摘 要

面对日益严重的能源危机和环境污染，全世界人们的环保意识越来越强。随着排放法规的日益严格和柴油机电控燃油喷射技术的发展，电控高压共轨柴油机以其显著的优越性，已成为现代柴油机发展的趋势之一。

高压共轨系统能够实现对喷油压力、喷油量、喷油定时以及喷油规律的全工况灵活柔性控制,其对柴油机性能的改善,除了依靠机械方面性能和硬件电路性能的保证外,主要依赖于控制策略和控制算法。本文通过对高压共轨系统结构和控制原理的分析,进行控制策略的研究,包括轨压控制策略和喷油控制策略,并基于控制策略对ECU开发所涉及的硬件和软件技术进行初步研究。共轨压力的精确控制是众多控制量优化控制的一个前提,起动时要求迅速建立轨压,起动后要适应工况的变化,保持轨压稳定。为了精确的控制喷油压力,对PID控制、模糊控制和PID模糊自适应控制算法进行了对比研究,仿真分析和开发板验证实验都证明,PID模糊自适应控制算法控制效果较好。喷油控制包括喷油量控制、喷油正时控制和喷油率控制。为了在缸内形成品质良好的混合气,除了可以随工况灵活调整的喷油压力外,更为重要的是精确控制喷油量和喷油时刻,才能形成理想的喷油规律,达到提高混合气质量、改善排放的目的。喷油控制是通过查询MAP的方式进行的开环控制,为了适应工况变化的修正MAP。

最后,为了实现控制策略,应用MATLAB仿真软件进行控制算法仿真分析,并对基于模型的ECU软件开发方法进行了初步研究；所开发的ECU能够实现喷油控制和轨压控制,特别是应用模糊PID自适应控制算法,轨压控制有较好的稳态和动态性能。

关键词: 高压共轨柴油机，控制策略，控制单元ECM，PID控制

Abstract

In the face of the increasingly serious energy crisis and environmental pollution, people around the world are becoming more and more aware of environmental protection. With the increasingly stringent emission regulations and the development of electronically controlled diesel fuel injection technology, electronically controlled high-pressure common-rail diesel engines have become one of the trends in the development of modern diesel engines because of their significant advantages.

The high-pressure common rail system can realize flexible and flexible control over injection pressure, fuel injection quantity, fuel injection timing, and fuel injection law under full operating conditions. The improvement of diesel engine performance depends on the mechanical performance and hardware circuit performance guarantee. It mainly depends on the control strategy and control algorithm. This paper analyzes the structure and control principle of high pressure common rail system and studies the control strategy, including rail pressure control strategy and fuel injection control strategy. Based on the control strategy, the hardware and software technology involved in ECU development is studied. The precise control of common rail pressure is a precondition for many control optimization control. It is required to quickly establish the rail pressure at the time of starting, to adapt to changes in operating conditions after starting, and to maintain the rail pressure stability. In order to control the injection pressure accurately, the PID control, fuzzy control and PID fuzzy self-adaptive control algorithm were compared and studied. Simulation analysis and development board verification experiments all proved that the PID fuzzy adaptive control algorithm has good control effect. Fuel injection control includes fuel injection control, injection timing control, and fuel injection rate control. In order to form a good quality mixture in the cylinder, in addition to the injection pressure that can be flexibly adjusted according to operating conditions, it is more important to accurately control the amount of injection and the timing of injection in order to form an ideal injection pattern and achieve improved mixing. The quality of gas and the purpose of improving emissions. Fuel injection control is open loop control by querying MAP, including basic and modified MAP to adapt to changes in operating conditions.

Finally, in order to implement the control strategy, MATLAB simulation software was used to simulate and analyze the control algorithm, and a preliminary study was made on the model-based ECU software development method; the developed ECU could achieve the fuel injection control and the rail pressure control, especially the application of fuzzy PID. Adaptive control algorithm, rail pressure control has better steady state and dynamic performance.

Key words: high pressure common rail diesel engine, control strategy, control unit ECM, PID control

目 录

第1章 绪 论 1

1.1 课题的研究背景及意义 1

1.2 国内外发展现状 2

第2章 高压共轨柴油发动机ECM控制策略 6

2.1 控制系统的介绍 6

2.1.1ECM的输入设备 6

2.1.2输出设备 11

2.1.3高压燃油泵的介绍 13

2.1.4高压共轨的介绍 15

2.2 ECM基本的控制策略 15

2.3 喷油量的控制 19

2.3.1喷油量控制策略 19

2.3.2决定喷油量的因素 20

2.4 喷油压力控制策略 22

2.5 喷射定时控制 22

2.6 喷油器的控制 23

第3章 PID控制方法 24

3. 1. 基于PID的控制方法 24

3.1.1理想PID控制器 24

3.1.2 PID控制器的两种形式及一些优点 25

3.1.3 PID的参数整定 26

3. 2模糊PID算法 27

3.2.1模糊控制的思想及特点 27

3.2.2模糊集合的基本概念 28

3.2.3模糊一PID控制的优点 28

3.3怠速的模糊PID控制 29

第4章 ECM硬件的设计 32

4.1 电控系统硬件概述 32

4.2.设计目标 32

第5章 结 论 33

5. 1 主要结论 33

5. 2 进一步的发展方向 33

致 谢 34

参考文献 35

绪 论

1.1 课题的研究背景及意义

为了实现柴油机排放、节能和提高性能的要求,柴油机电子控制技术已成为当前柴油机技术的重要发展方向。柴油机电子控制的主要内容有最佳喷油量控制、最佳喷油正时控制、喷油压力控制、喷油率控制、调速系统控制、进气涡流控制、增压压力控制、电控可变进气系统、断缸控制、电热塞通电时间控制和自诊断等,其中最重要的是电控燃油喷射系统。近年来,柴油机电控燃油喷射系统经历了几个重要的发展阶段。按对循环供喷油量、喷油正时、喷油速率和喷油压力等的控制方式来看,经历了从第一代“位置控制”到第二代“时间控制”,再到第三代“压力一时间控制”又称“压力控制”的发展过程。按燃油喷射系统的基本组成和结构分,经历了常压电控喷油系统到高压电控喷油系统的发展过程。在采用“位置控制”的第一代电控喷油系统中,保留了传统燃油喷射系统的基本组成和结构。喷油量的控制,根据的指令由齿杆或溢油环的位置进行控制喷油时间的控制,根据的指令由柴油机驱动轴和凸轮轴的相位差进行控制是根据通过各种传感器检出的柴油机状态及环境条件等,计算出适合于柴油机状态的最佳控制量,并向执行机构发出相应的指令。应用该系统,柴油发动机的结构几乎不需改动,生产继承性好,便于对现有柴油发动机进行升级换代。该系统缺点是执行频率响应慢,控制频率低,控制自由度和精度较低,喷油压力无法独立控制。在“时间控制”的第二代电控喷油系统中,采用高速电磁阀对喷油量和喷油时间进行时间控制,控制自由度较第一代有较大的提高。第二代电控喷油装置的特征是燃油升压是通过喷油泵或柴油机的凸轮来实现的。升压开始的时间与喷油时间对应以及升压的终了时间从升压开始到升压终了的时间与喷油量相当是由电磁阀的通、断控制的,也就是说, 喷油量和喷油定时是由电磁阀直接控制的。其技术上的难点在于如何加快电磁阀的响应速度,缺点与第一代系统一样,喷油压力还是无法独立控制。第二代电控喷油系统包括电控直列泵系统和电控分配泵系统,以及一部分电控单体泵喷油系统或电控泵喷嘴喷油系统。以高压供油泵、电磁、液力控制式喷油器和公共油轨组成的高压共轨喷油系统是第三代电控喷油系统。该系统通过共轨形成恒定的高压,并借助于集成在每个喷油器上的高速电磁开关阀的开启与闭合,定时定量地控制燃油喷射,从而保证柴油机达到最佳的燃烧比和良好的雾化,以及最佳的着火时间和最少的污染排放,是最有发展前途的电控喷油系统。共轨技术是指高压油泵、压力传感器和组成的闭环系统中,将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开的一种供油方式。与先前的电控喷油系统不同,高压共轨系统采用高压喷射,是全电控喷油系统。柴油机燃烧的关键技术课题就是如何使燃油均匀地雾化,而且在气缸内形成均匀的喷雾。提高喷油压力,可以使燃油喷雾细微化,形成良好的油气混合,从而减少预混合燃烧的比例,缩短了着火滞燃期、喷油持续期和燃烧持续期,使得扩散燃烧速度明显加快,从而提高功率,改善排放。这种效果在过量空气系数低,喷射时间长的高负荷区域中更加明显。另一方面,在过量空气系数高、排放较好的低负荷区域中,降低喷油压力可以得到降低噪音的效果。因此,随着现代排放法规越和人们对舒适性要求的越来越苛刻,燃油系统在努力提高喷油压力的同时,还希望能够自由的控制喷油压力。柴油机共轨燃油喷射系统是集成了计算机控制技术、现代传感检测技术以及先进的喷油结构于一身的新技术。该技术的主要特点有：①采用先进的电子控制装置及配有高速电磁开关阀②采用共轨方式供油③高速电磁开关阀频响高,控制灵活④系统结构移植方便,适应范围广。正是由于共轨式电控燃油喷射技术具有上述的特点,所以该技术一经问世,就得到世界上大多数柴油机制造厂商的青睐。现在国内外许多内燃机方面的专家学者都在致力于该项新技术的研究,并致力于开发新一代的高压共轨系统及其与之配套的产品,目前正在进行第三代产品的设计开发。

本论文旨在对高压共轨系统控制策略和控制算法进行研究,目的是研究开发的软、硬件开发技术,加深对高压共轨系统核心控制技术的掌握和应用水平。共轨电控技术是一项复杂的系统工程,我国在该领域的研究目前尚落后于国外,而电控系统开发所涉及的电子应用技术和软件设计技术,相对于某些基础研究领域,我国与国外水平差距较小。因此,研究高压共轨系统的电控喷射系统软、硬件设计,具有重要的现实意义。

1.2 国内外发展现状

自20世纪70年代以来的石油危机不仅使人们认识到了石油资源的有限，同时石油产品价格大规模上涨使船舶燃料费用支出大幅度提高。降低柴油机的燃料价格问题，提高柴油机经济性已成为第一要求。另一方面，大量使用化石燃料造成严重的环境污染也使人们的环境意识不断提高，导致了日益严格的国际和地区性的环保法规的相继出台。