【文章內(nèi)容簡介】 柴油機(jī)技術(shù)中的高壓共軌技術(shù)則大大降低了驅(qū)動(dòng)扭矩沖擊載荷 [1]。 5 第 二 章 柴油機(jī)電控單元 設(shè)計(jì) 電控單元 ECU(Electronic Control Unit)是整個(gè)柴油機(jī)電控系統(tǒng)的控制中心，它利用內(nèi)部存儲(chǔ)的軟件（各種函數(shù)、算法程序、數(shù)據(jù)、表格）與硬件（各種信號(hào)采集處理電路、微機(jī)系統(tǒng)、功率輸出電路、通信電路），處理從傳感器輸入的諸多信號(hào)，并以這些信號(hào)的為基礎(chǔ)，結(jié)合 內(nèi)部軟件的其他信息，制定出各種控制命令，送到各種執(zhí)行器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)柴油機(jī)的控制。 電控柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)及標(biāo)定技術(shù) 柴油機(jī)電控系統(tǒng)組成如 下圖 ： (1)信號(hào)的采集和輸入部分。通常有若干個(gè)具有相同功能或不同功能的傳感器和信號(hào)調(diào)理電路組成。 (2)電控單元。它負(fù)責(zé)對(duì)各種傳感器信號(hào)進(jìn)行分析處理，通過其內(nèi)算法，向被控單元輸出控制信號(hào)。(3)執(zhí)行器 柴油機(jī)傳感器 n執(zhí)行器 n預(yù)處理 n驅(qū)動(dòng)裝置 n輸入接口輸出接口信號(hào)電路目標(biāo)值顯示裝置 圖 1 電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 在柴油機(jī)電控系統(tǒng)組成方面，提高電控發(fā)動(dòng)機(jī)的控制精度將會(huì)被更多的科研機(jī)構(gòu)放到重要的位置，主要從兩方面 入 手，即采集信號(hào)的精確度和處理信號(hào)的精確度 。因而研究柴油機(jī)電控控制精度的提高也是今后一個(gè)重要方向。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)電控技術(shù)有兩個(gè)明顯的特點(diǎn)： (1)特點(diǎn)是其關(guān)鍵技術(shù)和技術(shù)難點(diǎn)就在柴油噴 6 射電控執(zhí)行器上； (2)特點(diǎn)是柴油電控噴射系統(tǒng)的多樣化。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在機(jī)械控制時(shí)代，就已經(jīng)有了直列泵、分配泵、泵噴油器、單缸 (體 )泵等結(jié)構(gòu)完全不同的系統(tǒng)，每個(gè)系統(tǒng)各有其特點(diǎn)和適用范圍，每種系統(tǒng)中又有多種不同結(jié)構(gòu)。實(shí)施電控技術(shù)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜，因而在此方面也可進(jìn)行新的探索研究；（ 3） 柴油機(jī)電控噴油系統(tǒng)研究柴油機(jī)電控噴油系統(tǒng)經(jīng)歷了三代：第一代柴油機(jī)電控燃油噴射系統(tǒng)也稱位置控制系統(tǒng) 。它用電子伺服機(jī)構(gòu)代替調(diào)速器控制供油滑套(齒桿 )位置以實(shí)現(xiàn)供油量的調(diào)整，這類技術(shù)已發(fā)展到了可以同時(shí)控制定時(shí)和預(yù)噴射的 TICS系統(tǒng)。第二代系統(tǒng)也稱時(shí)間控制系統(tǒng)，其特點(diǎn)是供油仍維持傳統(tǒng)的脈動(dòng)式柱塞泵油方式，但油量和定時(shí)的調(diào)節(jié)則由電腦控制的強(qiáng)力快速響應(yīng)電磁閥的開閉時(shí)刻所決定。第三代也稱為直接數(shù)控系統(tǒng)，它完全脫開了傳統(tǒng)的油泵分缸燃油供應(yīng)方式．通過共軌壓力和噴油壓力／時(shí)間的綜合控制，實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的供油回路和特性。強(qiáng)力快速線形響應(yīng)電磁閥是各種系統(tǒng)共同的技術(shù)難點(diǎn)目前最先進(jìn)的燃油噴射系統(tǒng)是泵噴嘴系統(tǒng)和共軌式噴油系統(tǒng)泵噴嘴系 統(tǒng)。泵噴嘴系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，噴油嘴孔徑非常?。匀加蛧娚鋲毫Ρ葌鹘y(tǒng)機(jī)械式噴油系統(tǒng)有較大提高。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(jì)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。該技術(shù)的主要特點(diǎn)是： (1)采用先進(jìn)的電子控制裝置及配有高速電磁開關(guān)閥； (2)采用共軌方式供油； (3)高速電磁開關(guān)閥頻響高，控制靈活； (4)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)移植方便，適應(yīng)范圍寬。這一技術(shù)的研究與開發(fā)熱點(diǎn)在于： 1)如何解決高壓共軌系統(tǒng)的恒高壓密封問題； 2)如何解決高壓共軌系統(tǒng)中共軌壓力的微小波動(dòng)所造成的噴油量不均勻問題； 3)如何解決高壓共軌系統(tǒng)的多 MAP(三維控制數(shù)據(jù)表 )優(yōu)化問題； 4)如 何解決微結(jié)構(gòu)、高頻響電磁開關(guān)閥設(shè)計(jì)與制造過程中的關(guān)鍵技術(shù)問題。 發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元標(biāo)定系統(tǒng)的作用是在不影響發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行的情況下修改發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元的控制參數(shù)，使發(fā)動(dòng)機(jī)按照不同的控制數(shù)據(jù)運(yùn)行，同時(shí)監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)性能，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制參數(shù)的優(yōu)化。 1)對(duì)電控單元 (ECU)的研究。 2)電控標(biāo)定系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。 3)標(biāo)定系統(tǒng)與電控單元之問的通信設(shè)計(jì)。 發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)化包括控制參數(shù)的優(yōu)化和 MAP數(shù)據(jù)的生成。目前汽車發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)有各種優(yōu)化標(biāo)定方法，包括離線穩(wěn)態(tài)標(biāo)定方法、在 線穩(wěn)態(tài)標(biāo)定方法、自動(dòng)優(yōu)化標(biāo)定方法、最新的瞬態(tài)優(yōu)化標(biāo)定方法等。目前在國外，發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)的優(yōu)化標(biāo)定方法越來越多地采用自動(dòng)優(yōu)化標(biāo)定方法，這樣可以縮短標(biāo)定周期，降低標(biāo)定費(fèi)用，同時(shí)能得到更好的標(biāo)定結(jié)果。發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)的瞬態(tài)優(yōu)化標(biāo)定也口益受到重視．是目前發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化標(biāo)定的最新研究發(fā)展方向。在滿足發(fā)動(dòng)機(jī) 7 的經(jīng)濟(jì)性能和排放指標(biāo)同時(shí)，對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行優(yōu)化?？刂茀?shù)的優(yōu)化包括：基本控制參數(shù)、穩(wěn)態(tài)修正參數(shù)、怠速 T況參數(shù)、起動(dòng) T況參數(shù)的標(biāo)定、瞬態(tài)工況修正參數(shù)等的標(biāo)定。標(biāo)定系統(tǒng)與電控單元、噴油泵、柴油機(jī)的配試。為了檢驗(yàn)所研究開發(fā)的電控標(biāo)定 系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，檢驗(yàn)其可靠性及穩(wěn)定性，需使用該系統(tǒng)進(jìn)行柴油機(jī)電控系統(tǒng)配裝某柴油機(jī)機(jī)型的實(shí)驗(yàn)。 柴油機(jī)電子控制系統(tǒng)鋪助電源設(shè)計(jì) 柴油電控系統(tǒng)其內(nèi)部包含很多控制芯片，每個(gè)芯片都有自己正常的工作電壓范圍 ，因此我們必須設(shè)計(jì)一些電壓轉(zhuǎn)換電路得到系統(tǒng)內(nèi)部控制芯片正常工作的電壓值，如圖 2所設(shè)計(jì)的是 5V、 12V芯片穩(wěn)定工作時(shí)所需要的電壓轉(zhuǎn)換電路，此 電源 輸出的 5V工作電壓主要供給控制芯片單片機(jī)工作。 C10 . 1 u F / 2 8 0 v11223344T1T R A N S 1C34 0 0 V / 4 7 U FD2H E R 1 0 7R356K/1WC42 2 2 / 1 K VQ16 N 6 0F12 A \ 2 5 0 vD3H E R 1 0 7R7 10C82 5 V / 1 0 U F123Q2S I P R 1 6R61 0 / 1 WC52 2 2 / 1 K VC72 5 V / 1 0 0 0 UC91 0 4R2650K/1WR 3 45 . 1 kC61 0 5R53 0 kR83 9 0C 3 11 6 V / 1 0 u FR120R41 / 1 WR 3 31KC21 0 4R 3 09 1 K123456781CR6848T21234D1B R I D G EU1T3O P T O I S O 1D4D I O D ED5D I O D ED6D I O D ED7D I O D ED8D I O D ED9D I O D EC 1 0C 1 1C 1 4C 1 5C 1 2C 1 3RINC NCS E N S EV D D+ 5 V+ 1 2 V1 2 V+ 1 2 V+ 1 2 V 1 2 V12 3D 1 2T L 4 3 1+2 2 0 V 圖 2 電壓轉(zhuǎn)換電路 8 12V電壓轉(zhuǎn)換為 5V， 16V,18V,24V 等多路輸出的電源，針對(duì)這一問題 根據(jù)設(shè)計(jì)要求 ， 設(shè)計(jì)了 出 12V 升 24V 基于兩相步進(jìn)升壓型 DC／ DC 控制器 LT3782設(shè)計(jì)電流輸出的升壓型 DC／ DC 模塊的方法。 V C CG V DR U N27417C 2 3C 2 2R 1 8C 2 4R 1 7R E S 2C 2 1R 1 6R 1 5R 1 9C 2 5R 2 0D E L A YD C LR S E TS L O P ESSVCD N DG B I A SG B I A S 1G B I A S 2B G A T E 1S E N S E 1 +S E N S E 1 FBV E E 2S E N S E 2S E N S E +B G A T E 2V E E 1C 2 6R 2 1 R 2 2R 2 7C 3 0R 2 3C 2 7R 2 4R 2 8R 2 5C 2 8D 1 0D 1 1L4L5+ 1 2 V 圖 3升壓電路 LT3782 是美國凌力爾特公司生產(chǎn)的兩相步進(jìn)升壓型 DC／ DC控制器， 28引腳 SSOP 封裝芯片，開關(guān)頻率在 150～ 500 kHz 之間可編程，由于采用兩相BOOST 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。對(duì)輸出場效應(yīng)管漏電流和肖特基二極管通過電流的要求都減少一半，即兩個(gè)輸出相位差 180176。 ，兩個(gè)輸出間互相抑制輸出紋波電流，輸出紋波是單相 BOOST 轉(zhuǎn)換電路的 1／ 3。電源效率高，對(duì)散熱的要求小。第 29引腳是芯片底部的 散熱腳。 27 引腳連接輸入電源； 4引腳接地； 11 引腳用來設(shè)定開關(guān)頻率； 20 和 23BGATE 引腳用來驅(qū)動(dòng)場效應(yīng)管的柵極； 8， 9， 1 2 和13SENSE 引腳用來反饋場效應(yīng)管的輸出電流； 16 引腳是輸出電壓反饋引腳，該腳電壓為 2． 44 V，通過反饋電阻可以設(shè)定輸出電壓值。 17 引腳是低電壓關(guān)斷引腳，當(dāng)該引腳的電壓大于 2． 45 V 時(shí)，器件才開始工作，當(dāng)該引腳的電壓小于 0． 3 V 時(shí)，器件進(jìn)入低電壓關(guān)斷模式。 14 引腳是軟啟動(dòng)引腳，當(dāng)加電時(shí)，輸出電壓從 0 V 漸變到設(shè)定的輸出電壓值，典型的啟動(dòng)時(shí)間可以由下式計(jì)算： 9 t＝ 2． 44C／ 10 式中： C為連接 14 引腳到地的電容值，單位為 μF ； t 為典型的啟動(dòng)時(shí)間。 12V 汽車電瓶電壓經(jīng)過插頭給 LT3782 供電， LT3782 產(chǎn)生的兩相振蕩輸出驅(qū)動(dòng) N溝道場效應(yīng)管 Q1 和 Q2，場效應(yīng)管輸出分別經(jīng)肖特基二極管 D1 和 D2整流后，由電容 C7 濾波輸出。電阻 R1 用來設(shè)定 LT3782 的開關(guān)頻率， LT3782的開關(guān)頻率在 150～ 500 kHz 之間可編程。這里選取開關(guān)頻率為 250 kHz，取電阻值 R1=75 kHz。參照 LT3782 數(shù)據(jù)手冊(cè)，通過輸入／輸出電壓關(guān)系和占空比可以推算出 N溝道場效應(yīng)管的峰值電流約 為 15 A。通過設(shè)定電阻 R8 和 R10的阻值可以設(shè)定電源的限制電流，避免電源電流過大，燒壞后面電路。 LT3782的 SENSE 管腳的域值電壓為 60 mV，因而電阻 R8 和 R10 的阻值為 0． 004 Ω 。 柴油機(jī)控制系統(tǒng)常用輸入、輸出電路設(shè)計(jì) 柴油機(jī)電控系統(tǒng)一般由傳感器、控制單元 (ECU)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)三部分組成。ECU是柴油機(jī)電控系統(tǒng)的核心，也是技術(shù)含量較高的部件，設(shè)計(jì)難度較大?？刂茊卧?(ECU)是嵌入式的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。要求功能專用、環(huán)境適應(yīng)性好和可靠性高。系統(tǒng)的組成如下圖 4： C P U計(jì)算機(jī)系統(tǒng)開關(guān)量輸入電路模擬量輸入電路頻率量輸入電路電源電路開關(guān)量輸出電路模擬量輸出電路功率輸出電路 圖 4 ECU結(jié)構(gòu)框圖 開關(guān)輸入電路完成外部開關(guān)量向計(jì)算機(jī)的輸入，如：工作狀態(tài)開關(guān)、傳感器狀態(tài)開關(guān)等。模擬量輸入電路完成發(fā)動(dòng)機(jī)和其它裝置的模擬信號(hào)的調(diào)理和采集。如：油溫、冷卻水溫度、進(jìn)氣溫度、排氣溫度、潤滑油溫度和腳踏板位置等。頻率量輸入電路主要完成發(fā)動(dòng)機(jī)的脈沖信號(hào)的調(diào)理和采集。就目前的柴油 10 機(jī) ECU來說，主要的脈沖信號(hào)有：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)、凸輪軸信號(hào)，有些系統(tǒng)還有增壓器轉(zhuǎn)速信號(hào)等。開關(guān)量輸出電路主要完成 ECU輸出信號(hào)的傳輸，常用的驅(qū)動(dòng)負(fù)載是信號(hào)燈、繼電器和電磁閥等。如狀態(tài)指示燈、啟動(dòng)繼電器、風(fēng)扇開關(guān)等。模擬量輸出電路主要完成模擬表 的驅(qū)動(dòng)。如：指針式發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速表、車速表和水溫表等。在柴油機(jī) ECU中，現(xiàn)在這種電路使用很少，一般都在一體化顯示面板指示。功率輸出電路是指驅(qū)動(dòng)大功率執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電路，如在第一代電控系統(tǒng)中的線性電磁鐵驅(qū)動(dòng)，直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)；在單體泵、泵噴嘴和高壓共軌供油系統(tǒng)中高速電磁鐵的驅(qū)動(dòng)等。 電控單元（ ECU）的輸入級(jí) ECU輸入級(jí)的作用是將電控系統(tǒng)中各種傳感器檢測到的信息，通過 I/O接口送入微型計(jì)算機(jī)，完成 ECU對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況的實(shí)時(shí)檢測。從傳感器來的信號(hào)進(jìn)入輸入級(jí)后，首次要經(jīng)過預(yù)處理，如采用濾波器除去雜 波等。有的信號(hào)，如電磁式曲軸位置傳感器的信號(hào)，并不是矩形波，而是正弦波，而卻其信號(hào)的電壓幅值會(huì)隨轉(zhuǎn)速的變化而變化。這些信號(hào)不能直接輸入微型機(jī)，需整形變成標(biāo)準(zhǔn)方波信號(hào)。 ECU輸入級(jí)信號(hào)的類型 ， 從傳感器來的信號(hào)分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)兩種。模擬信號(hào)一般是隨時(shí)間連續(xù)變化的模擬量，通過檢測元件和變換器轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的模擬電壓與電流。由于計(jì)算機(jī)只能識(shí)別數(shù)字量，故模擬電信號(hào)必須通過模數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后，才能進(jìn)入計(jì)算機(jī)。在柴油機(jī)中有許多信號(hào)都是模擬量，如進(jìn)氣溫度、進(jìn)氣壓力等。柴油機(jī)電控系統(tǒng)中，采集的數(shù)字信號(hào)主要是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和止 點(diǎn)位置信號(hào)。它們都是脈沖信號(hào)，不能被計(jì)算機(jī)直接接收這兩個(gè)信號(hào)也需要通過輸入級(jí)，將狀態(tài)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn) TTL信號(hào)送入計(jì)算機(jī)。 （ 1）被測對(duì)象的信號(hào)拾取。其主要任務(wù)就是最忠實(shí)地反映被測對(duì)象的真是狀態(tài)。它包括實(shí)時(shí)性與測量精度，同時(shí)使這些測量信號(hào)能滿足計(jì)算機(jī)輸入接口的電平要求。因此，柴油機(jī)電控系統(tǒng)中的輸入通道，體現(xiàn)了被測對(duì)象與電控系統(tǒng)相互聯(lián)系的信號(hào)輸入通道、原始參數(shù)輸入通道。由于在該通道中，主要是傳感器和傳感器有關(guān)的信號(hào)調(diào)節(jié)、變換電路、故也可稱為傳感器接口通道。 (2)輸入通道要完成對(duì)象的狀態(tài)量值的檢測，故輸入通道總 要靠近信號(hào)拾取對(duì)象。為了減少輸出損耗、防止干擾，常常不惜將輸入通道與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分 11 開，將輸入通道部分放置到對(duì)象現(xiàn)場中。