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: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 lectronically Controlled H igh Pressure CommonR ail Fuel I njection System for Diesel E nginesZhou Wenhua(Zhejiang University ,Hangzhou 310027Abstract The w orking principal and realizing plan of an electronically c

2、ontrolled high -pressure comm on rail fuel injection system has been introduced.This paper sets up a field bus based on distributed environment for developing electronically controlled diesel engine ,exploits a driving m odule for high -speed electromagnetic valves ,and proposes the all -around desi

3、gn for EC U s hardware and s oftware.This w ork will prepare for the next experiment 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)的工作原理和實施方案,并展開了對該系統(tǒng)全面的研究。完成了基于現(xiàn)場總線的分布式電控柴油機(jī)開發(fā)環(huán)境設(shè)計、高速電磁閥驅(qū)動模塊的開發(fā)和電控單元硬軟件系統(tǒng)的整體設(shè)計等,為進(jìn)一步的發(fā)動機(jī)臺架試驗作好了充分準(zhǔn)備。關(guān)鍵詞:共軌;電控單元;柴油機(jī)K ey Words :C omm on Rail ;ECU ;Diesel Engine中圖分類號:TK 423.8:T

4、P27315文獻(xiàn)標(biāo)識碼: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)受到世界各國的認(rèn)同,在國外已有成熟產(chǎn)品46。我國在柴油機(jī)電控噴射領(lǐng)域的研究起步較晚,國內(nèi)研究距產(chǎn)品化程度較遠(yuǎn)12。本文作者曾成功完成國家九五攻關(guān)項目“電控VE 泵噴油系統(tǒng)”中的電控單元(EC U 設(shè)計3,目前該成果正由無錫威孚集團(tuán)實施產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。作者致力于柴油機(jī)電控技術(shù)研究,在得到國家技術(shù)創(chuàng)新項目的支持和協(xié)作單位的配合下,展

5、開了對高壓共軌電控噴油系統(tǒng)的系統(tǒng)分析和全面設(shè)計。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,并在這一基礎(chǔ)上詳細(xì)描述了開發(fā)環(huán)境設(shè)計、高速電磁閥驅(qū)動單元開發(fā),以及電控單元(EC U 硬軟件設(shè)計等。2高壓共軌電控噴油系統(tǒng)設(shè)計方案及開發(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。通過調(diào)壓閥控制共軌壓力,該壓力設(shè)定值與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷相關(guān)。發(fā)動機(jī)噴油量和噴油時刻完全是由噴油器電收軟盤稿日期:2001-01-10作者簡介:周文華,(1968-,男,博士,主要從事發(fā)動機(jī)電子控制技術(shù)及其臺架自動標(biāo)定系統(tǒng)研究第22卷(2

6、001第3期內(nèi)燃機(jī)工程N(yùn)eiranji G ongchengV ol.22(2001N o.3磁閥的打開時間和開啟時刻決定的,與高壓泵無關(guān)。控制量孔(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)計的。在這一過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)閉時刻決定噴油時刻和噴油量。(2氣缸辨識決定噴油次序。(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)噴時刻控制等。由于高壓共軌電控燃油噴射系統(tǒng)是一個嚴(yán)格時間控制系統(tǒng),必須精確控制噴油器電磁閥的工作過程以實現(xiàn)靈活的噴油規(guī)律控制這是高壓共軌控制的核心也是難點(diǎn)之一 。圖1高壓共軌噴油系統(tǒng)原理圖在進(jìn)行高

7、壓共軌電控噴油系統(tǒng)開發(fā)過程中一方面要完成高速電磁閥及其驅(qū)動模塊設(shè)計,另一方面,也要有完善的開發(fā)環(huán)境以監(jiān)測和評價這一瞬態(tài)微觀過程。目前國內(nèi)研究的方案基本是采用PC 機(jī)同時完成控制和采集分析過程12,這一方法距實用化程度較遠(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 時也存在著諸多變化因素,而且EC U 設(shè)計完成后更需要強(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)動機(jī)開發(fā)環(huán)境”設(shè)計與EC U 的開發(fā)同等重要。作者設(shè)計了基于C AN 現(xiàn)場總線的電控發(fā)動機(jī)開發(fā)環(huán)境,在整個系統(tǒng)中EC U 和其他測控單元相對獨(dú)立,通過強(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

8、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)動機(jī)開發(fā)環(huán)境應(yīng)用系統(tǒng)實例圖中:測試單元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EC U 控制過程的微觀監(jiān)測,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)測以及噴油過程中共軌壓力波動等,該模塊在油泵試驗臺上進(jìn)行噴油規(guī)律分析和輔助進(jìn)行高速電磁閥及其驅(qū)動電路設(shè)計時尤為有效。測試單元2:含有多路模擬量和數(shù)字量輸入,主要完成對發(fā)動機(jī)工作過程的監(jiān)測,可以對發(fā)動機(jī)的各類瞬態(tài)試驗作出評價。尤其是發(fā)動機(jī)循環(huán)內(nèi)轉(zhuǎn)速波動及缸內(nèi)燃燒壓力的檢測為EC U 控制參數(shù)的優(yōu)化和轉(zhuǎn)速的“逐缸平衡”算法提供了重

9、要依據(jù)。控制單元:主要是將系統(tǒng)進(jìn)一步擴(kuò)展為瞬態(tài)試驗臺架而設(shè)計的控制功能,它可以靈活控制測功器臺架運(yùn)行在多種模式下(恒定工況和突變工況,配合測試單元2完成對EC U 各類瞬態(tài)過程的控制。如發(fā)動機(jī)臺架試驗條件具備,還可通過該模塊的控制完成離合器的斷接,傳動控制,以及模擬各種復(fù)雜的道路試驗。PC 開發(fā)平臺作為主要的人機(jī)界面,通過總線接口卡把各測控單元連接為一個分布式開發(fā)環(huán)境。利用現(xiàn)場總線的“一對多點(diǎn)”的廣播通信方式成功解決了各測控單元的同步控制,使得各測控單元之間只有數(shù)據(jù)線連接,沒有其他信號線。各測控單元和EC U 均可放在現(xiàn)場(發(fā)動機(jī)旁,避免了將信號傳送到控制室所帶來的干擾。C AN 總線強(qiáng)大的“

10、總線競爭和出錯自動重發(fā)”通信機(jī)制使得EC U 的標(biāo)定優(yōu)化以及實時監(jiān)測變得尤為方便,提高了系統(tǒng)可靠性。3高速電磁閥驅(qū)動模塊設(shè)計高速電磁閥及其驅(qū)動模塊設(shè)計是高壓共軌電542001年第3期內(nèi)燃機(jī)工程控噴油系統(tǒng)的重要設(shè)計內(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是作者通過升壓方式設(shè)計的高速電磁閥驅(qū)動模塊原理框圖。該電路利用開關(guān)線圈電流產(chǎn)生的反向電勢來對電容充電,在電磁閥動作過程中首先通過電容放電高壓驅(qū)動電磁閥,而后通過低壓電路提供維持電流,合理的泄放回路設(shè)計使電磁閥關(guān)斷響應(yīng)迅速。該驅(qū)動模塊的特點(diǎn)是 :圖3電磁閥驅(qū)動模塊

11、框圖(1高壓建立時間短,徹底放電后充電至指定電壓(120V 時間為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控制脈沖簡單,只要給定方波即可獲得大電流啟動,小電流維持。極大地方便了控制脈沖的形成。作者對日本電裝公司的共軌噴油器進(jìn)行了驅(qū)動試驗(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)動作過程由測試單元1測得結(jié)果如圖4所示。從電磁閥的電流響應(yīng)曲線可以看出該模塊成功解決了電磁閥的響應(yīng)問題,能靈活實現(xiàn)預(yù)噴控制, 完全滿足共軌噴油器的驅(qū)動性能要求。圖4電磁閥驅(qū)動模塊電流響應(yīng)4 電控單元硬軟件

12、設(shè)計圖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,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。通過該片在系統(tǒng)可編程(ISP 接口,實際應(yīng)用中無須打開硬件就可以使整個系統(tǒng)軟件得到維護(hù)和升級,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)對數(shù)字電路、模擬電路和功率電路進(jìn)行了有效隔離,并對輻射嚴(yán)重器件采取

13、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、何時噴油完全取決于高速電磁閥的開啟時刻,所以軟件必須保證嚴(yán)格的噴射正時。這一點(diǎn)是通過曲軸信號和凸輪軸參考信號來實現(xiàn)的。通過分析這兩個信號可以獲得: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)動機(jī)轉(zhuǎn)速平衡控制和扭矩控制的基礎(chǔ) 。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)時間共同決定了

14、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)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)場總線的分布式電控發(fā)動機(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)動模塊的成功設(shè)計,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,初步滿足了發(fā)動機(jī)臺架試驗要求。參考文獻(xiàn)1李紹安,蘇萬華1新型中壓共軌式柴油機(jī)電控燃油2唐厚君等.

15、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2000,(23周文華等.柴油機(jī)電控燃油噴射設(shè)計及試驗研究.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報1999,(34M lyaki M 等.Development of New E lectronically C on 2trolled Fuel Injection System EC D -U2for Diesel Engines S AE 9102525G uerrassi N and Dupraz P.A C omm on Rail Injection Sys 2tem F or High S peed Direct Injection Diesel Engines.S AE 9808036Osuka I 等.Benefits of New