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 310027AbstractThe w orking principal and realizing plan of an electronically

2、 controlled 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 proposesthe all -around de

3、sign 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(shí)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(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 ;Diesel Engine中圖分

4、類號 :TK 423.8:TP27315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(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(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)刻完全是由噴油器收軟盤稿日期 :2001-01-10作者簡介 :周文華,(1968-,男

6、,博士,主要從事發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制技術(shù)及其臺架自動(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 ongchengV 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 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

7、程以實(shí)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O 2Omfi A攸刁蠡止PT就：t電習(xí)E嚇擊 恤聞晦 Hw K 三通閥命令脈沖二誦鬧萄徑白1RCH血TZ盲両面石盂莊侖i阿圖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)測和評價(jià)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(shí)完成控制和采集分析過程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

8、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 CAN現(xiàn)場總線的電控發(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)議完成信息共享（數(shù)據(jù)速率達(dá)500kbps。其應(yīng)用系統(tǒng)如圖-A-nLI.ill2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lOOkH 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(dòng)等，該模塊在油泵試驗(yàn)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(dòng)電路設(shè)計(jì)時(shí)尤為有效。

9、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(dòng)機(jī)工作過程的監(jiān)測,可以對發(fā)動(dòng)機(jī)的各類瞬態(tài)試驗(yàn)作出評價(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?:主要是將系統(tǒng)進(jìn)一步擴(kuò)展為瞬態(tài)試驗(yàn)臺架而設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)臺架試驗(yàn)條件具備 , 還可通過該模塊的控制 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(gè)分布式開

10、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(dòng)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 “總線競爭和出錯(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 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)

11、0.2ms 。圖 3是作者通過升壓方式設(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)生的反向電勢來對電容充電 ,在電磁閥動(dòng)作過程中首先通過電容放電高壓驅(qū)動(dòng)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(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M二 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

12、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(shí)現(xiàn)預(yù)噴控制，0CbiwAll resoved.htl|p：/Svww.ciiLijKl： 1聊MBJounul Ebmnie hibliidiu Hw 熱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)4云1J- -廠一 一-1'.' d _111:呻 TfH.fll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

13、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(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 該片在系統(tǒng)可編程（ISP接口，實(shí)際應(yīng)用中無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，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

14、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(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)是通過曲軸信號和凸輪軸參考信號來實(shí)現(xiàn)的。通過分析這兩個(gè)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速平衡控制和扭矩控制的基礎(chǔ)is7-II.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)(

15、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)米用與轉(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(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)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)臺架試驗(yàn)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

16、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 .內(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 Engines 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 Engines.S AE 9808036 Osuka I 等 .Benef