專利名稱：柴油機燃燒閉環(huán)控制的電控系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及柴油機燃燒閉環(huán)控制的電控系統(tǒng)，屬于內(nèi)燃機電控噴油技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著能源短缺問題日益突出和柴油機排放法規(guī)日益嚴格，要求柴油機節(jié)能減排， 并具有最佳的性能，對柴油機噴油控制要求更加精細。目前的柴油機電子控制是基于實驗脈譜(MAP)的控制，由于沒有涉及到燃燒狀態(tài)參數(shù)，對氣缸內(nèi)的燃燒過程，它仍是一種開環(huán)控制。對于標定條件以外的狀況，如燃油質(zhì)量變化、零件老化、制造差異等，這種開環(huán)控制不能給出最佳的控制，無法使柴油機運行在最佳狀態(tài)。隨著控制對象的增加，電控系統(tǒng)越來越復(fù)雜，精確控制極為重要，閉環(huán)控制是提高控制精度的一種有效辦法。反饋參數(shù)合理選擇對閉環(huán)控制效果影響很大，缸內(nèi)燃燒壓力是反映氣缸內(nèi)燃燒狀況最直接、最可靠的參數(shù)，氣缸內(nèi)的燃燒狀況決定了柴油機的性能和排放，氣缸壓力包含了氣缸內(nèi)燃燒狀況的許多信息， 將氣缸壓力反饋引入電控系統(tǒng)，能提供一個反映柴油機燃燒狀況實時標志，能實現(xiàn)柴油機燃燒過程閉環(huán)控制，對發(fā)動機進行燃燒狀況臨控和故障診斷。在柴油機控制中，已經(jīng)應(yīng)用的閉環(huán)控制方案有怠速時轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制、噴油提前角閉環(huán)控制。1)怠速時轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。在柴油機怠速工況，由于柴油機不向外輸出動力，以柴油機的實測轉(zhuǎn)速為控制對象，對噴油量大小進行調(diào)節(jié)，使柴油機轉(zhuǎn)速的達到設(shè)定的目標值。這種閉環(huán)控制是對柴油機運行狀態(tài)的外圍參數(shù)控制。2)噴油提前角閉環(huán)控制。在柴油機排放控制中，以柴油機噴油提前角為控制對象， 以針閥開啟的曲軸轉(zhuǎn)角為反饋值，對噴油提前角大小進行調(diào)節(jié)，使柴油機噴油提前角接近設(shè)定的目標值。這種閉環(huán)控制是以柴油機排放物最佳而設(shè)定參數(shù)控制，只涉及缸內(nèi)核心燃燒的輸出結(jié)果。以上兩種閉環(huán)控制未涉及到柴油機的核心-燃燒過程，屬于柴油機運行狀態(tài)外圍參數(shù)的閉環(huán)控制。由于柴油機燃燒過程的非線性、順變性，缸內(nèi)燃燒參數(shù)不易準確獲得，如缸內(nèi)溫度、放熱量不易可靠地測量，目前只有缸內(nèi)燃燒壓力參數(shù)相對容易測量，但是燃燒壓力測試儀器由于體積大、受環(huán)境影響較大的缺點，無法應(yīng)用于柴油機的車載在線測試使用。 因此，壓力采集儀器小型化，易于車載使用是亟待解決的技術(shù)問題，構(gòu)建柴油機燃燒閉環(huán)的電控系統(tǒng)是實現(xiàn)柴油機最優(yōu)控制的合理途徑。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是解決以上技術(shù)問題，填補柴油機燃燒閉環(huán)控制的電控技術(shù)空白，發(fā)明內(nèi)容有燃燒閉環(huán)控制方法和燃燒閉環(huán)控制的電控系統(tǒng)。1、燃燒閉環(huán)控制方法燃燒閉環(huán)控制方法在噴油系統(tǒng)電控單元基礎(chǔ)上，壓力采集單元實時多循環(huán)采集燃燒壓力信號，并進行壓力參數(shù)處理，提取燃燒壓力曲線的幾何特征參數(shù)，并給出燃燒特征反饋參數(shù)給噴油電控單元，噴油電控單元根據(jù)柴油機狀態(tài)參數(shù)和運行工況，以扭矩或排放指標為最佳值，對噴油量、噴油定時進行調(diào)節(jié)，使柴油機運行在最佳指標狀況。2、燃燒閉環(huán)控制的電控系統(tǒng)燃燒閉環(huán)控制的電控系統(tǒng)具有壓力采集、數(shù)據(jù)處理通訊和噴油控制功能，由兩個子單元組成噴油電控單元和壓力采集單元，噴油電控單元由信號調(diào)理電路、MPC555單片機、電磁閥驅(qū)動電路組成，根據(jù)柴油機狀態(tài)參數(shù)，完成柴油機噴油控制。燃燒壓力采集單元由信號調(diào)理電路、數(shù)字信號處理器和高速數(shù)據(jù)通訊電路組成，完成柴油機缸內(nèi)壓力采集和數(shù)據(jù)處理，并向電控單元發(fā)送壓力反饋亮，構(gòu)成燃燒閉環(huán)控制。電控系統(tǒng)呈現(xiàn)雙微處理器并行結(jié)構(gòu)，兩個雙微處理器各自獨立完成壓力采集和噴油控制，1)壓力采集單元壓力采集單元采用數(shù)字信號處理器完成壓力采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)通訊等功能，在壓力采集、燃燒特征參數(shù)和反饋參數(shù)上，提出了以下的新方法⑴采集方法由于單片機的數(shù)據(jù)空間遠遠小于計算機，數(shù)據(jù)文件是單片機采集系統(tǒng)所必須解決的瓶頸，采用局部曲軸轉(zhuǎn)角范圍采集方法和減少采集循環(huán)數(shù)來減小壓力數(shù)據(jù)文件容量。光電編碼器的光柵盤的部分刻度區(qū)域內(nèi)設(shè)置光柵，用于產(chǎn)生觸發(fā)信號，保證在壓縮行程的上止點前-50° CA至上止點100° CA之間的局部曲軸轉(zhuǎn)角范圍作為缸內(nèi)壓力數(shù)據(jù)采集段，既能大大地降低數(shù)據(jù)量，又能很好地反映進燃燒過程，動態(tài)采集的參數(shù)如表1所示。表1動態(tài)采集參數(shù)
曲軸轉(zhuǎn)角范I韋1/° CA采樣曲軸轉(zhuǎn)角間隔/° CA 采樣點數(shù)采集循環(huán)
_7]-50 1000. 530020(2)燃燒特征參數(shù)由于柴油機燃燒過程是周期性短時間循環(huán)發(fā)生的，引入物理學(xué)周期性運動的特征描述其燃燒過程，用相位、強度和及時性概念描述燃燒過程。燃燒特性參數(shù)有燃燒始點、燃燒終點、最高燃燒壓力、最大壓力升高率及其轉(zhuǎn)角，50%質(zhì)量燃燒率、最大放熱量等，反映燃燒相位的參數(shù)有最高爆發(fā)壓力轉(zhuǎn)角、最大壓升率轉(zhuǎn)角、50%質(zhì)量燃燒率轉(zhuǎn)角等，反映燃燒強度的參數(shù)有最高爆發(fā)壓力、最大壓升率、平均指示壓力等。引入壓力差曲線幾何特征點，確定燃燒起點、強度和終點對應(yīng)的壓力特征參數(shù)。用壓力升高始點，壓力差峰值A(chǔ)Pmax及其轉(zhuǎn)角Δ ePmax，重心點壓力差A(yù)PC，及其轉(zhuǎn)角Δ θ C，固定壓力差的轉(zhuǎn)角差描述燃燒過程。(3)壓力參數(shù)與性能指標關(guān)系柴油機的輸出量是扭矩和排放，有效功率、扭矩可以通過氣缸壓力計算得到，雖然通過熱力學(xué)計算獲得輸出量，但過程繁瑣、耗時過多，不適合實時控制的要求。為了簡化計算的復(fù)雜性，選擇轉(zhuǎn)速和負荷為基本參數(shù)，壓力特征參數(shù)為主要參數(shù)，用映射方法確定柴油機輸出量。在某一范圍內(nèi)對輸入量和輸出量，才用分段多項式擬合或樣條函數(shù)方法進行擬合。用多個局部范圍的輸入和輸出量的函數(shù)關(guān)系表示整個工況范圍內(nèi)的柴油機的輸入和輸出關(guān)系。1)噴油控制單元噴油控制單元采用MPC555單片機完成狀態(tài)參數(shù)采集、噴油參數(shù)及信號確定、噴油控制、數(shù)據(jù)通訊等功能，在噴油信號簡化、功率驅(qū)動上，提出了以下的新方法
(1)單通道噴油控制信號常規(guī)噴油信號是由兩個通道產(chǎn)生，一個是輸出比較(OC)，另一個是脈寬調(diào)制信號 (PWM)，所以，當柴油機氣缸數(shù)增多時，噴油控制信號對控制單片機的通道資源占用較多，而一般的單片機功能只有8通道數(shù)，無法適應(yīng)大功率多缸柴油機的應(yīng)用。采用單通道輸出比較功能(OC)，可以減少通道資源占用，適應(yīng)大功率多缸柴油機控制要求。(2)高速電磁閥功率驅(qū)動噴油器電磁閥屬于高速電磁閥，高速電磁閥的開啟實現(xiàn)需要大電流開啟、小電流保持，由于采用單通道噴油信號控制，由高速電磁閥功率驅(qū)動電路硬件產(chǎn)生開啟的大電流、 保持的小電流，使控制電流可靠穩(wěn)定。
四

圖1為電控系統(tǒng)組成。
圖2為電控系統(tǒng)各部件。
圖3為壓力采集單元實物圖。
圖4為光纖壓力傳感器圖。
圖5為觸發(fā)信號脈沖圖。
圖6為噴油電控單元實物圖。
圖7為高速電磁閥驅(qū)動原理圖。
圖8為高速電磁閥驅(qū)動原理圖。
圖9為壓力數(shù)據(jù)采集軟件框圖。
圖10為噴油控制軟件流程圖。
圖11為主控制模塊流程圖。
圖12為控制顯示界面圖。
圖13為控制原理。
圖14為壓力采集工作時序圖。
五具體實施例方式柴油機燃燒閉環(huán)控制的電控系統(tǒng)包括四個部分壓力采集單元部分、噴油電控單元部分、軟件部分和數(shù)據(jù)顯示部分，如附圖1所示。1.壓力采集單元部分在電控系統(tǒng)部件組成圖2中，壓力采集單元1由光纖壓力傳感器11、光電編碼器 12、數(shù)字信號處理器(DSP) 13機組成，壓力采集單元實物如圖3所示。光纖壓力傳感器11采用美國Optrand公司的AutoPSI-TC (溫度補償型，適合發(fā)動機動態(tài)壓力測試)光纖壓力傳感器，如附圖4所示。電壓量0. 5-4. 8V輸出。線性度士 1 % FS0，測量范圍0-20MPa，溫度-50-300°C。光纖壓力傳感器利用光線通過不同距離產(chǎn)生相位變化，它由壓力傳感器頭，光源、光纖和光電轉(zhuǎn)換電路組成，壓力的變化使金屬膜發(fā)生變形， 經(jīng)過光電轉(zhuǎn)化，直接輸出電壓信號，光纖壓力傳感器的優(yōu)點在于抗干擾能力強，小型化。光電編碼器12采用增量式光電編碼器，重新設(shè)計了光柵盤，使光柵盤每旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生300個角度脈沖信號，產(chǎn)塵信號脈沖如附圖5所示。信號Z為同步信號，輸出信號A為每隔0. 5度輸出的曲軸轉(zhuǎn)角信號。數(shù)字信號處理器13采用Freescale公司的數(shù)字信號處理器DSP56F807，它是處理實時信號的專用微處理器，高可達到40兆條指令/S(MIPQ的指令執(zhí)行速度；能夠進行定點、浮點計算，它的基本配置為一個CAN2. OB模塊，兩個SCI模塊，獨立8通道12位A/D，程序FLASH為64K，RAM 2K，80MHz的總線頻率，DSP56807的AD單通道采樣頻率達到200kHz， 高于一般IOOkHz。2.噴油電控單元部分在電控系統(tǒng)部件組成圖2中，噴油電控單元2由傳感器21-24、通訊模塊25、電磁閥驅(qū)動電路26和32位單片機27組成，噴油電控單元實物如圖6所示。傳感器21-M采集發(fā)動機的狀態(tài)參數(shù)，主要有轉(zhuǎn)速、油門位置、進氣壓力、機油溫度，冷卻水溫度等參數(shù)，確定發(fā)動機運行的狀態(tài)，選用Bosch公司溫度和壓力傳感器。電磁閥驅(qū)動電路沈有高速電磁閥和比例電磁電路驅(qū)動兩種，高速電磁閥原理圖如圖7示，采用單信號驅(qū)動，由硬件電路實現(xiàn)大電流開啟、小電流保持，控制信號控制超快恢復(fù)二極管S1、S2，S1、S2不同開閉組合產(chǎn)生不同的電流大小，S1、S2同時閉合使電流迅速增大，電磁閥快速開啟；一定時間后S2斷開，電流下降，隨后S2在PWM控制下維持小電流使電磁閥保持開啟狀態(tài)。Si、S2同時斷開后，電磁閥線圈中的電流經(jīng)由兩個超快恢復(fù)二極管 D2、Dl迅速降為零，電磁閥迅速關(guān)閉。比例電磁閥驅(qū)動電路如圖8所示，由功率放大電路， 高壓開關(guān)電路，保護電路組成。單片機27采用高性能的32位MPC555單片機，其主頻高達40MHz，內(nèi)部26Ksram， 448kFlash，同時片上還集成了 8個模塊，包括隊列異步串行通道^jSMCM)、雙重時間處理單元(TPU3)、輸入捕捉/輸出比較定時器、雙隊列12位A/D轉(zhuǎn)換模塊(QADC64)、1個脈寬調(diào)制模塊、1個模塊化系統(tǒng)I/O 口(MISOl)、雙CAN2. 0控制CAN模塊(TU0CANTM)。3.軟件在圖2中，軟件3由壓力采集軟件31、控制軟件32和顯示軟件33三部分組成。壓力采集軟件31裝在數(shù)字信號處理器13中，由程序初始化、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、 數(shù)據(jù)計算和數(shù)據(jù)通訊組成，采用C++語言編制，軟件框圖如圖9所示。其中數(shù)據(jù)采集嵌入在數(shù)字信號處理器的中斷服務(wù)程序中，由外部中斷源-曲軸轉(zhuǎn)角信號實現(xiàn)觸發(fā)，通過A/D采集功能實現(xiàn)氣門電壓信號采集，經(jīng)過電壓位移轉(zhuǎn)換得到氣門位移，并存儲在相應(yīng)的數(shù)組中。數(shù)據(jù)處理對數(shù)據(jù)進行均化處理和尋求特征點值，處理的方法是將采集到各曲軸轉(zhuǎn)角下的氣缸壓力數(shù)據(jù)，找出檢測范圍內(nèi)所有的最大值點和對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角，計算出燃燒始點、平均壓力。 并將特征點值和全部均化壓力數(shù)據(jù)存儲于某一空間內(nèi)。控制軟件32裝在MPC555單片機27中，其結(jié)構(gòu)是基于柴油機運行角度的同步循環(huán)，主要通過中斷服務(wù)程序觸發(fā)和嵌套，即中斷環(huán)的運行機制保證的。中斷環(huán)捕捉凸輪單齒開始運行，根據(jù)邏輯關(guān)系進行判缸、平均轉(zhuǎn)速和瞬時轉(zhuǎn)速的計算，依此進行噴油定時、噴油脈寬、噴油壓力的控制，如圖10所示?？刂栖浖?2由中斷模塊、初始化模塊、功能模塊、主控制模塊組成，中斷模塊完成壓力控制、噴油時序確定以及數(shù)據(jù)通訊，功能模塊包括參數(shù)采集模塊、轉(zhuǎn)速處理模塊、噴油壓力控制模塊、噴油定時和噴油量模塊、故障處理模塊等，主控制模塊如圖U所示完成故障判斷、工況判斷，進行正常控制循環(huán)，根據(jù)系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能，軟件由初始化模塊、中斷模塊和功能模塊組成，初始化模塊主要完成單片機系統(tǒng)初始化和操作功能初始化，中斷模塊完成由信號觸發(fā)、實施AD采集以及通訊，功能模塊完成通訊傳送、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)計算等任務(wù)。通訊傳送及顯示軟件33包括壓力數(shù)據(jù)顯示軟件和噴油控制顯示軟件兩部分。壓力數(shù)據(jù)顯示軟件裝在測試監(jiān)控41 (計算機)中，采用LABVIEW軟件編制數(shù)據(jù)顯示界面，顯示最大爆發(fā)壓力及其轉(zhuǎn)角、燃燒始點等參數(shù)，并顯示爆發(fā)壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角變化曲線。由數(shù)字信號處理器采用串口通訊(SCI)方式，只傳送氣門升程、配氣相位角度等參數(shù)， 采用USB方式高速傳輸全部壓力數(shù)據(jù)及對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角?？刂骑@示軟件裝在監(jiān)控系統(tǒng)42 (計算機)中，采用LABVIEW軟件編制數(shù)據(jù)顯示界面，把數(shù)據(jù)采集、實時顯示和數(shù)據(jù)保存等功能都集成在主界面上，并在PC機上顯示。控制顯示界面包括了系統(tǒng)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、參數(shù)標定、離線仿真四個部分，其對應(yīng)先拉式菜單顯示， 功能鍵設(shè)置在數(shù)據(jù)發(fā)送去顯示區(qū)，數(shù)據(jù)接收區(qū)、以及數(shù)據(jù)保存路徑，控制PID系數(shù)整定，其控制顯示界面如圖12所示，主界面主要分為2大部分用戶操作區(qū)，試驗數(shù)據(jù)顯示區(qū)。用戶操作區(qū)主要包括系統(tǒng)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、參數(shù)標定、離線仿真4大菜單，停止噴油、開始監(jiān)控、 關(guān)閉監(jiān)控、數(shù)據(jù)發(fā)送等操作按鈕；試驗數(shù)據(jù)顯示區(qū)有4個數(shù)據(jù)曲線顯示和10個數(shù)據(jù)顯示框。電控系統(tǒng)工作過程如圖13所示。由壓力采集單元實時采集氣缸壓力信號，并經(jīng)處理壓力數(shù)據(jù)，提取壓力特征值，轉(zhuǎn)換為壓力反饋量，傳給噴油控制單元，電控單元根據(jù)目標值和壓力反饋值之差，進行PID控制，對噴油參數(shù)進行修正，并給出噴油控制信號。壓力采集工作時序如圖14所示。在一個工作循環(huán)中，只有壓縮行程的上止點前-50° CA至上止點100° CA之間時，由同步信號和角標信號觸發(fā)，進行A/D轉(zhuǎn)換，由DSP 完成氣門位移測試，其余時間DSP可以進行位移數(shù)據(jù)的均化、數(shù)據(jù)傳送，實現(xiàn)DSP的分時串行工作置。
權(quán)利要求
1.一種柴油機燃燒閉環(huán)控制的電控系統(tǒng)，包括了燃燒閉環(huán)控制方法和燃燒閉環(huán)控制的電控系統(tǒng)，其配置有壓力采集單元，噴油電控單元，光纖壓力傳感器、各種傳感器和顯示計算機。
2.如權(quán)利要求1所述的柴油機燃燒閉環(huán)控制的電控系統(tǒng)，其特征在于提出了基于數(shù)字信號處理器和高性能控制處理器的雙微處理器結(jié)構(gòu)，使燃燒壓力采集和噴油控制分體獨立運行，實現(xiàn)各自的采集功能和控制功能。
3.如權(quán)力要求1所述的柴油機燃燒閉環(huán)控制的電控系統(tǒng)，其特征在于提出了燃燒壓力動態(tài)采集方法，以上止點前-50° CA至上止點后100° CA角度區(qū)域為采集壓力范圍，減少數(shù)據(jù)文件容量，實現(xiàn)壓力數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)計算的分時進行，適應(yīng)數(shù)字信號處理器工作機制。 選用了光纖壓力傳感器，電壓量輸出，簡化了測試輔助設(shè)備。
4.如權(quán)利要求1所述的柴油機燃燒閉環(huán)控制的電控系統(tǒng)，其特征在于提出了用燃燒壓力參數(shù)表示燃燒過程的強度、相位以及放熱狀況，通過直接提取壓力差曲線上的幾何特征參數(shù)，建立了燃燒特征參數(shù)的壓力參數(shù)集合，降低燃燒計算配置要求和計算量。
5.如權(quán)利要求1所述的柴油機燃燒閉環(huán)控制的電控系統(tǒng)，其特征在于提出了基于高性能32位單片機的電控單元，高性能的單片機具有高速運行頻率、完善的通道功能和豐富的多通道數(shù)，采用單控制信號驅(qū)動控制，硬件電路產(chǎn)塵電磁閥工作的電流值。
全文摘要
本發(fā)明是用于柴油機燃燒閉環(huán)控制的電控系統(tǒng)，電控系統(tǒng)由壓力采集單元，噴油電控單元，光纖壓力傳感器、各種傳感器和顯示計算機組成，如圖1所示。壓力采集單元是基于數(shù)字信號處理器的小型采集單元，配以光線壓力傳感器和光電編碼器能實現(xiàn)車載燃燒壓力采集及數(shù)據(jù)處理。噴油電控單元是基于高性能單片機的噴油控制器，完成噴油參數(shù)的調(diào)節(jié)和控制。以燃燒壓力的燃燒特征參數(shù)作為反饋參數(shù)，構(gòu)建了以燃燒閉環(huán)控制的電控系統(tǒng)，能完成柴油機缸內(nèi)燃燒狀況的閉環(huán)控制。
文檔編號F02D41/30GK102493885SQ20111041575
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月14日
發(fā)明者王軍, 金毅 申請人:中國人民解放軍裝甲兵工程學(xué)院