基于高壓共軌柴油發動機控制器研究

于正同，郝建，時培燕

（中航工業西安航空計算技術研究所，陜西 西安 710119）

基于高壓共軌柴油發動機控制器研究

于正同，郝建，時培燕

（中航工業西安航空計算技術研究所，陜西 西安 710119）

簡要介紹高壓共軌系統的優點和高壓共軌控制器硬件；從發動機起動工況、怠速工況和調速工況等控制，分析其軟件控制策略；通過發動機臺架起動試驗，論證高壓共軌柴油發動機控制器的可行性。

高壓共軌；發動機；控制策略

隨著中國對汽車排放法規要求越來越嚴［1］，傳統的機械式柴油發動機已經遠遠滿足不了要求。高壓共軌柴油發動機通過對噴油壓力、噴油時刻、噴油量、噴油次數實現精確控制，讓發動機工作處于最佳工作狀態，從而實現發動機排放特性、經濟性和動力性不斷提高。高壓共軌柴油發動機控制器成本一般在2 000元到3 000元，當前越來越多的柴油動機生產廠家采用高壓共軌控制系統。

1 高壓共軌系統優點

柴油機共軌式電控燃油噴射技術是一種全新的技術，它集成了計算機控制技術、現代傳感檢測技術以及先進的噴油結構于一身。它不僅能達到較高的噴射壓力、實現噴射壓力和噴油量的控制，而且能實現預噴、主噴和后噴，從而優化噴油特性形狀，降低柴油機噪聲和大大減少廢氣的排放量。該技術的優點主要體現在以下4點。

1）采用先進的電子控制裝置及配有高速電磁開關閥，使得噴油過程的控制十分方便，并且可控參數多，益于柴油機燃燒過程的全程優化。

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

3）高速電磁開關閥頻響高，控制靈活，使得噴油系統的噴射壓力可調范圍大，并且能方便地實現預噴射、后噴等功能，為優化柴油機噴油規律、改善其性能和降低廢氣排放提供了有效手段。

4）系統結構移植方便，適應范圍寬，不像其它的幾種電控噴油系統，對柴油機的結構形式有專門要求；高壓共軌系統均能與目前的小型、中型及重型柴油機很好匹配。

2 高壓共軌控制器硬件

高壓共軌控制器ECU的硬件設計遵循模塊化設計的原則，使設計、調試、修改整個過程簡潔明了。ECU硬件主要包括：CPU模塊、數字信號調理電路、模擬量信號調理電路接口、頻率信號調理電路、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內核內部模塊接口，通過共用的內部總線相連接，它具有高性能的數據處理能力和強大功能的外圍子系統。通過采集發動機曲軸和凸輪信號、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，然后通過驅動電路對噴油器和油量計量閥進行驅動，通過CAN總線與整車通信，實現診斷和標定功能［2］。

3 系統軟件設計

電控單元的控制軟件是系統核心，它將發動機模型、控制算法以及整個硬件系統資源連接在一起，實現控制功能。ECU控制器的整個軟件系統模型共分基礎層、支撐層和應用層3層。

基礎層包括硬件接口驅動軟件和硬件內部資源驅動軟件。硬件接口驅動軟件封裝了對發動機上各種執行器的驅動；硬件內部資源驅動軟件主要封裝了硬件平臺中微控制器的各個功能模塊，如數據數模轉換、通信總線、微控制器等。

支撐層主要集中了應用軟件各組件所用到的公共部分。通信軟件主要提供ECU控制器與車身網絡中其他電子控制單元進行通信的協議和服務。

應用軟件主要是完成高壓共軌發動機控制策略。完成發動機起動工況，怠速控制，調速工況控制。

3.1 起動工況控制

柴油機起動是一個瞬態動態響應過程［3］。起動是指從駕駛員擰動點火鑰匙使起動機拖動發動機轉動，一直到發動機開始著火燃燒，轉速上升到起動結束轉速的這一過程。當車輛發動機靜置了較長時間，發動機溫度已經與外界環境溫度一致，此時如果起動發動機稱之為冷起動。

起動工況所采用的控制策略是在一定轉速以前采用開環控制，即噴油量和噴油角度固定，當發動機轉速達到一定轉速后進入閉環控制。在進入閉環過程中，起動控制需求轉矩主要受發動機轉速和冷卻液的影響，在發動機轉速低時需求轉矩大，噴油量大，隨著發動機轉速提高需求轉矩減小，發動機噴油量隨之逐漸減少直到怠速轉速；冷起動功能模塊根據發動機水溫和進氣溫度確定增加補償噴油量。

柴油發動機機起動過程由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，迅速建立發動機軌壓，但是發動機沒有噴油量；第2階段是發動機開始噴油，噴油量固定，發動機轉速迅速上升，發動機脫離起動機；第3階段是發動機大于一定轉速后，進入閉環控制，保證發動機轉速從起動工況向怠速工況的平穩過渡［4］。

3.2 怠速控制

怠速控制的主要目的是讓發動機保持一個比較低且穩定的轉速，對于柴油發動機一般是700～900r／min。影響發動機怠速轉速的主要因素為水溫變化和進氣溫度變化。怠速工況所用的控制策略是用的比較傳統PID閉環算法。PID算法主要缺點是調節時間長，同時也容易產生超調。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。

怠速控制主要根據水溫和空調開關狀態確定目標怠速。根據發動機其他負載計算出相應的轉矩，與怠速轉矩之和作為前饋目標轉矩。反饋控制以PI控制為主，同時進行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，當發動機負載變化時，前饋轉矩值會迅速進行補償，需要反饋參與調節的量很小，不致引起大的轉速波動；當轉速從起動過渡到怠速或者從高速回到怠速時，轉速偏差大引起的過大積分調節量會被微分調節量所抑制，從而有效防止轉速超調，使過渡平緩。整個怠速控制的邏輯如圖3所示。

3.3 調速控制

對于發動機的狀態而言，可以將起動和怠速以外的所有正常運行過程都劃歸調速狀態。因此調速狀態控制是發動機整機控制的核心之一。

調速過程的轉矩控制與轉矩協調模塊密不可分。根據調速控制得到的基本轉矩，最終必須滿足轉矩協調模塊的要求，才能用于后續的噴射驅動中。因此可以將轉矩協調部分作為調速控制的一個部分來看待。這樣調速狀態的轉矩控制既包括根據駕駛需求確定基本需求轉矩的過程，也包括考慮排放、經濟性、舒適性的要求對基本需求轉矩進行修正得到目標需求轉矩的過程。在噴油系統常用的有兩級和全程兩種調速特性，它們各有優缺點。在電控噴射系統中可以根據發動機性能的需求靈活設計調速特性。

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）的高壓工況柴油發動機，發動機臺架系統采用AVL型號S22-4／0934-1BS-1。通過發動機調速特性試驗，完成對自主發動機控制器測試，試驗結果如圖4所示。分別做了油門開度為20%，40%，60%，80%和100%的調速特性試驗，發動機在油門開度100%時轉矩達到最大，在轉速1400r／min時，達到最大轉矩670Nm。隨著油門開度降低，發動機輸出轉矩也降低，并且曲線符合兩極轉速調節控制規律。

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，主要從事發動機控制方向的研究。