柴油机高压共轨系统ECU的设计(1)

30󰀁󰀁EIC󰀁Vo.l17󰀁2010󰀁No.5欢迎光临本刊网站http://www.eic.com.cndo:i10.3969/.jissn.1671󰀁1041.2010.05.016柴油机高压共轨系统ECU的设计张󰀁俊1,王󰀁孝2(1.中北大学,太原030051;2.中国北方发动机研究所,大同037036)摘要:本文首先介绍了最具代表性的Bosch公司的高压共轨系统,据此进行了电控系统的软硬件设计和控制策略设计,通过试验,达到了预期的设计效果。关键词:ECU;高压共轨系统中图分类号:TK421󰀁󰀁文献标志码:ADesignforECUofhighpressurecommonrailsystemfordieselZHANGJun1,WANGXiao2(1.NorthUniversityofChina,Taiyuan030051,China;2.ChinaNorthEngineResearchInstitute,Datong037036,China)Abstrac:tThispaperdescribesthemostrepresentativeofthecompany'shigh󰀁pressureBoschcommonrailsystem.Accordingtotheelectroniccontrolsystemdesignsoftwareandhardwaredesignandcontrolstrate󰀁gy.Theexpermien,ttoachievethedesireddesigneffec.tKeywords:ECU;highpressurecommonrailsystem0󰀁引言世界性大公司竞相研究开发和生产共轨燃油喷射系统,但其基本原理大同小异。高压共轨燃油喷射系统最具有代表性的产品有日本电装公司的ECD󰀁U2系统、博世公司的第三代CR系统和原来意大利Fiat公司Unijet共轨系统、美国德尔福公司的DCR系统、德国的TU4000高压共轨系统[1]。为了介绍的方便,现以博世公司的第三代CR系统为例介绍共轨系统的组成。博世公司的柴油机燃油喷射系统第三代CR系统于2004年投入应用,其共轨系统中的关键部件如图1所示[2],该系统的高压油压供油泵为带有电控压力调节器的径向柱塞泵,最大供油量约为330mm3/st,油泵最高转速可达4000r/min,能够实现部分停缸控制,由此可以降低低压时的功率消耗,共轨内压力可在15~160MPa范围内自由调节,能成功地实现喷油率、预喷射和多次喷射。Bosch公司的高压共轨系统的主要零部件包括:1、供油泵2、燃油滤清器3、高压油泵4、公共油轨5、轨压传感器6、喷油嘴7、笔式加热塞、8、加热时间控制单元9、ECU10、速度传感器11、相位传感器12、加速脚踏板13、增压压力传感器14、空气温度传感器15、发动机冷却水传感器16、空气流量传感器17、高压连接管。

图1󰀁Bosch第三代CR系统高压共轨式燃油喷射系统主要由高压油泵、油轨(公共供油管)、喷油器、电控单元(ECU)和一些管道压力传感器组成,系统中的每一个喷油器通过各自的高压油管与公共供油管相连,公共供油管对喷油器起到液力蓄压作用[3]。工作时,高压油泵将高压燃油输送到公共供油管,高压油泵、压力传感器和ECU组成闭环控制系统,对公共供油管内的油压实现精确控制,彻底克服了供油压力随发动机转速变化而变化的缺陷。其主要特点有以下三个方面:1)喷油正时与燃油计量完全分开,喷油压力和喷油过程由ECU实时控制。2)可依据发动机工作状况去调整各缸喷油压力、喷油始点和持续时间,从而实现最佳的喷油控制。3)能实现很高的喷油压力,并能实现柴油的预喷射。这一项柴油发动机控制技术的创新最大限度地降低了柴油发动机车的振动和噪声,同时将油耗进一步降低,也使排放更加清洁环保。1󰀁系统总体设计高压共轨柴油机电控单元(ECU)主要有五个模块组成:MCU模块、电源管理模块、输入电路模块、输出驱动模块和通信模块等。如图2所示[4]。

图2󰀁ECU系统结构框图柴油电控单元(ECU)主要任务是对燃油喷射系统进行计算机实时控制,实现喷油量、喷油正时、喷油率与喷油压力随柴油机工况变化而改变。它利用转速、脚踏板位置传感器(负荷)、温度、压力等传感器,将实时检测到的信号输入计算机处理单元,与标定好的数据图谱(MAP)进行比较,计算出最佳值,实现对轨压、喷油泵、喷油器、废气再循环(EGR)等执行机构进行控制,并能通过通讯模块与整车管理系统(EMS)传输有关信息,使柴油机发动机处于最佳运行状态[5]。󰀁科研设计成果󰀁仪器仪表用户欢迎订阅欢迎撰稿欢迎发布产品广告信息EIC󰀁Vo.l17󰀁2010󰀁No.5󰀁31󰀁2󰀁系统硬件设计根据ECU系统的需要,选用Freescale公司的MPC564微处理器作为电控单元的CPU[6],它是基于32位的PowerPC内核的RISC处理器(RCPU),内部模块接口通过共用的内部总线相连接,它具有高性能的数据处理能力和强大功能的外围子系统。电源管理的主体是稳压电源,ECU中的电源信号主要是蓄电池供给ECU单元的工作电压信号、主控电路板各芯片供电和ECU供给各传感器的工作电压信号,样车电瓶电源提供ECU的工作电压为12V,MCU的工作电压为5.0V和2.6V,外部FLASH的工作电压为3.3V,各传感器的工作电压为5V。输入电路模块主要分为模拟信号输入、开关信号输入和频率信号输入;输出电路模块主要有功率输出部分,包括电压提升模块、电压切换模块和喷油器驱动模块、共轨压力调节电磁阀、EGR阀、燃油加热以及一些继电器驱动模块等。在微控制器MPC564中集成了3个TouCAN控制器模块,外围加一些简单的驱动电路就可以构成一个通讯节点,实现MCU与车载的其它CAN总线节点或者其它网络节点通讯,CAN收发器选择Philips公司的TJA1050[7],其是控制器区域网络(CAN)协议控制器和物理总线之间的接口,可以为总线提供差动发送性能,为CAN控制器提供差动接收性能。3󰀁系统控制策略输出量直接或间接地反馈到输入端,形成闭环参与控制的系统称为闭环控制系统,因为闭环系统是建立在反馈原理基础之上的,也叫反馈控制系统,利用输出量与期望值的偏差对系统进行控制,可获得较好的控制性能。如图3所示。图3󰀁闭环控制闭环控制系统突出的优点是精度高,不管什么干扰只要受控量的实际值偏离给定值,闭环控制就会产生控制作用来减少这一偏差。柴油机共轨燃油喷射系统的闭环控制是一个实时的氧传感器、微处理器和燃油量控制装置三者之间闭合的三角关系。微处理器通过氧传感器采集到混合气的空燃比情况,微处理器发出命令给燃油量控制装置,向理论值的方向调整空燃比(14.3󰀁1)。这一调整经常会超过一点理论值,氧传感器采集出来后,并送至微处理器,微处理器再发出命令调回到14.3󰀁1。因为每一个调整的循环都很快,所以空燃比不会偏离14.3󰀁1过多,一旦运行,这种闭环调整就不断进行。采用闭环控制的电喷柴油机,由于能使柴油机始终在较理想的工况下运行(空燃比偏离理论值不会太多),从而能保证柴油车不仅具有较好的动力性能,还有较好的节能效果。4󰀁系统软件设计电控单元的控制软件是系统核心。它将发动机模型、控制算法以及整个硬件系统资源连接在一起实现控制功能。图4是电控单元软件控制主流程。电控系统在上电复位后首先进行初始化操作。初始化包括对中断的安排、堆栈的安排、状态变量的初始化,各种软件标志的初始化、系统时钟的初始化、各种变量存储单元初始化等[8]。图4󰀁ECU软件主流程图5󰀁结论柴油机电控燃油喷射系统的研究与设计是一项很大的工程,在借鉴BOSCH电控燃油喷射系统的基础之上,仔细研究并自主设计了柴油机高压共轨燃油喷射系统的电控单元。本论文设计了电控系统的硬件系统、底层软件、以及控制策略,该基于自主开发的电控系统,通过试验,实现了部分功能的标定,达到了设计的要求。󰀁参考文献[1]肖文雍,杨林,梁锋.GD󰀁1高压共轨式电控柴油机燃油喷压力控制策略的研究[J].内燃机学报,2004,(3):235󰀁239.[2]余志生.汽车理论[M].北京:机械工业出版社,2003:60󰀁90.[3]PaoloLino,BrunoMaione,AlessandroRizzo.Nonlinearmodellingandcontrolofacommonrailinjectionsystemfordieselengines.AppliedMathematicalModelling.2007:1770-1784.[4]徐家龙.柴油机电控喷油技术[M].北京人民交通出版社,2004:174-183.[5]张震,谢辉,苏万华.高压共轨柴油机32位电控单元及其可靠性设计[J].内燃机学报,2002,20(2):95󰀁98.[6]徐清,王宜怀.嵌入式微控制器MC68HC912B32背景调试模式设计.综合电子论坛.http://www.avrw.com/article/art_104_4740.htm.[7]饶运涛,邹继军,王进宏,等.现场总线CAN原理与应用技术(第2版)[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007:80󰀁120.[8]谭浩强.C程序设计[M].北京:清华大学出版社,1991:120󰀁152.作者简介:张俊(1984󰀁),男,硕士生,主要从事柴油机电控技术开发;王孝,男,研究员,从事柴油机电控技术开发。收稿日期:2010󰀁04󰀁22仪器仪表用户󰀁科研设计成果󰀁