CN101457703A - 高压共轨式柴油转子发动机控制方法 - Google Patents

高压共轨式柴油转子发动机控制方法 Download PDF

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肖阳
陈志平
王尚勇
杨青
李雪松
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Abstract

一种共轨式柴油转子发动机控制方法，涉及柴油发动机技术，适用于具有压燃及点火双重工作特性的柴油转子发动机，是根据柴油转子发动机开发过程中，为其配备高压共轨燃油喷射系统及电子点火或热面点火装置，每缸采用引燃喷油器及主喷油器双喷油器结构的燃烧组织，而开发的能够适应转子发动机特殊工作原理及时序控制逻辑的发动机控制方法。该方法通过基于一个由32位高性能的MPC555最小系统ECU硬件及OsekWorks实时操作系统的全集成开发环境Tornado for Osekworks的软硬件，完全采用基于控制任务、事件的基本实时操作系统控制思想，实现了高压共轨系统在柴油转子发动机上的成功应用。

Description

高压共轨式柴油转子发动机控制方法
技术领域
本发明涉及柴油发动机技术领域，是柴油化汪克尔三角转子发动机的电子控制方法，特别是针对该型特种发动机，在配备电控高压共轨燃油喷射系统后，基于实时操作系统软件设计思想的发动机控制策略及逻辑实现
背景技术
目前市场上的发动机基本都是往复式点火汽油机或往复式压燃着火的柴油机，其电子控制单元实现的控制方法都是围绕传统往复式发动机所开发的。转子发动机作为一种新型的发动机，由其工作原理及结构决定，要实现转子发动机的柴油化工作，一般需要采用高压燃油喷射和火源点火相结合的方式工作，因而其燃烧组织具有压燃与点燃式内燃机的双重特点。区别于传统的往复式柴油机或汽油机，柴油转子发动机控制系统需要与其工作原理相适应的控制方法。
发明内容
本发明的目的是公开一种共轨式柴油转子发动机控制方法，围绕柴油化转子发动机，针对其配备的高压共轨燃油喷射系统及电子点火或热面点火装置，给出了基于多任务实时操作系统Osekwork相关的发动机控制方法。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：
一种共轨式柴油转子发动机控制方法，基于实时操作系统，适用于低压缩比，采用二次点火燃烧系统的共轨式柴油转子发动机；其是基于一个32位的MPC555ECU的最小系统及OsekWorks实时操作系统的全集成开发环境Tornado for Osekworks的软硬件来实现，通过Tornado for Osekworks开发环境及硬件BSP实现了独立于硬件，完全采用基于控制任务、事件的实时操作控制系统，实现对柴油转子发动机的优化控制；
采用主、引燃双喷油器燃烧结构，被电热塞点燃的引燃喷油作为一个稳定的二次点火源，对主喷油形成较长时间的点火作用，从而达到较稳定的燃烧；
其中，主喷油器喷油量为每循环每缸喷油量的90-95％，引燃喷油器喷油量为每循环每缸喷油量的5—10％。
所述的方法，其包括步骤：
1)TPU检测上升及下降沿，在下降沿(a点)触发ECU进入判缸中断任务；
2)通过前后两次的脉宽对比，进行判缸，设此中断为第一缸对应的窄参考脉冲，则触发第一缸喷油及点火数据准备程序；
3)喷油及点火数据准备：
a、根据同步工况数据，包括实时转速、负荷等，由MAP图及实时控制策略得到最佳的喷油及点火提前角，并由此分别计算其相应的定时延迟角度，根据实时转速数据，完成角度到定时器的转化，从而得到第一缸预喷油始点b对应的定时时刻，第一缸点火始点c对应的定时时刻，第一缸主喷油始点e对应的定时时刻；
b、根据同步工况数据，包括实时转速、负荷等，由MAP图及实时控制策略得到最佳的喷油量、点火持续角、点火持续脉宽；根据实时喷油压力及喷油量与喷油持续期的关系MAP图得到对应的喷油脉宽；
c、即获得了第一缸预喷油启动时刻及其持续时间，第一缸主喷油启动时刻及其持续时间，第一缸点火启动时刻及其持续时间；根据TPU时钟分度，分别将上述数据转化成对应的计时器脉冲数；
4)CPU实时处理多任务操作系统分别启动数据同步了的第一缸预喷油任务、第一缸主喷油任务、第一缸点火任务，对应TPU实时处理并执行多任务；其中，第一缸预喷油任务执行输出为始于a点终于f点，第一缸点火任务执行输出为始于c点终于f点，第一缸主喷油任务执行输出为始于e点终于i点；
5)ECU继续处理其它任务，直至检测到下一上止点脉冲信号，转至第2)步，同样进行判缸，为宽脉冲时，则启动第二缸数据准备并执行相应的第二缸喷油、点火任务；如此循环工作直至停机。
所述的方法，其采用了相对独立的喷油、点火、采集、控制的功能模块及各模块下的子任务、时间的设计方法及控制任务规划，通过OsekWorks实时操作系统按照各个事件、任务的不同优先级进行循环管理和调度，来保证柴油转子发动机在高达6000rpm-8000rpm的转速下，实现发动机的高速实时控制和管理。
所述的方法，其在发动机的飞轮上设置了两个凸块，一个凸块对应第一缸，另一个凸块对应第二缸，通过同一个电磁传感器，分别给出对应两个缸的参考信号脉冲；通过ECU对发动机实时转速，负荷、喷油压力等多种工况数据采集及运算，对每缸各个喷油器的喷油正时，喷油量，点火正时的控制量进行MAP图数据查询及实时优化后，得到最佳实时控制量，最后都转化成以参考脉冲为依据的TPU时钟计时器脉冲数来进行实时控制；ECU在实现上述针对转子发动机特殊工作原理的控制逻辑的同时，需要对喷油压力、喷油量、实时转速等核心参数进行优化控制，形成了实时喷油量闭环控制系统，实时喷油正时控制系统，实时共轨压力控制闭环系统。
所述的方法，其所述两个凸块，一宽一窄，窄块5mm～7mm，对应第一缸，宽块10～12mm对应第二缸。
本发明共轨式柴油转子发动机控制方法，通过高性能电子控制单元，实时检测柴油转子发动机的各种实时状态参数，实现对燃油喷射量、喷油正时、喷油规律、喷油压力、点火、实时通讯、监控保护等多任务的灵活控制，从而优化燃烧，使柴油转子发动机始终运行在相对最佳状态。
附图说明
图1是柴油转子发动机燃烧组织结构示意图；
图2是本发明方法的电子控制单元控制任务划分及功能层次图；
图3是本发明方法的ECU基本控制逻辑时序图；
图4是本发明方法的ECU喷油量闭环控制框图；
图5是本发明方法的ECU喷油正时闭环控制框图；
图6是本发明方法的ECU共轨压力闭环控制框图。
具体实施方式
本发明是根据柴油转子发动机开发过程中，为其配备高压共轨燃油喷射系统及电子点火或热面点火装置，每缸采用引燃喷油器及主喷油器的双喷油器燃烧结构，而开发的能够适应转子发动机特殊工作原理及时序控制逻辑的发动机控制方法。由于柴油转子发动机的转速高达6000-8000rpm，且每缸需要实现多次喷射，因此该控制系统是一个对响应时间非常苛刻的实时多任务处理系统，本发明的一个重要特征就是它的控制系统完全基于一个满足汽车电子OsekWorks实时操作系统的全集成开发环境Tornado for Osekworks，以提供一个完全独立于底层硬件，以任务和时间为基础进行控制的系统，同时满足柴油转子发动机对实时控制系统的响应特性及可靠性较高的要求。
基于主、引双喷油器燃烧控制的基本方法：
转子机燃烧室呈扁平狭长的形状，燃烧室内的气体流动宏观上是单向流动，但在上止点附近产生强烈的横向挤流。在混合气形成和燃烧期间，燃烧室内的气体流动速度远大于该状态下的火焰传播速度。这些因素均会导致燃烧前火焰的熄灭，特别是在重载下导致燃烧恶化。针对转子机燃烧室内单方向气体流动和气流速度大于火焰传播速度的特点，柴油转子机每缸采用主、引双喷油器结构，同时在引燃喷油器旁设置点火源(全陶瓷电热塞热面点火)，其基本结构如图1所示。
基于主、引燃双喷油器燃烧结构的基本控制方法包括：
(1)在转子运动到上止点前某时刻(引燃喷油正时)，单孔的引燃喷油器开始喷射一定量的燃油，一般为整个工作循环量的5-10％；
(2)由于接近高达13000C的电热塞发热体，经过一定的滞燃期，引燃喷油开始燃烧，并在等压区附近形成一个较为稳定的点火火焰；
(3)根据实时工况参数，由电子控制单元决定，在主喷油正时时刻主喷油器开始喷油，燃油在转子内高速前进气流(宏观)中前行，由前端的引燃火焰对其进行点燃
(4)由于在上止点附近气体流速远大于燃烧扩散的速度，主燃油前端被引燃火焰点燃的混合气体很快前移，极容易被高速气流和湍流所熄灭。此时如果没有一个较为稳定的点火源，后期由主喷油器喷入的燃油在低压缩比的燃烧室内很难着火，从而导致燃烧恶化。在采用双喷油器结构后，被电热塞点燃的引燃喷油作为一个稳定的二次点火源，对主喷油形成较长时间的点火作用，从而达到较稳定的燃烧。
基于实时多任务操作系统的柴油转子发动机的控制。
上述给出了柴油转子发动机完全区别于传统往复式内燃机的燃烧方法。基于Osekwork实时操作系统的引入给转子发动机基于任务的控制提供了基础。通过实时操作系统对任务、事件、消息、定时器，中断等基本元素的控制，依据任务优先级的不同及混合可抢占多任务调度策略，有效的实现对转子发动机的控制。如图2给出了柴油转子发动机电子控制单元的控制任务划分及功能层次图。
柴油转子发动机电控(ECU)基本控制逻辑及具体实施方法。
针对柴油转子发动机低压缩比及旋转式工作原理，其ECU在控制逻辑及时序上与传统的往复式柴油发动机有着根本性的区别，这就使得柴油转子发动机的控制逻辑，特别是控制时序会有根本性区别。
针对柴油转子发动机主、引双喷油器布置结构及二次点火的燃烧特性，图3给出了基于高速电磁阀控制的共轨式柴油转子发动机定制开发的ECU基本控制逻辑时序图。
在发动机的飞轮上设置了两个凸块(一宽一窄，窄块对应第一缸，宽块对应第二缸)，通过一个电磁传感器，其分别给出了两个参考脉冲。设窄块和宽块分别对应一、二缸上止点前的角度为φ1、φ2，下表1定义了主要的控制参数变量。
表1：ECU基本控制内容
 
序列 变量符号 变量定义 备注
1 φ1 一缸参考脉冲对应上止点提前角 已知定值
3 φP1 一缸引燃喷油提前角 随工况实时优化
4 φ3 一缸引燃喷油信号定时 φ3＝φ1-φP1
5 φPt1 一缸引燃喷油信号脉宽 随工况实时优化
6 φd 一缸引燃喷油动作延时 共轨系统决定
7 φI1 一缸点火信号提前角 随工况实时优化
8 φIt1 一缸点火信号脉宽 随工况实时优化
9 φM1 一缸主燃喷油提前角 随工况实时优
 
化
10 φMt1 一缸主燃喷油信号脉宽 随工况实时优化
11 φ2 二缸参考脉冲对应上止点提前角 已知定值
12 φP2 二缸引燃喷油提前角 φ4＝φP2-φ2
13 φ4 二缸引燃喷油信号定时 随工况实时优化
14 φPt2 二缸引燃喷油信号脉宽 随工况实时优化
15 φ12 二缸点火信号提前角 随工况实时优化
16 φIt2 二缸点火信号脉宽 随工况实时优化
17 φM2 二缸主燃喷油提前角 随工况实时优化
18 φMt2 二缸主燃喷油信号脉宽 随工况实时优化
针对上述时序及控制变量，ECU的基本控制逻辑如下所述：
1、TPU检测上升及下降沿，在下降沿(a点)触发ECU进入判缸中断任务。
2、通过前后两次的脉宽对比，进行判缸，设此中断为一缸对应的窄参考脉冲，则触发一缸喷油及点火数据准备程序；
3、喷油及点火数据准备：
a、根据同步工况数据，包括实时转速、负荷等，由MAP图及实时控制策略得到最佳的喷油及点火提前角φP1，φI1，φM1，并由此分别计算其相应的定时延迟角度φPd1＝φ1-φP1，φId1＝φ1-φI1，φMd1＝φ1-φM1。根据实时转速数据，完成角度到定时器的转化，从而得到一缸预喷油始点b对应的定时时刻TPd1，一缸点火始点c对应的定时时刻TId1，一缸主喷油始点e定时时刻TMd1；
b、根据同步工况数据，包括实时转速、负荷等，由MAP图及实时控制策略得到最佳的喷油量QP1，QM1及点火持续角φIt1(点火持续脉宽TIt1)；根据实时喷油压力及喷油量与喷油持续期的关系MAP图得到对应的喷油脉宽TPt1，TMt1。
c、即获得了一缸预喷油启动时刻TPd1及其持续时间TPt1，一缸主喷油启动时刻TMd1及其持续时间TMt1，一缸点火启动时刻TId1TMd1及其持续时间TIt1。根据TPU时钟分度，分别将上述数据转化成对应的计时器脉冲数。
4、CPU实时处理多任务操作系统分别启动数据同步了的一缸预喷油任务、一缸主喷油任务、一缸点火任务，对应TPU实时处理并执行多任务。其中一缸预喷油任务执行输出为始于a点终于f点，一缸点火任务执行输出为始于c点终于f点，一缸主喷油任务执行输出为始于e点终于i点。
5、ECU继续处理其它任务，直至检测到下一上止点脉冲信号，转至2步，同样进行判缸，为宽脉冲，则启动二缸数据准备并执行相应的二缸喷油、点火等任务。
根据上述描述，两缸喷油、点火等的实时处理是相互独立的，控制参数的传递也是实时更新的。因此，可以实现双缸的独立控制。同时还可以看出，对于喷油、点火等的定时、脉宽等的数据，都需要实时转速，负荷、喷油压力等多种工况数据。特别是在高压共轨系统应用后，ECU对上述多参数需要同时进行优化控制，形成了实时喷油量闭环控制系统(图4)，实时喷油正时闭环调节控制系统(图5)，实时共轨压力控制闭环系统(图6)等。
本发明的应用实例为：
一台双缸柴油转子发动机，其每缸内配备有主、引双喷油器及点火系统(火花塞热面点火系统或全陶瓷电热塞热面点火系统)，其中主喷油器喷油量占每循环每缸喷油量的90-95％，用作主燃烧功率，引燃喷油器喷油量为每循环每缸喷油量的5％，在通过点火系统引燃后可以形成一个长期的引燃火柱，以克服转子发动机因燃烧室扁平狭长，压缩比小等因素导致的不易着火、不易形成稳定燃烧的缺点。燃油系统则基于一种喷有压力为135Mpa的柴油高压共轨燃油喷射系统。整机电控系统基于一个由32位高性能的MPC555最小系统ECU硬件及基于OsekWorks实时操作系统的全集成开发环境Tornado forOsekworks软件系统上，完全采用基于控制任务、事件的开发模式。通过ECU基于图2的控制任务及图3的控制逻辑实现，可以对基于旋转工作方式的柴油转子发动机实现良好的实时控制及发动机综合管理。

Claims (5)

1、一种共轨式柴油转子发动机控制方法，基于实时操作系统，适用于低压缩比，采用二次点火燃烧系统的共轨式柴油转子发动机；其特征在于，是基于一个32位的MPC555ECU的最小系统及OsekWorks实时操作系统的全集成开发环境Tornado for Osekworks的软硬件来实现，通过Tornado for Osekworks开发环境及硬件BSP实现了独立于硬件，完全采用基于控制任务、事件的实时操作控制系统，实现对柴油转子发动机的优化控制；
采用主、引燃双喷油器燃烧结构，被电热塞点燃的引燃喷油作为一个稳定的二次点火源，对主喷油形成较长时间的点火作用，从而达到较稳定的燃烧；
其中，主喷油器喷油量为每循环每缸喷油量的90-95％，引燃喷油器喷油量为每循环每缸喷油量的5—10％。
2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，包括步骤：
1)TPU检测上升及下降沿，在下降沿(a点)触发ECU进入判缸中断任务；
2)通过前后两次的脉宽对比，进行判缸，设此中断为第一缸对应的窄参考脉冲，则触发第一缸喷油及点火数据准备程序；
3)喷油及点火数据准备：
a、根据同步工况数据，包括实时转速、负荷等，由MAP图及实时控制策略得到最佳的喷油及点火提前角，并由此分别计算其相应的定时延迟角度，根据实时转速数据，完成角度到定时器的转化，从而得到第一缸预喷油始点b对应的定时时刻，第一缸点火始点c对应的定时时刻，第一缸主喷油始点e对应的定时时刻；
b、根据同步工况数据，包括实时转速、负荷等，由MAP图及实时控制策略得到最佳的喷油量、点火持续角、点火持续脉宽；根据实时喷油压力及喷油量与喷油持续期的关系MAP图得到对应的喷油脉宽；
c、即获得了第一缸预喷油启动时刻及其持续时间，第一缸主喷油启动时刻及其持续时间，第一缸点火启动时刻及其持续时间；根据TPU时钟分度，分别将上述数据转化成对应的计时器脉冲数；
4)CPU实时处理多任务操作系统分别启动数据同步了的第一缸预喷油任务、第一缸主喷油任务、第一缸点火任务，对应TPU实时处理并执行多任务；其中，第一缸预喷油任务执行输出为始于a点终于f点，第一缸点火任务执行输出为始于c点终于f点，第一缸主喷油任务执行输出为始于e点终于i点；
5)ECU继续处理其它任务，直至检测到下一上止点脉冲信号，转至第2)步，同样进行判缸，为宽脉冲时，则启动第二缸数据准备并执行相应的第二缸喷油、点火任务；如此循环工作直至停机。
3、如权利要求1所述的方法，其特征在于，采用了相对独立的喷油、点火、采集、控制的功能模块及各模块下的子任务、时间的设计方法及控制任务规划，通过OsekWorks实时操作系统按照各个事件、任务的不同优先级进行循环管理和调度，来保证柴油转子发动机在高达6000rpm-8000rpm的转速下，实现发动机的高速实时控制和管理。
4、如权利要求1所述的方法，其特征在于，在发动机的飞轮上设置了两个凸块，一个凸块对应第一缸，另一个凸块对应第二缸，通过同一个电磁传感器，分别给出对应两个缸的参考信号脉冲；通过ECU对发动机实时转速，负荷、喷油压力等多种工况数据采集及运算，对每缸各个喷油器的喷油正时，喷油量，点火正时的控制量进行MAP图数据查询及实时优化后，得到最佳实时控制量，最后都转化成以参考脉冲为依据的TPU时钟计时器脉冲数来进行实时控制；ECU在实现上述针对转子发动机特殊工作原理的控制逻辑的同时，需要对喷油压力、喷油量、实时转速等核心参数进行优化控制，形成了实时喷油量闭环控制系统，实时喷油正时控制系统，实时共轨压力控制闭环系统。
5、如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述两个凸块，一宽一窄，窄块5mm～7mm，对应第一缸，宽块10～12mm对应第二缸。
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PB01 Publication
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Open date: 20090617