（计算机应用技术专业论文）高压共轨柴油机正时同步技术研究.pdf

摘要 为了降低柴油机的能源消耗和废气排放，满足节能和排放法规的要求，利用电子技 术、计算机技术控制柴油机已成为柴油机技术的发展方向。e c u ( 电子控制单元) 是柴 油机电子控制系统的大脑，位置正时是其主要功能之一。因此，对正时同步方法进行研 究具有重要的实际意义。 位置正时是指e c u 通过对转速信号的处理，判定当前工作缸号及计算曲轴当前位 置的过程。位置正时是电控单元正常工作的基础，电控单元工作时只有确定当前的工作 缸号及当前曲轴的位置才能在正确的时刻把燃油喷入到正确的气缸。根据上述原理，研 究并设计了一个正时方案。首先将曲轴传感器、凸轮轴传感器信号送入硬件电路进行整 形、滤波、比较，然后送到h e t ( h i g h e n dt i m e r ) h e t 测量曲轴齿时间，利用其对 信号进行正确性分析；通过对比曲轴前后齿的齿时间，利用梯度找出缺齿。同时，根据 h e t 获取的凸轮轴信号的信息得到的s e g m e n t 表进行正时同步判断。正时完成后进行转 速计算、角度同步，从而确定正确的喷油位置。 在喷油实验台上分别将转速和轨压设为8 0 0 r m i n , 5 0 m p a ；1 0 0 0 r m i n ，7 0 m p a ； 1 2 0 0 r m i n ，9 0 m p a ，然后进行多次试验，测定位置正时。结果表明，正时方案正确，系 统运行正常。随后在发动机台架上将轨压控制在5 0 m p a ，分别在怠速( 8 0 0 r m i n ) 、加 减速时( 最大转速为2 0 0 0 r m i n ) 对正时方法又进行了反复验证，确保实现正确的喷油。 所设计的正时方案能够在各个工况下实现正确喷油，位置正时控制达到了预期的效 果，具有较高的实用价值。 关键词：柴油机，e c u ，位置正时，h e t a b s t r a c t i no r d e rt or e d u c ee n e r g y c o n s u m p t i o na n dd i e s e le n g i n ee m i s s i o n st om e e tt h e r e q u i r e m e n t so fe n e r g yc o n s e r v a t i o na n de m i s s i o n sr e g u l a t i o n s ，t h ed i e s e le n g i n ec o n t r o l t e c h n o l o g y h a sb e c o m ead e v e l o p i n gd i r e c t i o nw i t he l e c t r o n i c t e c h n o l o g y , c o m p u t e r t e c h n o l o g y e c u ( e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ) i st h eb r a i no fad i e s e le n g i n ee l e c t r o n i cc o n t r o l s y s t e m ，t h el o c a t i o ns y n c h r o n i z a t i o ni so n eo fi t sm a i nf u n c t i o n s t h e r e f o r e ，t os t u d yt h e s y n c h r o n i z a t i o nm e t h o dh a si m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e l o c a t i o ns y n c h r o n i z a t i o ni st h ep r o c e s st h a tt h ee c up r o c e s s e ss p e e ds i g n a l ，a n d d e t e r m i n e st h ec u r r e n tw o r k i n gt h en u m b e ro fc y l i n d e ra n dt h ec u r r e n tl o c a t i o no fc r a n k s h a f t p o s i t i o ns y n c h r o n i z a t i o ni st h ef o u n d a t i o no ft h ew o r ko ft h ee l e c t r o n i cc o n t r o lu n i tn o r m a l l y e c um u s td e t e r m i n et h ec u r r e n tw o r k i n gn u m b e ro fc y l i n d e ra n dt h ec u r r e n tl o c a t i o no f c r a n k s h a f tt om a k es u r et h a ti ti sa tt h e r i g h tt i m et om a k ef u e li n j e c ti n t ot h ec y l i n d e r c o r r e c t l y a c c o r d i n gt ot h i sp r i n c i p l e ，i ti sr e s e a r c h e da n dd e s i g n e das y n c h r o n i z a t i o ns c h e m e i nt h ep a p e r t h es i g n a lo fc r a n k s h a f ts e n s o ra n dt h es i g n a lo fc a m s h a f ts e n s o ra r es e n ti n t o t h eh a r d w a r ec i r c u i t r yt os h a p e ，f i l t e r , c o m p a r e ，a n dt h e ns e n tt h e mt ot h eh e t ( h i g h - e n d t i m e r ) t h eh e tm e a s u r e st h et i m eo fc r a n k s h a f tt e e t h ，t h e na n a l y s e st h ec o r r e c t n e s so ft h e s i g n 出t h ef r o n t t e e t ht i m ea n dt h eb a c k t e e t ht i m eo ft h ec r a n k s h a f ta r ec o m p a r e dt of i n dt h e m i s s i n gt e e t hb yg r a d i e n t a tt h es a m et i m e ，a c c o r d i n gt oh e tc a m s h a f ts i g n a li n f o r m a t i o n o b t a i nb yt h es e g m e n tt a b l ed e t e r m i n et i m i n gs y n c h r o n i z a t i o n t oa l c u l a t et h e s p e e do f c r a n k s h a f t ，a n g l es y n c h r o n o u sa f t e rc o m p l e t i n gp o s i t i o ns y n c h r o n i z a t i o nt om a k es u r et h e c o r r e c tl o c a t i o no ff u e li n j e c t i o n s e t t i n gc r a n k s h a f ts p e e da n dr a i lp r e s s u r ew e r e8 0 0 r m i n ，5 0 m p a ；10 0 0 r r a i n ，7 0 m p a ； 12 0 0 r m i n , 9 0 m p a , r e s p e c t i v e l yi nt h ee x p e r i m e n t a ls t a g eo fi n j e c t i o n ，t h e nt h ee x p e r i m e n t w a sc a r r i e do nm a n yt i m e st om a k es u r el o c a t i o ns y n c h r o n i z a t i o n t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h e p r o g r a mw a sc o r r e c t ，a n dt h es y s t e mo p e r a t e dn o r m a l l y t h e nt oc o n t r o lt h er a i lp r e s s u r ew a s 5 0 m p ao nt h ee n g i n es t a g e ，r e s p e c t i v e l y , i nt h ei d l e ( 8 0 0 r m i n ) ，d e c e l e r a t i o nt i m e ( m a x i m u m s p e e df o rt h e2 0 0 0 r m i n ) s y n c h r o n i z a t i o nm e t h o dh a db e e nr e p e a t e d l yv e r i f i e dt oe n s u r et h e i i i r e a l i z a t i o no f t h er i g h ti n j e c t i o n t h ed e s i g n e ds c h e m ec a na c h i e v et h ec o r r e c tf u e li n j e c t i o ni nd i f f e r e n tc o n d i t i o n s ， l o c a t i o ns y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o lh a sa c h i e v e dt h ed e s i r e dr e s u l t s i th a sh i g hp r a c t i c a lv a l u e k e yw o r d s ：d i e s e le n g i n e ，e c u ，s y n c h r o n i z a t i o n , h e t i v 长安大学硕士学位论文 1 1 研究背景和意义 第一章绪论 能源短缺尤其是石油短缺是全球性的问题，作为经济快速增长的中国在能源方面保 持着强劲的需求。中国石油资源短缺十分突出，据专家估计，中国已探明的石油可采储 量约为2 3 亿吨，2 0 0 4 年中国累计进口原油1 2 亿吨，石油对外依存度已达到4 0 。 目前我国汽车消耗燃油约占全国总石油消耗的三分之一。预计2 0 1 0 年，汽车燃油 需求为1 3 8 亿吨，占总消费的4 3 ；2 0 2 0 年燃油需求为2 5 6 亿吨，占总消费的5 7 ：到 2 0 3 0 年，这一比例将有可能达到7 7 。汽车数量的增长将导致对原油依赖程度的加剧， 除了自产原油以外，中国进口原油数量会逐年加大，中国对全球石油价格上涨也无可奈 何。石油价格的上涨将对中国经济产生巨大的影响，节能已经不是简单的节省资源，而 是关系到国家的能源安全与可持续发展问题。 我国的机动车燃油经济性水平普遍偏低，总体而言比欧洲低2 5 ，比日本低2 0 ， 比美国低1 0 。加快建设节约型社会是党中央、国务院从全局和战略的高度出发做出的 一项重大决策。如何有效的降低汽车的燃油消耗，是中国在大力发展汽车产业时不得不 面对的严峻问题。国家有关部门在近几年出台的汽车相关政策中都明确提出了发展柴油 汽车。其中包括：2 0 0 3 年国家环保局发布的柴油车排放污染防治技术政策中明确提 出“国家通过优惠的税收等经济政策，鼓励提前达到国家排放标准的柴油车和车用柴油 发动机产品的生产和使用”；2 0 0 4 年国家发改委颁布的汽车产业发展政策也提出 要“重点发展混合动力汽车技术和轿车柴油发动机技术 ；2 0 0 5 年国家发改委与科技 部共同组织起草的中国节能技术政策大纲征求意见稿再次提出“要鼓励发展节能型 轿车和柴油车 口1 。 汽车数量的增长将成为工业增长最重要的拉动力之一。据统计，2 0 0 9 年中国的汽车 销量达到1 3 6 4 4 8 万辆，超过美国2 0 0 9 年的1 0 4 3 万辆的年销量( 美国受金融危机影响， 2 0 0 9 年的销售量比2 0 0 8 年减少2 8 0 万辆) 。国家信息中心资源开发部主任徐长明预测， 在2 0 0 9 年中国汽车市场取代美国成为全球最大的汽车市场之后，2 0 1 0 年中国汽车销量 仍将保持较高的增长速度，预计将增长2 0 ，预计销量将超过1 5 0 0 万辆，成为全球汽 车销售冠军市场。据预测，到2 0 2 0 年中国居民家庭用车保有量将达到6 8 3 3 万辆，将农 1 第一章绪论 村居民家庭用车的保有量计算在内，家有汽车保有量将达到7 2 0 0 万辆。根据市场的需 求，汽车产业具有很大的发展空间，柴油机是不可缺少的角色。 为了降低柴油机的能源消耗和减少废气排放污染，满足节能和排放法规的要求，电 子控制技术在柴油机中的应用和发展已经成为必不可少的一个环节，是当今柴油机发展 的重要方向之一。位置正时在整个发动机电控系统中是不可或缺的一部分，决定整个系 统的工作状态和运行效率，对位置正时的研究具有很大的现实意义。 1 2 国内外研究现状 自1 9 世纪柴油机问世以来，经历了一个多世纪的发展，其技术发展出现了三次飞 跃。2 0 世纪2 0 年代中期以德国b o s c h 公司为代表的机械式喷油系统代替了蓄压式供油 系统，使柴油机在车辆上的应用成为可能。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。8 0 年代以来，以微机为电控单元的电控技术在柴油机上的应用并逐步形成现代 汽车柴油机电控系统，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 更强的竞争能力，柴油机技术的发展因而进入了一个新的历史阶段。到目前为止，各国 已研制并生产出各种柴油机电子控制系统，其中汽车工业发达国家的柴油机电控已发展 到相当成熟的阶段。但我国汽车工业与国际水平还存在相当大的差距，对电控柴油机技 术的应用还不够成熟。 柴油机电控技术近年来得到不断的发展，以电控单元为核心的柴油机电控系统随着 控制项目的不断增多，控制任务从简单到复杂逐步发展起来。从仅具有循环供( 喷) 油 量控制、供( 喷) 油正时控制等最基本的控制项目的燃油喷射到包括供( 喷) 油速率控 制和喷油压力控制在内的多项目标的燃油喷射控制；从单一的燃油喷射控制扩展到包括 怠速控制、进气控制、增压控制、排放控制、启动控制、故障自诊断、失效保险、发动 机与变速器的综合控制等在内的全方位控制。目前国内外对柴油机电控的研究仍然集中 在燃油喷射方面。德国b e n z 公司于1 9 9 4 年与德国b o s c h 公司联合开发了柴油机共轨电 控燃油喷射系统，美国c a t e r p i l l a r 公司、日本n i p p o n 公司、德国d e n s o 公司都进行了 共轨电控燃油喷射系统研究，并相继投入到生产中。我国对柴油机电控技术的研究开展 相对较晚，目前主要集中在对柴油机电控喷射系统的研究与开发。清华大学、吉林工业 2 长安大学硕士学位论文 大学、北京理工大学、天津大学、上海交通大学、华中理工大学、长春汽车研究所、无 锡油泵油嘴研究所、7 0 研究所分别在循环供( 喷) 油量和供( 喷) 正时的“位置控制、 “时间控制”和“共轨式系统 等各个方面进行了开发和试验研究工作，并取得了一些 成果。具体表现为：长春汽车研究所和吉林工业大学、北京天纬油泵油嘴股份有限公司 合作，采用电控可变预行程泵实现对c a 6 11 0 系列柴油机的喷油控制和怠速、巡航的调 速控制；北京理工大学在直列泵上用电磁阀通过液压伺服机构驱动齿条，以实现喷油量 的控制；一汽集团公司无锡油泵油嘴研究所在电控分配泵系统方面进行了研究开发，在 v e 分配泵上用线性电磁铁控制滑套，用电磁阀控制提前器活塞；清华大学研制的 p p v i ( p u m p - p i p e - v a l v e - i n j e c t o r ) 型电控直列泵一管- 阀- 嘴喷油系统取消了传统喷油泵中复 杂的控制执行机构，在油路上设置了高速电磁阀，由电磁阀控制喷油正时和油量；1 9 9 9 年一汽集团公司无锡油泵油嘴研究所购买了美国b k m 公司的s e r v o j e t 系统的专利技术， 开发了电控增压共轨式喷油系统，并在c a 6 1 1 0 型增压中冷柴油机成功地进行了试验； 贵州柴油机厂在6 1 3 5 型车用柴油机、潍坊柴油机厂在s t e y rw d 6 1 5 6 7 型柴油机进行了 电控共轨式喷油系统的试验。但是进气控制、增压控制、排放控制等研究还处于不完善 阶段，因而这些有待于进一步研究1 4 】。 柴油机混合气的形成和燃烧过程极为复杂，采用建立过程数学模型并借助于燃烧传 感器、负荷传感器和烟度传感器等进行过程闭环控制的方法在目前的条件下是不可行 的。目前世界上各种柴油机电控系统采用的基本对策都是把发动机转速和油门踏板位置 信号作为反映发动机实际工况( 转速和负荷) 点的基本信号，参照由发动机和整车试验得 出的m a p ( 数据表) 来选择喷油量和喷油正时等控制量的目标值，并对执行器进行闭 环反馈控制。 在国内，有关位置正时系统方面的论文与资料鲜有发现。 1 3 正时的作用与意义 柴油机尤其是车用柴油机，是一个非线性非稳定的复杂系统。燃油系统、空气系统 和驱动系统之间存在复杂的相互作用。车用柴油机，经常在变转速、变负荷、变发动机 温度、变燃油特性、变大气环境等复杂条件下运行。因此，为了实现全工况整体最优运 行，必须对发动机的多个控制参数进行全面的调节。发动机性能的好坏，很大程度上取 3 第一章绪论 决于调节控制系统的完善程度，而这种调节控制是一个复杂的多元动力过程。调节控制 的目的在于在各种工况、各种环境下都能保证最佳的综合性能指标：燃油经济性，排放 低毒性，运转稳定性，调节过程所需的时间尽可能短，并且对内部和外部工作条件的变 化具有快速适应的能力。传统的机械式调节控制系统对于复杂的要求已经力不从心，微 电子技术、自动控制技术和人工智能技术的不断发展及其在发动机控制中的应用，使发 动机的电子控制技术成为改善发动机整体性能最有力的手段，电子控制能充分利用计算 机技术的优势，更好地贯彻人对发动机工作过程的控制思想，精确地调整发动机系统的 各控制参数，使其整体性能始终保持综合优化。 正时在柴油发动机运行中具有决定性的作用，是发动机其他部分工作的基础，离开 位置正时发动机将无法正常运行。发动机的正时非常重要，不准确的正时会影响发动机 的性能。轻则发动机功率下降，重则会导致发动机爆震，进而损坏发动机。在发动机运 行过程中，当活塞恰好运动到上止点的时候开始高压喷油，当混合气体开始燃烧的时候， 活塞已经开始向下止点运动了。这样气缸的容积变大，混合气体燃烧后的压力减小，从 而导致发动机的功率降低。因此，应该在活塞运动到上止点之前就提前喷油，当活塞运 动到上止点的时候混合气体开始燃烧，然后活塞开始向下止点运动开始做功行程，这样 混合气体燃烧刚燃烧时由于气缸的容积最小，所以压力就越大，能量的利用可达到最大 限度，发动机的功率也就提高了。此时，我们把油嘴喷油到活塞运动到上止点的这段时 间内，曲轴所转过的角度称之为喷油提前角，也就是喷油时曲轴所旋转的位置到活塞运 动到上止点时曲轴所旋转的位置之间的角度。由此可见，位置正时是发动机系统工作必 不可少的一环。 1 4 论文研究主要内容 本文控制的对象是一款高性能高压共轨柴油机d k 4 a 。d k 4 a 发动机实体如图1 1 所示，其性能参数见表1 1 。 4 长安大学硕士学位论文 图1 1d k 4 a 高压共轨柴油发动机 表1 1d k 4 a 发动机性能参数表 发动机型号 d k 4 a t c 排量( l ) 2 4 9 4 进气方式涡轮增压、e g r 中冷 主要结构特征 1 6 vd o h c 供油系统b o s c h 第二代高压共轨电控系统 标定功率转速( k w r p m ) 7 5 3 6 0 0 最大扭矩，转速( n m r p m ) 2 6 0 ，18 0 0 2 4 0 0 最低燃油消耗率( g k w 1 9 雯1 0 排放标准欧，具有欧潜力 1 米噪声( d b ( a ) )夕7 ( d i n4 5 6 3 5 ) 长宽高( 姗)7 6 4 5 6 5 7 8 l d k 4 a 发动机的电控系统采用博世第二代高压共轨燃油喷射系统，控制单元版本为 e d c l 6 c 3 9 6 h 1 ，外围管脚共1 5 4 针( a 口6 0 针，k 口9 4 针) 。图1 2 为控制单元封装 重 第一章绪论 照片。 图1 2d k 4 a 发动机电控单元 通过对e c u 的控制实现发动机的正常工作循环，进而通过与其他部件的联合与协 调控制带动车体最终实现轿车的正常行驶。 本文主要研究发动机位置正时部分，包括正时信号处理、正时信号正确性分析、正 时方法的研究，以及正时完成后发动机转速计算、主中断、预中断和角度同步等。最后， 通过在喷油实验台和发动机台架上多次试验，证明了该控制方法的可行性和可靠性，具 有较高的实用价值。 翟 长安大学硕士学位论文 第二章位置正时系统 2 1 位置正时系统概述 2 1 1 柴油机电子控制系统的基本组成 曲轴传感器 凸轮轴传感器 高 速 接 口 电 路 厂 f l a s h i一 删d 圈曰 一s r a m i c p u i e 三 数 字 一 6 图2 1电控单元( e c u ) 功能模块示意图 图2 1 为柴油发动机d k 4 a 的e c u 的组成框图，其中主芯片的核心电压为 1 8 1 v - 2 0 5 v ，i o 供压为3 0 v - 3 6 v 1 7 1 。 e c u 硬件功能如下： a d c 传感器信号采样：对象是各种模拟传感器的输出信号，e c u 过流检测信号 等，a d c 信号调节部分的输入阻抗不小于2 0 k ，信号输入：0 5 v ； s p i 通信：s p i 的对象是两片外扩的s p i 接口的存储器：2 5 6 k 的e e p r o m 和2 m 字节的数据f l a s h ； 高端定时器h e t ； p w m 信号产生，共轨压力的建立，电子节气门，e g r 阀的驱动； c a n 通信：c a n 通信的对象是其它具有c a n 通信接口的设备，如车载a b s 系统，此次通过第三方的c a n 通信器完成数据交换测试； s c i 通信：s c i 的通信测试通过p c 机的测试软件完成； g p i o 通用输入输出：g p i o 的对象是车用各种开关信号的检测和继电器驱动， 7 鐾釜焉垂篓一 一一一一一一一一一一一 第二章位置正时系统 输入如离合器踏板开关，输出如电热塞； r t h 实时中断； 片内f l a s ha p i 函数。 一般的柴油机电控系统主要包括传感器、电子控制单元、执行器三部分。 1 传感器 传感器是系统中信息采集元件，它用于感知控制系统外部的信息，并将得到的信息 转换为电信号后传输给电子控制器( 电控单元) ，它是电子控制系统的“眼睛 和“耳 朵”【6 】。 从功能上可将柴油机电控系统传感器大致分为如下几种： ( 1 ) 发动机运行工况传感器。这类传感器感知发动机转速、加速踏板位移等发动机 工况信号，输入e c u 。例如：轨压传感器，它以足够的精度在较短的时间内测定共轨中 燃油的实时压力，并向e c u 提供相应的电压信号，实时监测高压油轨中的燃油压力。 图2 2 高压油轨 ( 2 ) 执行器信号反馈传感器。这类传感器负责把执行器的运行状况反馈给e c u 。实 现对执行器的闭环控制，具体划分为位置传感器、喷油始点( 针阀升程) 传感器和阀关闭 持续期传感器等。 ( 3 ) 修正参数传感器。如水温、燃油温度、进气温度和压力传感器等，所采集的信 号作为供油量或供油提前角的修正系数。 ( 4 ) 其它传感器。如车速传感器等。 2 电子控制单元( e c u ) 电子控制单元：的作用是对各传感器输入的电信号进行综合处理，作出实时判断，并 输出控制信号给执行器。电子控制单元是电子控制系统的“大脑 。 e c u 是由传感器与单片机的接口电路、中央微处理器单元和执行器驱动电路等三部 图 长安大学硕士学位论文 分组成。传感器接口电路将传感器输出的信号转换成单片机可以接受的标准t t i 。电平 信号，中央微处理器由单片机及其外围电路组成。目前已经把r o m 、r a m 、各种接口、 a d 转换、d a 转换和定时器等都集成在一块芯片上，从而大大提高了单片机运行的 可靠性，3 2 位机已经成为主流。e c u 除了执行系统基本控制功能外，还需执行故障诊断、 通信联络以及高层管理等其它附加功能。 3 执行器 执行器是控制系统的输出部分，它根据控制器的控制信号做出相应的控制动作，将 控制参量迅速调整到设定的值，使控制对象工作在设定的状态。 ( 1 ) 喷油器 喷油器的作用是将燃油雾化成较细的颗粒，并将它们分布到燃烧室中和空气形成良 好的可燃混合气体。因此，对喷油器工作的基本要求是：有一定的喷射压力、一定的射 程、一定的喷雾锥角、喷雾良好以及喷油结束时能迅速停油，没有滴油现象。喷油器如 图2 3 所示。 常用的闭式喷油器有两种，即孔式喷油器和轴针式喷油器。 孔式喷油器。孔式喷油器主要用于直接喷射式柴油机中。由于喷孔数可有几个 且孔径小，因此，这能喷出几个锥角不大、射程较远的油束。一般喷油孔的数目为1 - 9 个，喷孔直径为o 2 0 0 5 0 m m 。喷孔的数目与方向取决于各种燃烧室对于喷雾质量的要 求与喷油器在燃烧室内的布置。图2 3 为孔式喷油器。 图2 3 孔式喷油器 孔式喷油器的特点是燃烧雾化质量好，但是由于喷孔小、精度要求高，给加工带来 一定的困难，使用中容易出现喷孔堵塞的现象。 轴针式喷油器。轴针式喷油器通常用在涡流式和预燃式柴油机中，近几年也开 始应用在少数带有强进气涡流的直接喷射式柴油机中。这种喷油器的工作原理和孔式喷 占 第二章位置正时系统 油器相似。其构造特点是针阀在下端的密封锥面以下伸出一个倒圆锥体形的轴针。轴针 伸出喷孔外面，使喷孔成圆环状的狭缝。这样，喷油时油束将呈空心的圆锥形或圆柱形。 喷孔断面大小与油束的角度形状取决于轴针的形状和升程，因此要求轴针的形状加工精 确。 常见的轴针式喷油器都只有一个喷孔，喷孔直径一般为1 - 3 r a m 。由于喷孔直径较大， 故便于加工制造，且孔内有轴针上下活动能起自洁的作用，喷孔不易积灰，工作可靠。 ( 2 ) 供油泵 由于在共轨系统中可以自由控制喷油压力，因此供油泵的主要作用是将低压燃油加 压成高压燃油，储存在共轨内，等待e c u 的喷射指令。供油压力由压力限制器进行设 定。供油泵如图2 4 。 图2 4 供油泵 供油泵是低压和高压部分之间的接口，它的作用是在发动机所有工作范围和整个使 用寿命期间准备足够的、已被压缩了的燃油。除了供给高压燃油之外，它的作用还在于 保证在快速启动过程和共轨中压力迅速上升所需要的燃油储备、持续产生高压燃油存储 器所需的系统压力。 由于供油泵是按最大供油量设计的，在怠速和部分负荷工作时，被压缩的燃油显得 过多，多余的燃油经过调压阀流回油箱。由于被压缩了的燃油再次降压，损失了压缩能 量，这种现象除了使燃油升温外，还会降低总效率。 供油泵的供油量与其转速成正比，供油泵转速取决于发动机转速。燃油系统装于发 动机上，传动比的设计一方面要使多余的供油量不要太多，另一方面还应满足发动机全 负荷工作时的燃油量。可选取的传动比l ：2 和2 ：5 ，视曲轴而定f 2 】。 1 0 长安大学硕士学位论文 2 1 2 正时系统组成 f 曲轴传感器b 刮喷油器目 控制喷油时间 控制喷油量 控制喷油率 e c u l 凸轮轴传感器b 刊供油泵 二爿调节喷油压力 图2 5 正时系统组成 正时系统主要由曲轴传感器、凸轮轴传感器、e c u 和喷油系统组成。曲轴传感器、 凸轮轴传感器信号被送到e c u 经过硬件电路整形、滤波、比较后到达h e t ，通过h e t 对信号敏感，对信号进行正确性分析，然后利用同步原理对发动机进行正时，正时后进 行主中断、预中断、转速计算、角度同步等，将燃油喷入正确的气缸。 2 2 发动机位置正时概述 位置正时是指电控单元通过对转速信号的处理，判定当前工作缸号及计算曲轴当前 位置的过程。位置正时是电控单元正常工作的基础，电控单元工作时必须确定当前的工 作缸号及当前曲轴的位置才能在正确的时刻把燃油喷入到正确的气缸。 电控单元利用安装在曲轴和凸轮轴上的齿盘和转速传感器( 霍尔式或电磁式) 发出 的转速信号进行位置正时，具体的正时策略取决于曲轴和凸轮轴齿盘的形式。曲轴上的 齿盘通常采用缺齿的形式，齿数较多，以便更加精确的判定曲轴位置。凸轮轴上的齿盘 齿数较少，通常有两种结构形式：一种是齿盘上只有一个齿，在第一缸上止点前( 通常 为7 5 。b t d c ) 发出信号，用来判定第一缸；另外一种采用n + i 齿的多齿形式，n 为发 动机缸号，除了判定第一缸外，还可以在其他各缸到达压缩冲程上止点前发出信号。由 于发动机需要在曲轴传感器损坏的情况下保持正常工作，现在凸轮轴转速信号齿盘多采 用多齿形式。 转速信号的波形取决于齿盘的形状，系统中采用的转速信号齿盘形式为曲轴齿盘 ( 6 0 2 ) 齿，凸轮轴齿盘( 4 “) 齿。图2 6 是本系统中发动机曲轴转速信号( 左) 和凸轮轴 转速信号( 右) 的波形。 第二章位置正时系统 曲轴凸轮轴 图2 6 齿盘形式及其对应传感器输出信号 曲轴齿盘采用传统的6 0 2 齿，齿盘上平均分布6 0 个齿，每个齿为6 。实际缺两 个齿，为5 8 齿，缺齿可以用来判断曲轴位置。凸轮轴齿盘采用新型的4 + 4 齿，四个长 齿( l 1 ，l 2 ，z 3 ，z 4 ) ，每个齿的角度为6 6 。，其中齿z 3 和z 4 输出高电平，l 1 和l 2 输出 低电平；四个短齿( l 3 ，l 4 ，z 1 ，z 2 ) ，每个齿的角度为2 4 。，其中z l 和z 2 输出为高电平， l 3 和l 4 输出为低电平。 发动机位置用曲轴齿轮齿数计数器来表示，计数范围为1 1 2 0 ，曲轴缺齿之后的第 一个齿计数为l 。e c u 根据此前确定的发动机工况条件粗略估算进行当前点火缸的喷油 位置，提前预置触发位置进行喷油。根据发动机的点火顺序( 1 - 3 - 4 2 ) ，确定下一个需 要喷射燃油缸的位置，完成燃油喷射。 2 3 本章小结 位置正时是发动机系统中一个重要的组成部分。本章讲述了e c u 电控系统的构成， 阐明了位置正时在电控系统中的作用以及位置正时系统的组成。同时，对发动机位置正 时作了简要的介绍。 1 2 长安大学硕士学位论文 第三章正时信号处理 3 1 正时信号处理电路设计 图3 1 正时信号处理电路 图3 1 是曲轴、凸轮轴信号处理电路。该电路完成了整形、滤波、比较。采集到的 转速传感器信号从1 3 、1 4 脚送进e c u ，u 3 0 1 a 是电压比较器，1 3 、1 4 两路信号经过比 较器两级比较后，将输出的平稳的信号作为转速信号。其中，c 3 0 2 的作用是滤除杂波 干扰信号，c 3 0 1 ，c 3 0 2 是滤波作用。e 3 0 1 是极性电容，作用是使得电压信号更加平滑。 在e c u 中，曲轴和凸轮轴相位传感器信号是整个发动机工作时序的基础，其作用 相当于芯片中的时钟。发动机的转速、喷油位置以及判缸信号等都是通过这两个信号处 理的。因此，对这两个信号处理显得尤为重要【2 3 】。 3 2 曲轴信号分析 基于曲轴信号，获取的曲轴位置信号确定了发动机的位置。对于曲轴信号进行动态 正确性测试，监控其频率，检查其缺齿位置。 发动机曲轴转速传感器系统对c p u 有一个频率信号输入，这个信号最终影响系统 的时序。因此，必须首先测试该信号的频率范围。如果信号频率在限制范围内，则可测 试该信号的正确性，才能根据正确的相位和频率触发中断。如果信号频率太低，意味着 发生了超时，必须由系统产生一个下限频率信号取代该低频信号。如果频率过高，就对 频率进行限制( 保护功能) 。这样就保证了c p u 中的中断系统能长期安全运行。 1 3 第三章正时信号处理 3 2 1 曲轴c r a n k s h a f t ( c r s ) 曲轴位置传感器( c r a n k s h a f tp o s i t i o ns e n s o r ，c p s ) 又称为发动机转速与曲轴转角传 感器。其功用是采集曲轴转动角度和发动机转速信号，并输入电子控制单元，以便确定 喷油时刻。它是发动机电子控制系统中最主要的传感器之一，提供喷油时刻( 喷油提前 角) 、确认曲轴位置的信号，用于检测活塞上止点、曲轴转角及发动机转速。 曲轴位置传感器所采用的结构随车型不同而不同，可分为磁感应式、光电式和霍尔 式三大类。它通常安装在曲轴前端、凸轮轴前端、飞轮上或分电器内。所用曲轴传感器 为磁感应式传感器，如图3 2 所示。 1 b o s c h 曲轴位置传感器d g 6 特性 图3 2 曲轴转速传感器 ( 1 ) 传感器的接口极性 d g 6 接口极性如图3 3 所示。有两个接口( 正极和负极) 。当传感器作为曲轴位置 传感器时，传感器扫过曲轴信号盘缺齿位置输出电压首先出现的是负的半边正弦波信 号，而缺齿末端又为正的半边正弦波信号，这种情况意味着接口极性是正确的。当传感 器作为凸轮轴相位传感器时( 信号盘为4 + 4 齿) ，传感器扫过信号盘齿形处输出电压首 先出现的是正的半边正弦波信号，然后是负的半边正弦波信号，此时接口极性是正确的。 接口极性正确时的d g 6 输出模拟信号如图3 4 所示。 1 4 长安大学硕士学位论文 i n e g a t i v e ( 受l 2 p o s i t i v e ( 芷l 图3 3 曲轴传感器接口极性 歹、 八八 八八八八八八 ! l 八a 八八八八八 八八 jv 1 v 1 ，v 1yv1 ；vj1 1 7 1vjvjv l | | | 一r一 ： 一一一 、 ： 。j |夕u ，一一西 i n 翻啊甜n ，岫ih m 脯 、。厂!， vv 图3 4 接口极性正确时的d g 6 输出模拟信号 ( 2 ) 传感器模拟信号的处理 露 i 4 图3 5 曲轴信号的处理前后对比 图3 5 为曲轴传感器原始模拟信号与处理后的信号对比图。上为曲轴原始信号，下 为通过阈值电路( 曲轴，凸轮轴原始信号处理原理图) 处理后的电平信号。 + 第三章正时信号处理 2 传感器输出电压的最大值 感应传感器输出电压的峰值随转速的增加而升高。根据e c u 定义允许的输出最大 峰值电压范围是一i o o v u a 窨 = ， 图3 6 传感器安装位置 01 0 0 01 5 0 02 0 0 0 ne r p 聃l 图3 7 传感器输出电压与转速、安装间隙( a i rg a p ) 之间的关系 3 计算角度与机械角度之间的允差 对于转速管理和喷射控制的允差如下，应用这样的允差的转速范围为5 0 0 r m i n n 5 0 0 0 r m i n ( n 为转速) 。如图3 8 。 要求： 模拟信号中齿齿之间角度的误差 0 1 0 0 c r a n k ； 模拟信号中齿角度的误差由于在相关的角度范围( 6 0 2 齿) 内，至少在低发动机转速下，缺齿的范围d 与范围f 出现了重叠。假定转速大约为2 0 0 0 0 r r a i n 的高转速，实际上这意味着 在一个非常小的角度范围内，干扰可以减弱。 2 1 毒 第三章正时信号处理 3 3 凸轮轴c a m s h a f t ( c a s ) 凸轮轴位置传感器( c a m s h a f tp o s i t i o ns e n s o r ，c p s ) 3 乙称为气缸识别传感器( c y l i n d e r i d e n t i f i c a t i o ns e n s o r ，c i s ) 。为了区别于曲轴位置传感器( c p s ) ，凸轮轴位置传感器一般 都用c i s 表示。凸轮轴位置传感器的功用是采集配气凸轮轴的位置信号，并输入e c u ， 以便e c u 识别气缸l 的压缩上止点，从而进行喷油控制。此外，凸轮轴位置信号还用 于发动机启动时识别出第一次喷油时刻。因为凸轮轴位置传感器能够识别哪一个气缸活 塞即将到达上止点，所以称为气缸识别传感器。 b o s c h 凸轮轴相位传感器p g 3 8 如图3 1 3 ： 图3 1 3 凸轮轴相位传感器 d k 4 a 发动机所采用的凸轮轴相位传感器型号为b o s c h 的p g 3 8 。该传感器为霍 尔效应传感器，用于检测凸轮轴相位及其转速，与感应传感器相比，具有输出电压与转 速无关的优点。 ( 1 ) 传感器引脚 g r o u n d ( ) s i g n a lo u t p u t ( o ) s u p p l yv o l t a g e ( + ) 虎戡 门 一 - j 鲁辱苫 守 = 1 1r zj、， i 民 蜜 男u 一 - 1 峪x 翟 - 图3 1 4 凸轮轴传感器引脚定义 长安大学硕士学位论文 ( 2 ) 安装条件 ( 3 ) 输出电信号定义 图3 1 5 凸轮轴安装条件 z o n e 图3 1 6 凸轮轴电信号定义 第三章正时信号处理 ( 4 ) 凸轮轴信号盘及输出信号示例 3 4s e g m e n t 系统 疆 。、， 蛾 、久迎i 擘： l 1l 2 z 1 图3 1 7 凸轮轴信号盘及输出信号示例 s e g m e n t 在这里指的是段的意思。对于转速，需要有自己的s e g m e n t 时间，即段时 间。通过测量曲轴上的一个角度范围来记录s e g m e n t 时间( = 转速s e g m e n t ) 。在s e g m e n t 时间提供给其它函数之前，必须对s e g m e n t 时间进行限制和平均。曲轴系统和凸轮轴系 统是两种不同的s e g m e n t 系统。 3 4 1 曲轴s e g m e n t 系统 曲轴旋转两圈( 发动机一个工作循环) 的角度范围被分解为若干个s e g m e n t 。 s e g m e n t 时间长度的计算公式为： c r s c d _ t i s e g = c r s c d _ t i s e g + c r s c d _ d a t e c r s c d _ n u m t o o t h - 1 t o o t h p e d o d 每9 0 度( 1 5 个齿) 为一个段，这一段齿时间的和就是曲轴段时间，即曲轴s e g m e n t 时间。 s e g m e n t 计数器在每次中断时( 图3 1 8 中的i n t m a i n 或i n t - p i l o t ) 增加一次。 如图3 1 8 所示，计数器在包含了上止点1 的s e g m e n t 之后的中断位置( 图中的 i n tp i l o t ) 被设置为0 。 长安大学硕士学位论文 增礅信0 咐蝴 i s e g m e n t 计数器设键为o u , l - 所 列应的e f ，断他簧 ：哑参r 咐严i了? 3 - 当前s c g 嗍t 序号卜卅 s e g m e n t 长j 堑，p q 缸机时 成9 0 。c a 图3 1 8 四缸机的s e g m e n t 系统结构和应用 c r s c d _ t i s e gf q 每个s e g m e n t 的长度计算。s e g m e n t 时间形成发动机转速计算的基础 时间。 3 4 2 凸轮轴s e g m e n t 系统 1 信号检测 凸轮轴信号由硬件部件进行信号处理。凸轮轴触发沿用来指示当出现了上升沿信号 或下降沿信号，或同时具有上升沿和下降沿信号时，是否对信号进行检测。允许值如表 3 1 所示。 表3 1 凸轮轴触发沿的允许值 上升沿 1 下降沿2 上升沿和下降沿 3 基于传感器，信号电平在边缘之间改变。凸轮轴s e g m e n t 电平的允许值确定对信号 电平进行记