CN102493885A - 柴油机燃烧闭环控制的电控系统 - Google Patents

Abstract

本发明是用于柴油机燃烧闭环控制的电控系统，电控系统由压力采集单元，喷油电控单元，光纤压力传感器、各种传感器和显示计算机组成，如图1所示。压力采集单元是基于数字信号处理器的小型采集单元，配以光线压力传感器和光电编码器能实现车载燃烧压力采集及数据处理。喷油电控单元是基于高性能单片机的喷油控制器，完成喷油参数的调节和控制。以燃烧压力的燃烧特征参数作为反馈参数，构建了以燃烧闭环控制的电控系统，能完成柴油机缸内燃烧状况的闭环控制。

Description

柴油机燃烧闭环控制的电控系统

一、技术领域

本发明涉及柴油机燃烧闭环控制的电控系统，属于内燃机电控喷油技术领域。

二、背景技术

随着能源短缺问题日益突出和柴油机排放法规日益严格，要求柴油机节能减排，并具有最佳的性能，对柴油机喷油控制要求更加精细。目前的柴油机电子控制是基于实验脉谱(MAP)的控制，由于没有涉及到燃烧状态参数，对气缸内的燃烧过程，它仍是一种开环控制。对于标定条件以外的状况，如燃油质量变化、零件老化、制造差异等，这种开环控制不能给出最佳的控制，无法使柴油机运行在最佳状态。随着控制对象的增加，电控系统越来越复杂，精确控制极为重要，闭环控制是提高控制精度的一种有效办法。反馈参数合理选择对闭环控制效果影响很大，缸内燃烧压力是反映气缸内燃烧状况最直接、最可靠的参数，气缸内的燃烧状况决定了柴油机的性能和排放，气缸压力包含了气缸内燃烧状况的许多信息，将气缸压力反馈引入电控系统，能提供一个反映柴油机燃烧状况实时标志，能实现柴油机燃烧过程闭环控制，对发动机进行燃烧状况临控和故障诊断。

在柴油机控制中，已经应用的闭环控制方案有：怠速时转速闭环控制、喷油提前角闭环控制。

1)怠速时转速闭环控制。在柴油机怠速工况，由于柴油机不向外输出动力，以柴油机的实测转速为控制对象，对喷油量大小进行调节，使柴油机转速的达到设定的目标值。这种闭环控制是对柴油机运行状态的外围参数控制。

2)喷油提前角闭环控制。在柴油机排放控制中，以柴油机喷油提前角为控制对象，以针阀开启的曲轴转角为反馈值，对喷油提前角大小进行调节，使柴油机喷油提前角接近设定的目标值。这种闭环控制是以柴油机排放物最佳而设定参数控制，只涉及缸内核心燃烧的输出结果。

以上两种闭环控制未涉及到柴油机的核心-燃烧过程，属于柴油机运行状态外围参数的闭环控制。由于柴油机燃烧过程的非线性、顺变性，缸内燃烧参数不易准确获得，如缸内温度、放热量不易可靠地测量，目前只有缸内燃烧压力参数相对容易测量，但是燃烧压力测试仪器由于体积大、受环境影响较大的缺点，无法应用于柴油机的车载在线测试使用。因此，压力采集仪器小型化，易于车载使用是亟待解决的技术问题，构建柴油机燃烧闭环的电控系统是实现柴油机最优控制的合理途径。

三、发明内容

本发明目的是解决以上技术问题，填补柴油机燃烧闭环控制的电控技术空白，发明内容有燃烧闭环控制方法和燃烧闭环控制的电控系统。

1、燃烧闭环控制方法

燃烧闭环控制方法：在喷油系统电控单元基础上，压力采集单元实时多循环采集燃烧压力信号，并进行压力参数处理，提取燃烧压力曲线的几何特征参数，并给出燃烧特征反馈参数给喷油电控单元，喷油电控单元根据柴油机状态参数和运行工况，以扭矩或排放指标为最佳值，对喷油量、喷油定时进行调节，使柴油机运行在最佳指标状况。

2、燃烧闭环控制的电控系统

燃烧闭环控制的电控系统具有压力采集、数据处理通讯和喷油控制功能，由两个子单元组成：喷油电控单元和压力采集单元，喷油电控单元由信号调理电路、MPC555单片机、电磁阀驱动电路组成，根据柴油机状态参数，完成柴油机喷油控制。燃烧压力采集单元由信号调理电路、数字信号处理器和高速数据通讯电路组成，完成柴油机缸内压力采集和数据处理，并向电控单元发送压力反馈亮，构成燃烧闭环控制。电控系统呈现双微处理器并行结构，两个双微处理器各自独立完成压力采集和喷油控制，

1)压力采集单元

压力采集单元采用数字信号处理器完成压力采集、数据处理、数据通讯等功能，在压力采集、燃烧特征参数和反馈参数上，提出了以下的新方法：

(1)采集方法

由于单片机的数据空间远远小于计算机，数据文件是单片机采集系统所必须解决的瓶颈，采用局部曲轴转角范围采集方法和减少采集循环数来减小压力数据文件容量。光电编码器的光栅盘的部分刻度区域内设置光栅，用于产生触发信号，保证在压缩行程的上止点前-50°CA至上止点100°CA之间的局部曲轴转角范围作为缸内压力数据采集段，既能大大地降低数据量，又能很好地反映进燃烧过程，动态采集的参数如表1所示。

表1动态采集参数

(2)燃烧特征参数

由于柴油机燃烧过程是周期性短时间循环发生的，引入物理学周期性运动的特征描述其燃烧过程，用相位、强度和及时性概念描述燃烧过程。燃烧特性参数有燃烧始点、燃烧终点、最高燃烧压力、最大压力升高率及其转角，50％质量燃烧率、最大放热量等，反映燃烧相位的参数有最高爆发压力转角、最大压升率转角、50％质量燃烧率转角等，反映燃烧强度的参数有最高爆发压力、最大压升率、平均指示压力等。引入压力差曲线几何特征点，确定燃烧起点、强度和终点对应的压力特征参数。用压力升高始点，压力差峰值ΔPmax及其转角ΔθPmax，重心点压力差ΔPC，及其转角ΔθC，固定压力差的转角差描述燃烧过程。

(3)压力参数与性能指标关系

柴油机的输出量是扭矩和排放，有效功率、扭矩可以通过气缸压力计算得到，虽然通过热力学计算获得输出量，但过程繁琐、耗时过多，不适合实时控制的要求。为了简化计算的复杂性，选择转速和负荷为基本参数，压力特征参数为主要参数，用映射方法确定柴油机输出量。在某一范围内对输入量和输出量，才用分段多项式拟合或样条函数方法进行拟合。用多个局部范围的输入和输出量的函数关系表示整个工况范围内的柴油机的输入和输出关系。

1)喷油控制单元

喷油控制单元采用MPC555单片机完成状态参数采集、喷油参数及信号确定、喷油控制、数据通讯等功能，在喷油信号简化、功率驱动上，提出了以下的新方法：

(1)单通道喷油控制信号

常规喷油信号是由两个通道产生，一个是输出比较(OC)，另一个是脉宽调制信号(PWM)，所以，当柴油机气缸数增多时，喷油控制信号对控制单片机的通道资源占用较多，而一般的单片机功能只有8通道数，无法适应大功率多缸柴油机的应用。采用单通道输出比较功能(OC)，可以减少通道资源占用，适应大功率多缸柴油机控制要求。

(2)高速电磁阀功率驱动

喷油器电磁阀属于高速电磁阀，高速电磁阀的开启实现需要大电流开启、小电流保持，由于采用单通道喷油信号控制，由高速电磁阀功率驱动电路硬件产生开启的大电流、保持的小电流，使控制电流可靠稳定。

四、附图说明

图1为电控系统组成。

图2为电控系统各部件。

图3为压力采集单元实物图。

图4为光纤压力传感器图。

图5为触发信号脉冲图。

图6为喷油电控单元实物图。

图7为高速电磁阀驱动原理图。

图8为高速电磁阀驱动原理图。

图9为压力数据采集软件框图。

图10为喷油控制软件流程图。

图11为主控制模块流程图。

图12为控制显示界面图。

图13为控制原理。

图14为压力采集工作时序图。

五、具体实施方式

柴油机燃烧闭环控制的电控系统包括四个部分：压力采集单元部分、喷油电控单元部分、软件部分和数据显示部分，如附图1所示。

1.压力采集单元部分

在电控系统部件组成图2中，压力采集单元1由光纤压力传感器11、光电编码器12、数字信号处理器(DSP)13机组成，压力采集单元实物如图3所示。

光纤压力传感器11采用美国Optrand公司的AutoPSI-TC  (温度补偿型，适合发动机动态压力测试)光纤压力传感器，如附图4所示。电压量0.5-4.8V输出。线性度±1％FSO，测量范围0-20MPa，温度-50-300℃。光纤压力传感器利用光线通过不同距离产生相位变化，它由压力传感器头，光源、光纤和光电转换电路组成，压力的变化使金属膜发生变形，经过光电转化，直接输出电压信号，光纤压力传感器的优点在于抗干扰能力强，小型化。

光电编码器12采用增量式光电编码器，重新设计了光栅盘，使光栅盘每旋转一周产生300个角度脉冲信号，产尘信号脉冲如附图5所示。信号Z为同步信号，输出信号A为每隔0.5度输出的曲轴转角信号。

数字信号处理器13采用Freescale公司的数字信号处理器DSP56F807，它是处理实时信号的专用微处理器，高可达到40兆条指令/S(MIPS)的指令执行速度；能够进行定点、浮点计算，它的基本配置为：一个CAN2.0B模块，两个SCI模块，独立8通道12位A/D，程序FLASH为64K，RAM 2K，80MHz的总线频率，DSP56807的AD单通道采样频率达到200kHz，高于一般100kHz。

2.喷油电控单元部分

在电控系统部件组成图2中，喷油电控单元2由传感器21-24、通讯模块25、电磁阀驱动电路26和32位单片机27组成，喷油电控单元实物如图6所示。

传感器21-24采集发动机的状态参数，主要有转速、油门位置、进气压力、机油温度，冷却水温度等参数，确定发动机运行的状态，选用Bosch公司温度和压力传感器。

电磁阀驱动电路26有高速电磁阀和比例电磁电路驱动两种，高速电磁阀原理图如图7示，采用单信号驱动，由硬件电路实现大电流开启、小电流保持，控制信号控制超快恢复二极管S1、S2，S1、S2不同开闭组合产生不同的电流大小，S1、S2同时闭合使电流迅速增大，电磁阀快速开启；一定时间后S2断开，电流下降，随后S2在PWM控制下维持小电流使电磁阀保持开启状态。S1、S2同时断开后，电磁阀线圈中的电流经由两个超快恢复二极管D2、D1迅速降为零，电磁阀迅速关闭。比例电磁阀驱动电路如图8所示，由功率放大电路，高压开关电路，保护电路组成。

单片机27采用高性能的32位MPC555单片机，其主频高达40MHz，内部26Ksram，448kFlash，同时片上还集成了8个模块，包括队列异步串行通道(QSMCM)、双重时间处理单元(TPU3)、输入捕捉/输出比较定时器、双队列12位A/D转换模块(QADC64)、1个脉宽调制模块、1个模块化系统I/O口(MISO1)、双CAN2.0控制CAN模块(TUOCANTM)。

3.软件

在图2中，软件3由压力采集软件31、控制软件32和显示软件33三部分组成。

压力采集软件31装在数字信号处理器13中，由程序初始化、数据采集、数据处理、数据计算和数据通讯组成，采用C++语言编制，软件框图如图9所示。其中数据采集嵌入在数字信号处理器的中断服务程序中，由外部中断源-曲轴转角信号实现触发，通过A/D采集功能实现气门电压信号采集，经过电压位移转换得到气门位移，并存储在相应的数组中。数据处理对数据进行均化处理和寻求特征点值，处理的方法是将采集到各曲轴转角下的气缸压力数据，找出检测范围内所有的最大值点和对应曲轴转角，计算出燃烧始点、平均压力。并将特征点值和全部均化压力数据存储于某一空间内。

控制软件32装在MPC555单片机27中，其结构是基于柴油机运行角度的同步循环，主要通过中断服务程序触发和嵌套，即中断环的运行机制保证的。中断环捕捉凸轮单齿开始运行，根据逻辑关系进行判缸、平均转速和瞬时转速的计算，依此进行喷油定时、喷油脉宽、喷油压力的控制，如图10所示。控制软件32由中断模块、初始化模块、功能模块、主控制模块组成，中断模块完成压力控制、喷油时序确定以及数据通讯，功能模块包括参数采集模块、转速处理模块、喷油压力控制模块、喷油定时和喷油量模块、故障处理模块等，主控制模块如图11所示完成故障判断、工况判断，进行正常控制循环，根据系统所要实现的功能，软件由初始化模块、中断模块和功能模块组成，初始化模块主要完成单片机系统初始化和操作功能初始化，中断模块完成由信号触发、实施AD采集以及通讯，功能模块完成通讯传送、数据处理和数据计算等任务。

通讯传送及显示软件33包括压力数据显示软件和喷油控制显示软件两部分。

压力数据显示软件装在测试监控41(计算机)中，采用LABVIEW软件编制数据显示界面，显示最大爆发压力及其转角、燃烧始点等参数，并显示爆发压力随曲轴转角变化曲线。由数字信号处理器采用串口通讯(SCI)方式，只传送气门升程、配气相位角度等参数，采用USB方式高速传输全部压力数据及对应的曲轴转角。

控制显示软件装在监控系统42(计算机)中，采用LABVIEW软件编制数据显示界面，把数据采集、实时显示和数据保存等功能都集成在主界面上，并在PC机上显示。控制显示界面包括了系统设置、数据采集、参数标定、离线仿真四个部分，其对应先拉式菜单显示，功能键设置在数据发送去显示区，数据接收区、以及数据保存路径，控制PID系数整定，其控制显示界面如图12所示，主界面主要分为2大部分：用户操作区，试验数据显示区。用户操作区主要包括：系统设置、数据采集、参数标定、离线仿真4大菜单，停止喷油、开始监控、关闭监控、数据发送等操作按钮；试验数据显示区有4个数据曲线显示和10个数据显示框。

电控系统工作过程如图13所示。由压力采集单元实时采集气缸压力信号，并经处理压力数据，提取压力特征值，转换为压力反馈量，传给喷油控制单元，电控单元根据目标值和压力反馈值之差，进行PID控制，对喷油参数进行修正，并给出喷油控制信号。

压力采集工作时序如图14所示。在一个工作循环中，只有压缩行程的上止点前-50°CA至上止点100°CA之间时，由同步信号和角标信号触发，进行A/D转换，由DSP完成气门位移测试，其余时间DSP可以进行位移数据的均化、数据传送，实现DSP的分时串行工作置。

Claims (5)

1.一种柴油机燃烧闭环控制的电控系统，包括了燃烧闭环控制方法和燃烧闭环控制的电控系统，其配置有压力采集单元，喷油电控单元，光纤压力传感器、各种传感器和显示计算机。

2.如权利要求1所述的柴油机燃烧闭环控制的电控系统，其特征在于提出了基于数字信号处理器和高性能控制处理器的双微处理器结构，使燃烧压力采集和喷油控制分体独立运行，实现各自的采集功能和控制功能。

3.如权力要求1所述的柴油机燃烧闭环控制的电控系统，其特征在于提出了燃烧压力动态采集方法，以上止点前-50°CA至上止点后100°CA角度区域为采集压力范围，减少数据文件容量，实现压力数据采集和数据计算的分时进行，适应数字信号处理器工作机制。选用了光纤压力传感器，电压量输出，简化了测试辅助设备。

4.如权利要求1所述的柴油机燃烧闭环控制的电控系统，其特征在于提出了用燃烧压力参数表示燃烧过程的强度、相位以及放热状况，通过直接提取压力差曲线上的几何特征参数，建立了燃烧特征参数的压力参数集合，降低燃烧计算配置要求和计算量。

5.如权利要求1所述的柴油机燃烧闭环控制的电控系统，其特征在于提出了基于高性能32位单片机的电控单元，高性能的单片机具有高速运行频率、完善的通道功能和丰富的多通道数，采用单控制信号驱动控制，硬件电路产尘电磁阀工作的电流值。

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