柴油機高壓共軌燃油噴射_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,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。完成了基于現場總線的分布式電控柴油機開發(fā)環(huán)境設計、高速電磁閥驅動模塊的開發(fā)和電控單元硬軟件系統(tǒng)的整體設計等,為進一步的發(fā)動機臺架試驗作好了充分準備。關鍵詞:共軌;電控單元;柴油機K ey Words :C omm on Rail ;ECU ;Diesel Engine中圖分類號:TK 423.8:T

4、P27315文獻標識碼:A1概述隨著排放法規(guī)的日益嚴格,柴油機燃油噴射系統(tǒng)如何實現高壓噴射日漸成為人們研究的熱點。高壓共軌電控噴油系統(tǒng)不僅能在所有轉速范圍內實現穩(wěn)定的高壓噴射,而且由于高性能的電磁閥,使系統(tǒng)可以實現靈活的噴油規(guī)律控制(如預噴和后噴等,極大地改善了排放。該系統(tǒng)受到世界各國的認同,在國外已有成熟產品46。我國在柴油機電控噴射領域的研究起步較晚,國內研究距產品化程度較遠12。本文作者曾成功完成國家九五攻關項目“電控VE 泵噴油系統(tǒng)”中的電控單元(EC U 設計3,目前該成果正由無錫威孚集團實施產業(yè)化進程。作者致力于柴油機電控技術研究,在得到國家技術創(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)分析和全面設計。重點描述了共軌電控噴油系統(tǒng)的工作原理和方案設計,并在這一基礎上詳細描述了開發(fā)環(huán)境設計、高速電磁閥驅動單元開發(fā),以及電控單元(EC U 硬軟件設計等。2高壓共軌電控噴油系統(tǒng)設計方案及開發(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。通過調壓閥控制共軌壓力,該壓力設定值與發(fā)動機轉速和負荷相關。發(fā)動機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)動機電子控制技術及其臺架自動標定系統(tǒng)研究第22卷(2

6、001第3期內燃機工程Neiranji 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?？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下展開設計的。在這一過程中須完成的基本控制內容有:(1高速電磁閥的打開和關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調壓閥控制決定噴射壓力。(4噴油規(guī)律控制,包括預噴量及預噴時刻控制等。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之一 。圖1高壓共軌噴油系統(tǒng)原理圖在進行高

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動模塊設計,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。目前國內研究的方案基本是采用PC 機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,從PC 機控制系統(tǒng)轉移到以單片機為核心的電控單元(EC U 時也存在著諸多變化因素,而且EC U 設計完成后更需要強有力的手段進行分析和優(yōu)化,這些因素使得進行獨立于EC U 的“電控發(fā)動機開發(fā)環(huán)境”設計與EC U 的開發(fā)同等重要。作者設計了基于C AN 現場總線的電控發(fā)動機開發(fā)環(huán)境,在整個系統(tǒng)中EC U 和其他測控單元相對獨立,通過強大的總線通信機制和統(tǒng)一的通信協(xié)議完成信息共

8、享(數據速率達500kbps 。其應用系統(tǒng)如圖 2所示。圖2電控發(fā)動機開發(fā)環(huán)境應用系統(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,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行噴油規(guī)律分析和輔助進行高速電磁閥及其驅動電路設計時尤為有效。測試單元2:含有多路模擬量和數字量輸入,主要完成對發(fā)動機工作過程的監(jiān)測,可以對發(fā)動機的各類瞬態(tài)試驗作出評價。尤其是發(fā)動機循環(huán)內轉速波動及缸內燃燒壓力的檢測為EC U 控制參數的優(yōu)化和轉速的“逐缸平衡”算法提供了重

9、要依據?？刂茊卧?主要是將系統(tǒng)進一步擴展為瞬態(tài)試驗臺架而設計的控制功能,它可以靈活控制測功器臺架運行在多種模式下(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,以及模擬各種復雜的道路試驗。PC 開發(fā)平臺作為主要的人機界面,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。利用現場總線的“一對多點”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據線連接,沒有其他信號線。各測控單元和EC U 均可放在現場(發(fā)動機旁,避免了將信號傳送到控制室所帶來的干擾。C AN 總線強大的“

10、總線競爭和出錯自動重發(fā)”通信機制使得EC U 的標定優(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高速電磁閥驅動模塊設計高速電磁閥及其驅動模塊設計是高壓共軌電542001年第3期內燃機工程控噴油系統(tǒng)的重要設計內容。為了滿足噴油規(guī)律控制需要,電磁閥的開關響應時間必須小于0.2ms 45,預噴和主噴之間的間隔最低要求達0.2ms 。圖3是作者通過升壓方式設計的高速電磁閥驅動模塊原理框圖。該電路利用開關線圈電流產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,合理的泄放回路設計使電磁閥關斷響應迅速。該驅動模塊的特點是 :圖3電磁閥驅動模塊

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行了驅動試驗(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 ,帶預噴控制的電磁閥連續(xù)動作過程由測試單元1測得結果如圖4所示。從電磁閥的電流響應曲線可以看出該模塊成功解決了電磁閥的響應問題,能靈活實現預噴控制, 完全滿足共軌噴油器的驅動性能要求。圖4電磁閥驅動模塊電流響應4 電控單元硬軟件

12、設計圖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內燃機工程2001年第3期作者采用16位微處理機為核心(16M 主頻,配置16位外圍數字接口芯片(PS D ,該芯片硬件資源豐富,內置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,實際應用中無須打開硬件就可以使整個系統(tǒng)軟件得到維護和升級,極大地提高了開發(fā)和維護效率。由于本系統(tǒng)有眾多的高速電磁閥和升壓電路處于開關狀態(tài),電磁輻射嚴重,本系統(tǒng)對數字電路、模擬電路和功率電路進行了有效隔離,并對輻射嚴重器件采取

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場總線兩種方式。前者用于故障診斷和標定,后者用于集成環(huán)境中與其他測控單元或EC U 交換數據。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格的噴射正時。這一點是通過曲軸信號和凸輪軸參考信號來實現的。通過分析這兩個信號可以獲得:噴油次序,噴射相位,瞬態(tài)轉速。其中瞬態(tài)轉速也是發(fā)動機轉速平衡控制和扭矩控制的基礎 。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。由于共軌壓力的調節(jié)輸出是與噴射相位相關(即每噴射一次調節(jié)輸出一次,故其輸出間隔與轉速相關。系統(tǒng)采用與轉速相關的PI D 算法滿足了這一特殊要求。5結論(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,建立了基于現場總線的分布式電控發(fā)動機開發(fā)環(huán)境,為進一步的研究提供了強有力的支持。(2高速電磁閥驅動模塊的成功設計,解決了共軌噴射系統(tǒng)的核心技術之一,為進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)方案的基礎上作者完成了電控單元(EC U 的硬軟件系統(tǒng)設計,初步滿足了發(fā)動機臺架試驗要求。參考文獻1李紹安,蘇萬華1新型中壓共軌式柴油機電控燃油2唐厚君等.

15、一種共軌式電控柴油機的燃燒噴射系統(tǒng).內燃機學報2000,(23周文華等.柴油機電控燃油噴射設計及試驗研究.內燃機學報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