柴油機(jī)電子控制系統(tǒng)第三部分

M4柴油機(jī)空氣系統(tǒng)的電子控制隨著排放法規(guī)的加嚴(yán)，要求柴油機(jī)的微粒和NOx排放同時(shí)大幅度降低，這要求柴油機(jī)也象汽油機(jī)一樣要對(duì)空燃比進(jìn)行控制。因此在柴油機(jī)上開始采用電子控制的空氣系統(tǒng)。典型的空氣系統(tǒng)電子控制的措施包括可變截面渦輪的增壓壓力控制系統(tǒng)、廢氣再循環(huán)控制系統(tǒng)、排放后處理系統(tǒng)。圖45給出了整個(gè)空氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡圖，采用增壓中冷、廢氣再循環(huán)、排放后處理措施的柴油機(jī)能夠到達(dá)歐III～歐V排放標(biāo)準(zhǔn)。M4.1增壓壓力控制系統(tǒng)（VNT）柴油機(jī)在采用廢氣渦輪增壓之后，與自然吸氣的柴油機(jī)相比，在動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能都有了較大的提高。但是，普通的增壓器特性往往不能夠兼顧柴油機(jī)的高速工況和低速工況。在柴油機(jī)的低速工況，由于循環(huán)頻率低，廢氣流量和能量相對(duì)較小，很難將渦輪和增壓器的轉(zhuǎn)速提高到期望的水平，即最終的增壓壓力（或者增壓比）難以提高；而在高速工況，由于廢氣流量和能量都較高，使得渦輪和壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)速可能超過期望的增壓壓力，導(dǎo)致渦輪速度過高，可靠性和壽命下降。例如一般的固定截面渦輪的增壓器都帶有廢氣放器閥，目的就是為了在高速工況為了避免增壓器轉(zhuǎn)速過高，旁通部分廢氣使之不對(duì)渦輪做功。為了兼顧高速和低速工況，可變截面（VariableNozzleTurbocharger，簡稱VNT，或VariableGeometryTurbocharger，簡稱VGT）的渦輪增壓器得到了應(yīng)用。典型的可變截面渦輪如圖46所示，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒產(chǎn)生的廢氣經(jīng)渦輪入口（環(huán)形入口），在導(dǎo)向葉片的作用下，經(jīng)過噴嘴環(huán)截面，沖擊渦輪葉片，對(duì)其做功后從渦輪的廢氣出口流出。壓氣機(jī)軸和渦輪的軸是一體的，因此在增壓器的另一側(cè)，壓氣機(jī)利用渦輪傳遞來的功壓縮空氣，實(shí)現(xiàn)廢氣渦輪增壓的過程。與固定截面渦輪不同的地方在于，噴嘴環(huán)截面有圓周均布的導(dǎo)向葉片，導(dǎo)向葉片一個(gè)方面能夠調(diào)整噴嘴環(huán)的等效流通截面，另一個(gè)方面能夠調(diào)整廢氣沖擊渦輪葉片的角度；這兩個(gè)因素也就調(diào)整了廢氣對(duì)渦輪做功的大小，即不同噴嘴環(huán)截面、不同葉片角度決定了廢氣能量的轉(zhuǎn)換為對(duì)渦輪的功的效率，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)增壓壓力的控制。VNT的控制方式既可以象圖46那樣利用杠桿機(jī)構(gòu)，由真空膜片閥來控制VNT導(dǎo)向葉片的位置角度，也可以由電機(jī)等執(zhí)行器來控制VNT的導(dǎo)向葉片位置角度。和傳統(tǒng)的增壓器相比，VNT的優(yōu)點(diǎn)在于：在兼顧高速動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放的同時(shí)，能夠大幅度提高低速大扭矩區(qū)的空氣量，從而提高柴油機(jī)的低速扭矩儲(chǔ)備，同時(shí)降低低速工況的排煙。加快和優(yōu)化空氣的動(dòng)態(tài)過程，降低加速過程的排煙。從前述的燃油系統(tǒng)的電子控制可知，采用電磁閥控制的燃油噴射系統(tǒng)，可以在一個(gè)循環(huán)內(nèi)將柴油機(jī)的噴油量從很小變到很大，即柴油機(jī)的燃油瞬態(tài)響應(yīng)是很快的。而空氣系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間相對(duì)較長，這是因?yàn)闇u輪壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)速較高（可達(dá)10萬轉(zhuǎn)/分），改變渦輪和壓氣機(jī)的速度相對(duì)較慢，也就是改變?cè)鰤簤毫Φ乃俣认鄬?duì)慢，一般的響應(yīng)時(shí)間在秒級(jí)以上，相對(duì)燃油系統(tǒng)一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)的響應(yīng)速度要慢得多。采用VNT可以加快空氣動(dòng)態(tài)過程，使得空氣系統(tǒng)的過渡過程和燃油系統(tǒng)的過渡過程較好匹配，從而避免柴油機(jī)加速冒煙的問題。結(jié)合廢氣再循環(huán)（EGR），實(shí)現(xiàn)空燃比閉環(huán)。增壓壓力的控制可以靈活實(shí)現(xiàn)后，再結(jié)合EGR，使得柴油機(jī)的空氣和燃油的配合過程更加精確，從而為同時(shí)降低柴油機(jī)的NOx和微粒排放提供了可能。和傳統(tǒng)的增壓器相比，VNT技術(shù)的難點(diǎn)在于：渦輪和壓氣機(jī)的效率問題。即保證VNT在低速工況和高速工況都必須具有較好的效率，才能保證VNT在盡可能寬的工況范圍內(nèi)優(yōu)化柴油機(jī)的性能。典型的車用柴油機(jī)渦輪效率為80％，壓氣機(jī)的效率也大約在80％左右，則整個(gè)增壓器的效率在60％左右。機(jī)油、燃?xì)夂涂諝獾拿芊鈫栴}。VNT的關(guān)鍵部件導(dǎo)向葉片一個(gè)方面直接暴露在柴油機(jī)高溫廢氣中，另外一個(gè)方面又需要靈活調(diào)整角度，因此整個(gè)VNT的機(jī)油冷卻和密封、燃燒后廢氣的密封、增壓后空氣的密封等都比傳統(tǒng)的增壓器更加難以保證，需要良好的結(jié)構(gòu)、材料和工藝來保證VNT的可靠性和壽命。渦輪——壓氣機(jī)的慣量問題。在瞬態(tài)過程中，盡量快速地改變渦輪——壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，可以加快增壓壓力從一個(gè)值過渡到另外一個(gè)值。因此在保證渦輪和壓氣機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)，要盡量降低VNT的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量?？刂坪推ヅ鋯栴}。VNT既有傳熱傳質(zhì)和機(jī)械液力的綜合，也有空氣系統(tǒng)和電子執(zhí)行器的動(dòng)態(tài)過程，還要實(shí)現(xiàn)增壓器特性和發(fā)動(dòng)機(jī)特性的匹配，這給VNT的控制帶來了很大的難度。例如在電控燃油噴射系統(tǒng)中，噴射定時(shí)和噴油量決定了柴油機(jī)廢氣中能量的多少，而廢氣能量的大小也就決定了能夠?qū)崿F(xiàn)的增壓壓力的大??；增壓壓力的大小反過來又決定了柴油機(jī)的循環(huán)進(jìn)氣量，進(jìn)氣量的大小在一定程度上決定了一定噴油量的情況下，生成的有害排放物的多少。因此VNT控制系統(tǒng)需要和電控燃油噴射系統(tǒng)聯(lián)合匹配，才能獲得最佳的整機(jī)性能。M4.2廢氣再循環(huán)（EGR）控制系統(tǒng)為了控制柴油機(jī)在部分負(fù)荷下的NOx排放，采用廢氣再循環(huán)（ExhaustGasRecyclation）可降低進(jìn)入氣缸的新鮮空氣量相對(duì)比例，從而抑制NOx的生成。圖47為VNT和EGR聯(lián)合控制時(shí)的柴油機(jī)空氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖?？梢奅GR閥直接連通排氣管和進(jìn)氣管，能夠直接調(diào)節(jié)進(jìn)入氣缸的廢氣比例。在增壓控制系統(tǒng)中，增壓后空氣一般帶有中冷器來降低進(jìn)入氣缸的空氣溫度，EGR也有類似的中冷器。進(jìn)氣管壓力調(diào)節(jié)閥有的系統(tǒng)可以不裝，其作用是可以快速控制進(jìn)入氣缸總的空氣量和廢氣比例，與汽油機(jī)的節(jié)氣門的功能有相似之處。柴油機(jī)對(duì)空氣系統(tǒng)檢測(cè)和控制的基本思路如下：電子控制單元通過空氣流量計(jì)來實(shí)時(shí)檢測(cè)進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的新鮮空氣量，該空氣流量傳感器的位置在增壓器之前，濾清器之后；電子控制單元通過控制VNT實(shí)現(xiàn)增壓壓力的控制，通過控制EGR閥控制EGR回路的流通截面的大小，增壓壓力可以通過進(jìn)氣溫度傳感器實(shí)時(shí)反饋；利用進(jìn)氣溫度和壓力傳感器和速度密度法來估計(jì)進(jìn)入氣缸的總空氣流量，總空氣量與流量計(jì)測(cè)量的新鮮空氣量之差就是EGR的流量，可見當(dāng)同時(shí)采用VNT和EGR時(shí)，空氣流量傳感器和速度密度法測(cè)量空氣流量被同時(shí)采用。電子控制單元根據(jù)進(jìn)入氣缸的總空氣量、EGR的流量，計(jì)算出鮮新空氣和廢氣的比例。于是電子控制單元就能夠?qū)崿F(xiàn)EGR率的閉環(huán)控制，為空氣系統(tǒng)和燃油系統(tǒng)的綜合匹配奠定基礎(chǔ)。與VNT執(zhí)行器一樣，EGR閥直接與發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫排氣接觸，因此在材料和工藝上與一般的執(zhí)行器有所不同。圖48給出了不同結(jié)構(gòu)和形式的EGR閥，這些閥在控制方式、動(dòng)態(tài)響應(yīng)等方面各不相同，在匹配EGR控制系統(tǒng)時(shí)，要把執(zhí)行器本身的動(dòng)態(tài)響應(yīng)也要綜合考慮。M4.3排放后處理系統(tǒng)為了進(jìn)一步降低柴油機(jī)的有害排放物對(duì)大氣的污染，除了在燃燒環(huán)節(jié)盡量降低有害排放物的生成以外，還可以采取排放后處理措施。柴油機(jī)較完善的后處理措施如圖50所示，目前后處理也是柴油機(jī)的主要熱點(diǎn)問題之一。與汽油機(jī)不同，由于柴油機(jī)的空/燃比較大，無法利用汽油機(jī)的三效催華器對(duì)排放物進(jìn)行有效的處理。柴油機(jī)排放后處理系統(tǒng)的基本組成和功能如下：氧化催化器：其作用是將沒有完全燃燒的HC、CO和部分微粒氧化，生成CO2和H2O。柴油機(jī)的氧化催化器如圖51所示。多孔的蜂窩狀結(jié)構(gòu)使得HC和CO與O2接觸面積很大，保證氧化的效率，在正常工作時(shí)，HC和CO氧化過程的放熱能夠使得催化器處于正常的工作溫度范圍。在冷啟動(dòng)時(shí)，控制裝置可以采用電加熱的辦法使得催化器快速到達(dá)正常的工作溫度。NOx的還原催化器。由于柴油機(jī)的空燃比較大，因此NOx的還原是其后處理的難點(diǎn)之一。目前相對(duì)比較成熟的方法是采用尿素輔助還原的方法。在圖50中，SINOx還原催華裝置的有效工作需要在排氣管中噴入一定量的尿素來輔助NOx的還原。因此設(shè)計(jì)了專門噴射尿素的帶電磁閥的噴油器、尿素存儲(chǔ)罐以及幫助尿素和排氣混合的混合裝置。由于尿素的噴射量與排放的空燃比有關(guān)，因此在SINOx前后需要加裝反饋空燃比的氧傳感器。而且，氧傳感器的功能檢測(cè)的空燃比的帶寬要比汽油機(jī)上使用的帶寬要寬得多。微粒捕捉器（ParticularDepositFilter，簡稱PDF）。與汽油機(jī)相比，柴油機(jī)的有害排放物中微粒是主要成分之一。圖52為蜂窩結(jié)構(gòu)的微粒捕捉器，其核心是過濾體和過濾體再生裝置。來自廢氣的微粒被吸附在過濾體的蜂窩結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格上，過濾體由多孔陶瓷過濾材料或者多孔金屬材料組成，在剛開始工作時(shí)，過濾體可以吸附90％的微粒，隨著微粒的堆積，過濾體前后的壓力差越來越顯著，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣阻力加大，這時(shí)需要采用加熱等措施將微粒燒掉。如圖53和圖54所示，采用兩個(gè)過濾體分別處于吸附和再生兩個(gè)階段，兩個(gè)交替工作，到達(dá)連續(xù)吸附微粒和再生的目的。微粒捕捉器的控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)捕捉器前后的壓力傳感器采集的壓力信號(hào)，來判斷是否需要對(duì)正在吸附的過濾器再生。從上述的后處理裝置可以看出，控制系統(tǒng)是整個(gè)后處理正常和高效工作的保證。在圖51中，給出了專門負(fù)責(zé)后處理的電子控制單元和發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元之間的通信模式，高速的CAN通訊是較好的模式。M4.4柴油機(jī)空氣系統(tǒng)的電子控制特點(diǎn)總結(jié)與燃油噴射控制系統(tǒng)相比，柴油機(jī)的空氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。為滿足歐III標(biāo)準(zhǔn)排放或更嚴(yán)的法規(guī)，對(duì)燃油噴射、VNT和EGR以及后處理裝置將采取電子控制。電子控制技術(shù)對(duì)于柴油機(jī)的油氣綜合控制以及排放性能起著重要的作用。其基本特點(diǎn)可以總結(jié)如下：增壓壓力控制：通過進(jìn)氣壓力傳感器反饋增壓壓力，通過VNT來實(shí)現(xiàn)增壓壓力的閉環(huán)控制；廢氣再循環(huán)控制：通過空氣流量計(jì)和進(jìn)氣壓力傳感器計(jì)算出廢氣再循環(huán)率，通過EGR閥實(shí)現(xiàn)廢氣再循環(huán)閉環(huán)控制；利用VNT和EGR，結(jié)合電控燃油噴射系統(tǒng)的噴油量控制，實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)的空燃比閉環(huán)控制，排氣管上的寬帶氧傳感器反饋實(shí)際的空燃比信號(hào)；在柴油機(jī)的排放后處理系統(tǒng)中，可以分別采用氧化催化器氧化HC和CO，利用尿素和NOx的還原裝置來還原大部分的NOx，通過微粒捕捉器來收集并處理大部分的微粒，使得柴油機(jī)能夠可以到達(dá)超低排放的歐V標(biāo)準(zhǔn)。排放后處理措施不僅在一定程度上增加了排氣的阻力，損失了約5％經(jīng)濟(jì)性，而且也導(dǎo)致柴油機(jī)的成本增加、電子控制系統(tǒng)的開發(fā)、調(diào)試和匹配更加復(fù)雜。M5柴油發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)管理為了實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)的燃油噴射控制、進(jìn)排氣系統(tǒng)和排放后處理系統(tǒng)的綜合控制，發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制系統(tǒng)必須要有完整的傳感器、執(zhí)行器和控制算法以及對(duì)應(yīng)的匹配標(biāo)定的數(shù)據(jù)。如圖55所示，電控系統(tǒng)從硬件上可分為傳感器、電控單元（ECU）及執(zhí)行器三個(gè)部分。圖55柴油機(jī)電控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖傳感器傳感器是用于感知和檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)及車輛運(yùn)行狀態(tài)的元件和裝置。在柴油機(jī)電控系統(tǒng)中常用的傳感器可分為壓力傳感器、溫度傳感器、位置傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器四種。另外，在電控系統(tǒng)中還有專門的開關(guān)量采集電路，用于檢測(cè)空調(diào)、檔位、離合器等開關(guān)量的狀態(tài)信息。所有的信息最后都經(jīng)過電控單元的信號(hào)采集模塊處理后提供給發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)，作為發(fā)動(dòng)機(jī)控制的基本依據(jù)。電控單元（ECU）電控單元的作用是接收和處理傳感器的所有信息，按照控制軟件進(jìn)行運(yùn)算，并驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器以控制發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到所需的性能指標(biāo)。它是發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)的核心部件，由微處理器及其外圍硬件和一整套的控制軟件組成。一個(gè)典型的電控單元的硬件電路包含電源模塊、信號(hào)處理、數(shù)字核心、通訊接口、驅(qū)動(dòng)電路等部分，如圖56所示。圖56電控單元硬件結(jié)構(gòu)示意圖控制軟件包括發(fā)動(dòng)機(jī)的各種性能曲線、圖表和控制算法，可以分為發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)、噴射控制系統(tǒng)以及通訊與監(jiān)控系統(tǒng)三個(gè)部分。三個(gè)部分既從功能上相互獨(dú)立，又通過緩沖區(qū)緊密關(guān)聯(lián)以實(shí)現(xiàn)信息交互，如圖57所示。圖57控制系統(tǒng)軟件各部分間的接口示意圖在這三部分中發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)是控制軟件的核心內(nèi)容，也是整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部分，它的核心任務(wù)在于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和采集發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)，正確分析司機(jī)駕駛意圖和整車控制的要求，通過精確控制影響發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的各個(gè)可控量，使得發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行并滿足所需的性能要求。同時(shí)在運(yùn)行過程中，隨時(shí)進(jìn)行軟硬件系統(tǒng)的故障診斷和容錯(cuò)控制，保障系統(tǒng)安全可靠的運(yùn)行并在故障發(fā)生時(shí)提示操作者相應(yīng)信息以便采取相應(yīng)操作。噴射控制系統(tǒng)接收管理系統(tǒng)的控制指令，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行相位精確的完成燃油量和噴油定時(shí)等的控制。噴射控制系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是實(shí)時(shí)性，是電控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)。在大多數(shù)情況下，噴射控制系統(tǒng)作為管理系統(tǒng)的一個(gè)模塊而存在。通訊與監(jiān)控系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著電控單元與外界進(jìn)行信息交互的任務(wù)，它提供發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)與整車控制系統(tǒng)及操縱者的通訊接口。一個(gè)完整的底層通訊模塊既是整車控制指令交互應(yīng)答必不可少的一部分，同時(shí)也為操作者提供必要的發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)信息和控制參數(shù)信息。是發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)控、管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)標(biāo)定、故障診斷信息交互、整車控制系統(tǒng)集成等等功能的基礎(chǔ)。執(zhí)行器執(zhí)行器是接收電控單元傳來的指令，并完成所需調(diào)控任務(wù)的元器件，如電控直列泵和分配泵中的線性電磁鐵，電控單體泵和泵噴嘴中的電磁閥，電控共軌系統(tǒng)中的PCV閥和噴油器電磁閥，以及空氣系統(tǒng)控制中的各種閥門控制器等等。M5.1發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)的基本框架發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)是整機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制功能的核心。由于發(fā)動(dòng)機(jī)是一個(gè)既包含連續(xù)運(yùn)動(dòng)形式（空氣系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程、曲軸動(dòng)力學(xué)過程）又包含離散的事件觸發(fā)式運(yùn)動(dòng)形式（點(diǎn)火、噴油過程）的混合機(jī)械，使得對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的控制既有連續(xù)的實(shí)時(shí)性要求不高的時(shí)間域控制，又有離散的事件驅(qū)動(dòng)的強(qiáng)實(shí)時(shí)性的控制。這對(duì)控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)提出了很大的挑戰(zhàn)。在發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的最頂層，控制功能從邏輯上可以劃分為三個(gè)模塊：操縱意圖、扭矩控制、底層驅(qū)動(dòng)。如圖58所示。每一個(gè)模塊代表了一些特定功能的集合，三個(gè)模塊之間有非常緊密的邏輯關(guān)系，同時(shí)又具備相當(dāng)?shù)莫?dú)立性。圖58發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)的三個(gè)主要邏輯模塊操縱意圖模塊操縱意圖模塊是發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)與司機(jī)及整車控制單元的接口。其主要功能在于正確理解司機(jī)的操縱意圖，將其解釋為需求扭矩的形式提供給后面的扭矩控制模塊。在行車過程中，司機(jī)會(huì)根據(jù)路面狀況經(jīng)常對(duì)車輛進(jìn)行調(diào)整。此時(shí)，需要根據(jù)所有可以參考的信息如油門、檔位、轉(zhuǎn)向位置、附件狀態(tài)、開關(guān)量狀態(tài)（如巡航開關(guān)）、點(diǎn)火開關(guān)位置等等，以及發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)參數(shù)如轉(zhuǎn)速，來準(zhǔn)確的理解司機(jī)要求，并進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩需求。在操縱意圖模塊的設(shè)計(jì)中，常常根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)及車輛的各種信息進(jìn)行綜合判斷，將扭矩需求分成幾種有代表性的狀態(tài)，不同的狀態(tài)中扭矩需求的趨勢(shì)也不一樣。如圖59所示，可以將發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)劃分為停機(jī)、起動(dòng)、怠速、過渡、調(diào)速、超速等狀態(tài)。圖59發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)劃分需要指出的是，發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)的劃分往往不是唯一的。圖59所示的是一個(gè)最基本的劃分形式。隨著對(duì)整機(jī)和整車性能要求的提高，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的劃分往往還需要考慮進(jìn)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的各個(gè)狀態(tài)量（如離合器、剎車、檔位等），以達(dá)到綜合性能的最優(yōu)。此時(shí)狀態(tài)分析更為細(xì)致全面，如圖60所示。輸入：K：輸入：K：點(diǎn)火開關(guān)G：油門位置D：離合器位置B：剎車信號(hào)C：巡航開關(guān)輸出：n：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速F：輸出扭矩V：車速圖60更詳細(xì)的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)劃分扭矩控制模塊扭矩控制模塊的作用在于根據(jù)操作意圖模塊提出的扭矩需求，確定發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到該扭矩所必需的噴油量、噴油提前角、點(diǎn)火提前角（對(duì)汽油機(jī)）、空氣量等等。扭矩控制模塊是集中體現(xiàn)系統(tǒng)控制策略的地方。為了能比較精確的控制發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出扭矩，需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油系統(tǒng)和空氣系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性以及它們當(dāng)前的狀態(tài)有全面的了解，為此獲取發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)參數(shù)如轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣壓力等就很重要。為了實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的控制策略，同時(shí)還需要采集發(fā)動(dòng)機(jī)水溫、油溫、進(jìn)氣溫等等參數(shù)作為參考輸入。面向不同類型燃油噴射系統(tǒng)的扭矩控制策略在軟件復(fù)雜程度上會(huì)有很大差異。但一個(gè)完整的扭矩控制模塊至少包含以下基本功能。目標(biāo)噴油量和噴油定時(shí)控制這是電控系統(tǒng)最基本的功能。扭矩控制模塊中可以靈活設(shè)計(jì)任何模式（全程、兩極或其他）的調(diào)速曲線以及包括起動(dòng)加濃、煙度限制、轉(zhuǎn)矩修正在內(nèi)的外特性曲線。還可以在巡航狀態(tài)下根據(jù)轉(zhuǎn)速反饋實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)速控制模式。對(duì)噴油定時(shí)的控制則根據(jù)排放、油耗、功率和其他性能如噪聲及冷起動(dòng)的要求，實(shí)現(xiàn)全工況的優(yōu)化匹配。噴油量和噴油定時(shí)的平衡和補(bǔ)償控制根據(jù)環(huán)境狀態(tài)及發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)的變化，如大氣壓力、大氣溫度、冷卻水溫、機(jī)油溫度等的變化，對(duì)目標(biāo)油量和定時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償控制，使發(fā)動(dòng)機(jī)能適應(yīng)各種運(yùn)行條件下性能需求。在發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命中，由于零部件磨損及老化，以及噴油器積碳等因素的影響，會(huì)使各缸噴油逐漸產(chǎn)生差異。管理系統(tǒng)會(huì)時(shí)刻監(jiān)測(cè)和評(píng)估發(fā)動(dòng)機(jī)各缸工作的不均勻性，對(duì)各缸油量重新進(jìn)行平衡和修正，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)工作的平穩(wěn)，并在各缸差異過大時(shí)提醒操作者檢修。冷啟動(dòng)、暖機(jī)及怠速穩(wěn)定性控制冷啟動(dòng)性能是發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵性能之一。管理系統(tǒng)會(huì)根據(jù)冷卻水溫對(duì)冷起動(dòng)的油量和正時(shí)進(jìn)行調(diào)整以保證低溫下能順利起動(dòng)。在水溫較低時(shí)會(huì)自動(dòng)提高怠速轉(zhuǎn)速以加快暖機(jī)過程。怠速控制屬于恒轉(zhuǎn)速控制過程。怠速轉(zhuǎn)速的反常波動(dòng)主要是各缸供油和燃燒不均勻引起的。因此對(duì)怠速的控制還包括了對(duì)各缸不均勻性的估計(jì)和修正。此外，發(fā)動(dòng)機(jī)從怠速起步以及回到怠速的過程也是怠速控制的重要內(nèi)容，在怠速起步以及回到怠速時(shí)均需要合理控制加減油速率，以防止發(fā)動(dòng)機(jī)失速。過渡性能與煙度控制通過過渡過程中對(duì)油量和噴油定時(shí)的綜合補(bǔ)償來滿足最佳過渡性能和降低煙度的要求。如增壓柴油機(jī)開始加速時(shí)加大供油提前角，可獲得加大加速轉(zhuǎn)矩和減少冒煙的雙重效果。噴油規(guī)律與噴油壓力的控制對(duì)于共軌系統(tǒng)，可以通過對(duì)噴油器電磁閥的控制實(shí)現(xiàn)靈活的噴油規(guī)律如矩形噴射、楔型噴射、預(yù)噴射、后噴射等等。通過對(duì)油泵上的壓力控制閥來實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道壓力的控制?？諝庀到y(tǒng)（如VNT、EGR）的控制對(duì)裝備有VNT和EGR的柴油機(jī)，在管理系統(tǒng)中還包含有對(duì)VNT葉片和EGR閥門的控制。VNT主要用于改善發(fā)動(dòng)機(jī)的低速性能，在發(fā)動(dòng)機(jī)從低速起步時(shí)減小渦輪葉片開度以增大壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速和增大增壓壓力，以提供盡可能多的空氣使發(fā)動(dòng)機(jī)能加速迅速；在高速大負(fù)荷時(shí)則增大葉片開度以減小壓力機(jī)轉(zhuǎn)速，防止增壓器超速。EGR主要用于降低NOx排放，在中低負(fù)荷時(shí)適當(dāng)增大EGR閥門開度引入廢氣，稀釋進(jìn)氣中的氧氣濃度并降低燃燒反應(yīng)的溫度，可以有效抑制NOx的形成；在大負(fù)荷時(shí)則要減小EGR閥門開度以防止煙度增加。底層驅(qū)動(dòng)模塊底層驅(qū)動(dòng)模塊從扭矩控制模塊獲取控制信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換為實(shí)際的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并和噴射控制系統(tǒng)接口以驅(qū)動(dòng)實(shí)際的執(zhí)行器。在該模塊中需要考慮以下幾個(gè)方面：控制信號(hào)與驅(qū)動(dòng)信號(hào)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系；控制信號(hào)與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)角信號(hào)（凸輪軸、曲軸信號(hào)）的同步；實(shí)際執(zhí)行器的特性。底層驅(qū)動(dòng)模塊的結(jié)構(gòu)可以用圖61表示。從扭矩控制模塊傳遞過來的控制參數(shù)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)參數(shù)調(diào)整后轉(zhuǎn)換為合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，經(jīng)過轉(zhuǎn)角信號(hào)同步后，將實(shí)際的控制信號(hào)傳遞給噴射控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)實(shí)際的執(zhí)行器。圖61底層驅(qū)動(dòng)模塊結(jié)構(gòu)簡圖M5.2柴油發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)的匹配標(biāo)定在實(shí)際的發(fā)動(dòng)機(jī)控制軟件中，存在大量的數(shù)據(jù)表格，這些數(shù)據(jù)表有些代表了部件的固有特性，如壓力傳感器電壓值與壓力值間的關(guān)系表、燃油密度和溫度的關(guān)系表等等；有些代表了發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)性能，如進(jìn)氣流量與進(jìn)氣壓力間和溫度間的關(guān)系表、噴油器油量與噴油壓力和控制脈寬的關(guān)系表等等；有些則是控制策略不可缺少的部分，如起動(dòng)油量與水溫間的關(guān)系表、基本油量與油門和轉(zhuǎn)速間的關(guān)系表等等。通常把這些數(shù)據(jù)表稱為MAP圖?？梢哉f，一個(gè)完整的發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)是控制策略與MAP的集合。大量MAP圖的存在，既給控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來了方便，也為系統(tǒng)的匹配帶來了挑戰(zhàn)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)移植到不同機(jī)型的發(fā)動(dòng)機(jī)上時(shí)，一些關(guān)鍵的MAP圖都需要重新確定數(shù)據(jù)，這就是我們通常所說的匹配標(biāo)定過程。匹配標(biāo)定過程一般借助于專門的標(biāo)定系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。電控柴油機(jī)標(biāo)定系統(tǒng)一般由運(yùn)行于PC機(jī)（上位機(jī)）端的用戶標(biāo)定界面和ECU（下位機(jī)）端的標(biāo)定程序組成，其結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖1所示。標(biāo)定過程中，用戶操作標(biāo)定界面，根據(jù)測(cè)試設(shè)備監(jiān)測(cè)的發(fā)動(dòng)機(jī)油耗、排放和動(dòng)力性等指標(biāo)，確定合適的MAP圖，并轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制形式的數(shù)據(jù)文件，經(jīng)由通訊接口下載至ECU的存儲(chǔ)芯片中。ECU中的標(biāo)定程序組織MAP圖的存儲(chǔ)方式，并通過對(duì)MAP圖的查找和插值操作，提供當(dāng)前工況下的噴射控制參數(shù)，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器。圖62標(biāo)定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)關(guān)系示意圖在匹配標(biāo)定過程中上位機(jī)用戶標(biāo)定界面是標(biāo)定人員與發(fā)動(dòng)機(jī)交互的媒介。標(biāo)定過程中，用戶根據(jù)標(biāo)定界面監(jiān)測(cè)的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀況，確定噴射控制數(shù)據(jù)，再經(jīng)由通訊接口實(shí)時(shí)在線修改下位機(jī)MAP圖數(shù)據(jù)，完成標(biāo)定操作，其后的發(fā)動(dòng)機(jī)狀況又通過標(biāo)定界面反饋給用戶?？梢?，標(biāo)定界面集中體現(xiàn)了在線標(biāo)定系統(tǒng)的輸入輸出功能和操縱易用程度。一個(gè)典型的匹配標(biāo)定界面如圖63所示。圖63標(biāo)定系統(tǒng)用戶界面在該用戶標(biāo)定界面中提供了數(shù)據(jù)文件讀入與存儲(chǔ)、MAP圖數(shù)據(jù)顯示與修改、當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和FLASH編程、EXCEL轉(zhuǎn)換、Matlab圖像處理等輔助功能。標(biāo)定界面中，樹狀列表顯示出所有的MAP圖，可在不同MAP圖間進(jìn)行切換。該界面提供了網(wǎng)格和線條兩種形式來顯示和修改MAP圖數(shù)據(jù)，標(biāo)定人員可直接在網(wǎng)格表中瀏覽和修改MAP圖數(shù)據(jù)，也可以使用鼠標(biāo)操作進(jìn)行圖形縮放查看MAP以及拖動(dòng)修改數(shù)據(jù)點(diǎn)，修改后數(shù)據(jù)與網(wǎng)格區(qū)同步，并經(jīng)由通訊模塊改寫下位機(jī)的控制MAP圖，實(shí)現(xiàn)在線標(biāo)定操作；數(shù)據(jù)修改可撤銷或恢復(fù)，提供了最大程度的防誤操作設(shè)計(jì)。M5.3柴油發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)的故障診斷發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)的故