CN106593671B - 一种基于etpu四缸柴油机冗余燃油喷射方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于ETPU四缸柴油机冗余燃油喷射方法，该方法通过双发动机控制器协作控制发动机，由主发动机控制器和辅发动机控制器分别进行航空发动机冗余控制，主发动机控制器和辅发动机控制器协作控制发动机运行，由主发动机控制器进行四缸燃油喷射的控制，如果主发动机控制器发生故障，立即切换到辅发动机控制器进行四缸燃油喷射的控制。该方法分别安装两套曲轴传感器和凸轮轴传感器，用于产生信号分别提供给主发动机控制器和辅发动机控制器，分别作为控制器主发动机控制器和辅发动机控制器的输入。

Description

一种基于ETPU四缸柴油机冗余燃油喷射方法
技术领域
本发明属于航空柴油发动机控制系统技术领域，具体涉及一种基于ETPU四缸柴油机冗余燃油喷射方法。
背景技术
随着航空活塞式发动机的快速发展，传统的化油器技术已经不能满足发动机高性能的需求。而航空活塞发动机电子控制技术已日益成熟，已经慢慢取代油器技术，其基本功能是以发动机转速和负荷为基础，采集传感器信号。经过数学模型计算处理后将控制指令发送至相关执行机构，执行预定的控制功能。从而使发动机在实时工况和外界工作条件下始终处于最佳的燃烧状态。
大多数发动机采用单控制器对其进行控制，如果控制系统发生故障，飞机非常有可能发生灾难性事故。考虑到航空行业的特殊性，因此需要用双发动机控制器协作控制发动机，即由主发动机控制器和辅发动机控制器进行航空发动机冗余控制。四缸柴油机在工作时，由主发动机控制器进行四缸燃油喷射的控制，如果主发动机控制器发生故障，那么会立即切换到辅发动机控制器进行控制，来进行燃油喷射，从而保证了飞机的安全。
航空柴油发动机控制系统对实时性任务的要求非常高，尤其是燃油喷射脉冲信号的产生，因此ECU控制器需要有增强实时性任务的处理能力,飞思卡尔公司推出的增强型时间处理单元ETPU可以与微控制器的主CPU同时运行，处理时间事件，极大的分担主CPU的任务,提高微控制器处理实时性任务的能力。可以在无需主CPU干预的情况下完成以下指令:(1)访问共享数据；(2)指令操作；(3)产生输出波形；(4)实时输入事件管理。
发明内容
根据以上现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提出一种基于ETPU四缸柴油机冗余燃油喷射方法，实现冗余ECU对发动机的燃油喷射控制，即主发动机控制器和辅发动机控制器分别控制4路喷油器输出信号，在默认状态下，只有主发动机控制器产生的4路喷油信号是有效的，辅发动机控制器产生的4路喷油信号被禁止有效。如果主发动机控制器检测到故障，或者由于外部控制，需实时的切换到由辅发动机控制器控制，那么就是使主发动机控制器产生的4路喷油信号无效，使辅发动机控制器产生的4路喷油信号有效，从而控制发动机平稳运转。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于ETPU四缸柴油机冗余燃油喷射方法，该方法通过双发动机控制器协作控制发动机，由主发动机控制器和辅发动机控制器分别进行航空发动机冗余控制，主发动机控制器和辅发动机控制器协作控制发动机运行，由主发动机控制器进行四缸燃油喷射的控制，如果主发动机控制器发生故障，立即切换到辅发动机控制器进行四缸燃油喷射的控制。该方法分别安装两套曲轴传感器和凸轮轴传感器，用于产生信号分别提供给主发动机控制器和辅发动机控制器，分别作为控制器主发动机控制器和辅发动机控制器的输入。所述主发动机控制器对应的曲轴传感器和辅发动机控制器对应的曲轴传感器位置相差180度，每个ECU对应凸轮轴位置传感器根据曲轴传感器位置相应安排安装位置。该方法将发动机气缸的缸号分为物理缸号和软件缸号，物理缸号对应实际缸号，软件缸号对应软件中使用的缸号，根据具体得到的缸号和对应的ECU来安排喷油器的喷射。主发动机控制器ECU_A缺齿后第二齿时，CAM低电平时为一缸，CAM高电平时为四缸，两个发动机控制器相差180度，辅发动机控制器ECU_B检测到缺齿后第二齿，CAM低电平时为三缸，CAM高电平时为二缸。所述曲轴信号轮为60齿；第一次找到同步时，角度为0度，当曲轴转过两圈，曲轴的角度为720度，在ETPU底层将每个齿等分为128，曲轴转过720度，ETPU角度计数值累计为128*60*2，ETPU底层设计的是当曲轴第一次找到缺齿时，无论CAM是高电平还是低电平，起始角度都为0度。在某个缸一个工作循环中，进行两次中断安排，第一次中断安排在压缩上止点前168度位置处，这个中断叫预喷中断；第二次中断安排在压缩上止点前78度位置处，这个中断叫主喷中断；在中断函数处理中，需要进行ETPU底层和上层的数据交互。在主喷中断和预喷中断中，预喷中断将第一次预喷的使能位、喷油开始角度、喷油时间，第二次预喷的使能位、喷油开始角度、喷油时间赋给接口中间变量；主喷中断将主喷使能位、主喷开始角度、主喷喷油时间赋给接口中间变量；在主喷中断时，CPU中间层将以上所有的接口中间变量的值传到ETPU底层。
本发明有益效果是:本发明实现冗余ECU对发动机的燃油喷射控制，即主发动机控制器和辅发动机控制器分别控制4路喷油器输出信号，在默认状态下，只有主发动机控制器产生的4路喷油信号是有效的，辅发动机控制器产生的4路喷油信号被禁止有效。如果主发动机控制器检测到故障，或者由于外部控制，需实时的切换到由辅发动机控制器控制，那么就是使主发动机控制器产生的4路喷油信号无效，使辅发动机控制器产生的4路喷油信号有效，从而控制发动机平稳运转。
附图说明
下面对本说明书附图所表达的内容及图中的标记作简要说明：
图1是本发明的具体实施方式的双ECU缸号对应示意图。
图2是本发明的具体实施方式的曲轴角度设计示意图。
图3是本发明的具体实施方式的中断位置设计示意图。
图4是本发明的具体实施方式的喷油参数更新示意图。
图5是本发明的具体实施方式的ETPU系统应用架构图。
图6是本发明的具体实施方式的柴油机喷油示意图。
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施例的描述，本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
本实现方法通过飞思卡尔MPC563X系列单片机的eTPU模块来实现。控制算法通过软件的方式集成在单片机中，实现方便，且不增加额外成本。
1、冗余传感器安装位置设计
主发动机控制器和辅发动机控制器协作控制发动机运行，传感器分别作为控制器主发动机控制器和辅发动机控制器的输入。分别安装两套曲轴传感器和凸轮轴传感器，用于产生信号分别提供给主发动机控制器和辅发动机控制器，主发动机控制器对应的曲轴传感器和辅发动机控制器对应的曲轴传感器位置相差180度，每个ECU对应凸轮轴位置传感器根据曲轴传感器位置相应安排安装位置。主发动机控制器ECU_A的传感器安装位置是缺齿后的第二十齿的位置。辅发动机控制器ECU_B的传感器安装位置是ECU_A传感器对置位置，也就是两个传感器位置相差180度。凸轮轴传感器的安装位置根据相对应曲轴传感器的位置来安排，最终出来的信号如图1所示。
2、冗余ECU缸号设计
对于缸号分为物理缸号和软件缸号，物理缸号对应实际缸号，软件缸号对应软件中使用的缸号，算法根据具体得到的缸号和对应的ECU来安排喷油器的喷射。
根据图1所示，ECU在找到缺齿后的第二齿，结合CAM的电平，确定缸号。如上图所示，ECU_A缺齿后第二齿时，CAM低电平时为一缸，CAM高电平时为四缸。由于两个ECU相差180度，ECU_B检测到缺齿后第二齿，CAM低电平时为三缸，CAM高电平时为二缸。
ECU_A和ECU_B的的软件缸号也是一致的。下表是ECU_A和ECU_B物理缸号和软件缸号对应表。
物理缸号 一缸 三缸 四缸 二缸
ECU 软件缸号 0 1 2 3
自然吸气的汽油机系统是在第二齿下降沿产生中断，而后在CPU层直接读取CAM引脚的电平高低来判断缸号。而对于柴油机系统，需要在一个缸的循环中产生预喷和主喷中断。为了尽量去减少中断，减轻系统负载。目前考虑缸号判断在ETPU底层去实现，也就是不在第二齿产生中断的情况下，ETPU底层在捕获到第2齿的下降沿时，来实时读取CAM通道的电平高低，来判断具体缸号值，然后通过直接传递值的方式将缸号传上去。(直接传递值的方法是ETPU底层向CPU层一个赋值方式，就是底层在变量的偏移地址处写值。CPU上层读取这个变量的偏移地址里面的值)。
3、曲轴角度设计
对于ETPU功能模块，它有两个时钟计数器，一个计数器TCR1用来进行时间计数，另一个计数器TCR2用来进行角度计数，TCR2计数器根据每个齿的时间进行分频，能够对曲轴角度进行精准计数，它的计数最大分辨率可以达到一个齿对应256个计数。因此我们要设计合适的曲轴齿对应的角度计数值，来满足发动机喷油对角度的精度要求。
根据图2所示，曲轴信号轮为60齿。第一次找到同步时，角度为0度，当曲轴转过两圈，曲轴的角度为720度，为了更加精确的表示角度，在ETPU底层，将每个齿等分为128，也就是曲轴转过720度，ETPU角度计数值累计为128*60*2，即为15360。
ETPU底层设计的是当曲轴第一次找到缺齿时，无论CAM是高电平还是低电平，起始角度都为0度。
4、曲轴位置中断设计
根据图5所示，对于整个系统，ETPU底层和应用层通过中断方式进行数据交互，底层系统在发动机运行的某个确定位置处，会产生中断通知应用层，并将齿数和相关数据信息传递给上层。上层会将计算的相关数据信息传递给底层，底层根据上层传递的数据信息，进行喷射脉冲的安排。
根据图3所示，在某个缸一个工作循环中，需要进行两次中断安排，第一次中断安排在压缩上止点前168度位置处，这个中断叫预喷中断。第二次中断安排在压缩上止点前78度位置处，这个中断叫主喷中断。在中断函数处理中，需要进行底层和上层的数据交互。
5、更新喷油参数设计
底层在需要对具体的缸进行喷射脉冲安排时，需要确切知道上层的要求，例如喷射几次脉冲、喷射脉冲起始角度、喷射时间。如图1所示，对于主发动机控制器和辅发动机控制器分别在缺齿后第二齿处，实际的对应物理缸是不一样的，因此需要设计一套能满足主发动机控制器和辅发动机控制器的喷油角度参数更新，才能正确的将喷射脉冲安排在对应的物理缸。
如图3所示，在主喷中断和预喷中断中，分别调用各自的任务函数。预喷中断将第一次预喷的使能位、喷油开始角度、喷油时间，第二次预喷的使能位、喷油开始角度、喷油时间赋给接口中间变量。主喷中断将主喷使能位、主喷开始角度、主喷喷油时间赋给接口中间变量。在主喷中断时，CPU中间层将以上所有的接口中间变量的值传到ETPU底层。(传值的方法是CPU中间层向ETPU底层的偏移地址处写值。ETPU底层去读取这个变量偏移地址里面的值)。
CPU中断处目前向ETPU底层传递喷油起始角度(两个预喷开始角度、主喷开始角度)对于冗余ECU,喷油角度传递的设计方案是：
主发动机控制器：
辅发动机控制器：
喷射脉宽和喷射使能根据上层传的具体值，传给ETPU底层,如图5所示。
6、喷射算法设计
ETPU底层接收到上层传递的各种数据信息后，就要进行喷射脉冲的安排，在算法设计时，要考虑到多次喷射的情况，预喷是否使能，预喷和主喷是否重合，当预喷和主喷重合时，怎么处理。
ETPU底层喷油算法，对于柴油机喷油，每一个缸循环中最多三次喷射，二次预喷一次主喷。如图6所示。
由于是有可能三次脉冲，因此在ETPU底层接受到CPU层更新喷油脉冲请求时，首先判断预喷1是否使能，如果使能则安排预喷1的喷油脉冲，预喷1脉冲形成以后，则开始判断预喷2是否使能。如果预喷1不使能则开始判断预喷2是否使能。对预喷2也是同样处理过程，最后到安排主喷。因为如果ETPU底层接收到CPU层更新喷油脉冲请求时，是肯定有主喷的。
对喷油参数做了合理性校验，底层设置喷油脉宽最小值为500us，如果传进来的喷油脉宽小于500us，那么喷油脉宽改成500us。如果对于一个缸的所有喷射脉冲中，一个喷油脉冲的开始角度在前一个喷油脉冲的结束之前，那么将两个喷油脉冲合并在一起。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种基于ETPU四缸柴油机冗余燃油喷射方法，其特征在于,该方法通过双发动机控制器协作控制发动机，由主发动机控制器和辅发动机控制器分别进行航空发动机冗余控制，主发动机控制器和辅发动机控制器协作控制发动机运行，由主发动机控制器进行四缸燃油喷射的控制，如果主发动机控制器发生故障，立即切换到辅发动机控制器进行四缸燃油喷射的控制；该方法分别安装两套曲轴传感器和凸轮轴传感器，用于产生信号分别提供给主发动机控制器和辅发动机控制器，分别作为控制器主发动机控制器和辅发动机控制器的输入；主发动机控制器对应的曲轴传感器和辅发动机控制器对应的曲轴传感器位置相差180度，每个ECU对应凸轮轴位置传感器根据曲轴传感器位置相应安排安装位置；该方法将发动机气缸的缸号分为物理缸号和软件缸号，物理缸号对应实际缸号，软件缸号对应软件中使用的缸号，根据具体得到的缸号和对应的ECU来安排喷油器的喷射。
2.根据权利要求1所述的基于ETPU四缸柴油机冗余燃油喷射方法，其特征在于,主发动机控制器ECU_A缺齿后第二齿时，CAM低电平时为一缸，CAM高电平时为四缸，两个发动机控制器相差180度，辅发动机控制器ECU_B检测到缺齿后第二齿，CAM低电平时为三缸，CAM高电平时为二缸。
3.根据权利要求2所述的基于ETPU四缸柴油机冗余燃油喷射方法，其特征在于,所述曲轴信号轮为60齿；第一次找到同步时，角度为0度，当曲轴转过两圈，曲轴的角度为720度，在ETPU底层将每个齿等分为128，曲轴转过720度，ETPU角度计数值累计为128*60*2，ETPU底层设计的是当曲轴第一次找到缺齿时，无论CAM是高电平还是低电平，起始角度都为0度。
4.根据权利要求3所述的基于ETPU四缸柴油机冗余燃油喷射方法，其特征在于,在某个缸一个工作循环中，进行两次中断安排，第一次中断安排在压缩上止点前168度位置处，这个中断叫预喷中断；第二次中断安排在压缩上止点前78度位置处，这个中断叫主喷中断；在中断函数处理中，需要进行ETPU底层和上层的数据交互。
5.根据权利要求4所述的基于ETPU四缸柴油机冗余燃油喷射方法，其特征在于,在主喷中断和预喷中断中，预喷中断将第一次预喷的使能位、喷油开始角度、喷油时间，第二次预喷的使能位、喷油开始角度、喷油时间赋给接口中间变量；主喷中断将主喷使能位、主喷开始角度、主喷喷油时间赋给接口中间变量；在主喷中断时，CPU中间层将以上所有的接口中间变量的值传到ETPU底层。
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