柴油機(jī)高壓共軌燃油噴射_電控系統(tǒng)開發(fā)研究.

1、文章編號(hào)：1000-0925(200103油機(jī)高壓共軌燃油噴射電控系統(tǒng)開發(fā)研究周文華(浙江大學(xué)，杭州310027R esearch on E lectro nically Con trolled H igh Pressure Com monR ail Fuel I njectio n System for Diesel E nginesZhou Wen hua(Zhejia ng Uni versity ,Ha ngzhou 310027AbstractThe w orking prin cipal and realizi ng pla n of an electr

2、o nically con trolled high - pressure comm on rail fuel in jecti on system has bee n in troduced.This paper sets up a field bus based on distributed en vir onment for develop ing electro nically con trolled diesel engine ,exploits a driving m odule for high -speed electromagnetic valves ,and propose

3、s the all -around design for EC U s hardware and s oftware.This w ork will prepare for then ext experime nt on an engine test rig.摘要描述了柴油機(jī)高壓共軌電控噴油系統(tǒng)的工作原理和實(shí)施方案，并展開了對(duì)該系統(tǒng)全面的研究。完成了基于現(xiàn)場(chǎng)總線的分布式電控柴油機(jī)開發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)、高速電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊的開發(fā)和電控單元硬軟件系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)等，為進(jìn)一步的發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架 試驗(yàn)作好了充分準(zhǔn)備。關(guān)鍵詞：共軌;電控單元;柴油機(jī)K ey Words :C omm on Rail ;ECU ;Diese

4、l Engine中圖分類號(hào):TK 423.8:TP27315文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A1概述隨著排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)高壓噴射日漸成為人 們研究的熱點(diǎn)。高壓共軌電控噴油系統(tǒng)不僅能在所有轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的高壓噴 射，而且由于高性能的電磁閥，使系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)靈活的噴油規(guī)律控制（如預(yù)噴和后噴等， 極大地改善了排放。該系統(tǒng)受到世界各國(guó)的認(rèn)同，在國(guó)外已有成熟產(chǎn)品46。我國(guó)在柴油機(jī)電控噴射領(lǐng)域的研究起步較晚，國(guó)內(nèi)研究距產(chǎn)品化程度較遠(yuǎn) 12。本文作者曾成功完成國(guó)家九五攻關(guān)項(xiàng)目電控VE泵噴油系統(tǒng)”中的電控單元（EC U設(shè)計(jì)3,目前該成果正由無(wú)錫威孚集團(tuán)實(shí)施產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。作者致力于柴油機(jī) 電控技術(shù)研究

5、，在得到國(guó)家技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目的支持和協(xié)作單位的配合下，展開了對(duì)高壓共軌電控噴油系統(tǒng)的系統(tǒng)分析和全面設(shè)計(jì)。重點(diǎn)描述了共軌電控噴油系統(tǒng)的工作原 理和方案設(shè)計(jì)，并在這一基礎(chǔ)上詳細(xì)描述了開發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)、高速電磁閥驅(qū)動(dòng)單元開 發(fā),以及電控單元（EC U硬軟件設(shè)計(jì)等。2高壓共軌電控噴油系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及開發(fā)環(huán)境的建立圖1是某一典型的高壓共軌噴油系統(tǒng)原理圖。該系統(tǒng)由高壓油泵、共軌供油 室、噴油器、電控單元（EC U及傳感器、執(zhí)行器等組成。通過(guò)調(diào)壓閥控制共軌壓力,該壓力設(shè)定值與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷相關(guān)。發(fā)動(dòng)機(jī)噴油量和噴油時(shí)刻完全是由噴油器 電收軟盤稿日期：2001-01-10作者簡(jiǎn)介:周文華,(1968-,男，博士，主要從

6、事發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制技術(shù)及其臺(tái)架自動(dòng)標(biāo) 定系統(tǒng)研究第22卷(2001第3期內(nèi)燃機(jī)工程N(yùn)eiranji G on gche ngV ol.22(2001N o.3磁閥的打開時(shí)間和開啟時(shí)刻決定的，與高壓泵無(wú)關(guān)?？刂屏靠?節(jié)流孔的作用是 抑制初始噴射，改善噴油速率。本系統(tǒng)就是在這一原理指導(dǎo)下展開設(shè)計(jì)的。在這一過(guò)程中須完成的基本控制內(nèi) 容有：(1高速電磁閥的打開和關(guān)閉時(shí)刻決定噴油時(shí)刻和噴油量。(2氣缸辨識(shí)決定噴油次序。(3調(diào)壓閥控制決定噴射壓力。(4噴油規(guī)律控制，包括預(yù)噴量及預(yù)噴時(shí)刻控制等。由于高壓共軌電控燃油噴射系統(tǒng)是一個(gè)嚴(yán)格時(shí)間控制系統(tǒng)，必須精確控制噴油 器電磁閥的工作過(guò)程以實(shí)現(xiàn)靈活的噴油規(guī)律控制這是

7、高壓共軌控制的核心也是難點(diǎn)之一m 血牡 ft THRCIT. 三通閥命令脈沖IfP 十坍和伽 4公曲沾0圖1高壓共軌噴油系統(tǒng)原理圖在進(jìn)行高壓共軌電控噴油系統(tǒng)開發(fā)過(guò)程中一方面要完成高速電磁閥及其驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)，另一方面，也要有完善的開發(fā)環(huán)境以 監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)這一瞬態(tài)微觀過(guò)程。目前國(guó)內(nèi)研究的方案基本是采用PC機(jī)同時(shí)完成控制和采集分析過(guò)程12,這一方法距實(shí)用化程度較遠(yuǎn)，從PC機(jī)控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到以單 片機(jī)為核心的電控單元（EC U時(shí)也存在著諸多變化因素，而且EC U設(shè)計(jì)完成后更需 要強(qiáng)有力的手段進(jìn)行分析和優(yōu)化，這些因素使得進(jìn)行獨(dú)立于 EC U的 電控發(fā)動(dòng)機(jī)開 發(fā)環(huán)境”設(shè)計(jì)與ECU的開發(fā)同等重要。作者設(shè)計(jì)了基于

8、 CAN現(xiàn)場(chǎng)總線的電控發(fā) 動(dòng)機(jī)開發(fā)環(huán)境，在整個(gè)系統(tǒng)中EC U和其他測(cè)控單元相對(duì)獨(dú)立，通過(guò)強(qiáng)大的總線通信 機(jī)制和統(tǒng)一的通信協(xié)議完成信息共享（數(shù)據(jù)速率達(dá)500kbps。其應(yīng)用系統(tǒng)如圖2所示。圖2電控發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)環(huán)境應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)例圖中：測(cè)試單元1:含有多路模擬量的輸入，采用DMA技術(shù)使采樣速率在100kH z以 上，主要完成對(duì)EC U控制過(guò)程的微觀監(jiān)測(cè)，包括:輸出控制波形、高速電磁閥的電流響應(yīng)，噴油規(guī)律監(jiān)測(cè)以及噴油過(guò)程中共軌壓力波動(dòng)等，該模塊在 油泵試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行噴油規(guī)律分析和輔助進(jìn)行高速電磁閥及其驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)時(shí)尤為有 效。測(cè)試單元2:含有多路模擬量和數(shù)字量輸入，主要完成對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程的監(jiān)測(cè) 可以對(duì)發(fā)動(dòng)

9、機(jī)的各類瞬態(tài)試驗(yàn)作出評(píng)價(jià)。尤其是發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)內(nèi)轉(zhuǎn)速波動(dòng)及缸內(nèi)燃燒 壓力的檢測(cè)為ECU控制參數(shù)的優(yōu)化和轉(zhuǎn)速的 逐缸平衡”算法提供了重要依據(jù)?？刂茊卧褐饕菍⑾到y(tǒng)進(jìn)一步擴(kuò)展為瞬態(tài)試驗(yàn)臺(tái)架而設(shè)計(jì)的控制功能，它可以 靈活控制測(cè)功器臺(tái)架運(yùn)行在多種模式下（恒定工況和突變工況，配合測(cè)試單元2完成 對(duì)EC U各類瞬態(tài)過(guò)程的控制。如發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)條件具備 ，還可通過(guò)該模塊的控制 完成離合器的斷接，傳動(dòng)控制,以及模擬各種復(fù)雜的道路試驗(yàn)。PC開發(fā)平臺(tái)作為主要的人機(jī)界面，通過(guò)總線接口卡把各測(cè)控單元連接為一個(gè)分 布式開發(fā)環(huán)境。利用現(xiàn)場(chǎng)總線的一對(duì)多點(diǎn)”的廣播通信方式成功解決了各測(cè)控單元 的同步控制，使得各測(cè)控單元之間只有

10、數(shù)據(jù)線連接，沒有其他信號(hào)線。各測(cè)控單元和 EC U均可放在現(xiàn)場(chǎng)（發(fā)動(dòng)機(jī)旁，避免了將信號(hào)傳送到控制室所帶來(lái)的干擾。 C AN總 線強(qiáng)大的總線競(jìng)爭(zhēng)和出錯(cuò)自動(dòng)重發(fā)”通信機(jī)制使得EC U的標(biāo)定優(yōu)化以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè) 變得尤為方便，提高了系統(tǒng)可靠性。3高速電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)高速電磁閥及其驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)是高壓共軌電54?2001年第3期內(nèi)燃機(jī)工程控噴油系統(tǒng)的重要設(shè)計(jì)內(nèi)容。為了滿足噴油規(guī)律控制需要，電磁閥的開關(guān)響應(yīng)時(shí)間必須小于 0.2ms 45,預(yù)噴和主噴之間的間隔 最低要求達(dá)0.2ms。圖3是作者通過(guò)升壓方式設(shè)計(jì)的高速電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊原理框 圖。該電路利用開關(guān)線圈電流產(chǎn)生的反向電勢(shì)來(lái)對(duì)電容充電，在電磁閥動(dòng)作過(guò)程中首

11、先通過(guò)電容放電高壓驅(qū)動(dòng)電磁閥，而后通過(guò)低壓電路提供維持電流，合理的泄放回 路設(shè)計(jì)使電磁閥關(guān)斷響應(yīng)迅速。該驅(qū)動(dòng)模塊的特點(diǎn)是圖3電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊框圖(1高壓建立時(shí)間短,徹底放電后充電至指定電壓(120V時(shí)間為0.8ms。(2可以靈活控制充電電壓，使輸出穩(wěn)定在指定高壓。(3升壓模塊功耗小，不易發(fā)熱。(4控制脈沖簡(jiǎn)單，只要給定方波即可獲得大電流啟動(dòng)，小電流維持。極大地方便了控制脈沖的形成。作者對(duì)日本電裝公司的共軌噴油器進(jìn)行了驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)(該噴油器開啟電流約為 15A，保持電流為23A ,控制升壓電路輸出為120V，帶預(yù)噴控制的電磁閥連續(xù)動(dòng)作 過(guò)程由測(cè)試單元1測(cè)得結(jié)果如圖4所示。從電磁閥的電流響應(yīng)曲線可以看出

12、該模塊 成功解決了電磁閥的響應(yīng)問題，能靈活實(shí)現(xiàn)預(yù)噴控制，F(xiàn)V1 V 7Chin* Academic All rights reserved, hllp 丫i WWW. CTlkl-EKt 1994-2010JeumaJ Elcclrocic Publishing House.完全滿足共軌噴油器的驅(qū)動(dòng)性能要求。圖4電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊電流響應(yīng)4Ws潮升壓冋谿?1,甲讖限謙占石*甘2* TTZ電控單元硬軟件設(shè)計(jì)圖5是本電控噴油系統(tǒng)的硬件框圖。圖5共軌電控噴油系統(tǒng)硬件組成框圖64?內(nèi)燃機(jī)工程2001年第3期作者采用16位微處理機(jī)為核心（16M主頻，配置16位外圍數(shù)字接口芯片 （PS D，該芯片硬件資源豐富

13、，內(nèi)置4M位閃存,64K位靜態(tài)RAM ,3,000門可編程邏輯 和可軟件配置的多個(gè)I/O 口,極大地縮小了外圍數(shù)字電路，提高了系統(tǒng)可靠性。通過(guò) 該片在系統(tǒng)可編程（ISP接口，實(shí)際應(yīng)用中無(wú)須打開硬件就可以使整個(gè)系統(tǒng)軟件得到 維護(hù)和升級(jí)，極大地提高了開發(fā)和維護(hù)效率。由于本系統(tǒng)有眾多的高速電磁閥和升 壓電路處于開關(guān)狀態(tài)，電磁輻射嚴(yán)重,本系統(tǒng)對(duì)數(shù)字電路、模擬電路和功率電路進(jìn)行 了有效隔離，并對(duì)輻射嚴(yán)重器件采取屏蔽措施，較好地解決了系統(tǒng)干擾問題。電控單元的通信接口采用了串行接口和現(xiàn)場(chǎng)總線兩種方式。前者用于故障診斷和標(biāo)定，后者用于集成環(huán)境中與其他測(cè)控單元或 EC U交換數(shù)據(jù)。高壓共軌電控噴油系統(tǒng)的軟件核心

14、就是噴油規(guī)律控制。由于該系統(tǒng)中高壓泵僅 僅完成高壓的建立，并不傳遞噴油相位，哪一缸噴油、何時(shí)噴油完全取決于高速電磁 閥的開啟時(shí)刻，所以軟件必須保證嚴(yán)格的噴射正時(shí)。這一點(diǎn)是通過(guò)曲軸信號(hào)和凸輪 軸參考信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)分析這兩個(gè)信號(hào)可以獲得 ：噴油次序，噴射相位，瞬態(tài)轉(zhuǎn) 速。其中瞬態(tài)轉(zhuǎn)速也是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速平衡控制和扭矩控制的基礎(chǔ)0圖6共軌壓力控制原理共軌壓力的控制一方面保證了噴射壓力，另一方面與噴油持續(xù)時(shí)間共同決定了噴油量大小。本系統(tǒng)共軌壓力控制如圖6所示。由于共軌壓力的調(diào)節(jié)輸出是與噴射相位相關(guān)(即每噴射一次調(diào)節(jié)輸出一次，故其輸出間隔與轉(zhuǎn)速相關(guān)。系統(tǒng)采用與轉(zhuǎn)速相關(guān)的PI D算法滿足了這一特殊要求。5結(jié)

15、論(1本文系統(tǒng)描述了高壓共軌電控噴油系統(tǒng)的開發(fā)思路，建立了基于現(xiàn)場(chǎng)總線的分布式電控發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)環(huán)境，為進(jìn)一步的研究 提供了強(qiáng)有力的支持。(2高速電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊的成功設(shè)計(jì)，解決了共軌噴射系統(tǒng)的核心技術(shù)之一，為進(jìn) 一步靈活控制噴油規(guī)律創(chuàng)造了條件。(3在全面考慮系統(tǒng)方案的基礎(chǔ)上作者完成了電控單元(EC U的硬軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)初步滿足了發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)要求。參考文獻(xiàn)1李紹安，蘇萬(wàn)華1新型中壓共軌式柴油機(jī)電控燃油系統(tǒng)的開發(fā)內(nèi)燃機(jī)燃油噴射和控制.1998,(22唐厚君等.一種共軌式電控柴油機(jī)的燃燒噴射系統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)2000,(23周文華等.柴油機(jī)電控燃油噴射設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究?jī)?nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)1999,(34 M lyaki M 等.Development of New E lectronically C on 2trolled Fuel Injection System EC D -U2for Diesel En gi nes S AE 9102525 G uerrassi N and Dupraz P.A C omm on Rail Injection Sys 2tem F or High S peed Direct Injection Diesel En gi nes.S AE 9808036 Osuka I 等.Bene