基于eTPU的高壓共軌柴油機(jī)多脈沖燃油噴射控制系統(tǒng)的設(shè)計*

陳禮勇，樸有哲，蘇萬華

(1.天津大學(xué)，內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國家重點實驗室，天津 300072； 2.鄭州航院機(jī)電學(xué)院，鄭州 450015)

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基于eTPU的高壓共軌柴油機(jī)多脈沖燃油噴射控制系統(tǒng)的設(shè)計*

陳禮勇1,2，樸有哲1，蘇萬華1

(1.天津大學(xué)，內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國家重點實驗室，天津 300072； 2.鄭州航院機(jī)電學(xué)院，鄭州 450015)

設(shè)計了基于eTPU協(xié)處理器的多脈沖燃油噴射控制系統(tǒng)和基于結(jié)構(gòu)體數(shù)組的多脈沖噴射控制算法，并在EFS油泵試驗臺和發(fā)動機(jī)臺架上進(jìn)行了多次脈沖噴射試驗。結(jié)果表明，設(shè)計的多脈沖控制系統(tǒng)實現(xiàn)了一次中斷多達(dá)10次觸發(fā)噴油的功能，且多脈沖噴射次數(shù)、噴射間隔和脈沖寬度獨立可調(diào)，形成可調(diào)制的多脈沖噴射模式，充分發(fā)揮了eTPU超強的定時處理能力，減輕了CPU和外部硬件配置的負(fù)擔(dān)。

高壓共軌柴油機(jī)；多脈沖燃油噴射；eTPU；結(jié)構(gòu)體數(shù)組

前言

為滿足更嚴(yán)格的排放法規(guī)要求，高壓共軌柴油機(jī)采用多脈沖燃油噴射等策略來實現(xiàn)不同的燃燒模式和路徑[1-5]，從而實現(xiàn)超低的排放。多脈沖噴油的每個脈沖都有自己的噴油定時和噴油持續(xù)期，而且為了實現(xiàn)噴油器電磁閥的快速打開和及時關(guān)閉，每次脈沖都需要由主脈寬(高電平)、零脈寬(低電平)和保持波(PWM波)組成的優(yōu)化波來驅(qū)動[6-8]。如果每次噴射脈沖都由中斷完成，則復(fù)雜的多次噴射就需要多次的中斷服務(wù)程序處理。對于多缸發(fā)動機(jī)來說，其實時控制任務(wù)也將成倍增加，這必將過多地占用系統(tǒng)中斷資源，嚴(yán)重時將影響系統(tǒng)響應(yīng)的實時性。

另外一種方法是采用微處理器和一些外圍電路組成作為控制系統(tǒng)的中央處理單元，同時采用可編程邏輯復(fù)雜器件(CPLD)作為協(xié)處理器來完成驅(qū)動信號的優(yōu)化合成，但采用CPLD增加了外圍電路的復(fù)雜性，同時需要對CPLD配置電源和時鐘也增加了硬件電路的噪聲干擾源[9]。

在本研究中，為了減輕CPU的負(fù)擔(dān)和外部的硬件配置，充分發(fā)揮eTPU超強的定時處理能力，利用結(jié)構(gòu)體數(shù)組將多脈沖參數(shù)發(fā)送到eTPU參數(shù)存儲器中，然后基于ETPU_C編譯器編譯命名為Multi_Pulse函數(shù)，在eTPU中直接生成優(yōu)化波以驅(qū)動噴油器功率驅(qū)動模塊，實現(xiàn)了靈活的多脈沖噴射。

1 噴油器驅(qū)動電路和驅(qū)動波形分析

為了滿足高速電磁閥在噴油過程中的響應(yīng)特性，實現(xiàn)噴油速率的靈活可調(diào)，理想噴油器驅(qū)動電路采用Peak & Hold驅(qū)動方式[10]，即在噴油器開啟階段對電磁閥線圈以盡可能快的速率注入峰值電流使其快速開啟，開啟后以較小的電流就可以維持其開啟的狀態(tài)。

為了實現(xiàn)這種理想驅(qū)動方式，設(shè)計了雙電壓雙邊驅(qū)動電路和高邊與低邊的噴油信號及產(chǎn)生的電磁線圈電流信號，如圖1所示。

在驅(qū)動信號作用下，噴油器開啟階段，高邊和低邊驅(qū)動管(M1和M2)同時打開，此時由高壓電源驅(qū)動，電流迅速增大到峰值，電磁閥快速開啟；打開之后通過零脈沖使電流回落，然后由低壓電源驅(qū)動，以一定占空比的PWM保持波維持打開狀態(tài)持續(xù)噴油，從而最終實現(xiàn)對噴油器驅(qū)動電流的Peak & Hold最佳控制。

低邊優(yōu)化波驅(qū)動信號由主脈沖、零脈沖和PWM保持波合成，驅(qū)動脈沖可由5個參數(shù)精確定義(見圖1)：Tm為主脈沖寬度；Ti為零脈寬，主脈沖與PWM保持波的間隔時間；Tp為PWM波持續(xù)時間；k為PWM波的頻率；f為PWM波的占空比。

本文中利用結(jié)構(gòu)體數(shù)組將多脈沖參數(shù)發(fā)送到eTPU參數(shù)存儲器中，多脈沖結(jié)構(gòu)體數(shù)組是由第1次噴射定時、第1次噴射脈寬、第1，2次噴油間隔、第2次噴油脈寬、第2，3次噴油間隔等依次組成。ETPU_C編譯器編譯命名為Multi_Pulse函數(shù)，根據(jù)主機(jī)CPU發(fā)送的結(jié)構(gòu)體數(shù)組，在eTPU中直接生成包含主脈寬、零脈寬和保持波的優(yōu)化波以驅(qū)動噴油器功率驅(qū)動模塊，實現(xiàn)靈活的多脈沖噴射。

2 主機(jī)CPU控制算法設(shè)計

本文中設(shè)計時僅對多脈沖的第1次噴射脈沖進(jìn)行定時中斷服務(wù)，而對于其它噴射脈沖的定時則根據(jù)瞬時轉(zhuǎn)速進(jìn)行定時角度-時間轉(zhuǎn)換，直接由定時器控制噴射定時?？刂扑惴ㄔO(shè)計時采用自定義的結(jié)構(gòu)體數(shù)組對噴油參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)建模，在油門位置采樣中斷中，控制系統(tǒng)根據(jù)發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷信息設(shè)定噴射次數(shù)、各噴射脈沖噴射定時和各噴射脈沖持續(xù)期，形成多次噴射參數(shù)的結(jié)構(gòu)體數(shù)組。然后經(jīng)過預(yù)處理和定時處理，最終形成多次噴射定時計數(shù)值數(shù)組。從預(yù)噴射定時角度中分離出預(yù)噴定時齒數(shù)，用于曲軸信號捕捉定時控制，預(yù)噴射定時計數(shù)值用于齒間角度的定時控制。

2.1 噴射過程時序

噴油時序由曲軸位置信號和凸輪軸位置信號確定，曲軸位置傳感器判斷曲軸的瞬時位置，決定噴油定時。試驗發(fā)動機(jī)的曲軸選用60-2齒形狀齒盤，凸輪選用6+1齒形盤，其中凸輪同步信號多齒所對應(yīng)的飛輪信號齒到第1缸壓縮上止點是88°CA，設(shè)為φ1，飛輪信號齒之間的角度是6°CA。噴油器打開后由于液力機(jī)械等響應(yīng)需要一個過程，因此不能立即噴油，該響應(yīng)過程稱為噴油延時，所使用的噴油器經(jīng)測量該延時為470ns，為了精確控制噴油定時，在計算噴油定時時須把該時間考慮在內(nèi)，設(shè)在某一瞬時轉(zhuǎn)速n下，該時間對應(yīng)的角度為φ2；設(shè)在某一工況下的噴油定時為φ3，則噴油過程的時序圖如圖2所示。

整個多脈沖噴射過程按下列流程進(jìn)行：

(1) 計算上一缸工作后某一定曲軸轉(zhuǎn)角內(nèi)的平均轉(zhuǎn)速作為角度-時間轉(zhuǎn)換時的瞬時轉(zhuǎn)速n；

(2) 根據(jù)發(fā)動機(jī)所處的工況，查找事先標(biāo)定好的噴油模式、噴油定時MAP、噴油量MAP和噴射壓力MAP，該噴油定時為φ3；噴油量為m，噴射壓力為p；

(3) 計算噴油延時所對應(yīng)的角度φ2；

(4) 計算φ4=φ1-φ2-φ3；

(5) 計算φ4所對應(yīng)的整數(shù)飛輪齒數(shù)Z及其對應(yīng)的余角φ5；

(6) 計算余角φ5在瞬時轉(zhuǎn)速n下對應(yīng)的時間t0；

(7) 計算噴油量為m，噴射壓力為p時對應(yīng)噴油脈寬t1；

(8) 由第1個脈沖的噴射定時、第2個脈沖的定時、第1個脈沖的脈寬以及瞬時轉(zhuǎn)速n，計算第1個脈沖結(jié)束后到第2個脈沖之間時間t2；同時計算第2次噴油量所對應(yīng)的脈寬t3；以此類推，計算其余脈沖所對應(yīng)的參數(shù)t4,t5,…,t2z-1；

(9) 由多脈沖功能所選用的時鐘頻率把t0,t1,…,t2z-1轉(zhuǎn)化為該時鐘頻率下的計數(shù)值X0,X1,…,X2z-1；

(10) 把X0,X1,…,X2z-1賦值給所定義的結(jié)構(gòu)體數(shù)組里，同時把該數(shù)組傳遞到eTPU中MP函數(shù)對應(yīng)的參數(shù)區(qū)中，供eTPU的微引擎調(diào)用；

(11) 由eTPU的輸入捕捉功能(IC)數(shù)齒，當(dāng)數(shù)到Z時，eTPU的微引擎向CPU提出服務(wù)請求要求響應(yīng)中斷，CPU中斷響應(yīng)向eTPU調(diào)度器發(fā)送主機(jī)服務(wù)請求，這樣就完成了一次中斷觸發(fā)多次噴射，其它各缸按照工作時序由凸輪同步信號觸發(fā)噴油。

2.2 基于結(jié)構(gòu)體數(shù)組的主機(jī)CPU多脈沖控制算法設(shè)計

要完成一次噴射，多脈沖優(yōu)化波MP(Multi_Pulse)函數(shù)要匹配兩個參數(shù)：第1個參數(shù)是噴射定時齒數(shù)余角所對應(yīng)的計數(shù)值；第2個參數(shù)是噴油脈寬所對應(yīng)計數(shù)值。而針對于多次噴射來說，決定第2次噴射的第1個參數(shù)是上次噴射結(jié)束到這次噴射開始之間的計數(shù)值，第2個參數(shù)是噴油脈寬對應(yīng)的計數(shù)值，以此類推，把決定每次噴射的參數(shù)傳遞給一個數(shù)組中，如圖3所示。在此基礎(chǔ)上建立一個和每個元素相對應(yīng)的引腳匹配狀態(tài)的結(jié)構(gòu)體數(shù)組，由CPU調(diào)用MP功能的API函數(shù)對eTPU中的數(shù)據(jù)共享存儲器中的對應(yīng)參數(shù)區(qū)進(jìn)行通道參數(shù)更新。最后由噴油控制中斷服務(wù)程序提出通道中斷服務(wù)請求，產(chǎn)生多次噴油驅(qū)動信號，完成對燃油噴射系統(tǒng)噴油速率的控制，這樣一次中斷即可完成多次噴射的功能。

對于多缸發(fā)動機(jī)多脈沖噴射來說，定義一個m0×2n0(m0為缸數(shù)，n0為噴射次數(shù))二維結(jié)構(gòu)體數(shù)組，查詢MAP，把噴射次數(shù)及每次噴射的定時和油量，經(jīng)過運算轉(zhuǎn)換為計數(shù)值，然后賦給該數(shù)組的對應(yīng)元素。

3 基于eTPU多脈沖優(yōu)化波處理算法

eTPU是高性能微控制器中智能化協(xié)處理器，可利用C語言進(jìn)行編程，使用Byte Craft編譯器編譯產(chǎn)生二進(jìn)制代碼下載到其SCM區(qū)中，由主CPU初始化啟動后可自行運行[11-12]。eTPU函數(shù)設(shè)計目標(biāo)就是把eTPU結(jié)構(gòu)特點和編譯器的C語言的要求協(xié)調(diào)起來，處理好主機(jī)和eTPU的交互。

進(jìn)行eTPU函數(shù)編程的關(guān)鍵首先是確定進(jìn)入通道的哪個線程，也即程序入口地址信息向量表，而線程是由線程通道模式、通道狀態(tài)、主機(jī)服務(wù)請求、匹配捕獲時序和標(biāo)示符等激活，并且線程的激活唯一；然后在線程里編輯相應(yīng)的程序，實現(xiàn)相應(yīng)的功能，線程的代碼放置在與其中語句相匹配的程序入口地址信息向量表對應(yīng)的存儲器。

利用eTPU_C開發(fā)了多脈沖MP函數(shù)，其基本思想是：利用兩個定時匹配寄存器，通過從參數(shù)存儲器中讀取參數(shù)后，根據(jù)主脈寬Tm、零脈寬Ti和保持波Tp(k,f)對應(yīng)的時鐘計數(shù)值，當(dāng)匹配寄存器的計數(shù)值與設(shè)定值匹配時，便輸出相應(yīng)的高電平或?qū)㈦娖嚼?。多脈沖MP函數(shù)由初始化線程(噴油定時線程)、主脈沖線程模塊、零脈寬線程、保持波上升沿線程、保持波下降沿線程模塊、多次噴射線程(噴油間隔線程)和錯誤處理線程組成，其中噴油定時線程(初始化線程)的流程圖見圖4,主脈沖線程見圖5。

初始化線程(噴油定時線程)是由主機(jī)服務(wù)請求引起的調(diào)度器響應(yīng)，在線程下設(shè)置通道模式和線程標(biāo)示符，讀取結(jié)構(gòu)體數(shù)組X0值并賦給匹配寄存器B，這樣在匹配寄存器B匹配時對應(yīng)的噴油器的驅(qū)動引腳輸出高電平，并且激活調(diào)度器進(jìn)入主脈寬線程模塊進(jìn)行相應(yīng)的操作。

主脈沖線程模塊是匹配寄存器B與噴油定時計數(shù)值X0匹配時引起的線程，在該線程下，讀取結(jié)構(gòu)體數(shù)組X1，X1即為第1次脈沖噴射持續(xù)期，并賦值給變量Inject_Hold_Dwell，將主脈寬計數(shù)值賦值給匹配寄存器A,這樣在匹配寄存器A匹配時對應(yīng)的噴油器的驅(qū)動引腳輸出低電平，并且激活調(diào)度器已進(jìn)入零脈寬線程模塊進(jìn)行相應(yīng)的操作。

上面是單次噴射時，eTPU根據(jù)主CPU發(fā)送的數(shù)組生成主脈寬、零脈寬和保持波的進(jìn)程代碼，若是多次脈沖噴射，與之類似，eTPU微引擎繼續(xù)讀取余下的參數(shù)，對匹配寄存器繼續(xù)相應(yīng)的賦值來確定噴油間隔、持續(xù)期，以及在持續(xù)期內(nèi)的主脈寬、零脈寬和保持波參數(shù)，同時設(shè)置進(jìn)程標(biāo)識符flag0和flag1來確定調(diào)度器每一次的調(diào)度進(jìn)入唯一確定的進(jìn)程代碼存儲器。

在多脈沖噴射時，結(jié)構(gòu)體數(shù)組X1經(jīng)變量Inject_Hold_Dwell分割給主脈寬、零脈寬和保持波完成一次噴射后，經(jīng)地址指針繼續(xù)讀下一個數(shù)組，若地址指針指向尾地址則噴射結(jié)束，否則仍有數(shù)值比如(X2,X3)，則X2為第1次、第2次噴油間隔，X3為第2次噴油持續(xù)期。在噴油間隔線程，X2賦值給匹配寄存器B，匹配寄存器B匹配時對應(yīng)的噴油器的驅(qū)動引腳輸出高電平，并且激活調(diào)度器已進(jìn)入主脈寬線程模塊進(jìn)行相應(yīng)的操作。如此依次讀取數(shù)組并賦值給相應(yīng)的寄存器或變量，完成多脈沖噴射的信號輸出。

eTPU成功讀取(X2,X3)數(shù)據(jù)后，將X2賦值給匹配寄存器B，當(dāng)寄存器匹配時將時對應(yīng)的噴油器的驅(qū)動引腳輸出高電平，并且激活調(diào)度器已進(jìn)入主脈寬線程模塊進(jìn)行相應(yīng)的操作。X3也被分割為主脈寬、零脈寬和保持波3部分。

Main_time，Zero_Time，Keep_H_Time，Keep_L_Time是根據(jù)主脈寬Tm、零脈寬Ti和保持波Tp(k,f)確定的時鐘計數(shù)值，可以根據(jù)需要靈活調(diào)整優(yōu)化，以實現(xiàn)主脈寬、零脈寬和保持波周期及占空比的靈活調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)對噴油器電磁閥的快速打開和及時關(guān)閉。

4 多脈沖噴射試驗

在EFS高壓共軌油泵試驗臺上試驗，在噴射壓力為160MPa、5次脈沖噴射(設(shè)計10次噴射，而EFS只能進(jìn)行5次噴射測試)、噴射間隔為15°CA(n=1 300r/min)、總油量為63mg時，調(diào)制出均衡式、遞增式、駝峰式、遞減式和交錯式的噴油模式，如圖6所示。測試結(jié)果表明，脈沖噴射次數(shù)、脈寬、噴射間隔、脈沖噴射定時和主噴定時可以靈活調(diào)節(jié)，可以根據(jù)試驗需要調(diào)制成不同噴射次數(shù)、不同噴油速率和不同噴油量的噴油模式。

為實現(xiàn)低溫預(yù)混燃燒，在六缸高壓共軌柴油機(jī)臺架上進(jìn)行了上述5種典型的噴油模式的試驗研究。試驗時，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1 300r/min，進(jìn)氣溫度均為298K,進(jìn)氣壓力為0.147MPa，所有工況點都具有相同的總噴射油量63mg左右。圖7為第1次噴油定時75°CA BTDC時不同噴油模式對放熱率的影響。由圖可見：調(diào)制的多脈沖噴油模式在25°CA BTDC附近，預(yù)混合氣的低溫自燃反應(yīng)就開始進(jìn)行，冷熱焰的位置基本相同；但由于脈沖噴油規(guī)律不同，脈沖噴油和空氣混合情況有很大差別，預(yù)混合氣具有不同特性，從而使它們著火時刻和燃燒速度大不相同，即噴油模式的調(diào)制影響了預(yù)混合氣形成過程，進(jìn)而影響了預(yù)混燃燒放熱過程。調(diào)制多脈沖噴油模式在發(fā)動機(jī)臺架上的試驗結(jié)果表明，調(diào)制噴油模式可以柔性控制預(yù)混合氣的形成過程，進(jìn)而實現(xiàn)可控的預(yù)混燃燒過程，噴油定時、噴油間隔和噴油模式在著火和放熱速率控制方面有著極其重要的作用，也表明了本文基于eTPU開發(fā)的多脈沖驅(qū)動信號可以實現(xiàn)不同噴油模式的靈活調(diào)制和自由切換。

5 結(jié)論

基于eTPU開發(fā)的多脈沖MP(Multi_Pulse)算法，在沒有CPU參與的情況下，可以靈活調(diào)制多脈沖的定時、脈寬、間隔和次數(shù)，準(zhǔn)確地控制每次噴油的主脈寬、零脈寬和保持波占空比，實現(xiàn)了對發(fā)動機(jī)燃油系統(tǒng)的靈活控制和不同的燃油噴射模式靈活切換。

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Design of Multi-pulse Fuel Injection Control System for HighPressure Common Rail Diesel Engine Based on eTPU

Chen Liyong1,2, Piao Youzhe1& Su Wanhua1

1.TianjinUniversity,StateKeyLaboratoryofEngines,Tianjin300072; 2.DepartmentofMechanicalandElectronicEngineering,ZhengzhouInstituteofAeronauticalIndustryManagement,Zhengzhou450015

An eTPU coprocessor-based multi-pulse fuel injection control system and its corresponding algorithm based on structure array are designed, and the multi-purse injection tests on both EFS fuel pump tester and engine test bench are conducted. The results show that the multi-pulse injection control system designed fulfills the function of triggering up to 10 injections in an interrupt, with the number and interval of injection and purse width adjustable independently, forming a modulable multi-pulse injection mode, which gives full play the powerful timing processing capabilities of eTPU and reduces the burdens on CPU and other peripheral devices.

high-pressure common-rail diesel engine; multi-pulse fuel injection; eTPU; structure array

*國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃(973)項目(2007CB210001)和國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863)項目(2012AA111714)資助。

原稿收到日期為2013年12月16日，修改稿收到日期為2014年3月4日。