柴油机喷油泵电控系统设计论文.docx

1、柴油机喷油泵电控系统设计论文摘要柴油机的高效、节能使得汽车的柴油机化日趋明显。电控燃油喷射系统也成为目前柴油机领域的重要发展方向之一。采用电控技术后，将有效改善柴油机的动力性和经济性，降低柴油机的有害排放。柴油机的喷油系统主要是由高喷油泵、喷油器和连接喷油泵与喷油器的高压管组成。随着国家对环境治理力度的加强，对机动车尾气排放的要求相对的提高了，特别是对柴油发动机的排放要求更加严格，所以喷油系统必须能够保证柴油机使柴油充分的燃烧，保证柴油机有足够的动力和运输的可靠性。这样，就对喷油系统有较高的要求，改变了柴油发动机的控制模式，实现了精确的控制，使排放更加清洁，减小了柴油机做功粗暴所产生的噪音，提

2、高了车辆的经济型和舒适性。执行机构的控制研究是柴油机电控技术研究的关键。本文在给出了油量执行结构及其位置传感器、供油定时控制机构及其提前角检测的设计方案，并对其控制策略进行了研究。电控单元硬件、软件设计是电控系统设计的核心。本文详细地讨论了电控单元硬件、软件设计过程，完成了硬件电路和软件模块化设计，并对硬件、软件提出了相应的抗干扰措施。此外，为了完善柴油机电控系统开发，提出了柴油机标定系统。采用以CAN总线为基础平台的分配泵电控系统，实现下位机与PC机之间的通讯，完成对柴油机电控系统参数的监测。本文阐述了采用单片机对柴油机喷油泵（BOSCH喷油泵）进行控制，主要实现对喷油泵内齿条位置的准确控制

3、，从而实现对喷油量的准确控制，达到改善喷油系统和环保的目的。本系统采用我们比较熟悉的89C51单片机作为控制核心，采用电感传感器作为反馈和信号的采集，使用光耦驱动电路使输入端与输出端相互隔离，使电路的抗干扰能力加强了，使用PID控制算法控制系统稳定，鲁棒性强。关键词：柴油机；单片机；喷油泵；控制系统System of diesel engine fuel injection controlAbstractDiesel engines have been widely applied in the world because of their efficiency, economy and re

4、liabilityElectronically controlled fuel injection is one of important research directions in the diesel engine fieldIntroduction of electronic control techniques into diesel engine can not only improve the drivability and economy considerablybut reduce their exhaust emissions and contamination.Fuel

5、injection system of diesel engine as long as it is made of high fuel injection pump，injector high-pressure tubing connected fuel injection pump and the injector.Along with the country to strengthen environmental regulation，on vehicle emissions requirements relative increase，Especially for the diesel

6、 engine emission requirements more stringent,So the injection system must be able to ensure that the diesel combustion,To ensure the reliability of diesel engine with power and transportation of enough.So,have high requirements for fuel injection system,To change the control mode of the diesel engin

7、e and precise control.The emissions of more clean,reduce the diesel engine work rude noise,improve vehicle economy and comfort.The executive mechanism is the key techniques in the diesel engine electronic control technologyIn this paper detailed designs on control mechanisms and sensors are presente

8、d and control tactics are investigated alsoAs the core of diesel engine electronic control systemThe whole process of ECU hardware and software designs is specified，moreover requisite software and hardware measures are taken in the system anti-disturbance performanceBesides，in order to calibrate the

9、 parameters of diesel engines，the electronically controlled unit of VE distributor pump is presented based on the CAN field busIt adopts the simple and practical design of the electronically Controlled unit by CAN field bus communication and make the bottom processor and the top computer communicate

10、 and the parameters of the electronically controlled unit can be monitoredThis paper expounds the application of single-chip microcomputer in diesel fuel injection pump (BOSCH pump) control,mainly to achieve precise control of fuel injection pump rack position,so as to realize the accurate control o

11、f injection quantity,Improve the fuel injection system and the purpose of environmental protection.The system uses the more familiar 89C51 microcontroller as control core,The inductive sensor as the feedback and signal acquisition,use optocoupler driving circuit to make the input and the output are

12、isolated from each other,so that the anti-interference ability of the circuit to strengthen.The use of PID control algorithm of the control system stability,robustness.Keywords：Diesel enging；Microcontroller；Fuel injection pump；Control system第一章 绪论1.1 论文选题背景及研究柴油机自问世以来，就以其高效、节能等优点而在车用动力中占有非常重要的地位，特别是

13、近些年来，柴油机的应用有逐渐扩大的趋势。这主要是因为，世界性能源危机及汽车污染的日益严重，人们对发动机的节能和排放提出了更高的要求。柴油机与汽油机相比，在节油和HC、CO、CO排放方而都具有明显的优势。因此，耳前美国、日本、欧洲等发达国家在中重型载重汽车中己全部柴油机化，而且近年来在轻型车和轿车上的应用上也呈逐年递增的趋势。1988年欧洲柴油机轿车的销售量占轿车销售总量的15，到1998年已经上升到25，2003年已经超过32，专家预测到2007年将超过50。因此说，未来汽车的发展呈柴油机化的趋势日趋明朗1。随着国家对环境治理力度的加强，对机动车尾气排放的要求相对的提高了，特别是对柴油机的排放

14、要求更加的严格，必须达到欧III排放标准才能够进行销售。柴油汽车如果达到欧III排放标准呢就必须改进柴油机喷油系统，南京依维柯汽车公司于2003年与BOSCH公司合作引进柴油机电控喷射系统，在原SOFIM8140.43发动机的基础上进行了技术改进，使原为欧II排放标准的发动机降低了颗粒物等有害物质的排放，达到了欧III排放标准2。柴油机电控喷油器共轨发动机的面市，该表了柴油发动机的控制模式，实现了精确控制，使排放物更加清洁，减小了柴油机做功粗暴所产生的噪音，提高了车辆的经济性和舒适性。1.2 柴油机电控喷油系统的发展动态国外对柴油机电控喷油系统的研究始于20世纪70年代。1967年，德国BOS

15、CH公司开始批量生产用进气管绝对压力控制空燃比的DJetronic模拟式电子控制汽油喷射系统，装备在大众汽车公司生产的VW-21600型轿车上，开创了汽油喷射系统电子控制新时代。在短短的20年内，汽油机电控技术已相当成熟。柴油机电子控制的研究比汽油机晚20年的时间，但是汽油机电控技术促进了柴油机电控技术的发展，从上世纪80年代开始，柴油机的电控技术得到了迅速发展。目前已有多种形式的电控柴油喷射系统装车使用，较成熟的电控燃油喷射产品在国外车用柴油机中得到了广泛应用。仅1993年统计，德国BOSCH公司的电控分配泵和电控直列泵在市场上已超25万台，美国底特律柴油机公司DDEC电控泵喷嘴系统已有10

16、万多台投放市场，日本的Zexel公司可变预行程的TICS直列泵已达2万多台，其中绝大部分是电控的。柴油机电控喷射系统发展至今已先后推出了三代产品，即位置控制式、时间控制式和压力-时间式。第一代位置控制式电控喷油系统在不改变改变传统喷油系统结构的基础上，用电控调速器来代替原有的机械式调速器，对齿条或滑套位置予以控制，从而对油量进行调节，并通过电控液压提前器代替传统的机械或液压式提前器来实现喷油正时的控制，提高控制精度和响应速度，是电控柴油机开发的早期产品。位置式电控系统无须对柴油机的结构进行改动，生产继承性好，便于对现有机型进行技术改造，在分配泵和直列泵上都可以实现。其缺点是因为采用模拟量进行控

17、制，频率响应慢，控制自由度小，精度差，而且喷油率和喷油压力难于控制，也不能改变传统喷油系统所固有的喷射特性3。典型的位置式电控喷油系统有日本电装公司的ECD.V1型电控分配泵，德国BOSCH公司的RP39和RP43型电控直列喷油泵及VP37电控分配泵，日本小松公司的KP21型电控直列喷油泵，英国Lucas公司的EPIC型电控分配泵以及美国Stanadyne公司的PCF型电控分配泵等。第二代时间控制式电控喷油系统取消了传统的喷油机构，采用高速强力电磁阀直接控制高压燃油的通断，高速电磁阀的开启和关闭时间决定喷油量的大小和喷油时刻。时间控制式电控系统采用数字量控制，具有一定的喷油率控制能力。但由于仍

18、沿用脉冲高压供油原理，喷油压力难以控制。同时要求高速电磁阀有良好的响应和可靠性，制造难度大。在传统的机械分配泵、单体泵、泵喷嘴等基础上都可以实现时间式控制系统。典型的时间控制式电控喷油系统有：德国BOSCH公司的PDE27/PDE28系统，英国Lucas公司的EUI系统和美国底特律阿列森公司的DDEC系统等。第三代电控喷油系统是时间-压力式控制系统，它改变了传统喷油系统的结构，不再采用柱塞泵脉动供油原理，而是利用高压共轨或共轨蓄压和液力增压形式获得高压，通过连续调节共轨压力来控制喷射压力，利用电磁阀控制喷射过程，喷油量的大小由喷油时间和共轨压力共同决定。由于共轨式喷油系统喷射压力不受柴油机转速

19、和喷油量的影响，而且喷油量、喷油压力、喷油速率都可以由ECU灵活控制，从而将高压喷射与电控制完美的结合起来，实现了喷油系统的全电子控制，目前已成为柴油机电控喷油系统研究领域的重要课题与发展趋势。较为典型的共轨式电控喷油系统有：美国BKM公司SERVOJET蓄压式电控高压喷射系统，美国Caterpillar公司的电控液压泵。喷嘴系统，日本小松公司的KOMPlCS液压式共轨系统，日本电装公司ECD.U2高压共轨式电控喷射系统，意大利Fiat集团UNIJET喷油系统，德国BOSCH公司CR共轨式电控喷油系统，英国Lucas公司的LDCR电控高压共轨喷油系统。1.3 国内外电控燃油系统的发展现状随着我

20、国汽车保有量的增多，部分城市汽车排放造成的大气污染越来越严重。因此，我国也参照欧洲排放法规制定了自己的排放法规，2001年起执行了相当于欧洲一号的法归，2004年1月颁布执行了相当于欧洲二号的法规，在2008年将执行欧洲三号法规。因此排放达标、性能优异、安全可靠已经成为柴油机现阶段发展的主要目标，中国已经同世界联系越发紧密，汽车属于国家的支柱产业，大力提高汽车生产水平，对提高国际市场的竞争力，促进国家经济发展都具有现实的意义。柴油机的发展已有一百多年的历史，其技术发展可以分为三个阶段：第一阶段，20世纪20年代中期以德国BOSCH公司为代表的机械式喷油系统代替了蓄压式供油系统，这样柴油机在车辆

21、上应用就产生了；第二阶段，50年代初废弃涡轮增压技术，奠定了它在该行业中的动力装置的基础；第三阶段，80年代至今，现代微机作为电控单元的电控技术在柴油机上的应用，就有了现代先进汽车柴油机电控系统的产生和发展，使柴油机在动力性、经济性、排放及噪声指标等具有了强有力的竞争能力，柴油机技术的发展因而进入了一个新的历史阶段。仅1993年统计，德国BOSCH公司的电控分配泵和电控直列泵在市场上已超过25万台。美国底特律柴油机公司DDEC电控泵喷嘴系统生产了10万多台。还有日本一些公司生产的可变预行程的TICS直列泵已达2万多台，其中绝大部分是电控的。另外，如美国Caterpillar公司、日本Nippo

22、n公司、德国Denso公司都进行了共轨电控燃油喷射系统研究，并相继投入到生产中。到目前为止，各国已研制并生产各种柴油机电子控制系统，有力的缓解了当前的世界性能源危机和汽车污染。一些汽车工业发达国家的柴油机电控技术水平目前已相当发达。目前欧美国家中100%重型车、90%轻型车采用柴油机，欧美的柴油轿车在轿车保有量中比例超过40%新车产量比例超过50%。据有些文章介绍在美国轻型车辆和轿车领域。柴油机市场份额将提高到大约15%，柴油机的电子控制技术大致可分为3个阶段；20世纪70年代的初始研发阶段，此时电控主要用于发电机组用柴油机；20世纪80年代为实用阶段，发展了多种位置控制式和时间控制式电控喷油

23、系统，被控量也有原来的一种发展为多种；20世纪90年代至今为成熟阶段，功能更为强大的电控喷油系统可以控制喷油喷油正时、喷油压力以及喷油率4。有上述状况可知，电控高压共轨喷射系统是未来最有前景的控制系统，对于燃油喷射控制控制原理，各种共轨喷射系统近期变化较小。可以说奖励啊的柴油机燃油喷射系统将会使高喷射压力、喷油量及喷油定时可灵活控最佳喷油速率控制的这样的一个趋势，全电子控制的燃油喷射系统是实现燃油喷射过程柔性控制的必然趋势。现代先进的汽车柴油机一般采用电控喷射、共轨、涡轮增压中冷等技术，在重量、噪音、烟度等方面已取得重大突破，达到了汽油机的水平，而且相比汽油机更环保，目前国外轻型汽车用柴油机日

24、益普遍，奔驰、宝马、大众、雷诺、沃尔沃等欧洲名牌汽车都有采用柴油发动机的车型。在电控喷射方面柴油机与汽油机的主要差别是，汽油机的电控喷射系统只是控制空燃比，柴油机的电控喷射系统则是通过控制喷油时间来调节输出油量的多少，为柴油机喷油控制式由发动机的转速和加速踏板位置（油门拉杆位置）来决定的。因此，基本工作原理是计算机根据转速传感器和油门位置传感器的输入信号，首先计算出基本喷油量，然后根据水温、进气温度、进气压力等传感器的信号进行修正，再与来自控制套位置传感器的信号进行反馈修正，确定最佳喷油量。电控柴油喷射系统由传感器、ECU（电子控制单元）和执行机构三部分组成。其任务是对喷油系统进行电子控制，实

25、现对喷油量以及喷油定时随运行工况的实时控制。采用转速、温度、压力等传感器，将实时检测的参数同步输入计算机，与已储存的参数进行比较，经过处理计算按照最佳值对喷油泵、废气再循环阀、预热塞等执行机构进行控制，驱动喷油系统，使柴油机运作状态达到最佳。这类电控系统可以分为：蓄压式电控燃油喷射系液力增压式电控燃油喷射系统和高压共轨式电控燃油喷射系统。一下介绍一下高压共轨电控柴油喷射系统。在汽车柴油机中，高速运转使柴油喷射过程的时间只有千分之几秒，实验证明，在喷射过程中高压油管各处的压力是随时间和位置的不同而变化的。由于柴油的可压缩性和高压油管中柴油的压力波动，使实际的喷油状态与喷油泵所规定的柱塞供油规律有

26、较大的差异。油管内的压力波动有时还会在主喷射之后，使高压油管内的压力再次上升，达到令喷油器的针阀开启压力，将已经关闭的针阀又重新打开产生二次喷油现象，由于二次喷油不可能完全燃烧，于是增加了烟度和碳氢化合物（HC）的排放量，油耗增加。此外，每次喷射循环后高压油管内的残压都会发生变化，随之引起不稳定的喷射，尤其在低转速区域容易产生上述现象，严重时不仅喷油不均匀，而且会发生间歇性不喷射现象。为了解决柴油机这个燃油压力变化缺陷，现代柴油机采用了一种称为“共轨”的技术。高压共轨技术电喷技术是指在高压油泵、压力传感器和电子控制单元组成的闭环系统中，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。它是

27、由高压油泵将高压燃油输送到公共供油管，通过公共供油管内的油压实现精确控制，使高压油管压力大小与发动机的转速无关，可以大幅度减小柴油机供油压力随发动机转速变化的程度。因此也就减少了传统柴油机的缺陷。ECU控制喷油器的喷油量，喷油量大小取决于燃油轨（公共供油管）压力和电磁阀开启时间的长短。ECU对每个喷油嘴的喷油量、喷油时刻进行精确控制，能使柴油机的燃油经济性和动力性达到最佳的平衡，而传统的柴油机则是由机械控制，控制精度无法得以保障。共轨式喷油系统于二十世纪90年代中后期正式进入实用化阶段。高压共轨系统可实现在传统喷油系统中无法实现的功能，其优点有：a共轨系统中的喷有压力柔性可调，对不同工况可确定

28、所需的最佳喷射压力，从而优化柴油机综合性能。b可独立地柔性控制喷油正时，配合高的喷射压力（120MPa200MPa），可同时控制NOx和微粒（PM）在较小的数值内，以满足排放要求。c柔性控制喷油速率变化，实现理想喷油规律，容易实现预喷射和多次喷射，即可降低柴油机NOx，又能保证油量的动力性和经济性。d由电磁阀控制喷油，其控制精度较高，高压油路中不会出现气泡和残压为零的现象，因此在柴油机运转范围内，循环喷油量变动小，各缸供油不均匀可得到改善，从而减轻柴油机的振动和降低排放5。目前多内的柴油机电控燃油喷射技术比国外要落后很多，我国汽车工业与国际水平还存在相当大的差距，对电控柴油机技术的应用还是不完

29、善。我国的柴油机电控技术起步较晚，自20世纪80年代中期以后，许多科研单位和院校进行了该项技术的研究，并有了一定成果。在位置控制系统方而，国内研究的是比较多的。如长春汽车研究所对直列泵的可变预行程控制进行了研究，实现了CA6110系列柴油机的调速控制；北京理工大学用电磁阀通过液压伺服机构来驱动齿条实现了直列泵的喷油量控制；东汽公司在CUMMINS6BT上进行的基于调节齿杆位置控制油量的调速器系统也取得了一定成效。在开发高压共轨系统及其与柴油机匹配技术方面目前正处于研制开发阶段，目前主要研究工作是柴油机电控喷射系统的研究与开发。国内这方面研究的重点大学如吉林工业大学等以及长春和无锡的等70个研究

30、所分别在循环供（喷）油量和供（喷）正时的“位置控制”、“时间控制”和“共轨式系统等各个方面进行了开发和试验研究工作，并取得了显著成果。国内既积极引进国外先进技术又努力自主开发，04年底威孚集团和BOSCH公司联合组建了博世汽车柴油系统股份有限公司，该公司以BOSCH公司技术为依托在无锡生产高压共轨系统。BOSCH公司满足欧排放标准的高压共轨系统已投入使用国内市场。国内在一些关键技术问题如高速电磁阀的研究、泵油量的控制、执行机构的开发、泄漏问题、各学科分工合作等还不怎么成熟和完善6。目前相关企业正在致力于做一些共轨电控及其标定系统研制开发、零部件的优化调整、燃油特性分析和燃油系统的模拟计算等方面

31、工作。柴油机电控技术与汽油机电控技术有许多相似之处，整个系统都是由传感器、电控单元和执行器三部分组成。在电控喷射方面柴油机与汽油机的主要差别是，汽油机的电控喷射系统只是控制空燃比(汽油与空气的比例)，柴油机的电控喷射系统则是通过控制喷油时间来调节输出油量的大小，且柴油机喷油控制是由发动机的转速和加速踏板位置(油门、供油拉杆位置)来决定的。柴油机电控技术有两个明显的特点：一是柴油喷射电控执行器复杂，二是柴油电控喷射系统的多样化。柴油机的燃油喷射具有高压、高频、脉动等特点，其喷射压力为汽油喷射的几百倍，上千倍，要求有很好的可靠性和耐久性，而且柴油喷射对喷射正时的精度要求很高，相对于上死点的角度为止

32、要求很准确没这就导致了柴油喷射的执行器复杂得多。从控制对象看，从机械控制时机械调速器控制喷油量，机械式提前器控制喷射正时，到电子控制时，不仅控制喷油量，喷射正时，而且控制喷射速率，喷射压力所感应的工况由单一的转速工况发展到感应整个发动机运行工况和环境条件，这样势必带来了控制复杂性。因此柴油机电控技术的关键是执行器，也即是电控柴油及喷射机构，各个国家都在致力于开发研制各种类型的电控柴油机喷射机构，以寻求最佳方案，这也是柴油机电控技术的难点所在。1.4 论文研究的主要内容本文主要研究对执行器的控制问题。柴油发动机执行器作为控制机构，具有一定的时变性和非线性，控制效果将直接影响对齿条位置的控制。采用闭环控制有效的对齿条位置进行控制，从而达到控制的精度和准确性。由于PID控制算法简单，运算量少，具有较强的鲁棒性以及较高的控制精度，特别是稳态精度高，具有很广泛地适应性。而且PID调节器是一种应用十分广泛而且成熟的工程控制方法。对已知的定常性受控对象，只要确定好响应的参数，便可以很好地发挥其调节作用，使控制对象输出在期望值上。所以本系统采用PID控制，即简单，又能达到控制精度要求。 第二章 方案论证2.1 系统设计要求系统采用单片机对柴油机喷油泵(BOSCH喷油泵)进行控制，主要实现对喷油泵内齿条位