文第一章绪论 表1 - 1 美日、欧洲和中国柴油重型车的排放法规比较( g k w h ) t a b l e1 - 1e m i s s i o nr e g u l a t i o nc o m p a r i s o no fd u t yd i e s e lv e h i c l e 国 排放标准 p m n o x h c c o检测方法 家实施日期n e 8 5n e 8 5 美u s l 9 9 16 8 01 7 52 1 0 80 3 4e p a 瞬态 国 u s l 9 9 4 6 8 0 1 7 52 1 0 80 1 4工况法 u s l 9 9 85 4 41 7 52 1 0 80 1 4 u s 2 0 0 43 42 1 0 80 1 4 u s 2 0 0 70 8 20 0 3 日1 9 9 46 0 2 9 7 40 7 0日本1 3 本1 9 9 84 52 97 40 2 5 工况法 2 0 0 43 00 1 0 欧1 9 9 3e u r o l8 01 14 50 3 6 欧洲1 3 洲1 9 9 8e u r 0 27 01 14 00 1 5工况法 2 0 0 0e u r 0 35 00 6 62 10 1 0 2 0 0 5e u r 0 4 3 5 0 4 61 5 0 0 2 2 0 0 8e u r 0 52 00 4 61 50 0 2 中1 9 9 7 1 0 11 4 42 41 1 21 5 60 9 2g b l l 6 4 2 国2 0 0 0 1 18 01 14 50 6 10 3 6 2 0 0 4 10 1 7 01 1 4 0 0 1 50 1 5 图1 - 1 两百多年来大气中c 0 2 浓度的变化 f i g 1 1t h ev a r i a l j j o no fc 0 2d e n s i t yo f a t m o s p h e r ei nr e c e n t2 0 0y e a r s 进2 0 多年来全球气温上升， 积累在大气层中的c 0 2 的增多是 造成地球“温室效应”的重要原因。 图1 1 显示了过去两百多年来大气 中c 0 2 浓度的变化情况。可以看 出，近4 0 年来大气中的c 0 2 浓度 迅猛增加。研究表明，当大气中的 c 0 2 浓度从3 0 0 p p m 增加到 6 0 0 p p m 时，地球表面的平均气温 将会升高2 4 c 。如果c 0 2 浓度按 现在的每年0 7 p p m 的速率增加， 到2 0 5 0 年左右，地球上的冰层将 融化掉一半，后果不堪设想。 上海交通大学博士学位论文 第一章绪论 汽车是使用燃油的大户，据报道，每年因汽车而排入大气的c 0 2 已超过5 0 1 0 5 t 。 所以减少汽车燃油的使用量就是减少c 0 2 的排放量。1 9 9 7 年1 2 月，1 3 0 多个国家 和地区的代表在日本京都“联合国京都会议上通过的“京都议定书规定了各国在 减少c 0 2 和其他5 种会引起“温室效应的气体排放量的义务阳1 。 而柴油机由于热效率高，其燃油消消耗率通常要比汽油机低2 0 左右，由此带 来的低c 0 2 排放量的优势就凸现出来。 然而，柴油机为了能够在轿车和轻型车中占有更大的比重，还应该在提高升功率、 降低n o x 和颗粒排放，以及降低噪声等方面有所突破。 1 2柴油机电控喷油系统发展概述 自1 8 9 7 年德国工程师鲁道夫狄赛尔( r u d o l fd i e s e l ) 发明第一台柴油机至今， 柴油机已经历了一个多世纪。其间柴油机技术经历了三次重要的飞跃。2 0 世纪2 0 年 代中期以德国b o s c h 公司为代表推出的机械式喷油系统代替了蓄压共轨式喷油系 统，使柴油机在车辆上的应用成为可能。2 0 世纪5 0 年代初出现的废气涡轮增压技术， 使柴油机的升功率有了大幅度的提高，奠定了它作为中、重型车辆上几乎不可替代的 动力装置的基础。1 9 8 0 年代以来，以微机为电控单元的电控技术在柴油机上应用并 逐步形成现代柴油机电控系统，使柴油机在动力性、经济性、排放及噪声指标等各个 方面具有了更前的竞争能力 9 - 1 1 1 。 尽管柴油机热效率可高达4 2 ( 汽油机最佳工况下也只能得到3 6 左右) ，燃 油经济性好( 燃油消耗率通常要比汽油机低2 0 左右) ，但由于其升功率低、比质量 大、振动和噪声大、起动性能差、价格又高，因此在相当长的时间内，柴油机在轿车 和轻型车领域的应用很少。 十多年来，由于燃烧过程的优化，材料的改进，特别是增压技术的成熟，柴油机 的升功率得到了明显的提高，有的甚至已经达到了汽油机的水平，而比质量也有了大 幅下降。而在排放、噪声和起动性能等方面，可以通过调节柴油机的喷油压力、喷油 速率、喷油正时以及配气正时、进气涡流等参数进行匹配。如果这些参数能够进行完 全柔性可控制的调节，只要对它们进行不断的优化和折衷，就完全能够达到各种法规 对柴油机的要求。 现代汽车汽油机电控技术的仿真所提供的经验证明，只有在柴油机上应用以微机 为电控单元的电控技术和其他相关控制技术，从系统工程的观点出发，对柴油机的各 种信息重新进行有机的组织和整合，实现在不同工况和各种环境下的最佳组合，达到 整体最优化，才能满足汽车柴油机在提高动力性、降低燃油耗率、降低排放、降低噪 声等各方面越来越严格的要求。 上海交通大学博士学位论文 第一章绪论 柴油机电控系统中最重要的和最基本的控制内容就是燃油喷射的控制。在喷油系 统控制中，柴油机电控技术与汽油机电控技术有很多相似之处，但由于柴油机的燃烧 方式( 压燃式) 与汽油机( 点燃式) 不同，柴油机喷油系统不仅要实现高频、高压、 脉动供油，燃油喷射的压力几百倍甚至上千倍于汽油压力，而且喷油正时要求有很高 的精度，导致柴油机电控系统十分复杂。另外，由于柴油机工作条件恶劣，环境温度 高、振动大，对随机安装的电控系统影响很大。电控柴油机的核心是电控喷油系统。 电控柴油机的研究从整体上来看可以分为三个阶段，1 9 7 0 年代为电控柴油机的开发 阶段，1 9 8 0 年代为电控柴油机的实用阶段，1 9 9 0 年代为电控柴油机的发展阶段。现 在是否采用电子控制燃油喷射技术已成为衡量柴油机先进性的重要标志之一。 1 2 1国外柴油机电控喷油系统介绍 国外柴油机电控供油技术的开发研究从7 0 年代开始，已经经历了三代，即位置 控制式、时间控制式和时间一压力控制式，每一次新技术和新思想的应用都是对柴油 机喷油系统的革命性开发，在解决排放、降低噪声、改善性能等方面几乎起到了不可 代替的作用。 第一代电控喷油系统是位置控制式 1 2 0 1 7 1 。它的特点是不仅保留了传统的泵一管 一嘴系统，而且还保留了原喷油泵中的齿条、滑套、柱塞上控制斜槽等控制油量的机 械传动机构，只是对齿条或滑套的运动位置予以电子控制，使控制精度和响应速度得 以提高。位置控制式喷油主要在直列泵和分配泵上进行改进，在直列泵上是通过电控 位移执行器控制喷油泵齿杆位移来控制喷油量，通过电控角位移执行器和转角传感器 或控制液压提前器来实现喷油正时控制；在分配泵上是通过电磁铁控制滑套位移来实 现喷油量控制，控制v e 泵上的提前器或改变凸轮相位来进行喷油正时控制。 柱塞腔 圈1 2t i c s 预行程控制机构 f i g 1 - 2p r e s t r o k ec o n t r o lm a c h i n eo f t i c s 输油压力 提前器活塞 图1 - 3e p i c 系统的喷油提前角调整 f i g 1 - 3i n j e c t i o na d v a n c e sa d j u s t m e n to f e p i c 上海交通大学博士学位论文第一章绪论 典型系统主要有，直列式喷油泵；日本z e x e l 公司的可变预行程t i c s 电控系统 k 1 2 1 4 1 分配泵：英国l u c a s 公司的e p i c 电控喷射系统 1 5 - 1 7 1 。图1 2 为t i c s 预行 程控制机构。图1 3 为e p i c 喷油提前角调整机构。 第二代电控喷油系统为时间控制式。它改变了传统喷油系统的一些结构，取消了 原有的齿条、滑套、柱塞上的斜榴、提前器等，采用高速强力电磁阀直接控制高压燃 油实现喷射过程的直接数字控制。燃油的计量是一种时间计量方式，一般情况下， 电磁阀关闭，开始喷油电磁阀打开。喷油结束，喷油量取决于电磁阗关闭持续时间。 典型系统有：奥地利a v l 的柔性泵喷嘴系统( 图1 4 ) “”；德国b o s c h 公刊的 e u p l 3 电控单体泵系统“0 1 ( 图1 5 为该系统的单体泵结构简图) 。德国b o s c h 公司 的v p 4 4 分配泉时间控制系统2 0 1 ( 图i - 6 为v p 4 4 分配泵) 。 图1 4 a v l 柔性泵喷嘴 f 目1 1 - 5 5 u e n u f p p u l 3 m m _ p 控o f 单e 体u p 泵1 3 圈1 6v p 4 4 分配泵 f i g1 - 6 v p 4 4 d i s t r i b u t o rp u m p - 5 一 蕊 上海交通大学博士学位论文第一章绪论 第三代为时间压力控制式电控啧油系统( 亦称共轨式喷油系统) ，它不再采用柱 塞泵脉动供油的原理，而是通过高压共轨，或共轨蓄压式或液力增压式形成高压。这 种系统具有公共控制油道( c o m m o nr a i l ) 高压油泵不直接控制喷油，而是向公共 油道供油以维持所需的共轨压力，通过连续调节共轨压力来控制喷射压力，采用压力 一时间斌燃油计量原理，用电磁阀控制喷射过程。典型的系统是高压共轨系统，下面 介绍几种典型的高压共轨系统。 德国b o s c h 公司的c r ( c o m m o nr a i l ) 系统1 2 1 - 2 3 1b o s c h 公司为轿车柴油机 开发了高压共轨系统( 图1 7 ) ，其由以下部件组成：能控制燃油量的供油泵、共轨 油遵和高压油管、喷油器、电控单元( e c u ) 传感器等。 f i 9 1 - 7 a u 【。m 。1 - e 7 盘需n 高压r a 共轨i lf u e 粟统li n j e o n s v e k m 意大利f i a t 集团u n u e t 高压共轨系统1 2 4 f i a t 公司研制的u n i j e t 共轨式喷油系 统十1 9 9 3 年底投入了工业化生产，其系统结构如图1 8 所示。共轨油道中的压力是 通过压力调节阀和固定在高压输出端的一个比例回油电磁阀来控制。电液控制喷油器 是系统的关键部件。喷油定时由喷油器电磁阀来控制，喷油器针阀升起及关闭时问规 律取决于喷油器控制腔的出、进油孔面积。喷油始点和终点的喷油速率取决于进出油 孔的面积。喷油量取决于共轨压力和电磁阀电流脉冲宽度。 上海交通大学博士学位论文 第一章绪论 圈1 - 8u n i j e t 高压共轨系统 f i 9 1 8u n i j e tf u e li n j e c t i o ns y s t e m 日本电装公司的高压共轨系统2 孓2 刀：日本电装公司的e c d u 2 系统已被公认为 2 1 世纪净化柴油机的燃油喷射系统之一。该系统主要包括高压油泵、共轨油道、喷 油器、电控单元( e c u ) 和传感器等组成。高压油泵是电磁阀控制的2 缸直列泵， 其根据e c u 信号向共轨油道输送必需的高压燃油。共轨压力是发动机负荷和转速的 函数，其利用压力传感器实时检测共轨压力，实现反馈控制。图1 9 为系统示意图。 图1 - 9e c d u 2 系统示意图 f i g 1 - 9s y s t e ms c h e m a t i cd i a g r a mo fe c d u 2 上海交通大学博士学位论文第一章绪论 1 2 2 高压共轨电控啧油系统的优势 高压电控供油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正 时，使其达到与工况相适应的最优数值，而且还使过去不能控制的喷射压力及难以控 制的喷油率的控制成为可能，即喷油量是油压和电磁阀关闭持续时间的函数，这样系 统的控制自由度及精度得到大幅度提高。由于共轨式喷油系统中共轨压力的建立与喷 射压力相互独立，故在一定范围内喷射压力的选择不受发动机转速和喷油量的影响， 同时燃油的燃烧和因其产生的噪声及振动也可以通过提高喷油压力及引入预喷射和 复合喷射等来改善，因此，他为喷油系统的设计和应用提供了额外的灵活性。研究和 试验表明，共轨系统在不同工况下都可以以较高的喷油压力实现稳定可控喷油，如实 现预喷射、后喷射的定时和油量，型和靴型喷射规律等，使柴油机燃烧良好，性能 改善，排放中的有害成分减少。 d a i m l e r - b e n z 公司十分详尽地对共轨系统进行了分析 1 5 ) p 系统具有以下优点： 1 ) 没有限制燃油喷射的供油凸轮，这样可以在最大程度上自由选择预喷射和主 喷射的始点。 2 ) 可自由选择喷射压力，因此，在低转速和低负荷下，也可制备良好的油束。 3 ) 喷嘴一旦打开，开启压力和共轨压力都在起作用，在针阀关闭时也是如此。 4 ) 驱动扭矩峰值降低。 5 ) 汽油机和柴油机共线生产成为可能，因为二者实际上使用的是同样的曲轴 箱，同样的总成结构和同样的曲轴凸轮轴传感器技术。 6 ) 可自由选择未来理想的d e n o x 催化剂延迟喷射技术。 正是由于高压共轨喷油系统具有以上优势，因此，在直喷式柴油机上应用共轨系 统目前已成共识，世界上各大汽车公司都在竞相研制和生产自己的高压共轨直喷式柴 油机。由此可以看出，高压共轨式电控喷油系统是未来柴油机喷油系统发展的必然结 果。 1 2 3 国内柴油机电控喷油系统研究状况 柴油机电控系统自1 9 8 0 年代初有产品正式投放市场以来，柴油机电控系统得到 了快速的发展。国外发达国家自上世纪9 0 年代以来新投放市场的柴油机产品几乎全 是电控产品。而我国到目前为止仍未见到电控柴油机的产品。 我国在电控柴油机领域中工作开展较晚，实际上还处于起步阶段。但随着国外柴 油机电控技术的迅速发展，以及我国对电控喷油系统的研究日趋重视，一些高等院校、 企业和研究所纷纷投入大量的人力、物力和财力从事电控喷油系统的开发研究。在八 十年代的主要工作集中在电液式供油提前器的研究，九十年代初清华大学对时间控制 上海交通大学博士学位论文 第一章绪论 式的泵管嘴系统进行了研究，并开发了泵管阀嘴系统。 贵航集团红林机械公司与美国b k m 公司合作，己批量生产了中压压力的高速电 磁开关阀和斜盘式柱塞泵。 一汽集团公司长春汽车研究所与吉林工业大学、北京天纬油泵油嘴股份有限公司 合作，在电控可变预行程直列泵系统方面，开展科研试验工作，并进行了电控泵喷 嘴的研究开发。用两台步进电机分别控制齿条和柱塞滑套以实现喷油量和喷油定时的 电子控制，该系统在1 1 0 x 1 2 0 直喷式单缸机上进行了试验。 天津大学国家内燃机重点试验室与重型汽车集团公司和山东龙口油泵油嘴股份 有限公司合作，以斯太尔6 缸水冷增压柴油机为对象，开发了s e r v o j e t 型共轨蓄压 喷油系统，该系统具有预喷射和快速停油功能。 北京理工大学在1 9 9 6 年自行开发了带单级阀的s e r v o j e t 型电控泵喷嘴系统， 并针对泵喷嘴系统进行了部分试验；还以6 v 1 5 0 柴油机的机液式供油提前器为基础， 研制了电液式供油提前角执行器e h i t a ( e l e c t r o - h y f r a u l i ct i m i n ga c t u a t o r ) ，实现了 微机对供油提前角的实时在线闭环控制。 无锡油泵油嘴研究所、七o 研究所以及上海内燃机研究所等对线性电磁铁、电 控提前器等也进行过开发工作。无锡油泵油嘴研究所已制作了2 0 0 套类似于e c d u 2 的c r 系统。 天津大学为车用柴油机开发的p a i r c u l ( p r e s s u r ea c c u m u l a t i v ei n j e c t i o nr a t e c o n t r o l l a b l eu n i ti n j e