（电力电子与电力传动专业论文）内燃机车柴油机电子控制及其硬件在环仿真研究.pdf

摘要 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，e l e c t r o n i cc o n t r o li sa l li m p o r t a n td i r e c t i o ni nt h ef i e l do fd i e s e lr e s e a r c h w i t ht h eg r o w i n gd e m a n do ft h el o c o m o t i v ep e r f o r m a n c e sa n dv a r i o u si n d e x e si nt h e d o m e s t i ci n d u s t r y , i n s t a l l i n ge l e c t r o n i cc o n t r o le q u i p m e n t so nt h el o c o m o t i v ed i e s e li s a l le f f e c t i v es o l u t i o n a c c o r d i n gt ot h ep r e s e n ta p p l i c a t i o ns t a t u s ，t h i sd i s s e r t a t i o ns e l e c t s t h ee u p ( e l e c t r o n i cu n i tp u m p ) w i t ht h et i m i n g - c o n t r o lm o d e 嬲t h eo b j e c t i v es y s t e m o nt h eb a s i so fi n - d e p t hs t u d yo nt h eo p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h ed i e s e lg e n e r a t o r s y s t e m ，a u t h o rp r e s e n t st h ea p p r o p r i a t ec o n t r o ls t r a t e g ya n dd e s i g n sa ne c u ( e l e c t r o n i c c o n t r o lu n i t ) a i m i n gt h ea p p l i c a t i o no nt h eh i g hp o w e rd i e s e le n g i n e i no r d e rt or e d u c e t h ec o s t l ye x p e r i m e n t se x p e n s ea n do t h e ru n f a v o r a b l ef a c t o r ss u c h 勰t h ei n s t a b i l i t yo f t h ed e b u g g i n ge n v i r o n m e n ta n dt h el o wr e p r o d u c i b i l i t y , t h eh a r d w a r e - i n t h e - l o o p s i m u l a t i o nt e c h n o l o g yi si n t r o d u c e di n t ot h ef i e l do fe l e c t r o n i cc o n t r o lo nt h ed i e s e l l o c o m o t i v ew h i c hp r o v i d e sa ne f f e c t i v ew a yf o rt h i sh i g hc o s tt e s t a u t h o rd e s i g n sd o u b l e - c p us t r u c t u r ei no r d e rt oi m p r o v et h er e a l - t i m ep e r f o r m a n c e a n da d d st h ec o n s t a n tp o w e rc o n t r o ls t r a t e g ya i m i n gt h ed i e s e lg e n e r a t o ra p p l i c a t i o ni n t h ee c u a g a i n s tt h ed r a w b a c k so ft h eo p e n l o o pm e t h o di ns o l e n o i dv a l v ec u r r e n t c o n t r o l ，a u t h o rc o n n e c t st h ef e e d b a c kc u r r e n ts i g n a lt oe c u a n dp u t sf o r w a r dt h es i p ( s t a r ti n j e c t i o np o i n t ) c l o s e d l o o pc o n t r o lm e t h o d s t a b i l i v o l tt u b ei sa d d e di nt h e a b s o r b i n gc i r c u i to ft h es o l e n o i dv a l v ef o rm o r ee x a c tc o n t r o lp e r i o do ft h ev a l v e c u r r e n t t h ev i ( v i r t u a li n s t r u m e n t s ) t e c h n o l o g yi su s e di nt h ed e v e l o p m e n to ft h ee c u h a r d w a r e - i n t h e - l o o ps i m u l a t i o ns y s t e m m i x i n gp r o g r a mw i t hl a b v i e wa n dm a t l a b ， t h em o n i t o r i n gs o f t w a r er e a l i z e st h em o d e lc a l l i n g t h ew h o l em o d e li sb u i l tc o m b i n g t h ea d v a n t a g e so ft h en e u r a ln e t w o r ka n dt h em e c h a n i s mm o d e l i n gm e t h o d s t h e d i s s e r t a t i o ni n c l u d e st h eq u a n t i t a t i v ea n a l y s i sa b o u tt h er e a l - t i m ep e r f o r m a n c eo ft h e s i m u l a t i o ns y s t e m a u t h o rb u i l d st h ed y n a m i cm o d e lt oa p p r o x i m a t et h ed i e s e le n g i n ei nd f 4s e r i e s l o c o m o t i v ef a c i n gt h ec o n t r o lb e h a v i o rv e r i f i c a t i o n a i m i n ga tt h en o n - l i n e a rs y s t e m w i t hl a r g ei n e r t i a ，t h i sd i s s e r t a t i o nu s e st h en a r m a x ( - n o n l i n e a ra u t o r e g r e s s i v e m o v i n ga v e r a g ew i t he x o g e n o u si n p u t s ) s t r u c t u r et ob u i l dt h em a i np a r tm o d e lo ft h e d i e s e ll o c o m o t i v ee n g i n ea n du s e st h et i m e sc y c l ec o m p a r i s o nm e t h o dt od e t e r m i n et h e o r d e ro ft h ei n p u ts i g n a l s t h eo p t i m a lb r a i ns u r g e o np r u n i n gi su s e dt oo p t i m i z et h e n e t w o r ks t r u c t u r e i no r d e rt or e a l i z et h es e a m l e s sc o n n e c t i o nw i t ht h ee c u ，a u t h o r e x t e n d st h ep e r i p h e r a lm o d e lw i t hm o d u l a r i z a t i o nt h o u g h tw h i c hi n c l u d e st h ei n j e c t i o n q u a n t i t ym o d e la n di n j e c t i o np r e s s u r em o d e lo ft h ee l e c t r o n i cu n i tp u m p ，t h em a i n g e n e r a t o rm o d e l ，t h es t a r t i n gm o t o rm o d e la n do t h e re n v i r o n m e n tp a r a m e t e r ss i m u l a t i o n 北京交通人学博十学位论文 m o d e l o nt h eb a s i so ft h ed a t a m i n i n gt e c h n o l o g y , a u t h o rb u i l d st h eo n - l i n ef a u l t d i a g n o s i sm o d e lf o rt h ee c uo nt h es i m u l a t i o np l a t f o r ma n dt r a n s f o r m st h ef a u l t d i a g n o s i st of a u l tc l a s s i f i c a t i o n t h i sm e t h o dc a ns o l v et h ef a u l tp a t t e r nr e c o g n i t i o nw i t h s m a l ls a m p l e s t h el a s tp a r to ft h ed i s s e r t a t i o ni st h ep e r f o r m a n c et e s t sa b o u tt h ee c u e x p e r i m e n t s o nt h ep u m pt e s tb e n c hv e r i f i e de c u sb a s i cf u n c t i o n sa n dg a v et h eg l o b a lo p e r a t i n g c h a r a c t e r so ft h eg o a le u p t h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sv e r i f i e dt h er a t i o n a l i t yo ft h e c o n t r o lf u n e t i o n sa n dt h ec o n t r o ls t r a t e g i e s t h e yc h e c k e dt h ep e r f o r m a n c e so ft h ee c u a n dp r o v e dt h eh a r d w a r e i n t h e - l o o ps i m u l a t i o ns y s t e m sf e a s i b i l i t ya n ds u i t a b i l i t y k e yw o r d s ：d i e s e ll o c o m o t i v e ；e l e c t r o n i cu n i tp u m p ；e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ； h a r d w a r e - - i n - t h e - l o o ps i m u l a t i o n ；c o n t r o lb e h a v i o rv e r i f i c a t i o nm o d e l i n g ； d a t am i n i n gt e c h n o l o g y ；c l o s e d - l o o ps i pc o n t r o l c i a s s n 0 ：u 2 6 2 1 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 参吣 签字日期：加o p 年多月；1 日 翩躲摊 签字日期：加以年5 月j 日 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通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。 。 学位论文作者签名： s 、1 诱， 签字日期：加。翟车月日 致谢 本文是在导师王立德教授的悉心指导下完成的。在本文整个研究过程中，王 老师倾注了大量的心血，他严谨的治学态度和一丝不苟的研究作风使我在科研工 作和科研态度上均受益匪浅。王老师以高尚的人格、谦善的态度以及对科学前沿 敏锐的洞察力成为我此生学习的楷模，在此衷心感谢攻读博士学位期间王老师对 我的关心和指导。 在本课题进行过程中，我还得到了机电学院李国岫教授、张欣教授、刘建华 高级研究员和电气学院王毅教授、范瑜教授、申萍高级工程师、董春副教授、施 洪生讲师等人的指导和支持，我的每一点进步，都离不开他们的鼓励和帮助。同 一课题组的博士王永翔、王苏敬和硕士刘建成、周东、肖强等同门也给我提供了 很大帮助。在此对他们表示由衷的感谢。 在喷油泵试验台特性试验中，得到了合作单位南口车辆厂副总工程师谢 三庆、产品开发部部长畅琳和工程师李昂以及相关人员的协助；在柴油机台架试 验相关研究和数据分析过程中，大连机车研究所内燃机核心事业部经理康建明和 部长柳崮给我提供了极大的帮助。在此一并向他们表示深深的感谢。 本文研究过程中受到中国北车集团公司科技研究开发计划课题柴油机电 喷燃油泵电子控制单元的研制( 2 0 0 6 n g 0 3 9 ) 的资助，在此表示感谢。 感谢我的父母和妻子张丽娜女士。在攻读博士学位期间，他们一直给予精神 和物质上的巨大支持，默默奉献。没有这些我是很难完成学业的，我只能以自己 更加勤奋的工作，不愧对他们对我的希望。 最后，真诚的感谢评审我论文的每一位老师，谢谢他们在百忙之中花时间对 我的论文进行指导并提出宝贵意见。 到彪 1 绪论 l 绪论 目前内燃机车在铁路运输中占据着十分重要的地位。我国铁路系统目前大力 推进电力牵引，以适应多拉快跑的运输要求，内燃机车年产量将逐渐减少，但其 保有量仍然很大。同时对于诸如调车机车、工矿机车、需要防爆等特殊应用场合、 高原铁路和一些具有战略意义的线路必须采用内燃机车，从今年春运期间国内雪 灾发生时内燃机车所发挥的作用可见一斑。 社会发展对内燃机车柴油机安全、节能、低污染等方面提出了更高的要求， 传统的机械式控制已很难满足这些要求。对机车柴油机采用电子控制技术成为当 前提高柴油机性能乃至整车性能的一种有效方法。柴油机电子控制技术包含的范 围很广，包括燃油喷射电子控制、废气再循环( e x h a u s tg a sr e c i r c u l a t i o n ，e g r ) 、 调速控制、油温控制、增压系统控制、故障诊断、状态监测、配气控制、负荷分 配、废气后处理、可变涡轮喷嘴( v a r i a b l en o z z l et u r b o c h a r g e r ，v n t ) 等等【h 】。 随着计算机技术和软硬件性能的提高，硬件在环( h a r d w a r e - i n t h e l o o p ，h i l ) 仿真技术渐渐应用到工程领域。硬件在环仿真就是将实际系统中的一部分设备与 计算机相互连接，用数学仿真的方式对其中不存在或不便于试验的部分进行仿真， 保证整个系统实时运转。其优点在于能够充分利用计算机建模的简易性，减少了 试验成本支出，便于对系统的模型部分进行灵活快捷的仿真、修改，实现了在改 变参数的同时就可详细观察系统性能的变化，同时对系统中一些非考察重点的复 杂环节，可直接将其硬件连入整个硬件在环仿真系统，配合其它模型的实时仿真 运转，而不必花费过多的精力去对系统的全部细节进行数学建模，适用于极限测 试、失效测试和在真实环境中试验费用昂贵的测试。 燃油喷射电子控制技术的应用情况在很大程度上决定着燃油在气缸内的燃烧 性能，从而间接影响着柴油机的工作性能。因此本文将内燃机车大功率柴油机燃 油喷射电子控制( 以下简称为“电控喷油) 作为研究重点，设计了电子控制单元 ( e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ，e c u ，以下简称为“电控单元 ) ，并对其调试和试验方 法进行了研究改进，采用硬件在环仿真技术来虚拟机车柴油机硬件设备，将台架 试验简化为一方可靠的仿真过程，以提高后期台架试验的成功率，降低试验成本。 1 1 机车柴油机电子控制研究背景 内燃机车柴油机是一部由多个机构构成的复杂系统，用来实现燃油化学能向 机械能的转换。电控喷油系统分为三个部分，即传感器、以高性能处理器为核心 的电控单元和执行器，研究中还需要涉及到被控对象柴油机和在试验过程中负责 北京交通大学博士学位论文 人机交互的标定系统，本文还对其扩展了网络接口。电控系统结构框图如图1 1 所示。 电 子 控 制 茧 兀 e c u 图1 i 电控喷油系统结构框图 f i g 1 - is t r u c t u r eo fe l e c t r o n i cc o n t r o lf u e li n j e c t i o ns y s t e m 电控喷油系统作为柴油机的控制核心，对柴油机的动力性、燃油经济性、排 放性、噪声、运转平稳性，以及可靠性和耐久性等都有着重要的影响，相比机械 控制方式，电控喷油系统的优势在于： 1 ) 对各种参数的调节和对各种过程的控制相比原来的机械、液压等控制方式 更为精确和灵活，易于实现性能优化和协调，能够实现喷油正时和喷油量的柔性 控制，这将使柴油机的燃油消耗和有害排放大为降低； 2 ) 柴油机的循环供油量和喷油提前角受到很多因素的制约，不同时刻其最佳 指标会有所不同。要实现柴油机的最优运行，必须实现多参量的实时检测和控制， 这是机械式控制方式很难做到的； 3 ) 电子控制技术大大增加了柴油机控制的灵活性，除常规稳态性能控制外， 还扩展到各种过渡过程的优化控制、故障检测和处理、操作过程自动化和自适应 控制等，显示了机电一体化所带来的优越性。 全球性的石油能源危机以及严重的环境污染，对柴油机这一主要移动式动力 装置的燃油经济性和排放指标，提出了十分苛刻的要求【9 1 。有研究表示，喷油提前 角与最优值相差l 。曲轴转角，燃油消耗率会增加2 ，h c 排放量增加1 6 ，n o 。 排放量增加6 【i o l 。表1 1 是美国、国际铁路联盟( i n t e r n a t i o n a lu n i o no f r a i l w a y s ， u i c ) 和我国对内燃机车用柴油机的排放限值比较【l l - 1 3 1 。从表1 1 中可以看出，我 国与国际上采用的标准还是有差距的，这和我国机车设备相对落后不无关系。所 2 1 绪论 以提高设备性能，对机车柴油机采用电控技术已成为发展的必然趋势。 表l - l 美国、u i c 和我国机车柴油机排放限值对比表( 单位：g k w h ) t a b 1 - le m i s s i o nl i m i t so nd i e s e ll o c o m o t i v ei na m e r i c a 。u i ca n dc h i n a 由于铁路运输的特殊性，对内燃机车柴油机整体性能还提出了更高要求。目 前国内铁路机车不断提速，不仅要求铁路运输安全、正点，同时还要求机车柴油 机转速控制和功率控制要适应不同路段。列车恒速运行时，要求柴油机转速稳定， 并有最佳的功率输出；列车速度变化时，柴油机动态性能也要达到指标要求。采 用电控系统是保证实现这些目标的有力措施。 为加快实现铁路装备现代化，2 0 0 4 年4 月国务院召开研究铁路机车车辆装备、 有关问题的专题会议，下发了研究铁路机车车辆装备有关问题的会议纪要( 国 1 阅1 2 0 0 4 1 5 8 号) ，提出“引进先进技术，联合设计生产，打造中国品牌的总体要 求。铁道部组织引进时速2 0 0 公里及以上动车组( e l e c t r i cm u l t i p l eu n i t ，e m u ) 先进技术，以及部分大功率电力机车和大功率内燃机车，全面展开对先进技术的 消化吸收和增强自主创新的工作，以提升我国机车车辆装备制造业水平。2 0 0 4 年 1 0 月铁道部组织完成了1 4 0 列动车组的采购项目合同签订，成功引进了川崎重工、 庞巴迪、阿尔斯通的动车组先进技术【- l6 1 。 大功率内燃机车方面，引进国外三大技术包括柴油机、主辅发电机、交流传 动控制，然而作为柴油机核心部分的电控喷油技术由于种种原因没有引进成功， 这将从客观上促使我国铁路行业在机车柴油机电控方面必须投入更大的力量，创 造出自己的民族品牌，使机车柴油机电控技术同其他关键技术一样能够达到国际 先进水平。 目前戚墅堰机车车辆厂受让美国g e 公司的技术，大连机车车辆公司受让日本 东芝公司和美国e m d 公司的技术，生产的“和谐”型大功率内燃机车，现在已经 北京交通人学博士学位论文 下线运行，但是属于核心技术的电控喷油系统仍采用进口设备。 1 6 v 2 4 0 2 8 0 型柴油机是我国铁路干线的主型柴油机，其电控技术的研究是铁 路列车系统计算机控制的重点课题。加快机车柴油机电子控制技术的开发和基础 零部件的研制速度，对实现机车控制计算机基础部件国产化具有重要意义。然而 国内针对内燃机车柴油机喷油系统的相关研究起步较晚，目前只有少数采用比例 电磁铁控制齿条位移的控制装置，整体研究水平较国外先进水平具有滞后性，因 此加大力度开发自主民族品牌是非常必要的。 本课题受到中国北车集团公司( c h i n an o r t h e r nr a i l ，c n r ) 科技研究开发计 划课题( 2 0 0 6 n g 0 3 9 ) 的支持。作者所带的项目组主要负责机车柴油机电控喷油 系统工作特性研究、整体方案确定、控制策略制定、电控单元的研发并根据以上 工作指导电控单体泵( e l e c t r i cu n i tp u m p ，e u p ) 机械系统( 由北车集团下属的南 口机车车辆机械厂负责) 的开发设计。 随着电子技术和计算机技术飞速发展，各种高性能的传感器以及快速大容量 微处理器得到广泛普及和应用，同时自动控制理论和仿真技术也在不断发展，这 都为柴油机控制系统的进步提供了技术保障。电子控制系统的两大特点是控制精 度高和实时性强，这正是机械式控制所不及的。采用以微处理器为核心，配以适 当的硬件和软件，足以形成一个功能齐全、体积很小的集监测、控制、诊断为一 体的系统，来完成机车柴油机所需要的高精度实时控制。 1 2 硬件在环仿真技术 1 2 1 概念和应用特点 硬件在环仿真技术就是将实际的被控对象比如车辆、发动机或其它部件采用 高速计算机上的实时仿真模型来取代，将需要测控或调试的硬件设备( 比如本文 中的电控单元) 作为实物接入，形成一个闭环系统，可以对电控系统功能进行测 试和验证。 硬件在环仿真系统( h a r d w a r e i n t h e l o o ps i m u l a t i o ns y s t e m ，h i l s s ) 目前有 以下四种形式： 1 ) 电控单元以实物形式出现，柴油机本体和燃油喷射系统以模型形式出现， 主要用于新开发的电控单元的调试与验证； 2 ) 燃油喷射系统以实物形式出现，柴油机本体和电控单元均以模型形式出 现，主要用于新研制的燃油喷射系统的测试； 3 ) 电控单元和燃油喷射系统结合，以硬件实物形式出现，配合柴油机本体模 4 l 绪论 型对新开发的电控单元和燃油喷射系统的联合调试验证； 4 ) 柴油机本体和燃油喷射系统以实物形式出现，电控单元以模型形式出现， 此种形式主要是为了能够在电控单元设计伊始对设计本身起到指导作用。 本文采用上述第1 种形式，电控单元以实物的形式出现，柴油机本体、燃油 喷射系统以及其他接口系统均以实时仿真模型的形式出现，其结构框图如图1 2 实际系统 ： 仿真系统 ： 监控部分 圉蚯乎一 在柴油机电控系统的开发过程中，结合系统工程的方法和计算机辅助设计， 将开发步骤分为定义需求、开发设计和性能验证。硬件在环仿真主要应用于性能 验证阶段，配合调试的同时完成对控制软件的验证，包括控制策略的验证、输入 输出数据测试、输入输出信号测试以及故障模式的测试等。硬件在环仿真在整个 电控单元开发中的应用意义如下： 1 ) 在系统开发过程中完成对系统功能的验证，使系统测试成为开发流程汇总 2 ) 在实物测试不易实现的情况下对系统进行模拟测试，包括一些极端条件下 3 ) 降低采用实际硬件造成的成本支出，同时可以缩短开发周期。 硬件在环仿真作为一种集计算机软硬件技术为一体的综合应用方案，其体系 结构和系统组成均有独特的要求，主要体现如下： 1 1 需要采用高性能的计算机，以满足复杂系统运行时高实时性： 2 ) 要求有专用的高速信号输入输出接口： 3 ) 要求软件设计简洁准确，需要同时满足系统精度和实时性要求，因此对柴 油机模型以及外围接口模型提出了新的设计要求； 4 ) 要有人性化的操控界面。 1 2 2 机车电控领域采用硬件在环仿真的必要性分析 电控单元传统开发流程如图1 3 所示。 北京交通人学博十学位论文 闽掣 图1 - 3 电控单元传统开发流程 f i g i - 3t r a d i t i o n a le c ud e v e l o p m e n tp r o c e s s 从图1 3 中可以看出，一旦台架试验出现问题，就要重新对硬件或软件部分进 行纠错，甚至系统级方案出问题也是有可能的，修正错误后再进行台架试验，直 到试验匹配成功，被控柴油机能够正常运行，才能在实际环境中进行最终装车测 试，其间假如试验用柴油机台架出现问题将会使故障诊断难度加大。一般而言， 这种传统的设计流程中，出现问题最多的就是在台架匹配试验环节，而对于大功 率多缸机车柴油机而言，此处的成本也是最大的。 本文在开发流程中引入了硬件在环仿真环节，如图l _ 4 所示。 图l _ 4 本文采用的电控单元开发流程图 f i g 1 - 4e c ud e v e l o p m e n tp r o c e s si nt h i sd i s s e r t a t i o n 对比图1 3 和图1 4 ，可以清楚地看出，本来需要在台架试验中进行的电控单 元调试和验证工作大部分都转移到硬件在环仿真试验中去了，减小了台架试验的 工作量，对机车柴油机而言则大大节省了试验成本。在此流程中台架试验部分也 不可避免的进行少量调整，其工作量取决于硬件在环仿真试验的效果。 为了满足社会和市场对柴油机性能的要求，柴油机电控系统功能越来越强大 的同时也变得越来越复杂，这加大了电控系统开发的难度，延长了开发周期，有 时周围的环境条件不易保证电控系统调试过程中所需工况的可重复性，甚至不能 保证全部测试工况的实现。 6 1 绪论 应用硬件在环仿真技术进行电控单元功能和控制策略的调试，可以方便地改 变参数，并且试验次数不受限制，仿真结果具有可重复性，可以在极限状态下完 成测试而不具有破坏性，减少了台架试验工作量，缩短了开发和调试时间，从而 减低了开发成本。目前干线机车和调车柴油机气缸数多为1 6 缸或者1 2 缸，台架 试验成本非常高( 单缸机试验每8 小时约人民币1 0 ，0 0 0 元，多缸机则成数倍增 加) 。 经过硬件在环仿真试验之后的电控单元应用于机车柴油机台架试验时可以保 证柴油机安全工作，不致于出现重大事故，如果几十吨重的柴油机转速失控，可 能会造成重大的入、财、物的损失。 从降低成本和增强系统安全性两方面来考虑，内燃机车柴油机电控系统开发 过程中硬件在环仿真技术的应用已经成为不可或缺的一部分。 1 3 国内外柴油机电控研究及其在机车上的应用综述 1 3 1 电控喷油系统发展历程 柴油机电控喷油系统的研究开发始于2 0 世纪7 0 年代，到目前为止已经经历 了三代产品，即位置控制式、时间控制式和时间压力控制式。 1 ) 位置控制方式于八十年代后期开始发展起来，主要应用于机车、船舶柴油 机和柴油发电机组。它保留了传统喷油系统中的喷油泵高压油管喷油嘴以及齿 条、齿圈、滑套、柱塞上控油螺旋槽等机械结构，只是在喷油泵上增设由传感器、 执行器和微处理机等组成的双位置控制系统，对齿条和滑套的运动位置进行控制， 一般采用的控制机构为比例电磁铁。与机械式控制相比，这种方式控制精度有所 提高，但是控制自由度小，不能改变传统喷油系统固有的喷射特性。在直列泵上 采用位置式控制的喷射系统主要有日本z e x e l 公司的c o p e c 系统，德国b o s c h 公 司的e d r 系统以及美国c a t e r p i l l a r 公司的p e e c 系统等【o 1 在分配泵上实施位 置式控制比较有代表性的喷射系统有日本d e n s o 公司的e c d v 1 系统【l8 侈】和英国 l u c a s 公司的e p i c 系统等【i o ，2 0 1 。 2 ) 时间控制方式的特点是在原有柱塞泵喷油系统基础上，采用高速强力电磁 阀取代了柱塞斜槽来控制高压燃油的适时喷射。这种系统机械结构简单，喷油压 力提高，可以实现喷油量、喷油正时和喷油速率的直接数字控制，控制自由度更 大。时间控制方式对传统柴油机的改动比较小，更适合于改造工程，可以应用于 分配泵、电控泵喷嘴( p u m pn o z z l eu n i t ，p n u ) 和电控单体泵等多种形式。时间 7 北京交通人学博+ 学位论文 式电控喷油系统应用于电控分配泵的主要代表有日本d e n s o 公司的e c d v 3 和 e c d v 4 系统、美国底特律公司的d d e c 系统、英国l u e a s 公司的e u i 系统、德 国b o s c h 公司的v p 3 0 和v p 4 4 系统。此外还有德国b o s c h 公司的p d e 2 7 2 8 电控 泵喷嘴系统和e u p l 3 电控单体泵系统等【1 0 , 2 1 - 2 4 】。本文所采用的就是时间控制方式。 3 ) 时间压力控制式的电控喷油系统，又称为电控共轨( c o m m o nr a i l ，c r ) 式喷油系统。它完全摒弃了喷油泵高压油管。喷油嘴系统，代之用一个高压油泵在 柴油机的驱动下，以一定的速比连续将高压燃油输送到共轨( 公共容器) 内，高 压燃油再由共轨送入到各缸喷油器。该方式的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，同时实现高压喷射。这类系统适合安装于新车， 应用于在用车改造时工程量很大。 1 3 2 国外研究与应用情况 1 国外柴油机电控技术研究进展 一直以来，国外很多学者和专门的公司都在对柴油机电控技术进行不断的研 究，出现了很多科研成果，下面对其进行介绍。 a m ay n a r y 等人研究开发了电子控制旋转柴油喷射泵，提供了诸多控制功能， 包括油量和正时控制、油量限制、两极全程调速、暖机补偿、增压补偿、燃油波 动修整、排放反馈控制掣2 引。g s c h m i t z 等研究了优化校正e c u 参数的自动化系 统，该e c u 包括空燃l l , ( a i r - f u e lr a t i o ，a f r ) 控制和尾气再循环控制等【2 6 1 。p h o w e s 等采用两种调速模式控制l u c a s 柴油机的转速，该系统还包括稳态调速率控制、嵌 入式故障诊断、掉电保护等【2 7 】。c h r y s l e r 公司8 0 l ( v - 1 0 ) 发动机的电子管理系统由 动力系统控制模块( p o w e r c o n t r o lm o d u a l ，p c m ) 组成，p c m 包括决定了怠速控制、 a f r 控制、增压系统调整、排放控制及速度控制系统的操纵掣2 引。通用公司6 5 l 柴油机的核心电子控制系统的控制功能包括了油量和正时控制、e g r 、巡游控制、 故障诊断等【2 9 1 。r j h a m e s 介绍了底特律电子控制的设计和开发，包括喷油定时、 油量调节、在线诊断、安全保护等功能【3 0 】。d a v es t e i n m e y c r 等人开发了一种通用 意义上的e c u ，该e c u 用于汽油、柴油、压缩天然气等发动机的电液燃油喷射 系统的转速及负荷控制、超速保护、参数显示等【3 。 德国s i e m e n s 公司开发出了压电石英作为执行元件替代了原有的高速电磁阀， 喷射压力可以提高至1 6 0 m p a ，采用这种技术可以实现非常小的预喷射，灵活的多 极喷射和喷射间隔控制【3 2 】。 德国h e i n z m a n n 公司开发出来了针对多种车型和多种柴油机的电控单元。目 1 绪论 前以d a r d a n o s 系列产品为主，通过对喷油电磁阀的控制，可以精确地控制电喷柴 油机各种喷油系统、各个缸的喷油，包括泵喷嘴系统、泵管嘴系统和高压燃油共 轨系统。它采用了功能强大的高速3 2 位微处理芯片，除了可以用于电喷柴油机的 转速控制外，还能完成如输出功率控制等功能。其对应的上位机通信软件为d c d e s k2 0 0 0 ，用于柴油机的标定【3 3 ，3 4 1 。 德国b o s c h 公司的产品包括电控泵喷嘴系统、电控单体泵喷油系统和共轨燃 油喷射系统等，针对共轨系统已经推出三代产品，很多都在欧、美柴油机上得到 普遍应用 2 4 , 3 5 - 3 7 l 。其电控单体泵系统中喷油量控制如图1 5 所示。 驾驶员输入 ii 行驶速度控制器 其他系统输入 最人喷油毓选掸卜叫外部干顶卜_ 刊喷油量极限 图1 - 5b o s c h 电控单体泵系统喷油量算法 f i g 1 5i n j e c t i o nq u a n t i t ya l g o r i t h mo fb o s c he u p 2 国外机车电控喷油系统应用情况 国外内燃机车柴油机电控喷油系统对三代电子控制方式都有运用。到了9 0 年 代，北美铁路的新型大功率机车柴油机和欧洲许多国家的内燃机车轻型柴油机大 都安装了电控喷油系统1 32 。 早期的机车调速器采用模拟电路设计，具有代表性的有美国b a r b a rc o l m a n 公 司的d a n y 电子调速器和德国的h e i n z m a n n 公司的e 系列电子调速器【3 8 ，3 9 1 。采用 模拟电路实现电子调速，存在诸如元件数目多、结构复杂、可移植性差、可靠性 低等很多缺点，所以随着技术的进步渐渐遭到淘汰。图1 - 6 为德国h e i n a m a n n 公 司模拟电子调速器原理框图。 美国g m 公司于1 9 9 3 年首次在s d t o m a c 型机车的1 6 7 1 0 g 3 a 型柴油机上 采用电控泵喷嘴系统，1 9 9 4 年和1 9 9 5 年先后在f 5 9 p h i 型客运内燃机车和 s d 8 0 m a c 型货运内燃机车的1 2 缸和2 0 缸7 1 0 g 3 b e c 型柴油机上也采用了电控 泵喷嘴系统，1 9 9 6 年又在新一代s d 9 0 m a c 型内燃机车的1 6 v 2 6 5 h 型柴油机上采 9 北京交通人学博十学位论文 用项置凸轮和电控泵喷嘴系统 4 0 l 。 美国g e 公司从1 9 9 3 年开始采用委托英国b r i c e 公司专门开发的泵管嘴 ( p u m pp i p en o z z l e ，p p n ) 电控喷油系统，安装在d a s h 9 系列机车的1 6 v 7 f d l 型柴油机上，随后相继推广到后来新造内燃机车所有7 f d l 系列柴油机上和新开发 的a c 6 0 0 0 c w 型交流大功率内燃机车的7 h d l 1 6 型( 又称d e a t z m w m 6 3 2 ) 柴油机 u 4 1 1 。 力矩电罂剥喷油泵 一缈。斌纛感器獭馈 蠡 卧i 巫冲十蕾 丽刊l i l 转速 图l - 6 德国h e i n z m a n n 模拟电子调速器原理框图 h g 1 - 6a n a l o ge l e c t r o n i cc o n t r o l l e rb l o c kd i a g r a mo fh c i n z m a n n 美国卡特彼勒( c a t e r p i l l a r ) 公司的3 5 0 8 型机车牵引柴油机采用w o o d w a r d 7 0 2 型的位置控制式电子调速器，改造后的柴油机在改善轻载工况性能、降低油耗、 提高功率等方面取得了较好的效果。c a t e r p i l l a r 公司的3 5 0 0 系列和3 6 0 0 系列柴油 机从2 0 世纪8 0 年代开始应用于内燃机车和内燃动车上。3 5 0 0 系列柴油机装有电 控泵喷嘴系统，其新一代电控泵喷嘴系统的喷射压力达2 0 7 m p a 3 2 , 4 z 。 美国康明斯( c u m m i n s ) 公司在2 0 世纪9 0 年代推出的三种专用于新型机车的 柴油机( m 11 e r 、n 1 4 e r 和q s k l 9 r 型) 均采用电子燃油喷射控制系统。q s k l 9 r 型柴油机装用c u m m i n sq u a n t u mc e l e c t 型高压共轨式燃油喷射系统，该型柴油 机于2 0 0 0 年分别装用在a l s t h o m 公司为英国f g w 公司制造的1 8 0 型高速内燃动 车组、s i e m e n s 公司为德国d b 铁路提供的i c e t d 高速内燃动车组和a d t r a n z 公 司为d b 铁路制造的6 1 2 型摆式内燃动车组1 4 引。 德国联合发动机( m t u ) 公司在其原来的机车牵引柴油机上采用了r 0 8 2 型的 位置控制式电子调速器，于1 9 9 7 年将采用共轨式燃油喷射系统的4 0 0 0 系列柴油 机首次装于德国g m e i n d e r 公司的d 1 0 0 型内燃机车上，其结构如图1 7 所示。为 此德国铁路又向m t u 公司分批购买1 0 0 0 余台4 0 0 0 系列柴油机，其中5 0 0 余台用 l o 臻 也iiil i 绪论 于老机车改造；4 0 0 台1 0 0 0 k w 的8 v 4 0 0 0 型柴油机用于v 2 9 0 型调车内燃机车改 造；1 3 0 台1 6 缸2 0 0 0 k w 的4 0 0 0 型柴油机换装在v 2 1 8 型干线内燃机车上；另有 1 6 台1 2 v 4 0 0 0 型柴油机安装在科隆港货运公司的内燃机车上。奥地利铁路购买7 0 台1 6 v 4 0 0 0 型柴油机装备r h 2 0 1 6 型干线内燃机车。西班牙铁路1 7 列时速2 2 0 k m h 的t a l g o 内燃动车组装备的均为1 5 0 0 k w 的1 2 v 4 0 0 0 型柴油机。m t u 公司的共轨 式燃油喷射系统不仅用于4 0 0 0 系列柴油机，也用于2 0 0 0 年9 月推出的适用于铁 路机车的8 0 0 0 系列中速大功率柴油机( 缸径2 6 5 m m ，行程3 1 5 m m ，标定转速 1 1 5 0 r m i n ，2 0 缸柴油机的功率可达8 2 0 0 - - 9 0 0 0 k w ) 【3 2 4 4 1 。 图1 7m t u 4 0 0 0 系列柴油机电控共轨喷射系统 f i g 1 74 0 0 0s e r i e sc o m m o n - r a i ls y s t