基于高壓共軌柴油發(fā)動機(jī)控制器研究

于正同，郝建，時培燕

（中航工業(yè)西安航空計算技術(shù)研究所，陜西 西安 710119）

基于高壓共軌柴油發(fā)動機(jī)控制器研究

于正同，郝建，時培燕

（中航工業(yè)西安航空計算技術(shù)研究所，陜西 西安 710119）

簡要介紹高壓共軌系統(tǒng)的優(yōu)點和高壓共軌控制器硬件；從發(fā)動機(jī)起動工況、怠速工況和調(diào)速工況等控制，分析其軟件控制策略；通過發(fā)動機(jī)臺架起動試驗，論證高壓共軌柴油發(fā)動機(jī)控制器的可行性。

高壓共軌；發(fā)動機(jī)；控制策略

隨著中國對汽車排放法規(guī)要求越來越嚴(yán)［1］，傳統(tǒng)的機(jī)械式柴油發(fā)動機(jī)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了要求。高壓共軌柴油發(fā)動機(jī)通過對噴油壓力、噴油時刻、噴油量、噴油次數(shù)實現(xiàn)精確控制，讓發(fā)動機(jī)工作處于最佳工作狀態(tài)，從而實現(xiàn)發(fā)動機(jī)排放特性、經(jīng)濟(jì)性和動力性不斷提高。高壓共軌柴油發(fā)動機(jī)控制器成本一般在2 000元到3 000元，當(dāng)前越來越多的柴油動機(jī)生產(chǎn)廠家采用高壓共軌控制系統(tǒng)。

1 高壓共軌系統(tǒng)優(yōu)點

柴油機(jī)共軌式電控燃油噴射技術(shù)是一種全新的技術(shù)，它集成了計算機(jī)控制技術(shù)、現(xiàn)代傳感檢測技術(shù)以及先進(jìn)的噴油結(jié)構(gòu)于一身。它不僅能達(dá)到較高的噴射壓力、實現(xiàn)噴射壓力和噴油量的控制，而且能實現(xiàn)預(yù)噴、主噴和后噴，從而優(yōu)化噴油特性形狀，降低柴油機(jī)噪聲和大大減少廢氣的排放量。該技術(shù)的優(yōu)點主要體現(xiàn)在以下4點。

1）采用先進(jìn)的電子控制裝置及配有高速電磁開關(guān)閥，使得噴油過程的控制十分方便，并且可控參數(shù)多，益于柴油機(jī)燃燒過程的全程優(yōu)化。

2）采用共軌方式供油，噴油系統(tǒng)壓力波動小，各噴油器間相互影響小，噴射壓力控制精度較高，噴油量控制較準(zhǔn)確。

3）高速電磁開關(guān)閥頻響高，控制靈活，使得噴油系統(tǒng)的噴射壓力可調(diào)范圍大，并且能方便地實現(xiàn)預(yù)噴射、后噴等功能，為優(yōu)化柴油機(jī)噴油規(guī)律、改善其性能和降低廢氣排放提供了有效手段。

4）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)移植方便，適應(yīng)范圍寬，不像其它的幾種電控噴油系統(tǒng)，對柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)形式有專門要求；高壓共軌系統(tǒng)均能與目前的小型、中型及重型柴油機(jī)很好匹配。

2 高壓共軌控制器硬件

高壓共軌控制器ECU的硬件設(shè)計遵循模塊化設(shè)計的原則，使設(shè)計、調(diào)試、修改整個過程簡潔明了。ECU硬件主要包括：CPU模塊、數(shù)字信號調(diào)理電路、模擬量信號調(diào)理電路接口、頻率信號調(diào)理電路、電源模塊，如圖1所示。處理器選用Freescale公司的MPC55XX系列，它是基于32位的PowerPC內(nèi)核內(nèi)部模塊接口，通過共用的內(nèi)部總線相連接，它具有高性能的數(shù)據(jù)處理能力和強(qiáng)大功能的外圍子系統(tǒng)。通過采集發(fā)動機(jī)曲軸和凸輪信號、模擬量信號和離散量信號，并通過一定的控制策略，計算出噴油量和有軌壓力，然后通過驅(qū)動電路對噴油器和油量計量閥進(jìn)行驅(qū)動，通過CAN總線與整車通信，實現(xiàn)診斷和標(biāo)定功能［2］。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

電控單元的控制軟件是系統(tǒng)核心，它將發(fā)動機(jī)模型、控制算法以及整個硬件系統(tǒng)資源連接在一起，實現(xiàn)控制功能。ECU控制器的整個軟件系統(tǒng)模型共分基礎(chǔ)層、支撐層和應(yīng)用層3層。

基礎(chǔ)層包括硬件接口驅(qū)動軟件和硬件內(nèi)部資源驅(qū)動軟件。硬件接口驅(qū)動軟件封裝了對發(fā)動機(jī)上各種執(zhí)行器的驅(qū)動；硬件內(nèi)部資源驅(qū)動軟件主要封裝了硬件平臺中微控制器的各個功能模塊，如數(shù)據(jù)數(shù)模轉(zhuǎn)換、通信總線、微控制器等。

支撐層主要集中了應(yīng)用軟件各組件所用到的公共部分。通信軟件主要提供ECU控制器與車身網(wǎng)絡(luò)中其他電子控制單元進(jìn)行通信的協(xié)議和服務(wù)。

應(yīng)用軟件主要是完成高壓共軌發(fā)動機(jī)控制策略。完成發(fā)動機(jī)起動工況，怠速控制，調(diào)速工況控制。

3.1 起動工況控制

柴油機(jī)起動是一個瞬態(tài)動態(tài)響應(yīng)過程［3］。起動是指從駕駛員擰動點火鑰匙使起動機(jī)拖動發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)動，一直到發(fā)動機(jī)開始著火燃燒，轉(zhuǎn)速上升到起動結(jié)束轉(zhuǎn)速的這一過程。當(dāng)車輛發(fā)動機(jī)靜置了較長時間，發(fā)動機(jī)溫度已經(jīng)與外界環(huán)境溫度一致，此時如果起動發(fā)動機(jī)稱之為冷起動。

起動工況所采用的控制策略是在一定轉(zhuǎn)速以前采用開環(huán)控制，即噴油量和噴油角度固定，當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定轉(zhuǎn)速后進(jìn)入閉環(huán)控制。在進(jìn)入閉環(huán)過程中，起動控制需求轉(zhuǎn)矩主要受發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和冷卻液的影響，在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速低時需求轉(zhuǎn)矩大，噴油量大，隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速提高需求轉(zhuǎn)矩減小，發(fā)動機(jī)噴油量隨之逐漸減少直到怠速轉(zhuǎn)速；冷起動功能模塊根據(jù)發(fā)動機(jī)水溫和進(jìn)氣溫度確定增加補(bǔ)償噴油量。

柴油發(fā)動機(jī)機(jī)起動過程由3個階段組成，如圖2所示。第1階段控制策略是檢測到曲軸和凸輪信號，迅速建立發(fā)動機(jī)軌壓，但是發(fā)動機(jī)沒有噴油量；第2階段是發(fā)動機(jī)開始噴油，噴油量固定，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速迅速上升，發(fā)動機(jī)脫離起動機(jī)；第3階段是發(fā)動機(jī)大于一定轉(zhuǎn)速后，進(jìn)入閉環(huán)控制，保證發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速從起動工況向怠速工況的平穩(wěn)過渡［4］。

3.2 怠速控制

怠速控制的主要目的是讓發(fā)動機(jī)保持一個比較低且穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速，對于柴油發(fā)動機(jī)一般是700～900r／min。影響發(fā)動機(jī)怠速轉(zhuǎn)速的主要因素為水溫變化和進(jìn)氣溫度變化。怠速工況所用的控制策略是用的比較傳統(tǒng)PID閉環(huán)算法。PID算法主要缺點是調(diào)節(jié)時間長，同時也容易產(chǎn)生超調(diào)。為克服這一問題采用了“前饋＋反饋”的控制方法，并且在反饋控制中同時采用了PI控制與PD控制。

怠速控制主要根據(jù)水溫和空調(diào)開關(guān)狀態(tài)確定目標(biāo)怠速。根據(jù)發(fā)動機(jī)其他負(fù)載計算出相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩，與怠速轉(zhuǎn)矩之和作為前饋目標(biāo)轉(zhuǎn)矩。反饋控制以PI控制為主，同時進(jìn)行PD控制油量，并且將微分控制量作為積分控制量的上下限值。采用這樣的控制流程，當(dāng)發(fā)動機(jī)負(fù)載變化時，前饋轉(zhuǎn)矩值會迅速進(jìn)行補(bǔ)償，需要反饋參與調(diào)節(jié)的量很小，不致引起大的轉(zhuǎn)速波動；當(dāng)轉(zhuǎn)速從起動過渡到怠速或者從高速回到怠速時，轉(zhuǎn)速偏差大引起的過大積分調(diào)節(jié)量會被微分調(diào)節(jié)量所抑制，從而有效防止轉(zhuǎn)速超調(diào)，使過渡平緩。整個怠速控制的邏輯如圖3所示。

3.3 調(diào)速控制

對于發(fā)動機(jī)的狀態(tài)而言，可以將起動和怠速以外的所有正常運行過程都劃歸調(diào)速狀態(tài)。因此調(diào)速狀態(tài)控制是發(fā)動機(jī)整機(jī)控制的核心之一。

調(diào)速過程的轉(zhuǎn)矩控制與轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)模塊密不可分。根據(jù)調(diào)速控制得到的基本轉(zhuǎn)矩，最終必須滿足轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)模塊的要求，才能用于后續(xù)的噴射驅(qū)動中。因此可以將轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)部分作為調(diào)速控制的一個部分來看待。這樣調(diào)速狀態(tài)的轉(zhuǎn)矩控制既包括根據(jù)駕駛需求確定基本需求轉(zhuǎn)矩的過程，也包括考慮排放、經(jīng)濟(jì)性、舒適性的要求對基本需求轉(zhuǎn)矩進(jìn)行修正得到目標(biāo)需求轉(zhuǎn)矩的過程。在噴油系統(tǒng)常用的有兩級和全程兩種調(diào)速特性，它們各有優(yōu)缺點。在電控噴射系統(tǒng)中可以根據(jù)發(fā)動機(jī)性能的需求靈活設(shè)計調(diào)速特性。

4 試驗驗證

臺架試驗基于一款排量為4.5L、最大輸出功率為147 kW（200馬力）的高壓工況柴油發(fā)動機(jī)，發(fā)動機(jī)臺架系統(tǒng)采用AVL型號S22-4／0934-1BS-1。通過發(fā)動機(jī)調(diào)速特性試驗，完成對自主發(fā)動機(jī)控制器測試，試驗結(jié)果如圖4所示。分別做了油門開度為20%，40%，60%，80%和100%的調(diào)速特性試驗，發(fā)動機(jī)在油門開度100%時轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大，在轉(zhuǎn)速1400r／min時，達(dá)到最大轉(zhuǎn)矩670Nm。隨著油門開度降低，發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩也降低，并且曲線符合兩極轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制規(guī)律。

Research on High Pressure Common Rail Diesel Engine Controller

YU Zheng-tong，HAO Jian，SHI Pei-yan
（AVIC Xi'an Aviation Technical Center，Xi'an 710119，China）

This article briefly introduces advantages of the high pressure common rail system and hardware of its engine controller.Then the software control strategy is analyzed based on engine starting condition，idle speed and speed control mode，then the feasibility of the high pressure common rail diesel engine controller is demonstrated through the engine bench test.

high pressure common rail；engine；control strategy

U463.6

A

1003－8639（2016）04－0016－02

2015-11-08；

2015-12-21

于正同（1983-），男，江蘇鹽城人，工程師，主要從事發(fā)動機(jī)控制方向的研究。