車用柴油機電控系統(tǒng)的設計

    清華大學“汽車安全與節(jié)能”國家重點實驗室在國家“九五”攻關大型項目“汽車電子控制”的研究中，開發(fā)了基于位置控制式的第一代車用柴油機電控系統(tǒng)，并在二汽的東風卡車上進行了一年的裝車試驗。下面具體介紹該電控系統(tǒng)。

    1 柴油機電控系統(tǒng)的組成和結構

    柴油機電控系統(tǒng)組成框圖如圖1所示，系統(tǒng)由傳感器、電控單元、執(zhí)行器、噴油泵和發(fā)動機組成。電控單元采集傳感器的信號，根據(jù)預定的控制策略，向執(zhí)行器發(fā)送控制命令，執(zhí)行器控制噴油泵的齒條位置，最終控制柴油機的循環(huán)噴油量，以實現(xiàn)柴油機的動力性、經(jīng)濟性或排放。

    柴油機電控系統(tǒng)的結構如圖2所示。

    在進行經(jīng)濟性和排放的控制時，柴油機控制目標策略采用標定的油量ＭＡＰ圖。在進行調速控制時，柴油機控制目標策略采用PID控制即可（控制框圖見圖3），此時，整個系統(tǒng)組態(tài)為一個串級控制系統(tǒng)，和機械調速器相比，電子調速器可以兼顧動態(tài)和靜態(tài)（調速率可以達到0）特性，而傳統(tǒng)的機械調速器是做不到這兩點的。

    2 電控單元的設計

    2.1 核心器件的選擇

    組成柴油機電控系統(tǒng)的元器件必須選擇滿足車用要求的可靠性高、工作溫度范圍適宜于車用的元器件。

    2.1.1 CPU的選擇

    在CPU的具體選擇上，我們確定了以下幾個選擇原則：（１）工作溫度范圍要適宜于車用；（２）實時中斷的效率要高；（３）為了提高系統(tǒng)工作的可靠性和電磁兼容性，CPU工作的時鐘頻率要盡可能低；（４）開發(fā)技術難度要適中；（５）有可靠而穩(wěn)定的貨源。

    從以上原則出發(fā)，對比全球范圍內流行的CPU，最終我們選定了美國MOTOROLA公司的M68HC11微控制器作為電控單元的CPU。

    2.1.2 執(zhí)行器的選擇

    控制油泵齒條位置的執(zhí)行器選擇美國辛格斯達公司生產(chǎn)的帶位置反饋信號的0250型線性電磁鐵，該線性電磁鐵完全能夠滿足車用柴油機電控系統(tǒng)執(zhí)行器的要求。

    2.2 電控單元電路設計

    電控單元電路框圖見圖4。

    2.2.1 抗干擾設計

    柴油機電控單元在使用中主要干擾及具體解決辦法如下：

?（１）由于發(fā)電機對電池進行充電和汽車有起動電機等大功率用電設備，所以電源的波動干擾比較厲害，在設計中主要采用多級濾波電路濾除電源的波動干擾；

?（２）汽車地是浮地，地電位不穩(wěn)定，在設計中采用單點接地電路消除地線干擾；

?（３）電磁輻射干擾。在電路板設計上，采用微島技術降低內部的電磁輻射；對傳感器輸入信號采用限幅濾波技術消除外部地磁干擾信號；采用電控單元的整體屏蔽技術來屏蔽外界電磁輻射干擾并且降低內部的電磁輻射對外部的干擾。

    2.3 電控系統(tǒng)的軟件設計

    電控系統(tǒng)的軟件設計分為兩層，分別是實時操作系統(tǒng)和應用軟件。

    實時操作系統(tǒng)的核心是硬件的實時中斷和對輸入／輸出口的管理，實時中斷頻率的選擇要以能夠滿足系統(tǒng)的控制要求為準。應用軟件的規(guī)劃以能夠滿足系統(tǒng)的實時控制要求為準則，把柴油機的控制狀態(tài)分解成有限個子狀態(tài)，任意時刻柴油機只處于一個確定的狀態(tài)。在不同的使用要求下用不同的控制策略進行編程控制。

    3 應用

    電控系統(tǒng)在臺架上用玉柴的6108發(fā)動機進行了試驗測試，隨后在二汽的東風卡車上進行了一年多的連續(xù)上車試驗。試驗經(jīng)歷了春夏秋冬四季不同的氣溫環(huán)境，電控單元工作都很可靠，達到了預期的目的。在調速方面，轉速波動在10r／min以內；改善了自由加速煙度，改善了起動、加速的排放。

    從目前情況來看，用電控系統(tǒng)取代機械調速器能夠更好地發(fā)揮原有柴油機的性能，并且可以在當前國內工藝條件下達到實用化。