高压共轨试验台控制系统设计文档格式.docx
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Abstract
Withthegrowingworldwideenergycrisisandenvironmentalpollutionproblems,peopleinsavingenergyandautomotiveenginecontrolemissionsofpollutantsincreasinglystringentrequirementsofmouth.Highpressurecommonrailtechnologywithitssignificantadvantageshasbecomeoneofthetrendsofmodernautomotivedieseltechnologydevelopment.Studyoncommonrailtestbenchcontrolsystemtechnology,thetechnologicaladvancesoftheautomotiveindustryandimproveR&
Dcapabilities,hasimportantpracticalsignificance.
Theprocessofdevelopmentandresearchstatusofdomesticandforeignhighpressurecommonrailtechnologycomprehensivelyexplainedanddescribedindetailthesystemcompositionandworkingprincipleofcommonrailtestbench.In-depthanalysisoftheelectroniccontrolsystemtocontroltheprinciplesofthepremise,todeterminetheoveralldesignofthehigh-pressurecommonrailtestbenchcontrolsystem,highpressurecommonrailtestconductedTaipowercontrolunithardwaredesign.Thelayeredandmodulardesignideas,thesoftwaredesignofcontrolsystems,controlsoftwarefeaturessixmodulesincludeinitializationmodule,signalacquisitionmodule,logiccontrolmodule,thedrivecontrolmodule,serialcommunicationmoduleandmonitoringmoduleincluding.Aboveeachmoduleintheelectriccontrolsystemrelativelyindependentbutinterrelatedtaskstoachievethecompletecontroloftheelectroniccontrolsystem.Finally,thesystemanalysisanddebugging.
CommonRailTestBenchmicrocontrollertocontrolthecoreoftheautomaticcontrolsystemdesign,toachievepressure,fuelinjectionsprayrate,fuelinjectionpulsewidthandotherparametersofcontrol.
Keywords:
commonrail;
hardwaredesign;
softwaredesign;
SCM
0前言……………………………………………………………………1
1高压共轨柴油机电控系统的发展……………………………………2
1.1高压共轨柴油机电控系统的兴起…………………………………2
1.2国外高压共轨柴油机电控系统的研究概况………………………2
1.3国内高压共轨柴油机电控系统的研究概况………………………5
2高压共轨柴油机电控系统的分析……………………………………8
2.1高压供油泵…………………………………………………………8
2.2共轨管………………………………………………………………9
2.3传感器………………………………………………………………9
2.4电控喷油器…………………………………………………………9
3高压共轨试验台控制系统电控单元总体设计………………………11
3.1电控单元的控制硬件描述…………………………………………11
3.2系统硬件总体构成…………………………………………………11
3.3数据采集模块………………………………………………………12
3.4控制模块……………………………………………………………14
3.4.1主控制器概述……………………………………………………14
3.4.2最小系统介绍……………………………………………………16
3.5通讯模块……………………………………………………………18
3.6驱动模块……………………………………………………………19
3.6.1喷油器驱动电路…………………………………………………19
3.6.1计量单元驱动电路………………………………………………21
3.7电源模块……………………………………………………………22
4高压共轨试验台控制系统软件的设计………………………………24
4.1高压共轨试验台电控系统软件开发工具…………………………24
4.1.1单片机开发环境…………………………………………………24
4.1.2单片机开发语言…………………………………………………25
4.2高压共轨试验台电控系统软件设计与开发………………………26
4.2.1软件的总体设计…………………………………………………26
4.2.2主控制程序的设计………………………………………………26
4.2.3初始化模块的设计………………………………………………27
4.2.4信号采集模块的设计……………………………………………28
4.2.5驱动控制模块的设计……………………………………………28
4.2.6串行通讯模块的设计……………………………………………30
5技术经济分析………………………………………………………33
6结论…………………………………………………………………34
致谢……………………………………………………………………35
参考文献………………………………………………………………36
附录A译文…………………………………………………………38
附录B外文文献………………………………………………………42
附录C程序代码………………………………………………………49
附录D系统硬件图……………………………………………………67
0前言
高压共轨技术是指喷射压力的发生和喷射过程相互彻底分开发生在包括高压油泵、压力传感器和电控单元在内的闭环系统里的一种供油方法。
高压油管压力大小与发动机的转速没有关系是因为通过高压油泵将高压燃油供应给公共供水管道,在公共供水压力的管道内实现精确的控制,这能够造成柴油机供油压力随发动机转速的变化降低很多,因此也就使传统柴油机的缺陷削减了。
公共供油管压力和电磁阀打开时间的多少控制着电控单元喷油器的喷油量[1]。
高压共轨系统的工作过程为:
汽油由供油泵从油箱抽取到高压油泵的入口,接着汽油被发动机运行的高压油泵加压送到共轨腔里,最后进行的喷油过程由电磁阀掌管的各罐油箱控制。
在预喷射时少量汽油将喷入气缸并产生预混合或部分燃烧,这会造成主喷射的点燃延迟期得到削减。
在这种方式中,压力上升率和峰值压力下降,发动机工作更慢,气缸内的温度降低氮氧化物排放量。
同时产生的失火的概率下降,修正高压共轨系统的冷起动机能都是预喷射造成的。
在主喷射的初始阶段,可以减少注入速率,并且在点火延迟期间注入的燃料的量也可以被减小。
为了达到在引擎中使燃烧可以在越有用的曲轴转角完成、升高输送功率、降低汽油损耗,从而达到降低碳烟污染的目的,可以加快主喷射中期的喷射速度。
在主喷油结束时快速油断,可减少燃料的不完全燃烧,减少烟气和碳排放[2]。
1高压共轨柴油机电控系统的发展
电控高压共轨燃油喷射系统减少了汽车排放废物的污染,提高了引擎工作效率,降低了汽油消耗和燃烧噪音,因此被公然是目前最有前途的车用柴油,而这些都是传统供油系统远不能及的。
1.1 高压共轨柴油机电控系统的兴起
作为开始于20世纪90年代初的第三代电控燃油喷射系统—高压共轨电控燃油喷射系统,已经被口本电装公司、美国卡特彼勒公司、Bosch公司和意大利菲亚特公司进行了研发,并从中获取巨大进步,很快便在90年代中后期投入市场使用。
柴油机共轨电控燃油喷射系统在工作过程中,由于增压活塞的面积比是确定的,柴油机的压力在普通的轨管内由电控单元控制,且不受发动机转速的影响;
电控单元和电磁阀的打开和关上共同控制喷油量和喷油定时,从而达到优化喷油各过程的目的[3]。
采取共轨油管掌管油压的共轨柴油机电控燃油喷射系统和油机电控喷射系统相比,有很多相像的地方,但二者的工作压力出入高达10~30倍,这都是为了使柴油机彻底燃烧需要特别的高压喷油使其雾化。
为了解决因共轨油管内高压而造成要求密封、强度和响应快的难题,德国Benz公司和Bosch公司一起研制专用的高压共轨式电控燃油喷射系统并配置了该公司生产的专利产品作为电控压力调节器,能够完成柴油机个别可变排量掌管,在低速工作时降低功率消耗;
共轨压力的随意调度范围为15~140MPa,顺利实现低的喷油率、预喷射和屡次喷射。
1.2 国外高压共轨柴油机电控系统的研究概况
由于高压共轨喷油系统的突出优点,世界各国柴油机产品厂商从20世纪末于今在高压共轨系统的开发与建设放入大量人力和物力,生产了许多相当成品。
此中代表性的企业主要有日本电装公司,德国博世公司,美国德尔福公司和意大利菲亚特集团等。
(1)
(1)日本电力公司自1999开发的ECD-U2高压共轨喷射系统,并在1985达到30万台的水平,采用直列柱塞泵产生高压燃油,最大喷射压力为135MPa,能够符合日本98排放法例;
2003年投产二代共轨燃油喷射系统ecd-u2p,径向柱塞泵的高压喷射,为满足汽车柴油发动机欧IV排放法规[4]。
高压油泵的两缸由轴心方向放置在柱塞泵,经由压力控制阀(PCV)改变高压油泵的出油量来掌控共轨油道中的燃油压力,为单阀掌管方法,高压油泄漏少,具有更高的油泵机械效率。
高压油泵的供油定时与燃油喷射同时进行,确保了共轨油压的稳定。
燃油压力是由传感器在共轨油路上进行的,而实际燃油压力的压力是由发动机转速和负荷的压力控制的。
二位三通高速开关电磁阀(TWV)通过喷油器液体压力活塞运动产生的油腔压力来完成对喷射的控制。
喷嘴同液体压力活塞输油管内的燃料由共轨燃料通道运送,TWV通电打开,高压油喷到输油管内,由于侧喷嘴,高压油管,喷油器针阀升程,启动燃料喷射;
TWV停止工作时,液体压力活塞的上边被喷射到高压油,使喷嘴针阀停止工作。
三通阀的通电时间控制喷油定是,喷油压力和三通阀的通电连续时段一起控制了喷油量。
为了控制活塞输油管工作时的燃油运动从而达到压制针阀升高速度的目睹,在TWV和液体压力活塞中设置单向节流口,构成适当的喷油速度。
在一个工作周期,TWV能控制开关几次,完成预喷射和分段喷射。
后期为了防止泄露过多,喷油器选择了二通电磁阀,和初代三通阀喷油器的关键不同在于电磁阀根本不和高压进油油路有连接。
(2)Bosch公司于2003年生产了第三代利用压电喷油器的高压共轨电控喷射系统。
大强度的模块式激光焊接油轨既是锻造管又是蓄压器,充当高压油泵和喷油器的连接管道。
与前两代以喷油压力表征的共轨系统比较,第三代共轨系统因为高精密和尖端的技能内涵与前两代用喷油压力作为表面象征的共轨系统相区分,喷油压力为160~180MPa。
如图1-1所示,压电式喷油器的元件与喷中的针阀贴的极近是因为其极度集成化,这样系统才会拥有优秀的"
液压响应速度”。
喷油器移动件质量下降75%,针型阀件数量从4减少到1,响应速度是电磁喷油器的2倍。
传统的共轨系统至多每循环喷油5~7次,而第三代共轨系统可按需要施行任何屡次喷射。
虽然减少了燃油喷射量,但测量精度得到了提高。
这种精确计量分段喷射的结果是:
柴油机废气排放降低15%~20%,能满足严格的欧IV标准;
功率提升5%~7%;
噪声明显降低了3dB。
图1-1压电式喷油器
Fig.1-1Piezoelectricinjectors
完成高于200MPa甚至更高的喷油压力和能变化喷嘴喷油器的Bosch第四代高压共轨电控燃油喷射系统,会选择同轴可变喷嘴和压力扩大器。
同轴可变喷嘴的数目、位置、直径和形状与传统喷油器不同。
一种压电驱动装置的控制,基于组合的同轴喷嘴和喷嘴的喷嘴孔的分离控制,第一行的喷雾孔是一个低速喷雾是一个很好的孔,提供早期燃烧油量,燃烧噪声低,柔软,也非常利于部分负荷时混合气的形成,使PM和NOx排放可减少70%;
满负荷时,第二排大口径的喷嘴要开,能满足柴油机动力性能。
Bosch公司目前的开发计划是带压力扩大器的共轨燃油概念系统,高压油泵先在共轨管中形成135MPa的压力,接着燃油压力将被特别的活塞转换到250MPa。
因为压力太大大,所以雾化效果更理想,也能十分简单和空气混合在一起,才是使燃烧完全。
(3)德尔福最有代表性的是先进的MultecDCR柴油共轨喷射系统。
MultecDCR系统主要由高压油轨、高压燃油调压器、高压燃油泵、喷油器、各种传感器和电控单元构成。
为了输送更大的喷射压力,德尔福新一代系统拥有完美的喷嘴设计、优秀的液压稳定性和加强的软件策略,从而使德尔福柴油共轨1600系统更完全的燃烧。
它的排放要求可达到欧V标准,主要因为它能够准确控制特别少量燃油并有五种喷射形式可供选择。
而且引进的后喷技术,能降低多达30%的NOx排放。
(4)菲亚特在2003年开发出第二代JTD16气门多重喷射柴油发动机。
发动机的各个往复在多次喷射系统都能够有更频发的喷射是第二代共轨式引擎的主要特点。
控制单元及喷油嘴的巧妙设计是多次喷射系统的奥妙所在,它们可以产生一系列间隔非常小的喷射。
菲亚特研究人员开发这项技术的目的是确保更准确地控制燃料箱中的压力和温度,并使用空气更有效地使用空气。
由于柴油被分流得更细,所以取得更稳定的燃烧。
同一时间,发动机的主要零件及控制程序一起被完全改造。
此项技术减少了引擎的使用噪音,尤其是减少了引擎冷态时的噪音,改善了效率和能量损耗,减少排放污染,也完全达到欧IV排放规则的条款。
1.3 国内高压共轨柴油机电控系统的研究概况
国内早于上世纪80年代后期就已经开始电喷系统的开发,由黄家裕等人开发出了节流式电控喷油器随后在柴油机上进行了试验。
近年来,我国一些高校、科研院所和企业也通过合作或自主研发的方式发展了自己的研究成果,并有几十项专利。
下面具体介绍清华大学和天津大学在电喷系统研究中的成果。
(1)清华大学研究开发的电控直列泵管阀锥(PPVI)系统。
该系统的高压燃油是油泵形成的,其最高喷射压力由油泵的供油压力控制,并在高压输油管中心安置了快速强力的旁通流溢阀,喷油泵供油加压时,高压油路的增压和减压取决于电磁阀的工作与否,进一步掌控喷油器的打开及关闭。
从旁通卸流的燃油通过机械式喷油器输送到低压油路系统。
此系统设计简单、响应电磁阀的反应速度快,燃料的供应可以通过电磁阀精确控制脉冲宽度。
柴油机电控单元施行系统的控制功能呢,它由逻辑模块及驱动模块组成。
逻辑模块由计算机软硬件组成,由柴油机喷油控制和整机性能管理系统组成。
其基本功能是根据各种传感器接收到的信号,利用计算机软件和硬件分析发动机的工作条件,精确控制脉冲对驱动电路进行控制的电磁阀工作。
驱动模块的功能为给电磁阀输送喷油需求所要的能量,正确无误控制电磁阀的通断。
该系统在机械式直排式泵管式喷嘴系统中对电控系统进行了升级改造,改变了小部件,其连续性较好。
(2)天津大学开发的一种共轨式蓄压式柴油机电控燃油系统。
该系统的主要特点是:
在一段时间内开始喷油,电磁阀是通电的,所需的能量会累积在控制阀上,当需要喷油时,切断电源的电磁阀,因为对响应电磁阀的反应速度要求不高,所以喷油器可以把储蓄的能源分为两次喷射,分别为预喷射和主喷射,而这只需要电磁阀在喷射开始时工作一次即可;
在不高的共轨压力下(l0MPa)可达到110MPa的压力,从而实现低压控制电路及高压工作电路的隔离,减少了各个控制电路的生产难度;
预喷射与主喷射的时间间隔由控制阀的阀芯尺寸来决定,在机器上不能随意调节;
如果想无误控制喷油量就一定要控制正确的共轨压力,这是因为喷油量不由电磁阀开启脉宽决定而由蓄能器控制。
总体来说,目前国内柴油机电控的发展水平还处于研究开发阶段,与国外还存在差距,主要体现在制造工艺和批量生产的质量控制。
另外,国内的普通铁路系统体系还不完善,部分地区还依赖进口,如单片机、通用铁路压力传感器等。
一般而言,国内电控柴油机的开发目前还处于初期阶段,和世界领先水平仍有距离,关键表现在生产技术和由产量造成的质量问题。
2高压共轨柴油机电控系统的分析
高压共轨电喷系统的重要组成部分可分为:
高压供油泵、共轨管,电控喷油器,传感器和电控单元,如图2-1所示。
其工作过程是:
高压油泵将低压燃油加压成高压燃油,并将高压燃油供入共轨当中。
经由掌管共同轨道的燃料多少来控制燃油压力大小。
所有气缸的喷油器由共轨输送高压燃油,经喷油嘴将燃油送到燃烧室内。
其中,喷油量、喷油时刻和喷油压力都是电控单元控制实现的:
电控单元根据传感器信号,控制喷油器电磁阀和压力控制阀(PCV)的开闭,以此实现喷油控制,使柴油机运行状态达到最佳[5]。
图2-1柴油机电控共轨系统图
Fig.2-1CommonRailDieselEngineElectronicControlSystemFIG
2.1 高压供油泵
高压油泵的主要作用是将低压燃油压力转化为高压燃油,而高压燃油供给共轨管。
PCV控制输送到共轨管内的燃油量,其控制原理为按照电控单元发来的电信号,当恰当时打开或关上PCV阀来调节供油量,最终控制共轨内的压力。
供油泵的工作原理:
柱塞下行,压力控制阀开启,柱塞腔内通过压力控制阀送进低压燃油;
柱塞上行,可PCV阀内没有电流流通,PCV阀依旧开启,送进的低压燃油没有增压,而是又流回低压腔;
当达到供油定时时,PCV阀电流流通并断开,然后回油通道也断开,使柱塞腔的燃油助力被升压。
所以,高压燃油通过油出口阀输送到共轨内,PCV阀关上行程和活塞后的体积;
凸轮达到最大扬程,柱塞开始下行,在柱塞腔压力减小,然后将油阀关闭,并将压力油停止。
PCV阀处于断电状态,PCV阀开启,低压燃油将被吸入柱塞腔内,即恢复到初始状态。
高压燃料的供给和喷射几乎是同步的,燃料喷射量和燃料供给正平衡,从而使普通轨道管的燃油压力保持稳定,高精度和快速响应。
只有知道脉冲宽度及脉冲和凸轮间的角度关系才能不对高压油泵造成多于的损失[6]。
2.2 共轨管
首先高压油泵运出的高压燃油由共轨管进行稳定压力处理和滤波,接着被输送到所有气缸内喷油器里。
它与蓄压器及减振器起到的作用相似,可以快速制止喷油器及高压油泵造成的压力波波峰。
高压共轨管上设有压力传感器、液流缓冲器和压力限制器。
压力传感器检测共轨管内的燃油压力并提供给电控单元。
该液流缓冲器与高压油管连接,可抑制高压油管压力脉动,以稳定的压力将高压燃油送入喷油器;
在喷油器发生燃油漏泄问题时将燃油通路切断,截止供油,防止毁坏发动机。
压力限制器连接的油管可以使燃油流回油箱,当共轨油压高出设定值时,此阀打开泄油,使压力降低,以此保持共轨内的压力。
2.3 传感器
柴油机达成电控的主要技术之一是传感器。
它是信号转换的作用,将测得的非电信号转化为电信号,及时向电子控制单元反映发动机工作中的各种信息。
本系统选择的传感器为共轨压力传感器。
在电气控制系统中,虽然喷油量对各传感器信号有一定的影响,但每个信号量的程度是不同的,燃油喷射发动机中的油门位置和轨道压力对转速率有着决定性影响;
而进气压力等信号负责改良,只需要获得极小的改良系数就可以以达到最佳喷油。
2.4 电控喷油器
共轨式燃油系统中最重要和最复杂的硬件为电控喷油器,按照电控单元发出的的控制信号,把共轨内的高压燃油用最合适的喷油定时、喷油量及喷油率输送到柴油机中充分燃烧。
高速电磁阀作为喷油器中的重要组成之一,主要作用为掌控燃油喷射。
其快速开启和关闭特性,以达到最低燃油喷射和预注入系统的硬件保证。
而高速电磁阀与脉冲宽度调制(PWM)控制技术相结合,只要控制脉冲频率或脉冲宽度,阀瓣就可以像其它数字流量阀一样,实现对流量控制的连续性。
高速电磁阀在喷油器上有两个结构:
双位双向电磁阀和三位双向电磁阀。
由于三位双向阀的燃油泄漏问题严重,已经被废止。
这里所用的是双位双向的高速电磁开关阀[7]。
双位双向阀通过功率的时间来确定喷油的起始点,时间的功率决定喷油量的多少。
这些基础喷油参数都由电子脉冲掌管。
当双位双向阀开启时,高压燃料在控制腔中流动进入低压室,通过油口节流孔,在控制室的燃油压力降低,但燃油压力腔的燃油压力仍为高压腔。
压力室中的阀门开启,燃油喷射入汽缸。
当双位双向通阀关上时,控制室中送进由进油节流孔输送的油高压燃油,燃油压力在控制室中不断增大,造成针阀下降,喷油停止。
3高压共轨试验台控制系统电控单元总
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