基于eTPU的高压共轨柴油机多脉冲燃油喷射控制系统的设计*

陈礼勇，朴有哲，苏万华

(1.天津大学，内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072； 2.郑州航院机电学院，郑州 450015)



2015149

基于eTPU的高压共轨柴油机多脉冲燃油喷射控制系统的设计*

陈礼勇1,2，朴有哲1，苏万华1

(1.天津大学，内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072； 2.郑州航院机电学院，郑州 450015)

设计了基于eTPU协处理器的多脉冲燃油喷射控制系统和基于结构体数组的多脉冲喷射控制算法，并在EFS油泵试验台和发动机台架上进行了多次脉冲喷射试验。结果表明，设计的多脉冲控制系统实现了一次中断多达10次触发喷油的功能，且多脉冲喷射次数、喷射间隔和脉冲宽度独立可调，形成可调制的多脉冲喷射模式，充分发挥了eTPU超强的定时处理能力，减轻了CPU和外部硬件配置的负担。

高压共轨柴油机；多脉冲燃油喷射；eTPU；结构体数组

前言

为满足更严格的排放法规要求，高压共轨柴油机采用多脉冲燃油喷射等策略来实现不同的燃烧模式和路径[1-5]，从而实现超低的排放。多脉冲喷油的每个脉冲都有自己的喷油定时和喷油持续期，而且为了实现喷油器电磁阀的快速打开和及时关闭，每次脉冲都需要由主脉宽(高电平)、零脉宽(低电平)和保持波(PWM波)组成的优化波来驱动[6-8]。如果每次喷射脉冲都由中断完成，则复杂的多次喷射就需要多次的中断服务程序处理。对于多缸发动机来说，其实时控制任务也将成倍增加，这必将过多地占用系统中断资源，严重时将影响系统响应的实时性。

另外一种方法是采用微处理器和一些外围电路组成作为控制系统的中央处理单元，同时采用可编程逻辑复杂器件(CPLD)作为协处理器来完成驱动信号的优化合成，但采用CPLD增加了外围电路的复杂性，同时需要对CPLD配置电源和时钟也增加了硬件电路的噪声干扰源[9]。

在本研究中，为了减轻CPU的负担和外部的硬件配置，充分发挥eTPU超强的定时处理能力，利用结构体数组将多脉冲参数发送到eTPU参数存储器中，然后基于ETPU_C编译器编译命名为Multi_Pulse函数，在eTPU中直接生成优化波以驱动喷油器功率驱动模块，实现了灵活的多脉冲喷射。

1 喷油器驱动电路和驱动波形分析

为了满足高速电磁阀在喷油过程中的响应特性，实现喷油速率的灵活可调，理想喷油器驱动电路采用Peak & Hold驱动方式[10]，即在喷油器开启阶段对电磁阀线圈以尽可能快的速率注入峰值电流使其快速开启，开启后以较小的电流就可以维持其开启的状态。

为了实现这种理想驱动方式，设计了双电压双边驱动电路和高边与低边的喷油信号及产生的电磁线圈电流信号，如图1所示。

在驱动信号作用下，喷油器开启阶段，高边和低边驱动管(M1和M2)同时打开，此时由高压电源驱动，电流迅速增大到峰值，电磁阀快速开启；打开之后通过零脉冲使电流回落，然后由低压电源驱动，以一定占空比的PWM保持波维持打开状态持续喷油，从而最终实现对喷油器驱动电流的Peak & Hold最佳控制。

低边优化波驱动信号由主脉冲、零脉冲和PWM保持波合成，驱动脉冲可由5个参数精确定义(见图1)：Tm为主脉冲宽度；Ti为零脉宽，主脉冲与PWM保持波的间隔时间；Tp为PWM波持续时间；k为PWM波的频率；f为PWM波的占空比。

本文中利用结构体数组将多脉冲参数发送到eTPU参数存储器中，多脉冲结构体数组是由第1次喷射定时、第1次喷射脉宽、第1，2次喷油间隔、第2次喷油脉宽、第2，3次喷油间隔等依次组成。ETPU_C编译器编译命名为Multi_Pulse函数，根据主机CPU发送的结构体数组，在eTPU中直接生成包含主脉宽、零脉宽和保持波的优化波以驱动喷油器功率驱动模块，实现灵活的多脉冲喷射。

2 主机CPU控制算法设计

本文中设计时仅对多脉冲的第1次喷射脉冲进行定时中断服务，而对于其它喷射脉冲的定时则根据瞬时转速进行定时角度-时间转换，直接由定时器控制喷射定时。控制算法设计时采用自定义的结构体数组对喷油参数进行数据建模，在油门位置采样中断中，控制系统根据发动机的转速和负荷信息设定喷射次数、各喷射脉冲喷射定时和各喷射脉冲持续期，形成多次喷射参数的结构体数组。然后经过预处理和定时处理，最终形成多次喷射定时计数值数组。从预喷射定时角度中分离出预喷定时齿数，用于曲轴信号捕捉定时控制，预喷射定时计数值用于齿间角度的定时控制。

2.1 喷射过程时序

喷油时序由曲轴位置信号和凸轮轴位置信号确定，曲轴位置传感器判断曲轴的瞬时位置，决定喷油定时。试验发动机的曲轴选用60-2齿形状齿盘，凸轮选用6+1齿形盘，其中凸轮同步信号多齿所对应的飞轮信号齿到第1缸压缩上止点是88°CA，设为φ1，飞轮信号齿之间的角度是6°CA。喷油器打开后由于液力机械等响应需要一个过程，因此不能立即喷油，该响应过程称为喷油延时，所使用的喷油器经测量该延时为470ns，为了精确控制喷油定时，在计算喷油定时时须把该时间考虑在内，设在某一瞬时转速n下，该时间对应的角度为φ2；设在某一工况下的喷油定时为φ3，则喷油过程的时序图如图2所示。

整个多脉冲喷射过程按下列流程进行：

(1) 计算上一缸工作后某一定曲轴转角内的平均转速作为角度-时间转换时的瞬时转速n；

(2) 根据发动机所处的工况，查找事先标定好的喷油模式、喷油定时MAP、喷油量MAP和喷射压力MAP，该喷油定时为φ3；喷油量为m，喷射压力为p；

(3) 计算喷油延时所对应的角度φ2；

(4) 计算φ4=φ1-φ2-φ3；

(5) 计算φ4所对应的整数飞轮齿数Z及其对应的余角φ5；

(6) 计算余角φ5在瞬时转速n下对应的时间t0；

(7) 计算喷油量为m，喷射压力为p时对应喷油脉宽t1；

(8) 由第1个脉冲的喷射定时、第2个脉冲的定时、第1个脉冲的脉宽以及瞬时转速n，计算第1个脉冲结束后到第2个脉冲之间时间t2；同时计算第2次喷油量所对应的脉宽t3；以此类推，计算其余脉冲所对应的参数t4,t5,…,t2z-1；

(9) 由多脉冲功能所选用的时钟频率把t0,t1,…,t2z-1转化为该时钟频率下的计数值X0,X1,…,X2z-1；

(10) 把X0,X1,…,X2z-1赋值给所定义的结构体数组里，同时把该数组传递到eTPU中MP函数对应的参数区中，供eTPU的微引擎调用；

(11) 由eTPU的输入捕捉功能(IC)数齿，当数到Z时，eTPU的微引擎向CPU提出服务请求要求响应中断，CPU中断响应向eTPU调度器发送主机服务请求，这样就完成了一次中断触发多次喷射，其它各缸按照工作时序由凸轮同步信号触发喷油。

2.2 基于结构体数组的主机CPU多脉冲控制算法设计

要完成一次喷射，多脉冲优化波MP(Multi_Pulse)函数要匹配两个参数：第1个参数是喷射定时齿数余角所对应的计数值；第2个参数是喷油脉宽所对应计数值。而针对于多次喷射来说，决定第2次喷射的第1个参数是上次喷射结束到这次喷射开始之间的计数值，第2个参数是喷油脉宽对应的计数值，以此类推，把决定每次喷射的参数传递给一个数组中，如图3所示。在此基础上建立一个和每个元素相对应的引脚匹配状态的结构体数组，由CPU调用MP功能的API函数对eTPU中的数据共享存储器中的对应参数区进行通道参数更新。最后由喷油控制中断服务程序提出通道中断服务请求，产生多次喷油驱动信号，完成对燃油喷射系统喷油速率的控制，这样一次中断即可完成多次喷射的功能。

对于多缸发动机多脉冲喷射来说，定义一个m0×2n0(m0为缸数，n0为喷射次数)二维结构体数组，查询MAP，把喷射次数及每次喷射的定时和油量，经过运算转换为计数值，然后赋给该数组的对应元素。

3 基于eTPU多脉冲优化波处理算法

eTPU是高性能微控制器中智能化协处理器，可利用C语言进行编程，使用Byte Craft编译器编译产生二进制代码下载到其SCM区中，由主CPU初始化启动后可自行运行[11-12]。eTPU函数设计目标就是把eTPU结构特点和编译器的C语言的要求协调起来，处理好主机和eTPU的交互。

进行eTPU函数编程的关键首先是确定进入通道的哪个线程，也即程序入口地址信息向量表，而线程是由线程通道模式、通道状态、主机服务请求、匹配捕获时序和标示符等激活，并且线程的激活唯一；然后在线程里编辑相应的程序，实现相应的功能，线程的代码放置在与其中语句相匹配的程序入口地址信息向量表对应的存储器。

利用eTPU_C开发了多脉冲MP函数，其基本思想是：利用两个定时匹配寄存器，通过从参数存储器中读取参数后，根据主脉宽Tm、零脉宽Ti和保持波Tp(k,f)对应的时钟计数值，当匹配寄存器的计数值与设定值匹配时，便输出相应的高电平或将电平拉低。多脉冲MP函数由初始化线程(喷油定时线程)、主脉冲线程模块、零脉宽线程、保持波上升沿线程、保持波下降沿线程模块、多次喷射线程(喷油间隔线程)和错误处理线程组成，其中喷油定时线程(初始化线程)的流程图见图4,主脉冲线程见图5。

初始化线程(喷油定时线程)是由主机服务请求引起的调度器响应，在线程下设置通道模式和线程标示符，读取结构体数组X0值并赋给匹配寄存器B，这样在匹配寄存器B匹配时对应的喷油器的驱动引脚输出高电平，并且激活调度器进入主脉宽线程模块进行相应的操作。

主脉冲线程模块是匹配寄存器B与喷油定时计数值X0匹配时引起的线程，在该线程下，读取结构体数组X1，X1即为第1次脉冲喷射持续期，并赋值给变量Inject_Hold_Dwell，将主脉宽计数值赋值给匹配寄存器A,这样在匹配寄存器A匹配时对应的喷油器的驱动引脚输出低电平，并且激活调度器已进入零脉宽线程模块进行相应的操作。

上面是单次喷射时，eTPU根据主CPU发送的数组生成主脉宽、零脉宽和保持波的进程代码，若是多次脉冲喷射，与之类似，eTPU微引擎继续读取余下的参数，对匹配寄存器继续相应的赋值来确定喷油间隔、持续期，以及在持续期内的主脉宽、零脉宽和保持波参数，同时设置进程标识符flag0和flag1来确定调度器每一次的调度进入唯一确定的进程代码存储器。

在多脉冲喷射时，结构体数组X1经变量Inject_Hold_Dwell分割给主脉宽、零脉宽和保持波完成一次喷射后，经地址指针继续读下一个数组，若地址指针指向尾地址则喷射结束，否则仍有数值比如(X2,X3)，则X2为第1次、第2次喷油间隔，X3为第2次喷油持续期。在喷油间隔线程，X2赋值给匹配寄存器B，匹配寄存器B匹配时对应的喷油器的驱动引脚输出高电平，并且激活调度器已进入主脉宽线程模块进行相应的操作。如此依次读取数组并赋值给相应的寄存器或变量，完成多脉冲喷射的信号输出。

eTPU成功读取(X2,X3)数据后，将X2赋值给匹配寄存器B，当寄存器匹配时将时对应的喷油器的驱动引脚输出高电平，并且激活调度器已进入主脉宽线程模块进行相应的操作。X3也被分割为主脉宽、零脉宽和保持波3部分。

Main_time，Zero_Time，Keep_H_Time，Keep_L_Time是根据主脉宽Tm、零脉宽Ti和保持波Tp(k,f)确定的时钟计数值，可以根据需要灵活调整优化，以实现主脉宽、零脉宽和保持波周期及占空比的灵活调节，从而实现对喷油器电磁阀的快速打开和及时关闭。

4 多脉冲喷射试验

在EFS高压共轨油泵试验台上试验，在喷射压力为160MPa、5次脉冲喷射(设计10次喷射，而EFS只能进行5次喷射测试)、喷射间隔为15°CA(n=1 300r/min)、总油量为63mg时，调制出均衡式、递增式、驼峰式、递减式和交错式的喷油模式，如图6所示。测试结果表明，脉冲喷射次数、脉宽、喷射间隔、脉冲喷射定时和主喷定时可以灵活调节，可以根据试验需要调制成不同喷射次数、不同喷油速率和不同喷油量的喷油模式。

为实现低温预混燃烧，在六缸高压共轨柴油机台架上进行了上述5种典型的喷油模式的试验研究。试验时，发动机转速为1 300r/min，进气温度均为298K,进气压力为0.147MPa，所有工况点都具有相同的总喷射油量63mg左右。图7为第1次喷油定时75°CA BTDC时不同喷油模式对放热率的影响。由图可见：调制的多脉冲喷油模式在25°CA BTDC附近，预混合气的低温自燃反应就开始进行，冷热焰的位置基本相同；但由于脉冲喷油规律不同，脉冲喷油和空气混合情况有很大差别，预混合气具有不同特性，从而使它们着火时刻和燃烧速度大不相同，即喷油模式的调制影响了预混合气形成过程，进而影响了预混燃烧放热过程。调制多脉冲喷油模式在发动机台架上的试验结果表明，调制喷油模式可以柔性控制预混合气的形成过程，进而实现可控的预混燃烧过程，喷油定时、喷油间隔和喷油模式在着火和放热速率控制方面有着极其重要的作用，也表明了本文基于eTPU开发的多脉冲驱动信号可以实现不同喷油模式的灵活调制和自由切换。

5 结论

基于eTPU开发的多脉冲MP(Multi_Pulse)算法，在没有CPU参与的情况下，可以灵活调制多脉冲的定时、脉宽、间隔和次数，准确地控制每次喷油的主脉宽、零脉宽和保持波占空比，实现了对发动机燃油系统的灵活控制和不同的燃油喷射模式灵活切换。

[1] Su Wanhua, Lin Tiejian, Pei Yiqiang. A Compound Technology for HCCI Combustion in a DI Diesel Engine Based on the Multi-Pulse Injection and the BUMP Combustion Chamber[C]. SAE Paper 2003-01-0741.

[2] Shuji Kimura, Osamu Aoki, et al. New Combustion Concept for Ultra-Clean and High-Efficiency Small DI Diesel Engines[C]. SAE Paper 1999-01-3681.

[3] Nicolas Dronniou, Marc Lejeune, Iyad Balloul. Combination of High EGR Rates and Multiple Injection Strategies to Reduce Pollutant Emissions[C]. SAE Paper 2005-01-3726.

[4] 王辉,苏万华,刘斌.调制喷油模式对柴油HCCI燃烧性能和排放的影响[J].燃烧科学与技术,2006,12(3):226-232.

[5] Hardy W L, Reitz R D. An Experimental Investigation of Partially Premixed Combustion Strategies Using Multiple Injections in a Heavy-duty Diesel Engines[C]. SAE Paper 2006-01-0917.

[6] Zhong L, Singh I P. Effect of Cycle-to-Cycle Variation in the Injection Pressure in a Common Rail Diesel Injection System on Engine Performance[C]. SAE Paper 2003-01-0699.

[7] John D Mooney. Drive Circuit Modeling and Analysis of Electronically Controlled Fuel Injectors for Diesel Engines[C]. SAE Paper 2003-01-3361.

[8] Li Jin, Zhang Kexun. Solenoid Valve Driving Module Design for Electronic Diesel Injection System[C]. SAE Paper 2005-01-0035.

[9] 李克,苏万华,等.高速电磁阀分时驱动电路可靠性与一致性研究[J].内燃机工程,2011,32(2):33-39.

[10] 郭树满,苏万华,等.基于自举电路的共轨喷油器驱动电路优化设计[J].农业机械学报,2012,43(5):11-17.

[11] Freescale Semiconductor Company. MCF5235 Reference Manual[M]. USA: Freescale Semiconductor Company,2001.

[12] Freescale Semiconductor Company. Enhanced Time Processing Unit (eTPU) Preliminary Reference Manual[M]. USA: Freescale Semiconductor Company,2004.

Design of Multi-pulse Fuel Injection Control System for HighPressure Common Rail Diesel Engine Based on eTPU

Chen Liyong1,2, Piao Youzhe1& Su Wanhua1

1.TianjinUniversity,StateKeyLaboratoryofEngines,Tianjin300072; 2.DepartmentofMechanicalandElectronicEngineering,ZhengzhouInstituteofAeronauticalIndustryManagement,Zhengzhou450015

An eTPU coprocessor-based multi-pulse fuel injection control system and its corresponding algorithm based on structure array are designed, and the multi-purse injection tests on both EFS fuel pump tester and engine test bench are conducted. The results show that the multi-pulse injection control system designed fulfills the function of triggering up to 10 injections in an interrupt, with the number and interval of injection and purse width adjustable independently, forming a modulable multi-pulse injection mode, which gives full play the powerful timing processing capabilities of eTPU and reduces the burdens on CPU and other peripheral devices.

high-pressure common-rail diesel engine; multi-pulse fuel injection; eTPU; structure array

*国家重点基础研究发展规划(973)项目(2007CB210001)和国家高技术研究发展计划(863)项目(2012AA111714)资助。

原稿收到日期为2013年12月16日，修改稿收到日期为2014年3月4日。