柴油机电控系统设计说明书.doc

辽宁工程技术大学毕业设计 论文 1 目录 前言 1 1 绪论 2 2 柴油机电控喷油系统概述 7 2 1 柴油机电控喷油系统组成 7 2 1 1 传感器及共他信号输入装置 7 2 1 2 ECU 8 2 1 3 执行器 9 2 2 柴油机电控制系统控制过程 10 2 3 柴油机电控系统的控制功能介绍 10 3 柴油机电控燃油喷射系统的总体结构分析 12 3 1 电控系统硬件开发 12 3 1 1 传感器 12 3 1 2 ECU 13 4 共轨式燃油喷射系统的工作原理及研究 15 4 1 共轨燃油喷射系统的工作原理 15 4 2 电控系统设计方案 17 5 电控系统硬件设计 19 5 1 ECU 硬件结构 19 5 2 系统的输入及输出信号 20 5 2 1 转速的测量 20 孙百辉 柴油机电控系统设计 2 5 2 2 油门位置的测量 20 5 2 3 控制信号的输出 21 5 2 4 电磁阀开 关检测电路 21 6 高压共轨电控液压喷油器的设计 22 6 1 喷油器的结构 原理和特点 22 6 1 1 喷油器的工作原理 23 6 1 2 喷油器的特点 24 6 2 喷油器喷油率控制 25 6 3 喷油器关键部件特性的研究 26 6 3 1 液压控制阀的结构 26 6 3 2 控制腔的结构参数计算与分析 29 6 3 3 针阀弹簧的设计 34 6 3 4 喷油嘴的结构 34 6 3 5 高速电磁阀 35 6 4 泄漏与密封分析 36 6 5 高压共轨喷油器针阀座面应力的计算 37 6 6 本章小结 37 7 经济性分析 38 8 结论 39 致谢 40 参考文献 41 附录 A 42 辽宁工程技术大学毕业设计 论文 3 附录 B 50 摘要 柴油机作为一种动力机在车辆等交通工具及工程机械上有广泛应用 传统机械控制 式柴油机结构复杂 控制精度低 由于难以准确及时控制喷油量 喷油提前角等主要参 数导致传统机械控制式柴油机在排放性 动力性 经济性等方面弊端越来越突出 国外 和我国排放标准要求越来越高 随着电子计算机技术的成熟 柴油机电控技术得到长足 发展 本文对柴油机高压共轨式电控喷油系统进行分析研究 对喷油器等关键部件进行 较深入研究 对共轨系统工作原理一定了解的基础上 在满足喷油量喷油提前角基本满 足的前提下对喷油器进行选型分析 选择球阀喷油器 对其组成部件进行计算分析得到 了其最优化结构 关键词 柴油机 电控系统 共轨式喷射系统 传感器 喷油器 孙百辉 柴油机电控系统设计 4 Abstract diesel engine took one kind of engine on transportation vehicles and the project machinery and so on the vehicles has the widespread application the traditional machinery control type diesel engine structure is complex the control precision is low because the accurate prompt control distributive value the advance angle of fuel and so on the main parameter causes the traditional machinery control type diesel engine with difficulty in the emissions the power aspect malpractices and so on efficiency are more and more prominent Overseas discharges the standard request with our country to be more and higher along with the electronic accounting machine technology maturity the diesel engine electrically controlled technology obtains the considerable development This article conducts the analysis research to the diesel engine high pressure altogether axle type electrically controlled blow system and so on the key component carries on to the spray hole studies thoroughly To the common rail system principle of work certain understanding foundation in in satisfies under the distributive value advance angle of fuel basic satisfied premise to carry on the shaping analysis to the spray hole The choice ball valve spray hole carried on the computation analysis to its composition part to obtain its optimized structure Key word diesel engine electrically controlled system altogether axle type injection system sensor spray hole 前言 国外柴油机采用电子控制系统已相当普遍 其中 应用最多而且最重要的是电子控 制喷油系统 传统的机械控制式喷油泵对喷油量及喷油时刻 正时 的调节是通过离心飞 块在转速变化时所引起的离心力的变化调节套筒 拉杆 移动来实现的 而中间还要通 过一系列传动机构 因此从转速的变化到离心力的变化到调节机构的移动将产生滞后现 象 而且调节的范围和精度也受到限制 同时影响供油量及喷油时刻的因素不仅仅只是 辽宁工程技术大学毕业设计 论文 5 转速和负荷 进气温度 冷却水温 进气压力等因素也影响喷油量及喷油时刻 对于这 些影响因素的变化 普通机械控制式喷油泵是无能为力的 有结果表明 喷油始点改变1 度转角 燃油消耗率会增加2 HC排放量增加16 NOX排放量增加6 显然 依靠机械式 喷油提前装置实现高精度的喷油提前角控制是十分困难的 甚至是不可能的 控制精度 低是机械控制系统不能满足更高控制要求的一个方面 另一方面 无论是柴油机的循环 供油量 齿条位置的控制 还是喷油提前角 喷油始点的控制 实际上均受很多因素 的制约 其每一瞬间的最佳值均不同 而要想实现发动机的最优运行 必须要实现多参 量的实时检测和调控 显然 这又是机械式控制所力不能及的 因此 当人们对柴油机 的经济性和排放提出更高要求时 传统的机械式控制系统就有可能被更好的系统替代 而电子控制系统能充分利用计算机技术的优势 更好的贯彻人们对柴油机的各种控制参 数始终保持在最佳状态 大大改善柴油机的性能 同时还可对柴油机进行自动监视和诊 断 柴油机电控制系统则是将上述影响柴油机动力性 经济性 和排放有关的因素通过 相应的传感器向电控单元输入信号 经分析处理 计算后向执行器发出控制指令 有电 动式执行器 如步进电机 电磁线圈等直接驱动控制套筒移动 实现对柴油机的电子控 制 由于电控燃油喷射系统精确地控制喷油量和喷油时刻 对汽车提供了实行全面电子 控制所应有的各种优点并提供了与汽车其它功能接口的选择 从而有助于汽车实行全面 电子控制Dl 内燃机采用电子控制以后 由于微机可精确控制内燃机点火 供油 喷油 及配气定时等参数 使内燃机在各种工况下都能按最佳状态运行 从而大幅度的降低排放污染 提高经济性和改善动力性 1 绪论 柴油机作为一种高效的动力机械 在车辆 船舶 电站 工程机械和农用机械等领域 得到了广泛的应用 随着科学技术的不断发展 柴油机也经历了许多技术变革 20 世纪 20 年以机械喷射代替空气喷射 50 年代实现了废气涡轮增压使得柴油机的功率和效率 大幅度提高 70 年代以来 随着当今世界能源紧张和全球环境恶化 要求柴油机进一步 孙百辉 柴油机电控系统设计 6 提高经济性 同时要求其废气排放大幅度降低 以柴油机为动力的汽车已经成为人们日 常生活和工作不可缺少的交通工具 然而它在给我们带来便利和经济效益的同时 汽车 尾气的排放对环境的污染更是令人担心 在我国 随着汽车保有量的急剧增加 由尾气 排放带来的污染日益严重 以北京为例 大气污染物中 74 的碳氢化合物 HC 83 的一氧化碳 CO 以及 46 的氮氧化合物 NOX 都是来自汽车的尾气污染物排放 由 此可见 汽车的尾气排放已经成为大气环境的重大污染源 排气中的氮氧化物是由燃烧室内高温燃烧富氧而产生 空气中的氮经过氧化首先产 生NO 然后与大气中的氧相遇又生成N02 高浓度的NO能引起中枢神经的瘫痪和痉挛 而N02是一种褐色气体 有特殊刺激性臭味 使人中毒的症状是发生肺水肿 同时引起闭 塞性纤维性细支气管炎 NOx除了本身对生物产生危害外 还与HC生成光化学过氧化物 颗粒中的重要成分是碳烟 油雾和铅化物 柴油机和汽油机所排放的颗粒是不同的 柴油机排放微粒的数量要比汽油机多得多 一般要高出30 60倍 碳烟除了致癌作用外 如吸入肺部 会导致慢性病 肺气肿 皮肤病及变态性疾病 铅化物进入人体 可导致 贫血 神经麻痹 而且提高了血管病 肾病的发病率 光化学烟雾是NOX和HC在太阳光能的作用下进行光化学反应聚集而成的烟雾 光化 学烟雾只有在夏季且当汽车废气排量较多的地方 在太阳光线的照射下和特殊的大气对 流不通畅的地理环境情况下才可能产生 一般每天日出后激增 午后1 2时最多 光化学 烟雾会引起人肺的机能减弱 头疼 麻痹 甚至死亡 内燃机排气中的SO2的量由燃料中含硫量决定 一般柴油机比汽油机的SO2的量要 多 SO2对人体的呼吸系统有很强的刺激作用 当使用催化净化装置时 很少量的S02也 会在催化剂表面堆积下来 使其中毒 降低使用寿命 为了保护环境 维护人类生存环境 世界各国都采取措施 制定了日益严格的排放 法规和限制标准 限制内燃机的排放 我国国家环境保护总局先后颁布新的汽车排放标 准 于 2004 年 10 月开始全面执行相当于欧洲 号排放法规的排放标准 北京 深圳 等城市于 2004 年开始执行相当于欧洲 号排放法规的排放标准 上海 广州 杭州等 城市也将于 2006年提前执行相当于欧洲 号排放法规的排放标准 2008 年将实行欧 到 2010年基本与国际接轨 在这种情况下 能够及时研制出满足严格排放法规的柴 油机就成为众多汽车柴油机厂家的迫切需要 要满足这些要求 柴油机必须在各种环境 和各种工况下都能做到整机优化 而目前满足欧洲 号排放标准或欧洲 号排放标准的 辽宁工程技术大学毕业设计 论文 7 车用柴油机的喷油系统在结构上普遍采用机械式喷油泵 这些类型的喷油泵 因结构本 身的限制 喷射压力较低 喷油量 喷油提前角也难以精确控制 对组织柴油机气缸内 的燃烧是不利的 使柴油机的排放性能难以满足欧洲 号排放标准或欧洲 号排放标准 柴油机燃油喷射系统的喷射压力对柴油机性能及排放都有很大的影响 因此 目前燃油 喷射系统正在以提高喷射压力为中心 向喷油量 喷油提前角的电控及可变喷油速率方 向发展 随着现代科学技术的发展 特别是微型电子技术 信息技术和控制技术的发展 已经为各个学科中的信号分析 处理和控制提供了极其有效的手段 这也给汽车柴油机 的发展注入了新的活力 电子控制成为现代柴油机发展的必然趋势 总的来说 燃油经 济性和排放特性是未来柴油机发展中要考虑的最重要的两个方面 因此 在满足动力性 需求的基础上设计出具有良好经济性和排放性能的柴油机是当今国内外柴油机行业所面 临的共同任务 如何设计出适合我国国情的柴油机则更是我们关注的和要解决的问题 柴油机排放控制对策 与汽油机相比 柴油机有着燃油经济性较好的特点 但柴油机 本身的工作特性决定了柴油机自身的缺点 其中最明显的是柴油机的排放性能 较差 微 粒排放尤为突出 另外柴油机由于燃烧时爆发压力高 导致柴油机的工作粗暴 噪声相 对较高 由于柴油机燃烧较充分 因而在其排放尾气中 HC CO和CO2的浓度较汽油机低 NOX的排放中 柴油机和汽油机基本相当 由于汽油机的排气温度高 且一般工作在理论 空燃比附近 采用三元催化措施较容易 可以将NOX进行后处理 但柴油机却比较难实现 因此柴油机的排放问题中的关键就是如何降低NOX和微粒 随着人们对环保和可持续发展 问题的重视 各国对柴油机的排放要求也越来越严格 并制定了相关的排放法规 为了 满足生产和使用的要求 针对目前和未来排放的法规 一般需要从柴油机的改进 后处 理和燃油品质的改进三方面来努力 柴油机的性能和排放关键在于燃烧 柴油机的燃烧 过程与柴油机的进气系统与喷油系统密切相关 在进气系统方面 到现在为止人们已经 采用进气增压 增压中冷 可变几何涡轮增压器 组织进气涡流 可变几何进气道 废 气再循环 EGR 等技术 在喷油系统方面 以前很多不能控制的参数 采用电控系统后 都可以进行精确的控制 比如 喷油提前角 喷油量 喷油压力 预喷射 后喷射 喷 油率控制 这些都是改进柴油机性能和排放的有效控制参数 可以通过电控技术来实现 对柴油机来说 理想的喷射特性应该是有预喷射 并且初始喷射速率低 主喷速率高 后喷停止速度快 另外 为了能够使柴油与空气充分混合 形成高质量的混合气体 提 高喷射压力是一个很好的手段 目前最新的燃油喷射系统中 轿车柴油机的喷射压力可 孙百辉 柴油机电控系统设计 8 达到 200MPa 商用车柴油机可达 260MPa 提高燃油品质固然是解决排放的一个重要手 段 除此之外 为了能够灵活控制喷油量 喷油提前角和获得理想的喷射速率 对燃油 喷射系统必须采用电子控制的方式 利用电控系统的快速灵活的特点 来提高柴油机的 综合性能 柴油机电控系统发展 发动机燃油喷射系统经历了从位置式控制到时间式控制再到 数字式控制的过程 在发动机控制方式的研制中 基本上是多类型 多方式的控制策略 并逐渐向智能化 集成化 多任务化发展 柴油机电子控制技术是柴油机发展过程中继 二十世纪二十年代以机械喷射系统代替蓄压系统和七十年代采用增压技术之后的第三个 里程碑 柴油机燃油喷射系统的最先发展动向是燃油系统和车辆的其它电子控制系统之 间进行数字通讯 各种传感器和技术数据进行共享 实现车辆控制综合化 智能化 网 络化 20 世纪 70 年代 柴油机电控技术进入研发阶段 经过 80 年代的实用阶段和 90 年代的发展阶段 电控柴油机的核心控制部分 电控燃油喷射系统已经十分成熟 至 今已经出现了许多结构形式 从控制部件来分类 有电控喷油泵和电控喷油器两种 从 控制方式及发展顺序来分 电控柴油喷射系统通常可以分为三大类 即 第一代的位置 控制式电控柴油喷射系统 第二代的时间控制式电控柴油喷射系统和第三代的压力时间 控制式的高压共轨喷射系统 从发展顺序上讲 首先是位置控制系统 其次是时间控制 式系统 之后进入高压共轨系统 第一代电控燃油喷射系统通常指位置控制式电控燃油喷射系统 位置控制式电控燃 油喷射系统主要可分为两类 位置控制式电控直列泵系统和位置控制式电控分配泵系统 位置控制式电控燃油喷射系统保留了传统的机械式喷射系统的基本结构 通过在原系统 上增设由新型传感器 执行器和微处理器所组成的位置伺服控制系统 对喷油提前角 电控提前器 和喷油量 电子调速器 进行间接的 低频连续控制 电控单元通过执行机构控制齿杆或滑套的位置以改变柱塞的有效行程 从而实现对燃油喷射过程的调节 喷射速率可以通过电控可变预行程进行一定的调节 但这样使系统结构大大复杂化 同时削弱了油泵的高压供油能力 图 1 1 是一种位置控 制式电控分配泵结构简图 位置控制式电控燃油喷射系统的优点 技术难度小 改动工 作量小 成本低 可以实现机械混合运行 安全可靠 对整机或整车性能有部分改善 位置控制式电控燃油喷射系统的缺点 间接控制 响应慢 喷射压力取决于原喷射系统 的性能 对柴油机性能改善有限 市场需求周期短 不能适应欧 以上的排放法规 一 辽宁工程技术大学毕业设计 论文 9 般直列泵和分配泵最高喷射压力只有 100MPa 左右 因此这种喷射系统即使是利用空气 系统的改进如增压中冷 可变截面涡轮和废气再循环等技术 其柴油机性能也很难满足 欧 以上的排放法规 图1 1 位置式电控分配泵结构简图 Chart 1 1 position type electrically controlled dispensing pump diagram of mechanism 第二代电控燃油喷射系统通常指脉动时间控制式电控燃油喷射系统 脉动时间控制式 电控燃油喷射系统基本上可分为三大类 电控泵喷嘴系统 电控分配泵系统 电控单体 泵或直列泵系统 电控脉动时间控制式燃油喷射系统仍然采用传统的脉动供油原理 其 喷射特性仍决定于传统柱塞泵的供油和压力波传播特性 系统取消了齿条 滑套 柱塞 上油量控制斜槽 提前器等传统喷油泵的油量和提前角的机械调节机构 使机械结构得 以简化 此类系统的最大特点是通过高速强力电磁阀控制旁通溢流通道的关闭和开启来 进行喷射提前角和喷油量的计量调节 电磁阀承担着所有喷射控制功能 它的闭合时刻 决定喷油提前角 闭合时间长短决定喷油量 关闭和开启过程还影响压力的建立和泄流 过程 进而影响喷油速率 图 1 2为第二代电控系统中的一种电控直列泵的系统结构简图 孙百辉 柴油机电控系统设计 10 图 1 2 在直列泵上实施的时间控制式电控系统 The chart 1 2 in line pumps the time which implements to control the service pattern electrically controlled system 与第一代电控燃油喷射系统相比 第二代电控系统采用电磁阀实现对喷射过程的直接 数字控制 不但可以控制喷油量 而且可以控制喷射提前角 实现高频和更加灵活的控 制功能 可以实现分缸独立控制 能够适应欧 及以上排放法规的要求 配合空气控制 系统 比如增加增压中冷技术 排放可达欧 再采用可变截面涡轮技术 废气再循环 技术 后处理技术等则有些系统可具有欧 性能 比如电控单体泵系统 因此 可以有 较长的生命周期 是目前市场上急需产品 也是第三代高压共轨系统的技术基础 第二 代电控系统的缺点 仍然依赖于传统的脉动高压系统 使得喷射过程仍受到凸轮型线的 限制 无法实现大范围的喷射提前角控制 喷射压力的大小只和凸轮型线以及柴油机转 速等结构参数有关 不能根据柴油机的工况灵活调节 第三代电控燃油喷射系统指的是目前国际上比较流行的压力时间控制式的高压共轨电 控燃油喷射系统 共轨式电控燃油喷射系统有三种类型 蓄压式电控高压喷射系统 电 控液压式泵 喷嘴系统和高压共轨式电控喷射系统 共轨式电控燃油喷射系统摒弃了传统的脉动供油原理 通过高压共轨 共轨蓄压或液 力增压等方式形成高压 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实现喷射压力的控制 系统采用压力时间式燃油计 量原理 靠电磁阀的关闭和开启控制喷射过程 该系统可以实现任何工况 任何转速下 的高压喷射 因而对低速低负荷工况特别有利 图 1 3 所示为 Bosch 的高压共轨系统 对于蓄压式和电控液压泵 喷嘴系统来说 控制油压力和增压活塞配合完成喷射压力控 制 以较低的共轨力来实现高压喷射 需要活塞增压 增压过程响应慢 可达 30ms 左 辽宁工程技术大学毕业设计 论文 11 右 可以实现预喷射 但是预喷射不能灵活调节 电磁阀采用高电压驱动 实现电磁 阀的快速闭合控制 整个控制系统的复杂程度较高 但对于高压共轨系统来说 系统的 控制燃油压力可达 180MPa 以上 可以灵活实现预喷射等理想的喷射规律 对喷油量 喷射提前角和喷射压力可以综合的控制 电 控 单元 喷 油 器 压 力 传感 器 高 压 腔 压 力 控 制 阀 燃 烧 室 高 压 泵 图 1 3 Bosch 公司的高压共轨系统 Chart 1 3 Bosch Corporation s high pressured common rail system 总的来说 共轨系统这种对喷油量 喷射提前角 喷射压力和喷油速率的综合灵活控 制使得柴油机的燃烧噪声 排放 动力性和经济性得到了较好的综合化 其技术水平在 三代电控系统中处于最高 由于共轨系统本身的这种控制优势 其排放性能可以满足欧 以上的排放法规 是满足未来排放法规的重要措施 2 柴油机电控喷油系统概述 2 1 柴油机电控喷油系统组成 柴油机电控喷油系统分为硬件和软件两部分 其中硬件主要有传感器 电控单元和执 行器 2 1 1 传感器及共他信号输入装置 它的作用是实时检测柴油机与汽车运行状态 并把它输入到ECU中去 在柴油机上使 用的主要有 1 加速踏板仿量传感器 加速踏板仿置传感器用以检测加速踏板的位置 即发动机 的负荷信号 此信号输入ECU后 与转速信号共同决定柴油机的喷油量及喷油提前角 是 孙百辉 柴油机电控系统设计 12 柴油机电控系统的主控制信号 2 转速传感器 曲轴位置传感器 用以检测发动机转速或曲轴位置 与加速踏板位 置传感器共同决定喷油量和喷油提前角 是柴油机电控系统的主控制信号 3 泵角传感器 检测喷油泵轴转角 与曲轴位置传感器配合共同控制喷油量 并保 证在喷油正时改变时不影响喷油量 4 溢流环位置传感器 检测溢流控制电磁铁的电枢位置 以反馈控制溢流环的位置 5 正时活塞位置传感器 检测电子控制定时器正时活塞的位置 将喷油正时提前量 信号输入ECU 6 控制秆位置传感器 检测电子控制柱塞式喷油泵调速器中控制杆的位置 将燃油 喷射量的增减信号反馈给ECU 7 控制套筒位置传感器 检测电子控制分配式喷油泵调速器中控制套简的位置将燃 油喷射量的增减信号反馈给ECU 8 着火正时传感器 检测燃烧室开始燃烧的时刻 修正喷油正时 9 水温传感器 捡测发动机冷却水温度 修正喷油量及喷油正时 10 进气压力传感器 检测进气压力 以修正喷油量及喷油正时 11 进气温度传感器 检测进气温度 以修正喷油量及喷油正时 12 E G开关 发动机点火开关 向ECU输出发动机工作状态信号 13 A C开关 空调开关 向ECU输出空调工作状态信号 是怠速控制信号之一 14 动力转向油压开关 检测动力转向管路油压的变化 所获信号是怠速控制信号 之一 15 空挡起动开关 向ECU输出自动变速器是否处于空挡位置的信号 是怠速控制信 号之一 2 1 2 ECU 其核心是单片计算机系统 同时包括一些输入 输出 I O 接口电路和输通道接口电 路等 它们与系统中的软件一起 负责信息的采集和处理 计算决策和执行程序 并将 结果作为控制指令输出到执行器 此外 ECU还有一种通讯的功能 即和其他的控制系统 如传动装置控制器进行数据传输与交换 再根据汽车其他系统的实时情况 适当修正喷 油系统的执行指令 比如 适当修正喷油量 喷油提前角等等 与此同时 ECU还可以向 辽宁工程技术大学毕业设计 论文 13 其他的控制系统输送必要的信息 2 1 3 执行器 柴油机电控系统的执行器也是由执行电器和机械执行机构两部分组成 其功用是根 据ECU送来的执行指令 调节喷油量和喷油正时等 从而调节柴油机的运行状态 执行器 主要有 电动调速器 溢流控制电磁铁 电子控制正时控制阀 电子控制正时器 电磁 溢流阀 高速电磁阀和电子液力控制喷油器等 这些执行器实质上是电磁铁 螺旋管 直流电动机 步进电动机和力矩电动机等电器 目前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MAP 来选择喷油量和喷油正时等控制量的目标值 柴油机电控喷油系统基本控制方案如图2 1 所示 执 行 机 构 执 行 器 传 感 器 控 制 器 控 制 量 实 际 值 控 制 量 目 标 值 查 MAP图 脚 踏 板 位 移 发 动 机 转 速 其 它 输 入 图 2 1 柴油机电控系统基本控制方案 Chart2 1 diesel engine electrically controlled system basic check plan 柴油机电控喷油系统的执行器一直是柴油机电控技术的重点 常用的柴油机电控喷油 执行器有磁电式 液压式 螺线管 动圈式线性螺线管 传感器主要有执行器反馈信号 传感器 发动机运行工况传感器 修正参数传感器 柴油机电控系统核心部件为电控单 元 ECU 它分为硬件和软件两部分 电控单元硬件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3 部分组成 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TTL电平信 号 中央微处理器单元由单片机及其外围电路组成 目前工业单片机的集成度很高 已 经把ROM RAM 各种接口包括A D D A转换器和定时器等 都集成在一块芯片上 从而 孙百辉 柴油机电控系统设计 14 大大提高了单片机运行的可靠性 电控单元软件是柴油机电控系统的核心部分 柴油机电子控制系统软件基础是控制 理论 2 2 柴油机电控制系统控制过程 各种输入信号通过传感器及其它信号输入装置输入电子控制单元 经输入回路或模 数 A D 转换器输入微机 在微机的存储器中 存有发动机的各有关调控参数或状态的目 标数据 这些目标数据是柴油机的各种不同参数和最优运行结果的综合 一般通过统计 或实测得到 当由传感器检测到的发动机的某一参数输入微机后 首先与存储器中的响 应的参数和最优运行结果比较 如果两者相同 则电控系统保持原状态 发动机继续按 当前状态运行 实际参数偏离目标参数时 微机将根据偏离值的大小和方向按一定的控 制对策进行有关信息的处理 对数字信号的处理方法有两种 一是根据预订控制规律的控 制算法对输入信号进行直接运算和处理 然后输出控制指令 一是对输入的数字信号进行 特征抽取 即对输入信号的处理并非为了得到控制决策 而是从大量输入信号中抽取那 些有用信息 然后根据所抽取的特征值来决定控制决策 经运算处理后为即通过1 O接口 输出控制指令信号 经输出回路放大后控制各有关执行器动作 使发动机相应参数或状 态向目标逼近 接近程度也可有相应传感器来检测 并将检测结果反馈给电子控制单元 ECU 实现闭环控制 2 3 柴油机电控系统的控制功能介绍 柴油机采用电子控制装置后 可有效解决其固有的弱点和问题 可以实现的控制功 能如下 1 喷油量控制 基准喷油量由柴油机转速和加速踏板行程确定 并根据发动机其它 相关参数进行补偿调节 2 喷油定时控制 控制方式同喷油量控制 3 冷起动性能的改善 低温条件下 柴油机起动相当困难 为此采用低温起动电控 预热装置改善其冷起动性能 4 游车和飞车控制 柴油机负荷急剧变动或小负荷低速运转时 会产生游车现象 电子反馈控制系统具有良好的响应特性 可有效防止游车 另外 当控制系统发生故障 柴油机转速超过某一上限值时 电控装置会立即切断向喷油泵输出的喷油信号 停止喷 射 从而防止飞车 辽宁工程技术大学毕业设计 论文 15 5 怠速控制 柴油机由于其喷油泵的特点 在怠速工作时不容易保持稳定 另外 为防止怠速时因负荷的增加而产生柴油机停转的现象 传统的做法是把怠速值调高一些 而采用电控系统后 可以对怠速进行闭环控制 使其始终能保持较低的常数 从而实现 良好的怠速控制性能 6 巡航控制 汽车在高速公路上长时间行驶时 打开电控系统的巡航开关后 恒速 行驶装置将根据行车阻力自动增减油门开度 即齿条位置 使汽车行驶速度保持一定 该功能可以大大减轻驾驶员长途行驶之疲劳 7 NOX的排放控制 柴油机的空气过量系数大 使得能够有效减少 NOX的三元催化剂 无法使用 为此可通过调节燃油喷射时间或采用废气再循环的方法来减少 NOX的排放量 8 误差修正与参数补偿 例如 通过调整各缸喷油宽度对喷油量的不均匀性进行补 偿 通过调整各喷油器控制脉冲下降沿对喷油时刻的不一致性进行补偿 另外 某些动 态参数及环境条件也可以通过电子控制对各控制量进行补偿 上述八种功能的实现是采用先进的微处理机与电子技术相结合 进行综合控制的结 果 这种微处理机集中控制系统有各种控制功能 但柴油机的性能最终取决于燃烧过程 喷油量和喷油时间的控制最为关键 这两种控制对耗油量的改善 排放物的净化 驾驶 性能的提高 发动机的噪音及震动的降低是有效的 孙百辉 柴油机电控系统设计 16 3 柴油机电控燃油喷射系统的总体结构分析 3 1 电控系统硬件开发 柴油机电控系统包括 主控单元ECU 传感器和执行器 其中 主控单元又包括信号处 理电路 中央处理器CPU系统和执行器驱动电路 开环控制的柴油机电控系统的工作流程 大体如下 传感器检测到的各种模拟信号按一定规律先进行A D转换然后根据电控系统的 指令 按照中央处理器的存储器中存有的发动机的调控参数或状态的目标数据 驱动相 应的执行器 这些目标数据是柴油机的各种不同参数和最优运行结果的综合 一般是通 过统计或实测而得到的 闭环控制的柴油机电控系统的工作流程大体如下 当由传感器检 测到的发动机的某一实际参数 经A D转换器 后 先与存储器中的相应参数和最优运行结 果比较 如果两者相同 则整个电控系统保持原状态 发动机继续按先前状态运行 反之 当实际参数偏离目标参数时 ECU则会根据该偏离值的大小和极性按一定的控制对策进行 有关信息的处理 3 1 1 传感器 1 1 齿条位置传感器 齿条位置传感器与执行器连为一体 为一电位计式传感器 图 其等效电路如图所示 经测定 该位置传感器的输出电压与执行器位移成正比 2 2 发动机转速传感器 发动机转速传感器是一根据霍尔效应原理而制成的霍尔型传感器 它是通过改变磁 场来产生电信号的 霍尔传感器的工作原理基于半导体材料的 霍尔效应原理 霍尔效 应是指 若将某载流体置于磁场中 当有电流 I 通过时 在载流体上平行于 I B 的两 侧面之间产生一个大小与电流 I 和磁场 B 乘积成正比的电动势 该传感器霍尔元件和 放大电路集成一体 其工作原理见图 辽宁工程技术大学毕业设计 论文 17 电 源 正 极 信 号 线 电 源 线 齿 盘 喷 油 泵 凸 轮 凸 齿 传 感 器 电 源 线 信 号 线 电 源 地 3 1 齿条位置传感器等效电路 3 2 发动机转速传感器工作原理图 3 1 rack position transducer equivalent circuit 3 2 engine speed sensor work schematic diagram 该传感器实际上是装在发动机喷油泵上的 由于发动机转速与喷油泵转速之比为一定 值 因而可以通过测量油泵转速来得到发动机转速 在喷油泵凸轮盘上装有齿盘 齿盘上有 16 个齿 其中有一个齿装有磁钢每次旋转经 过霍尔传感器 都会在传感器输出端产生一个脉冲 这样凸轮轴每旋转一转 传感器就 会输出 1 个脉冲 且产生的频率与发动机转速成正比 因而 通过检测脉冲频率 即可 得到发动机的转速 采用霍尔型转速传感器的原因主要有 其输出波形良好 几乎不用整形即可由微处理 器进行处理 因而处理电路简单 此外 与磁电式转速传感器相比 霍尔式转速传感器 的测量范围更广 低速时也有良好的信号波形 3 3 其它传感器其它传感器 在柴油机电喷系统中 除齿条位置和发动机转速传感器这两个重要传感器之外 还有 其它一些传感器 如 水温传感器 机油温度传感器 油门踏板传感器等 这些传感器 信号只是作为参考信号查取 ECU 中 MAP 图数据所用 在此就不再详述 3 1 2 ECU 选择了 intel 公司的 80C196KC 单片机为控制单元 它是一种高性能的 16 位 MCS 96 系列单片机 48 49 具有 488 字节的 RAM 可以使用 16MHz 或 20MHz 的晶振 这种单片机与 MCS 51 系列单片机相比具有很多优点 如在测量发动机转速时 如果用 80C51 单片机时 采取测定发动机曲轴在一定时间内转过的转数的办法来实现转 孙百辉 柴油机电控系统设计 18 速的测量 这种测量方法比较费时 而且因为要乘以一个倍数才能计算出测量到的转速 所以相对来讲误差很大 80C51 单片机还是 8 位机 限于其数据总线宽度 运算能力比 较差 一般的参加运算的数是 8 位的 最大只能达到 255 50 如果用 80C196KC 单片 机 用它的高速输入口测量转速 方法是测量发动机曲轴转动一周所用的时间 再计算 转速 80C196KC 单片机是 16 位机 运算能力也比较强 如做乘除运算时 乘法结果和 被除数可以达到 42 9 亿 而一般的参加运算的数是 16 位的 最大可达 65535 可以 满足系统的要求了 所以用 80C196KC 单片机测量发动机的转速比用 80C51 单片机既快 又准确 另外用 80C196KC 单片机时 还有一个优点 就是 80C196KC 单片机内部带有 8 路 A D 转换电路 不需要在片外扩展了 图 3 3 是单片机及其外围电源 晶振电路连 接图 可以看出 所用的晶振为 12MHz 单片机正常工作时供给电压 Vcc 为 5V EA 为 存储器选择输入端 EA 0 访问片外存储器 EA 1 访问片内 ROM 或 EPROM 对 80C196KC 单片机而言 因为它的片内没有程序存储器 EA 应保持为低电平 当单片机片 内有 EPROM 需要编程时 Vpp 接 12V 不用编程时 只需要接 Vcc 电 控 单 元 80C196KC 电 磁 阀 数 码 管 实 时 显 示 转 速 油 门 电 磁 阀 开 关 检 测 PC机 实 时 显 示 转 速 油 门 位 置 发 动 机 油 门 位 置 传 感 器 发 动 机 转 速 传 感 器 EPROM27128并 行 I O扩 展 接 口 图 3 3 是单片机及其外围电源 晶振电路连接图 The chart 3 3 is the monolithic integrated circuit and it s the periphery power source the crystal oscillator electric circuit connection diagram 辽宁工程技术大学毕业设计 论文 19 4 共轨式燃油喷射系统的工作原理及研究 燃油喷射系统是决定柴油机动力性 经济性 排放性的重要系统 因此本次设计重 点放在共轨式燃油喷射系统的研究上 目前国内柴油机电控燃油喷射系统的实用阶段研究主要集中在原有机型基础上的高 压泵位置控制或时间控制喷油系统 由于高压共轨式电控燃油喷射系统对机械部分的要 求很高 目前可以采用外购的方法 4 1 共轨燃油喷射系统的工作原理 从功能上分析 共轨燃油喷射系统可以分成两大部分 1 燃油供给部分 2 电子控制部 分 燃料供给部分就是燃油的吸入 加压 分配和喷射的系统 这一与传统的机械式柴油 机喷油系统差不多 供油泵使低压燃油加压成高压燃油 并送入共轨中 在计算机的控 制下 燃油由共轨分配到各个气缸中 喷油器内的电磁阀在计算机指令的控制下 在适 当的时刻开启或关闭 完成燃油喷射 燃油供给系统的构成框图如图4 1 油箱供油泵共轨喷油器 电子控制 图 4 1 燃油供给系统构成框图 Chart 4 1 fuel oil supplies system framing diagram 电子控制部分的核心是ECU 电子控制单元 ECU就是一台微型计算机 输入ECU的 信息是由安装在车辆和发动机上的各种传感器输出的 ECU输出的是送往各个执行机构 的电子信息 常见的传感器有发动机转速传感器 油门开度传感器 曲轴转角传感器 孙百辉 柴油机电控系统设计 20 输 入 信 号 油 门 开 度 传 感 器 曲 轴 转 角 传 感 器 凸 轮 转 角 传 感 器 共 轨 压 力 传 感 器 其 它 各 种 传 感 器 ECU 微型 计 算 机 计 算 机输 出 控 制 喷 油 量 控 制 喷 油 率 控 制 喷 油 定 时 控 制 喷 油 压 力 控 制 故 障 诊 断 图 4 2 电子控制系统构成框图 Chart4 2 electronic control system framing diagram 共轨压力传感器 冷却水温度传感器 空气温度传感器 燃油温度传感器 增压压力传 感器 巡航控制开关 机油传感器 进气量传感器 凸轮转角传感器和上止点位置传感 器等 主要执行机构有喷油器 供油泵 共轨等 电子控制系统的框图见图4 2 共轨式柴油机供油泵和传统的直列泵结构相比 通过凸轮和柱塞机构使燃油增压 各 柱塞上方配置控制阀 凸轮有单作用型双作用型 三作用型和四作用型等多种 采用三 作用型凸轮可使柱塞单元减少1 3 向共轨中供油的频率应和喷油频率相同 这样可使共 轨中的压力平稳 供油泵的基本工作原理 1 柱塞下行 控制阀开启 低压燃油经控制阀流入柱塞腔 2 柱塞上行 但控制阀中尚未通电 控制阀仍处于开启状态 吸进的燃油并未升压 经控 制阀流回低压腔 3 满足必要的供油量定时 向控制阀通电 并使之开启 则回油流路被 切断 柱塞腔内燃油被升压 因此高压燃油经出油阀 单向阀 压入共轨内 控制阀开启后 的柱塞行程与供油量对应 如果使控制阀的开启时间 柱塞的预行程 改变 则供油量随之 改变 从而可以控制共轨压力 4 凸轮越过最大升程后 则柱塞进入下降行程 柱塞腔内 的压力降低 这时出油阀关闭 压油停止 控制阀处于停止通电状态 控制阀开启 低 压燃油被吸入柱塞腔内 既恢复到A状态 控制阀的作用是用于调整共轨内的燃油压力 方法是调整供油泵供入共轨内的燃油量 辽宁工程技术大学毕业设计 论文 21 所以 向控制阀通电和断电的时刻就决定了供油泵向共轨内供入的供油量 4 2 电控系统设计方案 图4 3是某一典型的高压共轨喷油系统原理图 该系统由高压油泵 共轨供油室 喷 油器 电控单元 ECU 及传感器 执行器等组成 通过调压阀控制共轨压力 该压力设定 值与发动机转速和负荷相关 发动机喷油量和喷油时刻完全是由喷油器电磁阀的打开时 间和开启时刻决定的 与高压泵无关 控制量孔 节流孔 的作用是抑制初始喷射 改善喷油速率 本系统就是在这一原理指导下展开设计的 在这一过程中须完成的基本控制 内容有 a 高速电磁阀的打开和关闭时刻 决定喷油时刻和喷油量 b 汽缸辨识 决定喷油次序 c 调压阀控制 决定喷射压力 d 喷油规律控制 包括预喷量及预喷时刻控制等 由于高压共轨电控燃油喷射系统是一个严格时间控制系统 必须精确控制喷油器电 磁阀的工作过程以实现灵活的喷油规律控制一这是高压共轨控制的核心也是难点之一 孙百辉 柴油机电控系统设计 22 发 动 机 负 荷 汽 缸 判 断 传 感 器 附 加信 息 ECU 发动 机 转速 和 曲轴 转角 传 感器 共 轨 供 油 泵 压 力 控 制 阀 压 力 控制 阀 命令 脉 冲 三 通 阀 命 令 脉 冲 压 力 传 感 器 三 通 阀 回 油 控 制 量 孔 液 压 活 塞 传 统 喷 嘴 喷 油 器 图 4 3 高压共轨系统原理图 Chart 4 3 high press ure common rail system schematic diagram 辽宁工程技术大学毕业设计 论文 23 5 电控系统硬件设计 5 1 ECU 硬件结构 电控燃油喷射系统输入输出量较多 控制过程复杂 EUC包括了CPU及其辅助电路 输入信号处理接口 即各种传感器和传感器电路 输出信号接口及故障诊断电路等 完成 输入信号处理 工况判断 故障诊断等功能 其中处理器采用80C 196KC 硬件电路的设 计不仅要实现既定功能 又必须考虑到电路的电磁兼容性能 因为它将直接影响系统的 可靠性和性能 处理器硬件资源配置 本系统采用Intel公司于90年代初推出的16位高档单片机80C 196KC作为主芯片 与以 往产品相比 该芯片具有明显的特点 1 时钟2分频 主振频率达16M 2 具有丰富的内部RAM 达488字节 高端在垂直窗口下具有灵活的应用 3 10位8通道AD转换 且转换时间和精度可控 8bit 1 Obit 4 除正常中断原外 还提供15级PTS外围事件服务器中断功能 极大地提高了单片机 的效率 5 高速口的输入捕捉及输出自动触发功能 6 具有18级中断 28个中断源 本系统充分利用了该处理器的性能 极大提高了系 统集成度 图5 1为系统结构框图 电 控 单 元 80C196KC 电 磁 阀 数 码 管 实 时 显 示 转 速 油 门 电 磁 阀 开 关 检 测 PC机 实 时 显 示 转 速 油 门 位 置 发 动 机 油 门 位 置 传 感 器 发 动 机 转 速 传 感 器 EPROM27128并 行 I O扩 展 接 口 图5 1系统结构框图 Chart5 1system structure diagram 孙百辉 柴油机电控系统设计 24 5 2 系统的输入及输出信号 5 2 1 转速的测量 发动机的转速是指发动机曲轴每分钟转过的转数 用霍尔传感器可以实现转速的测 量 图5 3是霍尔传感器的工作原理图 霍尔传感器的工作原理基于半导体材料的 霍尔 效应原理 使用霍尔传感器时候 供给其12V电压 以产生电流I 当霍尔传感器处于 磁场中时 输出电压UH为5V 图3 9是霍尔传感器的安装位置及霍尔传感器的输出信号示 意图 即在喷油泵凸轮盘上 安装了一块磁钢 发动机曲轴每转一圈 小磁钢产生的磁 场扫过霍尔传感器的探头一次 从而产生一个幅值为5V的脉冲信号 霍尔传感器在发动 机转动过程中连续采集到的信号为周期性的方波信号 其中T为发动机曲轴每转动一周所 需要的时间 单位是秒 测量到的发动机转速 是根据T计算出来的 计算转速的公式为 n 60 T 单位是转 分 图5 2是霍尔传感器的工作原理图 The chart 5 2 is the Hall sensor work schematic diagram 从霍尔传感器出来的信号是幅值为5V的非常规则的方波信号 信号经过简单处理后 接到单片机的高速输入单元 HSI 的某一个引脚 HSI以事件的方式检测到信号的正跳变 或者负跳变 并存储该事件发生的时间 5 2 2 油门位置的测量 静态油门位置用一个滑片电阻器测量 测量到的油门位置转换为电阻的可变电阻 再转换成电压送给单片机模拟输入口 经过A D转换就能够得到油门位置 关于A D转换 辽宁工程技术大学