（动力机械及工程专业论文）高压共轨柴油机电控系统的研究与分析.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着常规能源的日趋枯竭和排放法规日益严格，迫使柴油机朝着低污染、低油耗和 高比功率的方向发展；而微处理器和电子控制技术的发展，嵌得采用电控系统的柴油机 能够对工况进行实时监测，根据每个工况变化计算出实际需要的油量、压力和正时来改 善燃烧，使柴油机具有良好的动力性、经济性和排放性。作为2 0 世纪末内燃机行业的 三大突破进展之一的高压共轨电控柴油机，它能够实现理想的喷油规律，被认为是解决 环保和节能双重压力的最有效、最经济的手段之一，作为其开发研究的最重要内容 电控系统( e c u 3 ，已经成为研究的热点。 本文首先从系统组成及工作原理、控制基本理论、硬软件设计和控制策略等方面， 对e c d - u 2 系统进行深入分析与研究。介绍了电控单元的外围设备( 各种传感器、电磁 阀等) ，并分析了输入、输出信号处理电路、m p c 5 6 3 的功能模块以及其在共轨系统的应 用，给出了实现c a n 总线通讯节点的硬件电路。在软件方面，基于p c o s i i 多任务进 程管理机制开发的应用程序，使系统具有更高的实时性、可靠性和开放性，同时降低成 本，缩短开发周期。详细分析了高压共轨系统的任务划分，以及软件整体构架，并简要 介绍标定软件。然后，本论文对系统的控制理论和控制策略进行研究分析，并结合控制 理论提出了喷油压力、喷油量、喷油正时的控制策略，并考虑了特殊工况( 起动、怠速 等1 的控制要求。最后，利用现有某6 1 0 6 直喷柴油机成功改造安装共轨系统，并构建一 套完整的台架试验系统。利用在线标定软件以及数据采集和燃烧分析系统，初步完成了 共轨系统最小运行m a p 的标定工作，通过预喷射实验中各个参数的变化对柴油机排放 及经济性的影响，基于结果的分析，得出了不同工况下的优化点，实现对系统控制策略 的优化。 关键词：高压共轨柴油机；e c d u 2 ；电控单元；控制策略 高压共轨柴油机电控系统的研究与分析 s t u d ya n da n l y s i sf o re l e c t r 0 帆cc o n t r o l l e d s y s t e mo fm g hp r e ss u r ec o m m o nr a i ld i e s e l a b s t r a c t a sg e n e r a le n e r g yc r i s i sb e c o m em o r ea n dm o r es e r i o u sa n di n c r e a s i n g l yr i g o r o u s e m i s s i o nl e g i s l a t i o n , i ti sn e c e s s a r yf o rd i e s e lt ob ed e v e l o p e dw i t hl o w e rp o l l u t i o n ，l o w e rf u e l c o n s u m p t i o na n dh i g hp o w e rp e rw e i g h f u r t h e r m o r e ，w i t h t h e d e v e l o p m e n t o f m i c r o c o n t r o l l e ra n de l e c t r o n i cc o n t r o l l e dt e c h n o l o g y , t h ed i e s e lu s i n ge c uc a l ld e t e c ti t s w o r k i n gp a r a m e t e r sa ta n ym o m e n ta n dp r o v i d e so p t i m a li n j e c t i o nt i m i n g s ，f u e li n je c t i o n q u a n t i t ya n di n j e c t i o np r e s s u r et h r o u g hc a l c u l a t i o no fr u n n i n gp r o g r a m t h u s ，i ti m p r o v e sf u e l c o m b u s t i o ni nd i e s e lc y l i n d e ra n dk e e p st h eg o o dp e r f o r m a n c eo fp o w e r , e c o n o m i ca n d e x h a u s to fd i e s e l e l e c t r o n i cc o n t r o l l e dh i 曲p r e s s u r ec o m m o nr a i li so n eo ft h et h r e e b r e a k t h r o u g h so fi n t e r n a l c o m b u s t i o ne n g i n ei n d u s t r yi nt h ee n do f2 1s tc e n t u r y i ti sa b l et o c o m p l e t et h ed e s i r e df u e l 蝎e c t i o nr a t e i ti sc o m m o n l yc o n s i d e r e dt ob eo n eo ft h em o s t e f f e c t i v ea n de c o n o m i c a lm e a s u r e m e n tt or e s o l v et h ep r o b l e m so fs a v i n ge n e r g ya n d p r o t e c t i n ge n v i r o n m e n t a tp r e s e n t , s t u d y i n ge c uh a sb e c o m eh o t s p o t si nt h eh i g h - p r e s s u r e c o m m o nr a i ld i e s e ls y s t e m t h ep a p e rd e e p l ya n a l y s e sa n ds t u d i e st h ee c d - u 2i nt h ew o r k i n gp r i n c i p l e ，t h e c o n s t r u c t i o n , t h ed e s i g no fh a r d w a r e ，s o f t w a r ea n dt h ec o n t r o ls t r a t e g y f i r s t l y , t h ep e r i p h e r a l c o m p o n e n t s ( s e n s o r sa n dd r i v e rd e v i c e s ) o fs y s t e ma r ei n t r o d u c e d t h ea r t i c l ea l s oa n a l y s e st h e i os i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i t s ，t h ef u n c t i o n a lb l o c k so fm p c 5 6 3a n di t sa p p l i c a t i o ni ne c u ， a n ds h o w st h ed e t a i l e dd e s i g no fc a n - b u sc o m m u n i c a t i o nn o d e s e c o n d l y , b a s e do nt h e p o w e r f u l l yt p um o d u l eo fm p c 5 6 3 ，p i l o ti n j e c t i o nh a sb e e nr e a l i z e da sw e l la sf l e x i b l e i n j e c t i o nt i m i n ga n dd u r a t i o n w i t l lm u l t i t a s km e c h a n i s mo fl x c o s i ii n t r o d u c e d ，am o r e r e a l - t i m e , s t a b l e ，f l e x i b l ea n do p e nc o m m o nr a i lc o n t r o ls y s t e mi sb u i l t t h ep a p e rd e e p l y a n a l y s e sa n ds t u d i e st a s kp a r t i t i o n , t h ew h o l es o f t w a r ef r a m e w o r k , a n db r i e f l yi n t r o d u c e st h e c a l i b r a t i o ns o f t w a r e t h e ni ta l s oa n a l y s e st h ec o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o ls t r a t e g yo fi n j e c t i o n p r e s s u r e ，f u e li n j e c t i o nq u a n t i 锣a n di n j e c t i o nt i m i n g sc o m b i n e d 谢mc o n t r o lt h e o r ya n dt h e r e q u e s to fs p e c i a lw o r k i n gc o n d i t i o n s ，s u c ha ss t a r t i n g ，i d l i n gs t a t e f i n a l l y , at e s tb e di s e s t a b l i s h e db a s e do nad i r e c ti n j e c t i o nd i e s e le n g i n e6 10 6e q u i p p e dw i t he c d u 2c o m m o n r a i ls y s t e m e x p e r i m e n t so i lt e s tb e df i n i s ht h em a pc a l i b r a t i o np r i m a r i l yw i t ht h eh e l po ft h e 0 1 1 1 i n ec a l i b r a t i o ns o f t w a r e c o m b u s t i o n a n a l y s i ss o f t w a r ea n do t h e rd a t e a c q u i r e ds o f t w a r e b a s e do nt h er e s u l t s ，t h eo p t i m i z a t i o np o i n t su n d e rd i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n sw e r eg o t 一i i 大连理工大学硕士学位论文 p e r f o r m a n c ee x p e r i m e n t ss u g g e s tt h a tc ri n j e c t i o ns y s t e mh a sab i gp o t e n t i a lt od e c r e a s et h e e m i s s i o na n di m p r o v et h ep e r f o r m a n c ea tt h es a m et i m ef o rd i e s e le n g i n e s k e yw o r d s ：h i g hp r e s s r ec o m m o n r a l ld i e s e le n g i n e ；e c d u 2 ：e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ； c o n t r o ls t r a t e g y i i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文题目：毛匦鍪驰粒盔塑g 继丝幽塑堑 作者签名：王查乞日期：j 哗年l 月上日 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，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。 学位论文题 作者签名： 导师签名： 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1柴油机电控技术的研究背景 1 1 1 车辆排放法规日趋严格 现代社会的发展决不能再以消耗大量资源和污染环境为代价，全社会应当培养节 约、环保的意识，走可持续发展道路。可持续的发展不仅仅是各国政府的行为，它还是 每个地区、每个行业、每个企业、每个社会团体，甚至是每一个人的事情。由于我国人 口众多、资源匮乏的国情，只有走中国特色的可持续发展道路，增强科研能力，加大高 新技术的研发投入，才能为我国社会和经济快速、稳定、健康发展提供技术保障。 随着世界范围内的能源危机和环境污染问题的日益严重，人们对于汽车发动机在节 约能源和控制污染物排放方面的要求日趋严格。柴油机的显著优点就是油耗低。而在排 放方面，虽然柴油机排气中c 0 ，h c 等的排放量相当低，但其微粒的排放量很高，是汽 油机的几十倍甚至更多。因此，世界各国在采用柴油机汽车的同时对其排放( 尤其是微 粒排放) 控制提出了越来越高的要求。作为满足柴油机排放、节能和提高性能的重要途 径，柴油机电控技术己成为当前柴油机技术的主要发展方向。 我国自改革开放以来，生产以及进1 3 汽车的数量越来越多，并成为世界上发展最迅 速的汽车消费市场，但是，汽车的生产水平相对落后，污染物排放比较严重，由此带来 的汽车尾气污染也成为中国人口稠密、交通发达大城市的主要污染物来源。国家环保总 局提出汽车排放法规要在2 0 1 0 年与西方发达国家接轨。中国环保法规最大限度地吸收 和利用了欧盟排放法规的内容，2 0 0 0 年等效实施了欧i 排放标准，2 0 0 3 年9 月等效实 施了欧i i 排放标准，2 0 0 7 年7 月1 日全国范围内开始实施国排放标准，2 0 0 8 年1 月1 日，国燃油在北京上市。排放标准的跳跃，对车用柴油机行业是一个巨大的挑战。 1 1 2 燃油喷射压力不断提高 现在，柴油机电控的主要内容包括最佳喷油量控制、最佳喷射定时控制，以及喷油 压力和喷油速率的柔性控制，并采用很高的喷油压力，此外还包括增压压力控制、自诊 断控制等。面对这些要求，采用更加先进的高压燃油喷射系统势在必行。就目前发展状 况来看，柴油机电控技术要比汽油机电控技术滞后了1 0 年左右，这主要是由于其执行 机构燃油喷射系统实现电控存在着技术难点，实现高压燃油喷射一直是柴油机技术 研究中的关键环节。 高压共轨柴油机电控系统的研究与分析 提高燃油喷射压力，可以直接改善直喷式柴油机的燃油雾化效果，促进混合气的形 成和充分燃烧，降低油耗和排放。十几年来，提高喷油压力一直被作为直喷式柴油机降 低排放的关键手段。 在柴油机上，燃油喷射系统作为保障高压燃油喷射的核心部件，传统的机械式燃油 喷射系统存在着严重的缺陷和不足。首先，柱塞式喷油泵在工作中采用柱塞脉动式供油 方式，导致进一步提高燃油喷射压力受到限制；其次，由于喷油泵结构复杂，在机械式 调速器和供油提前装置的自动调节过程中不可避免地出现磨损和惯性冲击等，使油量调 节受到影响、提前供油受到限制，造成动力性和经济性下降以及排放烟度、噪声和耐久 性受到影响。随着高速微处理器及专用芯片技术、机电一体化技术和其它相关技术的共 同发展，带动了柴油机燃油喷射系统的变革：从机械供油装置的改进逐步发展到电控燃 油喷射系统，继而发展到柴油机电控技术。 1 1 3 电子技术的不断发展 从2 0 世纪7 0 年代以来，半导体技术推动了电子技术的发展，从单个晶体发展到超 大规模集成电路，微电子产品的成本大幅度下降、功能不断增强、性能日臻完善。与电 控技术密切相关的电磁兼容技术( e m c ) 、传感器技术、集成信号处理控制芯片技术、 微处理器技术、存储技术的发展，日益提高了电子器件的可靠性与智能化水平，电控系 统所涉及的执行器，例如步进电机、继电器、电磁线圈等负载型式，都可以找到控制与 驱动芯片。这些控制芯片的相应控制端口，很容易用单片机对其进行控制，电控系统的 微处理器( m c u ) 已有原来的8 位发展到今天的1 6 位、3 2 位，其运算速度越来越快，信 号处理能力越来越强，芯片的集成度越来越高，这些功能为柴油电控技术的发展提供了 最为有利的硬件保障；嵌入式实时操作系统( r t o s ) 满足了共轨柴油机电喷单元控制系统 功能和结构的复杂性，其允许多个实时任务并行运行，且每个任务具有相对独立性，解 决了传统的单线程控制环式的控制软件不能满足系统控制要求，提高了系统软件的质量 和可靠性，利用实时操作系统( r t o s ) 中的一些专家库函数还减少了任务模块的设计难 富 d 己0 近些年来，柴油轿车技术的创新8 0 都是来自于电子技术的应用，特别是其喷射系 统电子控制单元( e c u ) 已是现在汽车中技术含量最高，是利润空间最大的部件之一。 各大汽车制造厂商加快车载电子化进程，把汽车电子装置的数量，作为汽车的新卖点和 夺取未来市场的重要手段。 大连理工大学硕士学位论文 1 2 柴油机电控技术的研究意义 柴油机电控技术突破了传统机械调节系统反应速度慢、适应性差的弱点，并以其快 速灵活的特点，保证了系统的实时性和精确性，同时可根据不同的需要改变控制算法和 调节规律，实现发动机多参数的采集和管理，从而提高了系统的控制水平。目前，发展 汽车柴油机不仅可以缓解我国的能源危机，而且可以有效地满足保护自然环境的社会需 求。电控柴油机的优点突出体现在变工况和动态性能上，因此也成为了当前柴油机发展 的主要方向之一。各国政府和企业纷纷投入大量的人力和物力进行电控柴油机的研究。 美国、德国、日本、英国等己有较成熟的产品推向市场，我国的柴油机电控技术应用尚 处于起步阶段，可靠性差、能耗大、排放污染严重、振动噪声指标比较低，船用等大型 柴油机更是如此，在柴油机电控技术领域我们还有很多工作要做。 为了实现我国柴油机行业的可持续发展，振兴民族工业，就必须在电控技术核心的 电控喷射系统单元的软硬件设计上加大人、财、物的投入，必须走自主研发的道路，否 则，我们将失去该领域技术的主动权和核心竞争力。只有研制出具有自主知识产权的共 轨柴油机电喷单元产品，参与到市场竞争中去，才能分享到柴油机电喷控制单元市场份 额中的一杯羹，才能不断缩小我国与国外同行之间的差距。因此，分析研究高压共轨柴 油机电控喷射单元的软硬件技术，具有非常迫切的现实意义。 1 3 柴油机电控燃油喷射技术的发展概述 柴油机电控技术的发展从2 0 世纪7 0 年代至今已经经历了三个发展阶段：2 0 世纪 7 0 年代为电控柴油机开发阶段；2 0 世纪8 0 年代为电控柴油机实用阶段；2 0 世纪9 0 年 代为电控柴油机发展阶段。 燃油喷射系统是影响缸内燃烧过程的关键因素，对柴油机的动力性、经济性和排放 性能都有重要影响。要改善柴油机缸内燃烧，燃油喷射系统一方面要有理想的喷射速率 特性，另一方面要提高喷射压力。传统的喷射系统由于受到结构和原理等限制，不能同 时达到这两个要求，因此，柴油机电控喷射系统逐渐发展起来。 ： 在传统的喷射系统基础上首先发展起来的电控燃油喷射系统是位置式电控燃油喷 射系统，称之为第一代电控燃油喷射系统，而基于电磁阀的时间式电控燃油喷射系统则 称为第二代电控燃油喷射系统，第三代电控燃油喷射系统是基于压力一时间的共轨系 统。 高压共轨柴油机电控系统的研究与分析 1 3 1 位置式燃油喷射系统 2 0 世纪7 0 年代，位置式电控燃油喷射系统多出现在直列泵和分配泵上，其特点是 完全保留了传统燃油喷射系统的泵一管一嘴的基本结构和脉冲高压供油原理，只是将原 有的机械控制机构用由传感器、执行器和e c u 所组成的控制系统取代。在原机械控制循 环喷油量和喷油定时的基础上，改进机构功能，使用直线比例式或旋转式电磁执行机构 控制油量，调节齿杆位移和提前器运动装置的位移，从而实现对循环喷油量和喷油定时 的控制，提高燃油喷射系统的控制精度、响应速度及适应性。 1 3 2 时间式燃油喷射系统 时间式电控燃油喷射系统利用柱塞泵可承载高压的特性为喷射系统建立供油压力， 通过控制高速电磁阀的开闭来实现对喷油量和喷油定时的控制。泵油机构和油量控制机 构完全分开，燃油的计量是由喷油器的开启时间长短和喷油压力的大小来确定的。电磁 阀作用时间的长短控制供油量的多少，而电磁阀起作用的时刻控制喷油定时。时间式电 控燃油喷射系统可以直接对柴油机的燃油喷射过程进行控制，而将传统喷油泵中的齿 条、滑套、柱塞上的斜槽和提前器等全部取消，对喷油量和喷油定时控制的自由度更大。 这种控制方式使得燃油的计量成为时间的函数，与汽油机电控燃油喷射系统有一定的相 似之处。 这种电控燃油喷射系统比纯机械式或第一代系统具有许多优越性，但其燃油喷射压 力仍然与发动机转速有关，喷射后残余压力不恒定。另外电磁阀的响应直接影响喷射特 性，特别是在转速较高或瞬态转速变化很大的情况下尤为严重。而且电磁阀必须承受高 压，因此对电磁阀提出了很高的要求。它通常包括电控分配泵、电控单体泵及共轨系统 等。 1 3 3 压力一时间式燃油喷射系统 共轨式电控燃油喷射系统不再采用传统的柱塞泵脉动供油原理，采用的是压力一时 间式燃油计量原理，所以也被称为“压力一时间式电控燃油喷射系统”。由于该系统具 有公共控制油道( 共轨管) ，油泵不再直接产生高压，只是向共轨管中供油以保持所需 的共轨压力，通过连续调节共轨压力来控制喷射压力，并用电磁阀控制喷射过程。 压力一时间式电控燃油喷射系统对传统燃油系统的主要基本零部件都进行了革新， 其特点是该系统根据柴油机运行工况的不同，不仅可以实时地控制喷油量与喷油定时， 使其达到与工况相适应的最优数值；而且由于喷油压力的产生过程与燃油的喷射过程无 大连理工大学硕士学位论文 关，还使得喷油压力和喷油速率的控制成为可能；另外，采用高速强力电磁阀对喷射量 和喷油定时进行独立控制，大幅提高了系统控制的自由度以及精度【1 】 2 1 【3 1 。 1 4 高压共轨柴油机电控喷射系统的发展 柴油机电控共轨燃油喷射系统，是2 1 世纪新一代绿色柴油机的燃油系统，它采用 了压力时间计量原理代替了传统的脉动原理，通过精确控制高速电磁阀的启闭时间，调 节共轨中的进油量，实现对共轨中燃油压力的精确控制，保证了喷油压力不随柴油机的 转速的变化；同时通过e c u 的精确计算，对各缸喷油电磁阀的控制，完成一次或多次燃 油喷射，喷油压力的产生和燃油的喷射过程完全被分离开来，实现了喷油压力( 1 5 0 m p a 2 0 0 m p a ) 、喷油量和喷油定时的柔性控制。与传统的供油系统相比，电控高压共轨燃油 喷射系统可以降低汽车碳烟和颗粒排放，提高发动机动力性和燃油经济性，改善起动性 能和降低燃烧噪声，是目前公认的最有前途的车用柴油机燃油供给系统【4 】 5 】 6 】。 1 4 1 国外电控共轨燃油喷射系统的研究现状 国外典型的高压共轨电控系统主要有：日本电装公司e c d u 2 高压共轨燃油喷射系 统，德国b o s c h 公司c r 高压共轨燃油喷射系统，美国德尔福公司m u l t e c d c r1 4 0 0 高压 共轨燃油喷射系统等。他们的产品代表了当今高压共轨系统的技术水平和发展趋势。 1 日本电装e c d u 2 系统 4 图1 1e c u - u 2 系统示意图 f i g 1 1 w o r k p r i n c i p l eo fe c d - u 2 卜电控单元( e c u ) ，2 - 轨压传感器，3 - - - - 通阀( t w v ) ，4 - 油箱，5 一节流孔，6 一控制室，7 一液压活塞，8 一喷嘴 9 一喷油器，l o 一共轨，1 1 一高压供油泵，1 2 一油泵压力控制阀( p c v ) ，1 3 - 发动机转速传感器，1 4 一凸轮轴传感器，1 5 一 加速脚踏板位置传感器。 电装公司从1 9 8 5 年开始研制e c d u 2 系统，采用直列柱塞泵产生高压燃油，最高喷 射压力为1 3 5 m p a ，主要应用于卡车柴油机；2 0 0 3 年投入生产的第二代共轨喷油系统 高压共轨柴油机电控系统的研究与分析 e c d u 2 p ，采用了径向柱塞供油泵，最高喷射压力达到1 8 0 m p a ，能够满足欧法规，主 要应用于轿车柴油机。图1 1 为e c d - u 2 系统示意图。此系统将在第二章中详细介绍。 2 德国b o s c h 公司c r 高压共轨燃油喷射系统 德国b o s c h 公司开发的c r 高压共轨系统可以适配多种类型的汽车，如重载卡车、 商用客车、轿车等。该系统的组成原理图如图1 2 所示。 在该系统中，高压油泵前端的齿轮泵将燃油从油箱抽出，通过滤清器送入高压油泵 升压( 可达2 0 0 m p a ) 并输出到共轨，后经高压油管进入喷油器。共轨上安装的压力传感 器、压力调节器和电控装置形成闭环的压力控制回路，确保所需的供油压力。电控单元 根据发动机工况( 转速、负荷、空气温度、冷却液温度等) 和共轨压力计算出喷油所需 的时间，并以一定的方式控制喷油器的电磁阀，获得最佳的喷油效果，达到优化发动机 燃烧的目的【7 1 。 图1 2b o s c hc r 高压共轨燃油喷射系统 f i g 1 2 s t r u c t u r eo fb o s c hc r s n 2c o m m o nr a i li n j e c t i o ns y s t e m 3 美国德尔福公司m u l t e cd c r1 4 0 0 高压共轨燃油喷射系统 德尔福m u l t e cd c r1 4 0 0 共轨喷射系统具有市场领先的性能，并能在目前所有的应 用场合达到欧排放法规。该系统包括带有整体式输油泵的进油计量式高压油泵和喷油 器等部件。喷油器在其1 7m m 直径的壳体内装有一个高速控制阀，喷油压力可在整个发 动机运转工况范围2 3m p a - - - 1 6 0m p a 之间调节。为了满足未来更严格的排放法规和市场 对性能越来越高的要求，德尔福不断改进喷油系统，适应新的发动机设计，并保持合适 的成本和紧凑的外形尺寸。借助于喷油器、系统流体力学和发动机调节参数的综合优化， 并配装催化氧化净化器，在中小型汽车上达到欧的潜力已得到证实。未来的研究工作 将集中在利用多次喷射控制策略改进燃烧过程，证实m u l t e cd c r 共轨喷射系统在重型 车辆上达到欧的潜力。 人连理上人学硕士学位论文 圈13 m u l t e c9 c r 高压兆轨燃油喷射系统 f i g l38 t i n c t u r e o f m u l t e c d c rs y s t e m 图13 表示共轨喷射系统的液压油路。整体式输油泵将燃油从汽车油箱经滤清器输 往高压采。在油泵进油口装有电磁线圈控制的计量阀，用于控制进入高压油泵油缸中的 燃油量。油轨上的压力传感器监测其中的燃油压力。e c u 利用该油压信号将油轨中的油 压调节到所需要的数值，同时控制进油计量阀，在任何发动机运转工况下都能将喷油压 力控制在2 3m p a 1 6 0m p a 范围内。油轨在恒定的压力下将燃油经高压油管供给喷油器。 由e c u 产生的l u 流脉冲按顺序控制每缸喷油器的电磁阀，确定发动机每循环每个喷射过 程的开始和终止。 142 国内电控共轨燃油喷射系统的研究现状 目前，国内高校也进行了发动机电控系统的研发工作，基本情况如下口 【q ： 1 硬件方而，清华大学研制了电控泵管阀嘴柴油喷射系统( p p v i ) ，设计实现 了大量e c u 硬什，对电磁兼容等问题进行了深入的研究：上海变通大学研制了m i c s l0 型汽油机电控单元，适用于中小型车_ l l j 汽油机的电子控制系统，设计了车用控制器e c u 标定系统通讯模块，研制了g d1 高压共轨系统以及e s ；天津大学在一种共轨蓄压、喷 油规律可调式电控柴油喷射系统上实现了3 2 位e c u ：西安交通大学对开发的汽油发动机 e c u 进行了与h h 3 6 81 型发动机台架匹配和整车部分匹配的试验研究。 2 软件方面，天津大学实现了共轨柴油机e c u 的软件分层模拟及实时多任务机制： 清华大学用实现0 s f k v d x 的r t o s 进行汽车l u 控单元的丌发，并自 研制了满足 0 s e k v d x 标准的嵌入式操作系统p o w e r o s e k ；浙江大学设计了基于c c p 协议的h e v 用e c u 标定系统；哈尔滨丁程大学研究了双燃料汽车e c u 的控制参数存线调试技术；北京理工 大学对柴油机各缸供油量不均匀进行了e c u 硬什在环仿真。 3 标定试验力而，清华大学在汽油发动机管理系统的标定中总结出工况分析法试 验，开发了发动机自动化性能试验及标定试验系统，进行了柴油机可变预行行程泵电控 高压共轨柴油机电控系统的研究与分析 系统的匹配标定获取了供油量和供油提前角谱，为成都威特电喷有限公司开发了标定软 件系统，把c c p 协议用于h e v ；上海交通大学研究了p i d 控制在电控汽油机入闭环控制 中的应用及相关参数的标定，引入标定标量描述文件生成工具以提高软件的灵活性和通 用性，采用了k w p 2 0 0 0 和c c p 等标定协议；浙江大学研究了电控l p g 发动机点火提前角 的标定与优化；天津大学利用非线性规划理论，采用l a g r a n g e s u m t 方法建立了电控发 动机全工况范围内多变量、多目标的优化模型。 国内在一些关键技术上，比如高速电磁阀、新型压电晶体式喷油器、执行机构的开 发、泄漏问题、各学科分工合作问题等等做的还不够。主要在做一些共轨电控及其标定 系统研制开发、零部件的优化调整、匹配、燃油及特性分析和燃油系统的模拟计算的方 面的工作，整个系统的开发还有不少的困难。总体上国内电控共轨喷射技术的研究仍处 于方案探讨、试验研究的层次，距投产阶段还有很长一段艰难的道路要走。 1 5 本文主要工作内容 本文主要针对高压共轨柴油机的电控系统，从系统的硬件，软件以及控制策略的角 度进行基础性的分析与研究，具体的研究工作包括如下内容： ( 1 ) 查阅大量有关高压共轨柴油机电控技术的资料，对电控柴油机的发展历史、 当今电控共轨柴油机国内外的研究状况以及我国电控柴油机行业面临的困难，有了深刻 的了解。并了解电控柴油机的工作实质及发展历程，主要是每一代系统的不同之处，需 要改进的方面等。 ( 2 ) 分析p i d 、模糊控制系统控制的基本理论，并结合共轨柴油机电控系统的控制 对象，给出了相应的控制方法，并对模糊p i d 控制器和p i d 控制器进行仿真对比。 ( 3 ) 以e c d u 2 为重点研究对象，分析了高压共轨系统的结构及主要部件特性，同 时对电控单元的硬件组成及软件实现做了详细深入的研究。 ( 4 ) 全面具体的分析了电控单元的控制策略：轨压、喷油量、喷油正时与喷油率 的控制策略。基于电控共轨系统根据工况变化而进行相关操作，提出了启动、怠速、加 速等柴油机的特殊工况的控制策略和实现方案。 ( 5 ) 建立共轨试验系统，通过实验初步完成m a p 图的标定，分析不同参数下预喷 射对柴油机性能的影响，对控制策略进行优化。 大连理工大学硕士学位论文 2 柴油机高压共轨系统的组成及工作原理 2 1 系统介绍 电控共轨燃油系统主要是在目前节约燃油和降低排放的迫切需求下应运而生的。随 着内燃机检测技术和传感器技术的飞速发展，尤其是在微控制处理器单片机的快速发展 和广泛应用下，使得原来在内燃机领域需要机械、手动调节或是需要复杂过程、昂贵费 用才能实现的功能，现在通过单片机控制技术就可以实现自动调节，而且大大缩短了生 产研制周期并降低了研制生产费用，效率大大提高。 整个实验系统共分为三大部分，发动机部分、e c u 控制部分和外围设备部分。发动 机部分，即系统中的硬件部分，主要指柴油机和共轨组件及相应的传感器等；e c u 控制 部分为系统的软件部分，即系统的控制方法和控制策略；外围设备包括测功仪、油耗仪、 水温和机油温度调节装置等。 系统的总体设计思想是，传感器对表征发动机的各种信号进行采集，e c u 将传感器 采集到的信号进行分析、判断及运算，并制定控制策略向执行器发出控制信号，而执行 器则按照e c u 输出的控制指令进行动作，从而实现电控单元e c u 与发动机的匹配。此系 统的控制原理图如图所示【1 卅： 图2 1 系统控制框架图 f i g 2 1 c o n s t r u c t i o no ft h ew h o l es y s t e m 2 2e c u - u 2 高压共轨系统的结构分析 整个共轨系统如图所示，此为日本电装公司研制的e c d u 2 高压共轨系统，属于第 三代燃油喷射系统。系统电控单元( e c u ) 根据柴油机实时工况和其它信息( 如油温、压力 等) ，依据给定的油压m a p 图，通过高压输油泵上的压力控制阀( p c v ) 调整油泵供油量， 以改变共轨管中的油压，因此油压与柴油机转速无关。系统通过控制电磁开关阀可实现 对喷射定时、喷射量及共轨压力的柔性控制，从而使n o x 和颗粒( p m ) 排放大大降低。系 统基本组成如图2 2 所示。下面将对系统关键部件的结构和工作原理进行分槲1 0 儿】 1 2 】。 高压共轨柴油机电控系统的研究与分析 型22e c d _ u 2 糸统币意幽 f i g2 2w o r k p r i n c i p l e o f e c d - u 2 2 21 高压供油泵 高压供油泵的主要作用是将低压燃油加压成高压燃油，并将高压燃油供入兆轨管。 供入共轨管的油量大小通过高压供油泵内的压力控制阀来调节，也叫p c v 阀，它根据电 控单元e c u 送来的电信号，在适当的时刻开启和关闭，从而控制供入共轨管的高压燃油。 彰 黎 m 一习甚雾漶 图23 高压油泵 f i g23h i 曲- p r e s s u r e p u m po f e c d - u 2 高压供油泵的结构和传统的直列泵相似，通过凸轮和柱塞机构使燃油增压，各柱寒 上方有控制阀。凸轮有单作用型、双作用型、三作用型及四作用型等多种。这早是= 作 大连理工人学硕士学位论文 用型凸轮结构。采用三作用型凸轮，可使柱塞单元减少到1 3 ，向共轨中供油的频率和 喷油频率相同，这样可使共轨中的压力平稳。此供油泵的最大循环供油量为6 0 0 m m 3 【i 引。 高压供油泵的工作原理如图2 4 所示：当柱塞下行时，装在油泵顶端的供油量控 制阀打开，低压燃油经p c v 阀流入柱塞腔；当柱塞上行，但控制阀中并未通电，控制阀 仍处于开启状态，吸进的低压燃油并没有被加压，而是又流回低压腔。当满足喷油量 定时时，e c u 向控制阀通电，p c v 阀关闭，低压回路被截断，柱塞上行，吸进的低压燃 油被加压后流入共轨管。显然控制阀关闭后的柱塞行程与供油量对应。如果使控制阀的 丌启时间改变，实际上是柱塞的预行程改变，则可以改变供油量，从而实现了共轨内燃 油的压力的控制和调节。当凸轮达到最大升程后，柱塞就开始下行，柱塞腔内的压力 开始降低，这时出油阀关闭，压油停止，控制阀处于断电状态，控制阀开启，低压燃油 将被吸入柱塞腔内，即恢复到状态【l 引。 c 让l l 图2 4 高压油泵工作原理 f i g 2 4 w o r kp r o c e s so ft h eh i g h p r e s s u r ep u m p 2 2 2 控制阀( 压力控制阀) 图2 5 控制阀结构及其电路 f i g 2 5 p r e s s u r ec o n t r o lv a l v e 高压油泵中的的供油量控制阀，也叫压力控制阀( p c v ) ，是一个二位二通的常开式 高速电磁开关阀，作用是用于调整共轨内的燃油压力。控制此阀的关闭时刻与关闭时间 高压共轨柴汕机电控系统的研究一7 分析 长短，就实现了高压油泵瞥个柱塞的单个行程的供油量大小的调节，从而调整共轨内的 燃油压力。因此，控制与调节此电磁阀，是喷油压力调节的关键技术。 223 共轨 共轨部件结果如图26 所示。 焉j 甲气 幽26 共轨 f i g26 c o t t l m o nr a i l 共轨管将供油泵输出的高压燃油经稳压、滤波后分配到各个气缸的喷油器中去。共 轨管的形状必须与发动机尺寸、气缸盖配置、高压输油泵特性、目标喷射压力及共轨管 压力脉动相协调，另外还应考虑发动机起动和负荷突变等过渡工况对喷射压力变化要求 的动态响应特性。共轨管的容积不能太大或太小，太d , n 共轨管中压力脉动将导致再缸 喷射量的不均匀度增加，太大则过渡过程响应不良。e c d u 2 系统艿轨管容积约为9 4 0 0 0 r a m 。高压油管的外径为8 m m ，内径为3 n u n 。稳态时压力波动小于5 m p 。 在共轨上装有共轨压力传感器、液流缓冲器和压力限制器。 液流缓冲器和高压油管相连，将高压燃油送入喷油器中。和压力限制器相连的油管 町使燃油流回油箱。液流缓冲器可使共轨内和高压管路内的压力波动减小，以稳定的压 力将高压燃油供入喷油器。但是，如果一旦发生流出的油量过多等清况时，为了不至于 损坏发动机，液流缓冲器可将燃油通路切断，停止供油。万一艿轨管中出现异常高压时， 压力限制阀开启，迅速将共轨管中的压力泄放至一定压力后关c j j ，使得共轨内的压力不 致过高或过低。 尢迕理i 大学硕十学忙论文 224 电控喷油器 根据e c u 送来的电子控制信号，喷油器将共轨内的高压燃油以最佳的喷油定时、喷 泊量、喷油率和喷雾状忐喷人发动机燃烧室中。喷油器的主要零件是喷油嘴、控制喷油 率的量孔、油压活塞和三通电磁阀。喷油器中的三通电磁阀有两种结构： 通阀和三通 阀。切期阶段，在e c d u 2 系统中采用三通阀。但是，实际使用表明，三通阀存在过多 的燃油泄漏问题，已经被废止。在新结构的e c du 2 系统中，都采用一通阀结构，其结 构及工作原理如图27 所示： 二g 静“l 岛i 。璃 * # i 旺j 器7 | h 幽27 二通恻结构及1 作腺理 f i g27 w o r kp r i n c i p l eo f t w v 喷油器拧制喷油定时和喷油量，通过二位二通电碰阀的开启和关闭来进行控制。当 通阀扣开时，控制腔内的高压燃油经出油节流孔流入低压腔，控制腔中的燃油h x 力降 低，但是此时喷油嘴压力腔的燃油三力仍是高捱。由于液压活塞两端的压力差，使针阀 开启，开始向气缸中喷射燃油。当二位二通阀关闭时，共轨高压油择控制事的进油节流 扎流入控制室，控制空的燃油压力升高，控制室与喷油嘴腔的压差消失，使针阀下降， 喷油结束。二位一通阎的通电时刻确定了喷油始点，二位二通阔通电时m 决定了喷油量。 这些摹本喷油参数都是由电子脉冲控制的。 一位一通阀通过控制室内的燃油压力，柬控制喷油的 始和结束，节流孔既控制了 喷油嘴钊阀的开启速度，又控制了喷油速率的形状。 225 传感器 在高压共轨燃油系统中，通过各种传感器检测出发动机的实时工况，因此传感器能 否精确可靠至关重要。传感器发展的 要趋势是智能化、集成化和数字化，即传感器除 具有信号转换功能外还要具有温度补偿、信号处理等功能。本系统中，最主要的传感 器有：曲轴转角传感器、凸轮轴传感器、轨压传感器和油门位置传感器。 氧 1_西e1。1r钰怍蝤酽生 高压共轨柴油机电控系统的研究与分析 曲轴传感器和凸轮轴传感器都是磁电式的。其中曲轴传感器是在飞轮上每7 5 。设 置一个信息齿。也就是说，在飞轮周围上共有9 0 个齿。发动机每旋转2 转，将会产生 1 8 0 个脉冲信号。曲轴转角传感器接收到信息后，通过传感器线圈的磁力线发生变化， 在线圈内产生交流电压信号。根据这些信号，可以检测出发动机的转速和7 5 。的曲轴 转角间隔。凸轮轴传感器，实际上就是气缸判别传感器，和曲轴转角传感器相似，它也 是利用通过线圈的磁力线变化产生交流电压的特性制成的。在供油泵凸轮轴中间设置了 一个圆盘状的齿轮，且每1 2 0 。缺一个齿( 凹形切槽) ，但在某一处多了一个齿。因此， 发动机每转2 转则发出7 个脉冲信号。 鲶l i 嚼螓蠢 轺潜啦扫蜀憾i 图2 8曲轴转角传感器、气缸判别传感器及其电路 f i g 2 8 c r a n k s h a f tp o s i t i o ns e n s o r ，c y l i n d e rd i s c r i m i n a t i o ns e n s o ra n dc i r c u r t 共轨压力传感器是压电式