基于高压共轨柴油发动机控制器研究

于正同，郝建，时培燕

（中航工业西安航空计算技术研究所，陕西 西安 710119）

基于高压共轨柴油发动机控制器研究

于正同，郝建，时培燕

（中航工业西安航空计算技术研究所，陕西 西安 710119）

简要介绍高压共轨系统的优点和高压共轨控制器硬件；从发动机起动工况、怠速工况和调速工况等控制，分析其软件控制策略；通过发动机台架起动试验，论证高压共轨柴油发动机控制器的可行性。

高压共轨；发动机；控制策略

随着中国对汽车排放法规要求越来越严［1］，传统的机械式柴油发动机已经远远满足不了要求。高压共轨柴油发动机通过对喷油压力、喷油时刻、喷油量、喷油次数实现精确控制，让发动机工作处于最佳工作状态，从而实现发动机排放特性、经济性和动力性不断提高。高压共轨柴油发动机控制器成本一般在2 000元到3 000元，当前越来越多的柴油动机生产厂家采用高压共轨控制系统。

1 高压共轨系统优点

柴油机共轨式电控燃油喷射技术是一种全新的技术，它集成了计算机控制技术、现代传感检测技术以及先进的喷油结构于一身。它不仅能达到较高的喷射压力、实现喷射压力和喷油量的控制，而且能实现预喷、主喷和后喷，从而优化喷油特性形状，降低柴油机噪声和大大减少废气的排放量。该技术的优点主要体现在以下4点。

1）采用先进的电子控制装置及配有高速电磁开关阀，使得喷油过程的控制十分方便，并且可控参数多，益于柴油机燃烧过程的全程优化。

2）采用共轨方式供油，喷油系统压力波动小，各喷油器间相互影响小，喷射压力控制精度较高，喷油量控制较准确。

3）高速电磁开关阀频响高，控制灵活，使得喷油系统的喷射压力可调范围大，并且能方便地实现预喷射、后喷等功能，为优化柴油机喷油规律、改善其性能和降低废气排放提供了有效手段。

4）系统结构移植方便，适应范围宽，不像其它的几种电控喷油系统，对柴油机的结构形式有专门要求；高压共轨系统均能与目前的小型、中型及重型柴油机很好匹配。

2 高压共轨控制器硬件

高压共轨控制器ECU的硬件设计遵循模块化设计的原则，使设计、调试、修改整个过程简洁明了。ECU硬件主要包括：CPU模块、数字信号调理电路、模拟量信号调理电路接口、频率信号调理电路、电源模块，如图1所示。处理器选用Freescale公司的MPC55XX系列，它是基于32位的PowerPC内核内部模块接口，通过共用的内部总线相连接，它具有高性能的数据处理能力和强大功能的外围子系统。通过采集发动机曲轴和凸轮信号、模拟量信号和离散量信号，并通过一定的控制策略，计算出喷油量和有轨压力，然后通过驱动电路对喷油器和油量计量阀进行驱动，通过CAN总线与整车通信，实现诊断和标定功能［2］。

3 系统软件设计

电控单元的控制软件是系统核心，它将发动机模型、控制算法以及整个硬件系统资源连接在一起，实现控制功能。ECU控制器的整个软件系统模型共分基础层、支撑层和应用层3层。

基础层包括硬件接口驱动软件和硬件内部资源驱动软件。硬件接口驱动软件封装了对发动机上各种执行器的驱动；硬件内部资源驱动软件主要封装了硬件平台中微控制器的各个功能模块，如数据数模转换、通信总线、微控制器等。

支撑层主要集中了应用软件各组件所用到的公共部分。通信软件主要提供ECU控制器与车身网络中其他电子控制单元进行通信的协议和服务。

应用软件主要是完成高压共轨发动机控制策略。完成发动机起动工况，怠速控制，调速工况控制。

3.1 起动工况控制

柴油机起动是一个瞬态动态响应过程［3］。起动是指从驾驶员拧动点火钥匙使起动机拖动发动机转动，一直到发动机开始着火燃烧，转速上升到起动结束转速的这一过程。当车辆发动机静置了较长时间，发动机温度已经与外界环境温度一致，此时如果起动发动机称之为冷起动。

起动工况所采用的控制策略是在一定转速以前采用开环控制，即喷油量和喷油角度固定，当发动机转速达到一定转速后进入闭环控制。在进入闭环过程中，起动控制需求转矩主要受发动机转速和冷却液的影响，在发动机转速低时需求转矩大，喷油量大，随着发动机转速提高需求转矩减小，发动机喷油量随之逐渐减少直到怠速转速；冷起动功能模块根据发动机水温和进气温度确定增加补偿喷油量。

柴油发动机机起动过程由3个阶段组成，如图2所示。第1阶段控制策略是检测到曲轴和凸轮信号，迅速建立发动机轨压，但是发动机没有喷油量；第2阶段是发动机开始喷油，喷油量固定，发动机转速迅速上升，发动机脱离起动机；第3阶段是发动机大于一定转速后，进入闭环控制，保证发动机转速从起动工况向怠速工况的平稳过渡［4］。

3.2 怠速控制

怠速控制的主要目的是让发动机保持一个比较低且稳定的转速，对于柴油发动机一般是700～900r／min。影响发动机怠速转速的主要因素为水温变化和进气温度变化。怠速工况所用的控制策略是用的比较传统PID闭环算法。PID算法主要缺点是调节时间长，同时也容易产生超调。为克服这一问题采用了“前馈＋反馈”的控制方法，并且在反馈控制中同时采用了PI控制与PD控制。

怠速控制主要根据水温和空调开关状态确定目标怠速。根据发动机其他负载计算出相应的转矩，与怠速转矩之和作为前馈目标转矩。反馈控制以PI控制为主，同时进行PD控制油量，并且将微分控制量作为积分控制量的上下限值。采用这样的控制流程，当发动机负载变化时，前馈转矩值会迅速进行补偿，需要反馈参与调节的量很小，不致引起大的转速波动；当转速从起动过渡到怠速或者从高速回到怠速时，转速偏差大引起的过大积分调节量会被微分调节量所抑制，从而有效防止转速超调，使过渡平缓。整个怠速控制的逻辑如图3所示。

3.3 调速控制

对于发动机的状态而言，可以将起动和怠速以外的所有正常运行过程都划归调速状态。因此调速状态控制是发动机整机控制的核心之一。

调速过程的转矩控制与转矩协调模块密不可分。根据调速控制得到的基本转矩，最终必须满足转矩协调模块的要求，才能用于后续的喷射驱动中。因此可以将转矩协调部分作为调速控制的一个部分来看待。这样调速状态的转矩控制既包括根据驾驶需求确定基本需求转矩的过程，也包括考虑排放、经济性、舒适性的要求对基本需求转矩进行修正得到目标需求转矩的过程。在喷油系统常用的有两级和全程两种调速特性，它们各有优缺点。在电控喷射系统中可以根据发动机性能的需求灵活设计调速特性。

4 试验验证

台架试验基于一款排量为4.5L、最大输出功率为147 kW（200马力）的高压工况柴油发动机，发动机台架系统采用AVL型号S22-4／0934-1BS-1。通过发动机调速特性试验，完成对自主发动机控制器测试，试验结果如图4所示。分别做了油门开度为20%，40%，60%，80%和100%的调速特性试验，发动机在油门开度100%时转矩达到最大，在转速1400r／min时，达到最大转矩670Nm。随着油门开度降低，发动机输出转矩也降低，并且曲线符合两极转速调节控制规律。

Research on High Pressure Common Rail Diesel Engine Controller

YU Zheng-tong，HAO Jian，SHI Pei-yan
（AVIC Xi'an Aviation Technical Center，Xi'an 710119，China）

This article briefly introduces advantages of the high pressure common rail system and hardware of its engine controller.Then the software control strategy is analyzed based on engine starting condition，idle speed and speed control mode，then the feasibility of the high pressure common rail diesel engine controller is demonstrated through the engine bench test.

high pressure common rail；engine；control strategy

U463.6

A

1003－8639（2016）04－0016－02

2015-11-08；

2015-12-21

于正同（1983-），男，江苏盐城人，工程师，主要从事发动机控制方向的研究。