車(chē)用柴油機電控系統的設計

清華大學(xué)“汽車(chē)安全與節能”國家重點(diǎn)實(shí)驗室在國家“九五”攻關(guān)大型項目“汽車(chē)電子控制”的研究中，開(kāi)發(fā)了基于位置控制式的第一代車(chē)用柴油機電控系統，并在二汽的東風(fēng)卡車(chē)上進(jìn)行了一年的裝車(chē)試驗。下面具體介紹該電控系統。

1 柴油機電控系統的組成和結構

柴油機電控系統組成框圖如圖1所示，系統由傳感器、電控單元、執行器、噴油泵和發(fā)動(dòng)機組成。電控單元采集傳感器的信號，根據預定的控制策略，向執行器發(fā)送控制命令，執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(shí)現柴油機的動(dòng)力性、經(jīng)濟性或排放。

柴油機電控系統的結構如圖2所示。

在進(jìn)行經(jīng)濟性和排放的控制時(shí)，柴油機控制目標策略采用標定的油量ＭＡＰ圖。在進(jìn)行調速控制時(shí)，柴油機控制目標策略采用PID控制即可（控制框圖見(jiàn)圖3），此時(shí)，整個(gè)系統組態(tài)為一個(gè)串級控制系統，和機械調速器相比，電子調速器可以兼顧動(dòng)態(tài)和靜態(tài)（調速率可以達到0）特性，而傳統的機械調速器是做不到這兩點(diǎn)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的元器件必須選擇滿(mǎn)足車(chē)用要求的可靠性高、工作溫度范圍適宜于車(chē)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(gè)選擇原則：（１）工作溫度范圍要適宜于車(chē)用；（２）實(shí)時(shí)中斷的效率要高；（３）為了提高系統工作的可靠性和電磁兼容性，CPU工作的時(shí)鐘頻率要盡可能低；（４）開(kāi)發(fā)技術(shù)難度要適中；（５）有可靠而穩定的貨源。

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 執行器的選擇

控制油泵齒條位置的執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(xiàn)性電磁鐵，該線(xiàn)性電磁鐵完全能夠滿(mǎn)足車(chē)用柴油機電控系統執行器的要求。

2.2 電控單元電路設計

電控單元電路框圖見(jiàn)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(jìn)行充電和汽車(chē)有起動(dòng)電機等大功率用電設備，所以電源的波動(dòng)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(dòng)干擾；

（２）汽車(chē)地是浮地，地電位不穩定，在設計中采用單點(diǎn)接地電路消除地線(xiàn)干擾；

（３）電磁輻射干擾。在電路板設計上，采用微島技術(shù)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(shù)消除外部地磁干擾信號；采用電控單元的整體屏蔽技術(shù)來(lái)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 電控系統的軟件設計

電控系統的軟件設計分為兩層，分別是實(shí)時(shí)操作系統和應用軟件。

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

3 應用

電控系統在臺架上用玉柴的6108發(fā)動(dòng)機進(jìn)行了試驗測試，隨后在二汽的東風(fēng)卡車(chē)上進(jìn)行了一年多的連續上車(chē)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(dòng)在10r／min以?xún)?；改善了自由加速煙度，改善了起?dòng)、加速的排放。

從目前情況來(lái)看，用電控系統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(shí)用化。