２０００年第２期内燃机工程・４５汽车柴油机电控管理系统的初步研究 王延岭卢青春欧阳明高（清华大学汽车安全与节能国家重点实验室）Ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｄｉｅｓｅｌ Ｅｎ乡ｎｅＳｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ＶｅｈｉｃｌｅＷａｎｇ Ｙａｎｌｉｎｇ Ｌｕ Ｑｉｎｇｃｈｕｎ Ｏｕｙａｎｇ Ｍｉｎｇｇａｏ（Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｙｒｏ ｆ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｓａｆｅｔｙ ａｎｄ Ｅｎｅｒｇｙ，Ｔｓｉｎｇｈｕａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ）Ａｂｓ ｔｒａｃｔ Ｖｅｈｉｃｌｅ ｄｉｅｓｅｌ ｅｎｇｉｎｅ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ（ＥＭＳ） ｉｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｉｔｅｍ ｉｎ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｅｌｅｃｔｏｒｎｉｃ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｄｉｅｓｅｌ ｖｅｈｉｃｌｅ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ａｎ ＥＭＳ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ一ｅｌｅｃ－ｔｏｒｎｉｃ ｈｙｂｒｉｄ ｇｏｖｅｒｎｏｒ ａｎｄ ｉｔｓ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ａｎｄ ｈａｒｄｗａｒｅ ｓｙｓｔｅｍｓ．Ａｓ ｍａｉｎ ｐａｒｔｏ ｆ ｔｈｉｓ ＥＭＳ，ｓｏｍｅ ｂａ－ｓｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｅｘｐｏｕｎｄｅｄ． 摘要汽车柴油机管理系统是汽车电子控制研究中的重要内容。作者介绍了以机电混合式调速器为硬件墓础的管理系统，阐述了与管理系统相关的其他软、硬件，提出了管理系统的一些基本控制算法。叙词：管理系统电子控制柴油机Ｄｅｓｃｒｉｐｔｏｒｓ：ＭａｎａｇｅｍｅｎｔＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｄｉｅｓｅｌ Ｅｎｇｉｎｅ１概述 近十年来，汽车柴油机电子控制技术得到了飞速发展，柴油机电控技术所以有强大的生命力，其根本原因在于电子控制的灵活性，即可以通过复杂的控制算法和优化的控制数据，实现柴油机的喷油量、喷油定时甚至喷油规律的优化控制，达到传统喷油系统所无法比拟的性能，其控制算法和控制数据的有机结合体称之为管理系统。 对于整个电控柴油机系统而言，喷油系统的硬件及直接控制喷油过程的底层驱动软件可以看作是喷油控制指令的执行系统，而管理系统则是根据发动机不同状态的控制策略和控制数据发出控制指令的系统，是柴油机电控系统中的高层控制软件部分，尽管已有的电控系统有保留了传统喷油系统基本结构的位置式控制系统和用高频电磁阀直接控制喷油过程的时间控制式系统之分，每一类系统中不同公司的产品的结构也各具特色，但由于管理系统不直接和喷油系统的硬件交往，所以管理系统具有对各类系统的普遍适用性。管理系统中的控制策略和控制数据的标定方法对电控柴油机性能的优劣起关键作用，故开展这方面的研究具有重大意义。 为了防止喷油系统硬件方面的原因影响管理系统软件的开发，使控制软件和数据匹配的研究工作与喷油系统硬件的研究工作同时进行，本管理系统的开发基于位置控制式电控喷油系统—机电混合式调速器第１作者王延岭清华大学汽车安全与节能国家重点实验室北京市邮编：１０００８４国家“九五”攻关项目子课题收软盘稿日期：２０００ － ０２ － ０３内燃机工程２００（】年第２期系统来进行，油量的控制通过执行器控制调速器的操作手柄来实现，所以执行器推杆的位置大小决定油量的大小，由于管理系统对硬件的依赖程度小，所以本管理系统也适用于第二代喷油系统。２系统结构与原理２．１概述 本管理系统相关的软、硬件系统的整体关系简图见图１。管理系统程序和数据存放在电控单元的存储器中，通过信号采集程序的执行，管理系统采集各传感器和开关的状态，根据相应的控制算法，计算出对调速器（执行器）的控制指令，通过标定系统和电控单元的数据通讯，可以监控电控单元的运行情况，并可以在试验中实时读取和修改控制数据，以达到匹配标定系统的目的，此外，通过对管理系统的监视，匹配标定系统还可以起到故障诊断飞勺作用。２．２机电混合式调速器 在原东风卡车全程和两极综合式调速器的基础上，作了如下的改动：在正常的工作状况下，调速器设置在两极模式，调速弹簧设在最高限速位置，保留原来的离心飞锤机构，拆掉怠速弹簧和校正弹簧；在油门踏板处安装传感器，取消原来踏板和调速器之间的连接杠杆，在调速手柄处安装执行器；控制单元采集传感器的信号，根据控制软件，通过操纵调速手柄来调节齿杆，从而调整循环开关供油量。 机电混合式调速器系统有下列几方面的特点：（１）超速保护 图］电控系统结构简图由于保留了机械限速装置，当电子控制系统的飞车控制失效时，仍能有效地防止飞车事故的发生。 （２）回家功能当电子控制单元出现自身不能解决的严重故障时，只要恢复油门踏板和调速器之间的机械连接， 调速器就可恢复到原来的机械全程模式，用来控制柴油机的转速实现“回家”。（ ３）实用性好此机电混合式调速器由于结构变动小，对原有结构的继承性好，所以在加工工艺上无需作大的变动， 便于改装，成本低。（４）具有电子控制功能 电控单元通过执行器控制调速手柄， 从而达到控制油量的目的，因而可以实现多种电控功能。２．３电控单元硬件结构电控单元的硬件框图见图２０整个系统的正常工作过程如下： 单片机工作在扩展模式，执行存储在扩展的ＥＥＰＲＯＭ中的程序；读入传感器提供的数字和模拟信号及开关量状态输入；根据控制算法计算出执行器位置；通过串行外围接口（ＳＰＩ ）把此数据传送到移位寄存器；通过Ｄ／Ａ转换为模拟电压；在ＰＩＤ调节电路中，以此模拟电压与执行器推杆位置的反馈电压的差值为输人信号，经硬件ＰＩＤ运算后输出驱动电压；调整脉宽电路根据此驱动电压的值按比例产生调制脉宽，提供给执行器的驱动电路，而控制执行的动作。为了减少驱动电路对逻辑电路的干扰，在两部分电路之间用光祸隔离。串行通讯（ＳＣＩ）电路使单片机和计算机之间能够进行数据交换。当柴油机的转速超过设定的最高转速时， 转速保护电路输出一个低电压值，使光祸开关关闭，驱动脉宽为零，从而起到断油保护的作用。２．４传感器与信号处理（Ｉ）转速信号处理 系统的发动机转速传感器采用霍尔式传感器，从飞轮端取出转速信号， 转速信号的脉冲计数由单片机的２０００年第２期内燃机工程４７ 图２电控系统硬件结构图脉冲累加器来完成。． 发动机转速的处理如下：利用调整后的转速脉冲信号的个数可确定发动机转过的角度，通过脉冲累加器中断可精确地得到某个角度范围Ｑ１所对应的时间△ｔ （ｓ），通过计算可以得到在发动机一转内所用的时间ｔ＝３６０Ａｔ／Ｑ１ （ｓ），因此发动机的转速为（１／ｔ）＇６０ ｒ／ｍｉｎ。为了减少气缸间波动的影响，对此转速进行了滤波处理，根据控制算法的需要，转速的计算周期设计成可在不同的周期之间转换。（ ２）油门信号处理对于油门踏板传感器的选择， ＳＡＥ推荐的两种传感器为电压式和脉宽调制式，因电压式在使用上比较简单，故选择了电压式油门传感器。参照ＳＡＥ Ｊ１８４３，把供电电压取为５．０Ｖ，最小油门位置时的输出电压为供电电压的１０％，最大油门位置时的输出电压为供电电压的８０％，在此电压范围内的每一电压对应油门从关闭到完全打开的某一位置。油门位置信号通过Ａ／Ｄ采集处理得到。通过计算前后两次油门位置的差值可获取司机的加减速愿望的强度，为便于加、 减速修正油量的控制以及更好地反映司机的加减速愿望，对油门增量进行了滤波处理，处理后的油门增量作为加减速控制的一个基本输人参量。（ ３）油温及水温信号处理在比较了各种测温元件的优缺点后， 选定半导体热敏电阻为测温元件。半导体热敏电阻的电阻温度系数大，约为（０．０３－０．０６）／：Ｃ。虽然他有电阻温度特性的分散性大，电阻和温度的关系随时间会发生漂移等缺点，但由于电控发动机对温度精度的要求不高，所以他在这一领域得到了广泛应用。由于半导体热敏电阻的电阻温度特性的非线性，在测温电路的设计上一般采用两段化处理，即低温段（Ｔ ＜ ＴＩ）和高温段（Ｔ＞Ｔ２）；分别采用不同的匹配电阻，当温度Ｔ升高到大于Ｔ２时，采用匹配电阻Ｒ１２，当温度Ｔ降低到小于Ｔ１时，采用匹配电阻Ｒ１１（见图３），选择开关为单片机通用输出口ＰＡ的一个通道ＰＡ． ｘ．油温、 水温及油门信号的Ａ／Ｄ转换完后，均进行滤波处理，并进行故障诊断。对有油门信号，处于故障时，采取紧急停机处理；当油温及水温信号不正常时，使用相应的缺省信号。（ ４）开关量信号处理４８ 内燃机工程２０００年第２期图３半导体温度传感器的信号采集电路开关信号采集的主要问题是防止由于电磁干 扰而产生误触发，所以程序只有当开关信号处于打开或闭合连续一段时间后才会确认所采集的信号的状态。电控系统发动机常规试验设备２．５监控与标定系统数据标定系统卜叫试验人员 整个管理系统由控制程序和控制数据组成，控制数据是发动机管理系统中非常重要的一部分，直图４实验系统框图 接决定控制质量的优劣，针对一个具体机型的发动机管理系统，其控制数据是在大量实验数据的基础上，按照一定的准则（如排放、燃油经济性、速度稳定性等）选择确定的优化数据，此优化控制数据的过程即为数据的标定过程。进行数据标定时，电控发动机的实验系统中各部分的关系如图４所示。数据监控与标定系统的功能是 在线显示、修改并存储电控单元中的数据。为了更好地监控调试和对系统所需数据进行匹配标定，整个系统的开发基于Ｗｉｎｄｏｗｓ平台，用Ｖｉｓｕａｌ Ｃ ＋ ＋１． ５２版本设计，具有能够同时在一个母窗口下打开的数字式界面与图形式界面。由于支持ＭＤＩ多文档操作，可以同时打开不同文档的多个窗口，进行数据之间的对比。提９００卜诊＼石５００｛５００ ｉ・．・．・．・．・．・．・．・．一．．． ．．．．．．．・．．．．．．．一８０３基本控制算法研究在上述软、 硬件系统构成的开发环境下，进行了管理系统一些基本算法的研究。３．１起动控制圳震转速图５起动油量控制方法图ｔ，℃图６目标怠速值与发动机冷却液温度关系图２０００年第２期内燃机工程 起动油量控制方法如图５所示。图中的不同粗细的实线代表不同水温的起动控制油量，其中水温ＴＩ ＜Ｔ２＜ Ｔ３。在第一次起动油量计算中，采集当前的冷却水温度。根据水温查起动油量ＭＡＰ图，计算出最初的起动油量。在以后的计算中，不再采集水温，而是根据转速对第一次算出的油量进行修正，使油量在不同的转速段随转速的升高而逐渐减少，以减少燃油消耗、排放和起动完成时速度的过冲。在起动控制过程中，如果采集到的发动机转速超 过怠速目标转速，管理系统退出起动控制；如果此时油门位置处于怠速位置，则转人怠速控制模式。为了使起动过程到怠速过程的过渡更平稳，在退出起动控制前，把控制油量改为预置怠速油量，此怠速油量根据当前的发动机状态和预存的相应怠速油量ＭＡＰ数据计算得出。怠速油量和发动机的转速及热状态有关。．之．厂１４００ １８００２６００ ２８００３．２怠速控制管理系统的怠速通过转速传感器的采集信号实行 闭环控制，因此怠速的转速不受上述因素的影响。同时，程序根据当前发动机冷却液温度确定目标怠速的数值，当冷却液的温度比较低时，为了加快暖机过程，目标怠速设置得比较高，随着冷却液温度的升高，目标怠速值不断降低，以减少怠速的油耗和排放。目标怠速值和出水温度的关系如图６所示。为了提高怠速的控制品质，保证怠速的控制在稳 态时速度波动小，在动态时的相应快，对怠速的控制实行分段的ＰＩＤ控制，即速度偏差小时ＰＩＤ参数比较小，当速度偏差大时ＰＩＤ参数增大。此外，根据蓄电池的ｎ． ｒ／ｍｉｎ图７发动机调速特性乒２．泛１１００ １５００ １９００ ２３００ ２７００ｎ． ｒ／ｍｉｎ电压和空调等车辆附件的开关情况进行怠速目标转速的修正。３．３道路工况调速与标定试验对于汽车发动机而言， 其扭矩一速度特性最好具有自动适应道路阻力变化的能力，即可使汽车在不换档、不踩油门的情况下，有克服短期阻力矩变化且能使车速保持相对稳定的能力。根据对两极和全程调速优缺点的分析，最终确定电控发动机的调速特性为介于两极和全程之间的类似与汽油机的调速特性（如图７所示），并且在瞬态控制中加人其他控制算法以实现更好的控制。图８电控系统外特性与原机外特性的对比３．４柔性外特性算法与标定试验 按烟度限制油量重新标定了汽车发动机的外特性（见图８）。图中虚线为原机外特性，实线为电控系统外特性，与原机外特性相比，在电控系统外特性下，最大扭矩有所提高，标定转速工况的扭矩有所下降，扭矩储备系数增大。为了提高汽车的动力性，在控制板上设计一个大负荷模式开关，当司机按下此开关时，管理系统把调速特性的外特性由正常运转外特性切换到短时运转外特性，两种外特性的比较示意见图９。显然，在短时运转外特性上工作时，汽车的最大爬坡度等动力性能指标有了提高，排放也会增加。为了限制排放，在设计上使发动机处于此短时外特性的时间有一个限制，当超过此时间限制时，即使大负荷模式控制开关仍处于按下状态，管理系统也会自动退出短时大负荷模式，以减少排放和延长发动机的使用期。５０ 内燃机工程２００（）年第２期３．５装车运行与自由加速烟度试验 在进行了大量的台架试验后，把系统装在时运转外特性一辆东风Ｓｔ卡车上，原来的油门踏板执行机构被设计的电子油门和执行器所取代，调节怠速装执行器时，调整螺钉使调速柄的最小位置为停机位置，安通过调节执行器的位置使执行器ｚ乒止常运转外特性的推杆０位置状态对应停机位置，这样电控系统就具有了能使发动机停机的功能。通过对飞部分负荷外特性轮端小油底壳的改造，把转速传感器安装在飞轮端。为了安全起见，把电控单元放置在驾驶室中，并采取了固定和隔振措施。在车上进行ａ． ｒ／ｍｉｎ了自由加速烟度测试，由于采用了起步控制策图９两种外特性的比较略，自由加速烟度为１．９ＢＳＵ，远低于国家规定的３．６ＢＳＵ的标准。４结论管理系统是柴油机电子控制中的重要内容， 直接决定电子控制的性能。通过对管理系统有关的软、硬件部分的研究开发，给管理系统的研究提供了良好的环境，在此基础上，进行了管理系统的基本控制算法的研究，试验表明，所研究的管理系统有效地提高了柴油机的性能。☆＆ ＊４４ ＮＧ２０００２８参考文献王延岭．车用电控柴油机管理系统的开发．北京：清华大学汽车工程系，硕士论文，１９９８．方铁钢．车用柴油机电子调速系统的研究与开发北京：清华大学汽车工程系，毕业论文，１９９７．Ｍａｒｖｉｎ Ｋ Ｆ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｃｏｎｔｏｒｌｓ ｆｏｒ Ｊｏｈｎ Ｄｅｅｅｒ ｄｉｅｓｅｌ ｅｎｇｉｎｅｓ． ＳＡＥ ｐａｐｅｒ ８９０３９１Ｃ． Ｓ Ｎａｍｉ（王国印等译）．Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋十使用指南．北京：清华大学出版社，１９９５．（上接科页）作者设计的定容燃烧弹内的湍流发生系统，能够方便地改变容弹内的湍流参数，因而可以用来开展预混湍流燃烧的基础研究。实验结果证实，该湍流发生系统设计合理，运行可靠，达到了预定要求。☆检索号 ＮＧ２０００２７参考文献马凡华．预混湍流燃烧的基础研究．西安交通大学博士学位论文，１９９６．蒋德明等．火花点火发动机的燃烧．西安交通大学出版社，１９９２．蒋德明、马凡华、阎小俊．预混湍流燃烧的实验研究．内燃机工程，１９９９（１）