【正文】 .. 26 PID 流程圖 ............................................ 28 PID 控制參數(shù)整定 ...................................... 28 總 結(jié) .............................................................. 30 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） V 致 謝 .............................................................. 31 參 考 文 獻(xiàn) ........................................................ 32 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 第一章 緒論 論文選題背景及研究 柴油機(jī)自問(wèn)世以來(lái)，就以其高效、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)而在車(chē)用動(dòng)力中占有非常重要的地位，特別是近些年來(lái)，柴油機(jī)的應(yīng)用有逐漸擴(kuò)大的趨勢(shì)。 本文闡述了采用單片機(jī)對(duì)柴油機(jī)噴油泵（ BOSCH 噴油泵）進(jìn)行控制，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)噴油泵內(nèi)齒條位置的準(zhǔn)確控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)噴油量的準(zhǔn)確控制，達(dá)到改善噴油系統(tǒng)和環(huán)保的目的。 此外，為了完善柴油機(jī)電控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，提出了柴油機(jī)標(biāo)定系統(tǒng)。 電控單元硬件、軟件設(shè)計(jì)是電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心。 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制研究是柴油機(jī)電控技術(shù)研究的關(guān)鍵。隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境治理力度的加強(qiáng)，對(duì)機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣排放的要求相對(duì)的提高了，特別是對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的排放要求更加嚴(yán)格，所以噴油系統(tǒng)必須能夠保證柴油機(jī)使柴油充分的燃燒，保證柴油機(jī)有足夠的動(dòng)力和運(yùn)輸?shù)目煽啃浴２捎秒娍丶夹g(shù)后，將有效改善柴油機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，降低柴油機(jī)的有害排放。長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） I 摘要 柴油機(jī)的高效、節(jié)能使得汽車(chē)的柴油機(jī)化日趨明顯。電控燃油噴射系統(tǒng)也成為目前柴油機(jī)領(lǐng)域的重要發(fā)展方向之一。柴油機(jī)的噴油系統(tǒng)主要是由高噴油泵、噴油器和連接噴油泵與噴油器的高壓管組成。這樣，就對(duì)噴油系統(tǒng)有較高的要求，改變了柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的控制模式，實(shí)現(xiàn)了 精確的控制，使排放更加清潔，減小了柴油機(jī)做功粗暴所產(chǎn)生的噪音，提高了車(chē)輛的經(jīng)濟(jì)型和舒適性。本文在給出了油量執(zhí)行結(jié)構(gòu)及其位置傳感器、供油定時(shí)控制機(jī)構(gòu)及其提前角檢測(cè)的設(shè)計(jì)方案，并對(duì)其控制策略進(jìn)行了研究。本文詳細(xì)地討論了電控單元硬件、軟件設(shè)計(jì)過(guò)程，完成了硬件電路和軟件模塊化設(shè)計(jì)，并對(duì)硬件、軟件提出了相應(yīng)的抗干擾措施。采用以 CAN總線(xiàn)為基礎(chǔ)平臺(tái)的分配泵電控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn) 下位機(jī)與 PC 機(jī)之間的通訊，完成對(duì)柴油機(jī)電控系統(tǒng)參數(shù)的監(jiān)測(cè)。 本系統(tǒng)采用我們比較熟悉的 89C51 單片機(jī)作為控制核心，采用電感傳感器作為反饋和信號(hào)的采集，使用光耦驅(qū)動(dòng)電路使輸入端與輸出端相互隔離，使電路的抗干擾能力加強(qiáng)了，使用 PID 控制算法控制系統(tǒng)穩(wěn)定，魯棒性強(qiáng)。這主要是因?yàn)?，世界性能源危機(jī)及汽車(chē)污染的日益嚴(yán)重，人們對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)能和排放提出了更高的要求。因此，耳前美國(guó)、日本、歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家在中重型載重汽車(chē)中己全部柴油機(jī)化，而且近年來(lái)在輕型車(chē)和轎車(chē)上的應(yīng)用上也呈逐年遞增的趨勢(shì)。因此說(shuō)，未來(lái)汽車(chē)的發(fā)展呈柴油機(jī)化的趨勢(shì)日趨明朗 [1]。柴油汽車(chē)如果達(dá)到歐 III 排放標(biāo)準(zhǔn)呢就必須改進(jìn)柴油機(jī)噴油系統(tǒng)，南京依維柯汽車(chē)公司于 2020 年與 BOSCH 公司合作引進(jìn)柴油機(jī)電控噴射系統(tǒng)，在原 發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)，使原為歐 II 排放標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)動(dòng)機(jī)降低了顆粒物等有害物質(zhì)的排放，達(dá)到了歐 III 排放標(biāo)準(zhǔn) [2]。 柴油機(jī)電控噴油系統(tǒng)的發(fā) 展動(dòng)態(tài) 國(guó)外對(duì)柴油機(jī)電控噴油系統(tǒng)的研究始于 20 世紀(jì) 70 年代。在短短的 20 年內(nèi)，汽油機(jī)電控技術(shù)已相當(dāng)成熟。目前已有多種形式的電控柴油噴射系統(tǒng)裝車(chē)使用，較成熟的電控燃油噴射 產(chǎn)品在國(guó)外車(chē)用柴油機(jī)中得到了廣泛應(yīng)用。 柴油機(jī)電控噴射系統(tǒng)發(fā)展至今已先后推出了三代產(chǎn)品，即位置控制式、時(shí)間控制式和壓力 時(shí)間式。位置式電控系統(tǒng)無(wú)須對(duì)柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改動(dòng)，生產(chǎn)繼承性好，便于對(duì)現(xiàn)有機(jī)型進(jìn)行技術(shù)改造，在分配泵和直列泵上都可以實(shí)現(xiàn)。典型的位置式電控噴油系統(tǒng)有日本電裝公司的 型電控分配泵，德國(guó) BOSCH 公司的 RP39 和 RP43 型電控直列噴油泵及 VP37電控分 配泵，日本小松公司的 KP21型電控直列噴油泵，英國(guó) Lucas公司的 EPIC 型電控分配泵以及美國(guó) Stanadyne 公司的 PCF 型電控分配泵等。時(shí)間控制式電控系統(tǒng)采用數(shù)字量控制，具有一定的噴油率控制能力。同時(shí)要求高速電磁閥有良好的響應(yīng)和可靠性，制造難度大。典型的時(shí)間控制式電控噴油系統(tǒng)有：德國(guó) BOSCH公司的 PDE27/PDE28 系統(tǒng)，英國(guó) Lucas 公司的 EUI 系統(tǒng)和美國(guó)底特律阿列森公司的 DDEC 系統(tǒng)等。由于共軌式噴油系統(tǒng)噴射壓力不受柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和噴油量的影響，而且噴油量、噴油壓力、噴油速率都可以由 ECU靈活控 制，從而將高壓噴射與電控制完美的結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了噴油系統(tǒng)的全電子控制，目前已成為柴油機(jī)電控噴油系統(tǒng)研究領(lǐng)域的重要課題與發(fā)展趨勢(shì)。 噴嘴系統(tǒng)，日本小松公司的 KOMPlCS液壓式共軌系統(tǒng)，日本電裝公司 高壓共軌式電控噴射系統(tǒng)，意大利 Fiat集團(tuán) UNIJET 噴油系統(tǒng) ， 德國(guó) BOSCH 公司 CR 共軌式電控噴油系統(tǒng)，英國(guó) Lucas公司的 LDCR 電控高壓共軌噴油系統(tǒng)。因此，我國(guó)也參照歐洲排放法規(guī)制定了自己的排放法規(guī)， 2020 年起執(zhí)行了相當(dāng)于歐洲一號(hào)的法 歸， 2020 年 1 月頒布執(zhí)行了相當(dāng)于歐洲二號(hào)的法規(guī)，在 2020年將執(zhí)行歐洲三號(hào)法規(guī)。柴油機(jī)的發(fā)展已有一百多年的歷史，其技術(shù)發(fā)展可以分為三個(gè)階 段：第一階段， 20 世紀(jì) 20 年代中期以德國(guó) BOSCH 公司為代表的機(jī)械式噴油系統(tǒng)代替了蓄壓式供油系統(tǒng)，這樣柴油機(jī)在車(chē)輛上應(yīng)用就產(chǎn)生了；第二階段， 50 年代初廢棄渦輪增壓技術(shù)，奠定了它在該行業(yè)中的動(dòng)力裝置的基礎(chǔ)；第三階段， 80年代至今，現(xiàn)代微機(jī)作為電控單元的電控技術(shù)在柴油機(jī)上的應(yīng)用，就有了現(xiàn)代先進(jìn)汽車(chē)柴油機(jī)電控系統(tǒng)的產(chǎn)生和發(fā)展，使柴油機(jī)在動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放及噪聲指標(biāo)等具有了強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)能力，柴油機(jī)技術(shù)的發(fā)展因而進(jìn)入了一個(gè)新的歷史階段。美國(guó)底特律柴油機(jī)公司 DDEC 電控泵噴嘴系統(tǒng)生產(chǎn)了 10 萬(wàn)多臺(tái)。另外，如美國(guó) Caterpillar 公司、日本 Nippon 公司、德國(guó) Denso 公司都進(jìn)行了共軌電控燃油噴射系統(tǒng)研究，并相繼投入到生產(chǎn)中。一些汽車(chē)工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的柴油機(jī)電控技術(shù)水平目前已相當(dāng)發(fā)達(dá)。據(jù)有些文章介紹在美國(guó)輕型車(chē)輛和轎車(chē)領(lǐng)域。 有上述狀況可知，電控高壓共軌噴射系統(tǒng)是未來(lái)最有前景的控制系統(tǒng)，對(duì)于燃油噴射控 制控制原理，各種共軌噴射系統(tǒng)近期變化較小。 現(xiàn)代先進(jìn)的汽車(chē)柴油機(jī)一般采用電控噴射、共軌、渦輪增壓中冷等技術(shù)，在長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 重量、噪音、煙度等方面已取得重大突破，達(dá)到了汽油機(jī)的水平，而且相比汽油機(jī)更環(huán)保，目前國(guó)外輕型汽車(chē)用柴油機(jī)日益普遍，奔馳、寶馬、大眾、雷諾、沃爾沃等歐洲名牌汽車(chē)都有采用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的車(chē)型。因此，基本工作原理是計(jì)算機(jī)根據(jù)轉(zhuǎn)速傳感器和油門(mén)位置傳感器的輸入信號(hào)，首先計(jì)算出基本噴油量，然后根據(jù)水溫、進(jìn)氣溫度、進(jìn)氣壓力等傳感器的信號(hào)進(jìn)行修正，再與來(lái)自控制套位置傳感器的信號(hào)進(jìn)行反饋修正，確定最佳噴油量。其任務(wù)是對(duì)噴油系統(tǒng)進(jìn)行電子控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)噴油量以及噴油定時(shí)隨運(yùn)行工況的實(shí)時(shí)控制。這類(lèi)電控系統(tǒng)可以分為：蓄壓式電控燃油噴射系液力增壓式電控燃油噴射系統(tǒng)和高壓共軌式電控燃油噴射系統(tǒng)。 在汽車(chē)柴油機(jī)中，高速運(yùn)轉(zhuǎn)使柴油 噴射過(guò)程的時(shí)間只有千分之幾秒，實(shí)驗(yàn)證明，在噴射過(guò)程中高壓油管各處的壓力是隨時(shí)間和位置的不同而變化的。油管內(nèi)的壓力波動(dòng)有時(shí)還會(huì)在主噴射之后，使高壓油管內(nèi)的壓力再次上升，達(dá)到令噴油器的針閥開(kāi)啟壓力，將已經(jīng)關(guān)閉的針閥又重新打開(kāi)產(chǎn)生二次噴油現(xiàn)象，由于二次噴油不可能完全燃燒，于是增加了煙度和碳?xì)浠衔铮?HC）的排放量，油耗增加。為了解決柴油機(jī)這個(gè)燃油壓力變化缺陷，現(xiàn)代柴油機(jī)采用了一種稱(chēng)為“共軌”的技術(shù)。它是由高壓油泵將高壓燃油輸送到公共供油管，通過(guò)公共供油管內(nèi)的油壓實(shí)現(xiàn)精確控制，使高壓油管壓力大小與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)，可以大幅度減小柴油機(jī)供油壓力隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化的程度。 ECU 控制噴油器的噴油量，噴油量大小取決于燃油軌（公共供油管）壓力和電磁閥開(kāi)啟時(shí)間的長(zhǎng)短。 共軌式噴油系統(tǒng)于二十世紀(jì) 90 年代中后 期正式進(jìn)入實(shí)用化階段。 b．可獨(dú)立地柔性控制噴油正時(shí)，配合高的噴射壓力（ 120MPa~200MPa）， 可同時(shí)控制 NOx 和微粒（ PM）在較小的數(shù)值內(nèi)，以滿(mǎn)足排放要求。 d．由電磁閥控制噴油，其控制精度較高，高壓油路中不會(huì)出現(xiàn)氣泡和殘 壓為零的現(xiàn)象，因此在柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)范圍內(nèi)，循環(huán)噴油量變動(dòng)小，各缸供油不均勻可得到改善，從而減輕柴油機(jī)的振動(dòng)和降低排放 [5]。我國(guó)的柴油機(jī)電控技術(shù)起步較晚，自 20 世紀(jì) 80 年代中期以后，許多科研單位和院校進(jìn)行了該項(xiàng)技術(shù)的研究，并有了一定成果。如長(zhǎng)春汽車(chē)研究所對(duì)直列泵的可變預(yù)行程控制進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)了 CA6110 系列柴油機(jī)的調(diào)速控制；北京理工大學(xué)用 電磁閥通過(guò)液壓伺服機(jī)構(gòu)來(lái)驅(qū)動(dòng)齒條實(shí)現(xiàn)了直列泵的噴油量控制；東汽公司在 CUMMINS6BT 上進(jìn)行的基于調(diào)節(jié)齒桿位置控制油量的調(diào)速器系統(tǒng)也取得了一定成效。國(guó)內(nèi)這方面研究的重點(diǎn)大學(xué)如吉林工業(yè)大學(xué)等以及長(zhǎng)春和無(wú)錫的等 70 個(gè)研究所分別在循環(huán)供（噴）油量和供（噴）正時(shí)的“位置控制”、“時(shí)間控制”和“共軌式系統(tǒng)＂等各個(gè)方面進(jìn)行了開(kāi)發(fā)和試驗(yàn)研究工作，并取得了顯著成果。 BOSCH 公司滿(mǎn)足歐Ⅲ排放標(biāo)準(zhǔn)的高壓共軌系統(tǒng)已投入使用國(guó)內(nèi)市場(chǎng)。目前相關(guān)企業(yè)正在致力于做一些共軌電控及其標(biāo)定系統(tǒng)研制開(kāi)發(fā)、零部件的優(yōu)化調(diào)整、燃油特性分析和燃油系統(tǒng)的模擬計(jì)算等方面工作。在電控噴射方面柴油機(jī)與汽油機(jī)的主要差別長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 是，汽油機(jī)的電控噴射系統(tǒng)只是控制空燃比 (汽油與空氣的比例 )，柴油機(jī)的電控噴射系統(tǒng)則是通過(guò)控制噴油時(shí)間來(lái)調(diào)節(jié)輸出油量的大小，且柴油機(jī)噴油控制是由發(fā)動(dòng)機(jī) 的轉(zhuǎn)速和加速踏板位置 (油門(mén)、供油拉桿位置 )來(lái)決定的。 柴油機(jī)的燃油噴射具有高壓、 高頻、脈動(dòng)等特點(diǎn)，其噴射壓力為汽油噴射的幾百倍，上千倍，要求有很好的可靠性和耐久性，而且柴油噴射對(duì)噴射正時(shí)的精度要求很高，相對(duì)于上死點(diǎn)的角度為止要求很準(zhǔn)確沒(méi)這就導(dǎo)致了柴油噴射的執(zhí)行器復(fù)雜得多。因此柴油機(jī)電控技術(shù)的關(guān)鍵是執(zhí)行器，也即是電控柴油及噴射機(jī)構(gòu)，各個(gè)國(guó)家都在致力于開(kāi)發(fā)研制 各種類(lèi)型的電控柴油機(jī)噴射機(jī)構(gòu)，以尋求最佳方案，這也是柴油機(jī)電控技術(shù)的難點(diǎn)所在。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)執(zhí)行器作為控制機(jī)構(gòu)，具有一定的時(shí)變性和非線(xiàn)性，控制效果將直接影響對(duì)齒條位置的控制。由于 PID 控制算法簡(jiǎn)單，運(yùn)算量少，具有較強(qiáng)的魯棒性以及較高的控制精度，特別是穩(wěn)態(tài)精度高，具有很廣泛地適應(yīng)性。對(duì)已知的定常性受控對(duì)象，只要確定好響應(yīng)的參數(shù)，便 可以很好地發(fā)揮其調(diào)節(jié)作用，使控制對(duì)象輸出在期望值上。 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 第二章 方案論證 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 系統(tǒng)采用單片機(jī)對(duì)柴油機(jī)噴油泵 (BOSCH 噴油泵 )進(jìn)行控制，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)噴油泵內(nèi)齒條位置的準(zhǔn)確控制，從而實(shí)現(xiàn)噴油量的準(zhǔn)確控制，完成軟硬件設(shè)計(jì)，主要技術(shù)指標(biāo)： 。 （齒條位移小于 ） ， 響應(yīng)時(shí)間小于 40ms。 系統(tǒng)方案論證 近年來(lái)，隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，發(fā)動(dòng)機(jī)噴油系統(tǒng)電子控制采用使的發(fā)動(dòng)機(jī)突破傳統(tǒng)機(jī)械調(diào)節(jié)的弱點(diǎn)，進(jìn)一步提高了噴油系統(tǒng)的靈活性和適應(yīng)能力。 單片機(jī)作為柴油機(jī)電子控制單元的核心，它具有體積小、集成度高、可靠性好、功耗低和實(shí)時(shí)處理能力強(qiáng)的特點(diǎn)，適用于獨(dú)立控制場(chǎng)合。 單片機(jī)的選擇論證 由于柴油機(jī)的電控系統(tǒng)的工作環(huán)境比較惡劣，不僅有柴油機(jī)工作時(shí)猛烈的振動(dòng)，還有高溫及電磁干擾及油污灰塵等的侵蝕，此外，柴油機(jī)的控制單元要求體積小、可靠性高、實(shí)時(shí)處理能力強(qiáng)，因此，在發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元單片機(jī)的選擇上，必須考慮其具體使用環(huán)境和柴油機(jī)噴油控制的實(shí)時(shí)性，一般品種的單片機(jī)很難勝任。目前，美國(guó)通用汽車(chē)公司， Caterpillar 公司等在其電控柴油 機(jī) 中都已采用該種單片機(jī)，取得明顯的效果。用戶(hù)可以根據(jù)需 要靈活定位； j． 采用普林斯頓的統(tǒng)一尋址方式，方便編制，簡(jiǎn)化指令系統(tǒng) ； k． 單片機(jī)引腳功能介紹： 40 個(gè)引腳按引腳功能大致可 以分為 4 個(gè)種類(lèi)：電 源、時(shí)鐘、控制和 I/O 引腳。 （ 1） VCC芯片電源，接 +5V。 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 注；用萬(wàn)用表測(cè)試單片機(jī)引腳電流一般為 0V或者 5V，這是標(biāo)準(zhǔn)的 TTL 電平，但是有時(shí)候在單片機(jī)程序正在工作時(shí)候測(cè)試結(jié)果并不是這個(gè)值而是介于0V~5V 之間，其實(shí)這只是萬(wàn)用表反應(yīng)沒(méi)這么快而已，在某一個(gè)瞬間單片機(jī)引腳電流還是保持在 0V或者 5V的。 XTAL XTAL2晶體震蕩電路反相輸入端和輸出端； 3． 控制線(xiàn)。 ① ALE 功能：用來(lái)鎖存 P0 口送出的 8 位地址； ② PROG 功能：片內(nèi)有 EPROM 的芯片，在 EPROM 編程期間，在引腳輸入編程脈沖。 （ 3） RST/VPN：復(fù)位 /備用電源。 （ 4） EA/Vpp：內(nèi)外 ROM 選擇 /片內(nèi) EPROM 編程電源。 4． I/O 線(xiàn)。 P3 口還