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1、,汽车与发动机电子控制系统设计,主讲人：石秀勇 博士/副教授院 系：汽车学院E-mail: T e l: 69589980 (O)M.P.: 15821858727,个人简介,石秀勇，博士，副教授2007年毕业于山东大学获得博士学位，2009年12月上海交通大学博士后出站后到同济大学大学汽车学院任教。 主要研究方向CAE技术有限元(机体、缸套、气缸垫、曲轴、连杆、螺栓连接)计算流体力学(进排气流动、缸内混合燃烧、冷却水流动)发动机节能减排柴油机喷油规律优化（多次喷射、降低PM排放）热管理（系统匹配、发动机舱热流场）润滑系统（系统设计匹配、可变排量机油泵）EGR（阀流场、EGR系统匹配优化）SC
2、R（催化器流动均匀性、NH3喷射混合、还原剂匹配）,柴油机电子控制技术,概述柴油机发展趋势柴油机技术措施柴油机电控技术电控共轨系统电控单体泵电控泵喷嘴其他电控技术车载诊断OBD系统,石油供应安全 全球气候变暖 大气环境污染,我国汽车动力面临诸多挑战,排放法规,排放限值及循环,相比国4、国5，国6采用了低速低温循环和更严格的尾管排放目标。,柴油机发展趋势,理想喷油特性预喷射，初始喷射速率低，主喷速率高，后喷停止速度快高压喷射轿车：200MPa，重型车：250MPa增压中冷，废气再循环提高升功率、经济性和降低排放排气后处理氧化催化器，微粒捕集器，NOx催化器,柴油机发展趋势,解决方案：电子控制电子
3、控制燃油喷射电子控制可变截面涡轮电子控制废气再循环电动进排气门电子控制单元实现理想的喷油速率是解决柴油机排放的基础，配合空气系统和电子控制，柴油机发展的根本途径。,电控燃油系统类型,发展简史,发展简史,发展简史,（1）节能与排放的矛盾 原因： 节能要求燃烧完全，使燃烧温度高，虽然CO、HC和颗粒PM排放少，但氮氧化物NOX排放多。 （2）颗粒PM与氮氧化物NOx排放的矛盾 原因： 消除颗粒PM要 燃烧完全，使燃烧温度高，氮氧化物NOx排放多。而对减少氮氧化物NOx排放有利的措施，又可能导致颗粒PM高；反之亦然。（3）节能与工作柔和要求的矛盾 原因： 工作柔和要求前期少喷油，会造成后燃严重，经济
4、性和动力性差；如 燃烧完全，前期喷油多，则压力升高快，工作粗暴。,柴油机燃烧过程组织的困难,控制燃烧过程放热规律的三要素： 燃烧始点喷射时刻； 放热规律曲线形状喷射规律； 燃烧持续时间扩散速率,燃烧室内部气流特性，和燃料喷射方式的优化匹配是控制柴油机燃烧放热规律的主要手段。,具体措施：电控高压喷射技术；喷射规律控制喷射时期控制；缩口燃烧室气流EGR：TzVNT（VGT）；,抑制预混合燃烧过程NOx，促进扩散燃烧PM,柴油机燃烧,燃烧室,燃油供给,进气组织,均匀混合气燃油雾化喷射次数,提高充气密度气流运动形式,压缩比燃烧过程组织排放,柴油机节能与排放控制技术,五大系统进排气系统增压系统EGR系统
5、燃料供给系统电控燃油系统润滑系统冷却系统电子风扇电子水泵电子节温器起动系统OBD系统,柴油机电控共轨技术,柴油机电控共轨系统特点柴油机电控共轨系统组成柴油机电控共轨系统控制策略,柴油机混合气形成及燃烧特点,柴油机燃烧的特点,其主要特点是：燃料的混合和燃烧是在气缸内进行的（缸内混合）。 混合与燃烧的时间很短（1535A ）0.00170.004s。柴油粘度大，不易挥发，必须以雾状喷入。 可燃混合气的形成和燃烧过程是同时，连续重叠进行的，即边喷射，边混合，边燃烧，气缸内各处混合气浓度不均匀。质调节（负荷）。,机械燃油供给系统,1）在适当的时刻，将一定数量的洁净燃油以适当的规律喷入燃烧室。各缸的喷油
6、定时和喷油量相同且与柴油机运行工况相适应。2）在每一个工作循环内，各气缸均喷油一次，喷油次序与气缸工作顺序一致。3）根据柴油机工况变化自动调节循环供油量，以保证柴油机稳定运转。,降低压力升高率、最大爆压，提高效率！,矛盾解决：两种极限放热规律。1. 先快后慢。多数为此，比较易实现（初期喷压高），效率高，但是由于早期放热量大，爆压高。2. 先慢后快。压力升高率、最大爆压均较低，但效率也低。效率低的根源：不完全是因为初期放热率低，而是大量的热在远离上止点处释放。解决措施：可以通过缩短燃烧持续期（提高喷压，缩短供油持续期、加大缸内气流、缩短缓燃期来实现）。,减缓初期燃烧速度、加快后期燃烧速度！,实现
7、方法：1. 减缓初期燃烧速度1)控制喷油；2)采用预喷技术 （高压共轨供油系统）2. 加快后期燃烧速度1)加大缸内气流；2)提高喷油速率,喷射系统的控制,要求：良好喷雾特性、喷注与燃烧室良好匹配； 控制喷油规律控制放热规律节能又低排放,措施：喷射压力高压化；且喷射时期/喷油量/喷油率可变控制；响应特性 。,C-R直接控制喷油器控制响应特性，高速柴油机上普遍采用。,喷油器的要求： 喷射压力高压化：200MPa雾化，喷射速率 多段脉冲喷射：响应特性喷射规律放热规律,柴油机电控燃油喷射系统,Bosch重卡车用第4代共轨系统,共轨系统 (Common Rail),柴油共轨系统四大核心的部件功能,高压共
8、轨喷射系统的特点：共轨压力波动小不存在压力波引起的难控区、失控区以及调速器能力不足等问题；喷射压力独立于n和负荷可实现理想喷油规律易实现多阶段脉冲喷射过程喷射规率自由控制 喷射量仅取决于共轨压力和喷油器通电脉冲宽度; 高压高压泵驱动损失，需耐高压和高压密封。,低压部分,低压部分,低压部分,C-R系统对燃烧速率的精确控制：由喷油规律的柔性控制实现 “Multijet” (多脉冲)喷射方式精确控制燃烧室内的温度和压力高效率低排放,先导喷射,预喷射,主喷射1,主喷射2,后喷射,迟后喷射,控制TzmaxNOx,压缩T和p，起动暖车时间，惰转噪声&HC排放，改善低速转矩特性,T为主喷射准备缩短主喷射的i
9、，Tz，NOx,改善废气在膨胀过程中的氧化环境，PM后处器的催化反应,废气中HCNOx还原装置的效率,喷油规律控制,标定,喷油控制策略,控制逻辑工况判断：获取柴油机当前各 状态参数进行判断基本喷油量和喷油正时： 根据工况状态得到每缸每循环 基本喷油量和基本喷油正时，实现柴油机运行要求。修正和限制因素：受排放、经济性、动力性等多个指标的限制，对油量和进气量进行控制，最终得出能满足各种要求的目标喷油量和目标喷油正时,以及相应的进气量。选择合适的喷油规律：对于多次喷射,完成每次喷油量的计算,即总油量分配,是喷油率控制需要解决的问题。共轨压力控制与喷油正时控制：根据喷油量和柴油机状态参数获得供油脉宽、
10、供油时刻、喷射脉宽及喷射时刻。根据目标喷油量和目标喷油正时控制要求,驱动燃油喷射系统的执行器。其中喷射驱动必须与转角信号同步,并根据蓄电池电压进行相应的补偿。,喷油量基本控制策略,通过传感器测量得出油门踏板位置和平均转速,结合油量MAP确定目标喷油量基本值通过结合冷却水温对发动机工况的影响,确定修正值与当前转速下的最大喷油量相比,取较小的值为最终喷油量通过查询共轨压力、喷油量和喷射脉宽MAP图,即由当前的共轨压力,查喷油量和喷射脉宽的对应关系MAP,确定喷射脉宽,即喷射脉冲持续时间,输出至喷油器,由电磁阀完成喷油量控制,起动工况控制策略,起动油量控制流程如图所示。由基本油量与加浓油量组成,其中
11、基本油量是冷却水温度与柴油机转速的函数。,怠速控制,怠速控制包括开环和闭环控制,开环控制主要针负载突然变化,急减速等瞬时工况,计算当前喷油量,而对实际转速并没有检查。闭环控制是通过检测到的实际转速与目标转速进行比较,检测当前喷油量导致的运行速度,计算下一次喷油量。图为怠速闭环控制原理图。,调速控制流量,首先根据柴油机转速和油门开度判断柴油机是否进入调速模式,柴油机进入调速模式的标志是:柴油机转速高于目标怠速或者油门开度大于一定开度。图为调速控制油量示意图。当柴油机进入调速控制过程,通过采用全程调速MAP的控制模式进行调速。根据油门和转速查询MAP得到调速油量,图中的曲线斜率是保障调速控制稳定性
12、的关键。,高压共轨系统工作原理,电控高压共轨系统的工作原理如图所示,燃油经过输油泵和高压油泵形成高压进入高压共轨,通过高压油管连接喷油器。,轨压控制框图,通过对比例电磁阀的控制即是对进入高压油泵的燃油量进行控制,也就是说需要多少燃油就压缩多少燃油。具体地,在低压输油泵与高压油泵之间设置了一个比例电磁阀,通过这一电磁阀的打开和关闭来调控进入高压油泵的燃油量。进入高压油泵柱塞腔的燃油量,原则上就等于高压共轨系统实际供给汽缸油量和喷油器回油量之和,避免了对燃油做高压压缩又释放的方式所浪费的能量,此种系统轨压控制结构的低压输油泵出口处有机械式的定压溢流阀,当出油量少而造成出口压力高于定压溢流阀开启压力
13、时,会造成溢流。但由于这部分油的压力较低,不会带来太大的浪费。,共轨压力控制策略,轨压控制如图所示,根据柴油机状态参数转速、冷却水温等,通过查共轨压力MAP确定目标轨压基本值,分析冷却水温等与轨压之间的关系,利用水温等与轨压之间的关系,对轨压进行修正,计算最后的轨压值。采取闭环控制系统,通过实际轨压的反馈,利用神经网络模糊PID控制算法对实际轨压与目标轨压进行控制,驱动执行机构动作,即求解比例电磁阀的通电提前角,同时考虑轨压最大值与最小值的限定,实现轨压的控制。,通过查询MAP图,查询出目标轨压基本值,在目标轨压基本值的基础上,考虑环境修正量、燃油温度修正量,与目标轨压基本值进行加和,计算出设
14、定轨压的初始值。,环境修正量包括:大气压力、冷却水温度和大气温度。首先由柴油机的转速和喷油量查询与此对应条件下的环境修正量基本值,查询对应曲线,得到大气压力、冷却水温度和大气温度对环境修正量基本值的修正系数,将三个修正系数相加,与环境修正量基本值的乘积就是所要求的最终的环境修正量。按照上述计算方式得到环境修正量可以简单地处理大气压力、大气温度和冷却水温度对共轨压力的影响,将影响效果进行量化处理,归结到相应的系数上，这样可以不需要大量的MAP图,从而大大降低了标定MAP的工作量。,燃油温度修正,燃油温度修正量的基本计算方法与上述方法相似,首先分析燃油温度与压力之间的关系。再根据燃油温度与压力之间
15、的关系曲线得到修正系数,与基于柴油机转速与喷油量查询MAP得到的修正基本值进行相乘。由此计算出燃油温度对共轨压力的修正量。,喷油正时控制策略,控制好喷油正时是共轨技术控制的关键之一,基本的控制原理就是利用基本值加上补偿值,其中基本值就是通过柴油机的转速与喷油量MAP查询确定的,补偿值主要包括冷却水温补偿、进气温度补偿、大气压力补偿等。,多次喷射控制,首先要确定柴油机的不同工况,针对不同工况采用不同的喷油组合方式,以及各喷射之间的协调控制,即首先确定各工况下的最佳喷油组合方式,同时要对各喷射油量和喷油正时及时作出反馈,对喷油方式进行修正和重组。多次喷射协调控制系统在预先设计好的控制流程和预先标定
16、的MAP数据得出对应工况的最佳喷油组合方式。,多次喷射及主要目的,基于扭矩的总喷油量计算,发动机需求扭矩主要由通过油门踏板控制发动机向外输出的动力需求扭矩、各种附件(如空调、交流发动机、齿轮泵等)的需求扭矩以及为了保护发动机而产生的各种限制扭矩组成。首先对各种需求扭矩求和;然后根据发动机的特性,结合发动机转速,查询扭矩一油量脉谱图,计算出不同工况下所需要的总喷油量。,预喷油量计算,分为四步:第一步,根据发动机转速和总喷油量分别查询预喷3的最大油量脉谱图和基本油量脉谱图得到最大油量和基本油量;第二步,根据进气温度、发动机温度以及进气压力查询相应的修正系数脉谱图得到各自的修正系数,与基本喷油量相乘
17、得到修正油量;第三步,基本油量与修正油量相加,得到的结果与最大油量进行比较,取其中值小者;第四步,将第三步得到的值与喷油器的最小油量进行比较,取值大者为预喷3的油量。,主喷油量计算,主喷为发动机运行提供能量,是输出扭矩的主要来源。若预喷和后喷都未释放,则主喷油量为总喷油量,否则需将总喷油量减去预喷油量和后喷油量,再加上轨压修正值即得到主喷油量。,后喷油量计算,后喷主要是为了改善废气排放而进行的喷射,并不产生扭矩,由基本油量和修正油量组成。基本油量通过微粒捕集器的特性获得,修正油量的计算同预喷。,预喷提前角计算,首先根据预喷1是否发生来选择预喷3的基本提前角脉谱图;然后根据总喷油量和发动机转速查
18、询选取的脉谱图计算预喷3的基本喷射角度;最后根据进气温度、进气压力、冷却水温等环境因素查询相应的脉谱图得到修正系数,对基本值进行修正。,主喷提前角计算,首先根据预喷2是否发生来选择主喷最大喷油提前角脉谱图,通过总喷油量和发动机转速查询主喷最大喷油提前角脉谱图,得到主喷提前角最大值;其次根据预喷组合来选择主喷基本喷油提前角脉谱图,通过总喷油量和发动机转速查询主喷基本喷油提前角脉谱图,将得到的主喷提前角基本值加上由环境因素产生的修正值;再次比较修正值和主喷提前角最大值,将较小值与最小喷油提前角比较,取较大值;最后由加速测试是否发生来选取最终的主喷提前角。,后喷提前角计算,后喷提前角的计算是通过总喷
19、油量和发动机转速查询相应脉谱图得到基本喷油提前角,再根据排气温度、排气压力等环境因素对其修正,从而得到最终的喷油提前角。,发动机及电控共轨系统特种传感器,Sensors 传感器,电子控制单元（ECU）,ECUElectronic Control Unit电子控制单元EDUElectronic Driver Unit电控驱动单元ECMElectronic Control Module发动机控制模块ECU作用和工作原理：ECU按照预先设计的程序计算各种传感器送来的信息，经过处理以后,并把各个参数限制在允许的电压电平上，再发送给各相关的执行机构，执行各种预定的控制功能。ECU根据输入的发动机转速、油
20、门开度等数据和存储在MAP的中的数据, 计算出最佳喷油时间、喷油量、喷油率和喷油定时等，并将这些参数转换为与发动机运行匹配的随时间变化的电量，来控制喷油器的电磁阀,在指定的时间内开启和关闭喷油器的针阀，从而准确控制喷油量。每循环的喷油量和脉冲宽度近似成正比。随着ECU硬件的不断发展，微处理机的内存越来越大，信息处理能力越来越高。,ECU发展,在ECU方面，10年前使用的是8位的控制器，而现在已用新一代32位控制器，共具有相当于以往700万只晶体管的功能，几乎具有相当于Pentium-处理器的工作能力，处理能力提高了4倍，记忆功能增加了30倍。十年前匹配发动机仅需用到500个参数，由于功能扩大，
21、而今匹配发动机需要用到6000个参数。接插座在1989年时大约要用55针，现在轿车电控用的接插座已用到154针。,电控共轨系统喷油器,电控单体泵,随着柴油机对燃油经济性、排放和噪声的控制要求越来越高，一种采用时间控制的以气缸为单位的模块化的高性能单体式喷油泵并配以较短高压油管的喷油系统得到发展。这种电控单体泵喷油系统可直接安装在发动机缸盖上或集成于气缸体中，也有助于降低发动机噪声。在轿车上采用，系统的嘴端压力高达200MPa，从而使油气良好地混合，燃烧更加地完全。单体泵系统性能稳定、经久耐用，特别适合油质和路况较差的应用环境。发动机标定简单且周期短。图为Bosch公司生产的一种电控单体泵，由于
22、运动部件少，单体泵系统具有很高的刚性。,电控单体泵特点,电控泵喷嘴,电控泵喷嘴系统可直接安装在发动机气缸盖上，它将喷油泵的压油机构与喷油器结合在一起，省去了高压油管。所以高压系统的死容积可以最大限度地减小，更有利于实现高压化和喷油速率的控制能力，从而获得发动机的高功率和低排放。电控泵喷嘴系统中通过电磁阀来控制喷油的开始和终了，使喷油泵腔和低压系统接通或切断进行控制。轿车用泵喷嘴有燃油预喷射功能。蓄压阀可以产生仅1.5mm3的预喷油量，用来降低燃烧噪声。最高喷射压力可达180MPa。泵喷嘴系统具有实现开环和闭环控制的可能性。为了满足安全的要求，电控泵喷嘴的控制系统可对部件的误差进行补偿和修正。如
23、果需要，还可以进行精确诊断。,柴油机其他电控技术,电控EGR阀电控增压废气放气阀电子节温器电子风扇、水泵SCR系统,车载诊断OBD系统,车载诊断（OBD）系统的定义指排放控制用车载诊断（OBD）系统。它必须具有识别可能存在故障的区域的功能，并以故障代码的方式将该信息储存在电控单元存储器内。-GB 18352.3-2005,OBD的发展历程,OBD 1 第一阶段OBD的起源日期要回溯到美国加州空气资源部（CARB）为1988和后来的加州汽车制定的排放法规。早期的OBD系统相对比较简单并且只检测氧传感器，EGR系统，供油系统和发动机控制模块。它没有要求汽车厂和车型之间任何标准化的故障码和步骤，也不
24、探测许多种会造成排放升高的发动机管理问题。,OBD II 和EOBD的导入第二阶段美国加州空气资源部（CARB）于1996年在实施LEV排放法规的同时率先导入OBDII。欧盟于2000年在实施欧3排放法规标准的同时，要求所有新轿车和轻卡（2.5吨以下）必须安装EOBD系统。OBDII、EOBD使用统一的标准，除了对排放有关的部件完全失效诊断外，还要对由于部件老化、部分失效引起的排放超标进行诊断。,OBDII和EOBD的特点：统一车种诊断座形状为16PIN。上有数值分析资料传输功能（DATA LINK CONNECTOR简称DLC）。统一各车种相同故障代码及意义。具有行车记录器功能。具有重新显示
25、记忆故障码功能。具有可由仪器直接清除故障码功能。,OBDII与OBDI相比，最大的改进之处在于OBDII具有统一的标准，这给电控汽车的故障诊断和检测维修提供了诸多方便。所有OBDII或EOBD装备的汽车都必须有：标准化的数据诊断接口（SAE-J1962）；标准化的解码器（SAE-J1978）；标准化的电子通讯协议（KW2000，CAN，CLASSII，ISO9141等）；标准化的诊断故障码（DTC，SAE-2012），标准化的维修服务情报（SAE-J2000）,标准化的数据诊断接口（SAE-J1962）DLC诊断座为统一的16PIN脚，并装置在驾驶室，驾驶侧仪表板下方。DLC PIN脚说明：资
26、料传输线有两个标准：,OBD故障码,OBD故障码（SAE-2012）第一位是字母，表示系统类型Pxxxx动力系统Bxxxx车身Cxxxx底盘Uxxxx网络连接相关的系统OBDII上只使用P-代码。,思考题,柴油机电控系统有哪些主要类型？柴油机电控共轨系统主要由哪些系统组成，其主要优点是什么？柴油机电控共轨系统喷油控制策略主要是什么？柴油机电控管理系统中一般要用哪些传感器测量哪些参数?柴油机电控共轨系统的多次喷射各次喷射主要作用是什么？电控共轨系统中用喷油嘴偶件压力室有哪几种类型？ 为什么要尽可能减小 压力室容积?Can协议标准主要有哪几种？OBD故障码位数各代表什么含义？,谢谢各位！,喷油脉宽计算,首先通过燃油温度查询燃油密度曲线获得燃油密度值,再将之前计算的喷油量除以燃油密度,得到燃油体积。然后根据实际轨压值和计算得到的燃油体积查询喷油脉宽脉谱图,将获取的喷油脉宽与最小喷油脉宽比较,取较大者为最终的喷油脉宽。,
