摘要
本设计基于博世CR柴油机高压共轨电控系统，在深入分析柴油机高压共轨电控系统控制原理的前提下，主要针对电控燃油喷射系统进行了总体控制设计，即高压共轨电控燃油喷射系统的空气供给系统、燃油供给系统设计；高压共轨电控燃油喷射系统的传感器和执行器控制设计；高压共轨电控燃油喷射系统的电子控制单元设计。另外对整个电控系统的控制逻辑进行了划分，总结出五个基本的控制任务，包括状态识别、油量控制、共轨压力控制、喷射控制和驱动，形成了完整的控制方法和实现方法。
关键词：柴油机，高压共轨，电控单元，控制方法
发动机控制技术课程设计任务书
发动机控制技术课程设计任务书
一、设计题目
发动机电控系统设计 以某一具体类型的发动机（如：凌志LS400轿车1UZ-FE型发动机）为对象，结合发动机电控系统设计的要求，选择合适的传感器和执行器等硬件设备，对发动机的主要控制系统或某一控制系统进行硬件设计和软件设计。
控制内容：发动机控制系统包括电子控制汽油喷射（EFI）、电子控制点火提前（ESA）、怠速控制（ISC）、废气再循环控制（EGR）、蒸发污染控制（ECS）、谐波进气增压系统控制（ACIS）、故障诊断（DIAGN）、失效保护与后备功能和怠速混合气浓度调节（CO排放控制）等内容。
二、设计内容
1．原理简介
主要内容：对发动机的构成与工作原理进行简要介绍 2．对象特性描述
主要内容：对所选择的控制对象的特性进行分析和描述 3．控制系统设计
发动机的电子控制系统设计。1）电子控制单元的设计；2）传感器和控制开关；3）各类执行器；4）控制系统的工作过程。主要内容：控制方案的选择与论证；被控参数与控制参数的选择；输入输出系统的设计；画出原理图、方框图和仪表流程图、系统接线图、梯形图；进行程序设计。
三、设计要求
1．课程设计说明书的格式应严格按照学校课程设计格式要求。
2．论理正确、逻辑性强、文理通顾、层次分明、表达确切，并提出自己的见解和观点。
3．课程设计说明书。
前置部分：封面、摘要、设计任务书、目录；主体部分：引言（设计目的、任务与要求等）、正文、结论、参考文献；附录部分：系统方框图和电路原理图、程序清单等。 4．课程设计说明书应包括按上述设计步骤进行设计的分析和思考内容和引用的相关知识。
5．如有程序，必须提供清单。
目录
目录
第一章 引言 ............................................................................................................ 1
1.1 柴油机电控燃油喷射技术的发展概述 ....................................................... 1
1.1.1位置式电控燃油喷射系统........................................................................ 1 1.1.2时间式电控燃油喷射系统........................................................................ 1 1.1.3压力—时间式电控燃油喷射系统 ............................................................. 2 1.1.4未来柴油机电控燃油喷射系统的发展 ...................................................... 2
1.2高压共轨柴油机电控燃油喷射系统的发展 ................................................ 3
1.2.1高压共轨电控燃油喷射系统的兴起.......................................................... 3 1.2.2国外高压共轨电控燃油喷射系统的研究概况............................................ 4 1.2.3国内高压共轨电控燃油喷射系统的研究概况............................................ 6
1.3本课程设计的主要内容 ................................................................................ 6
第二章 高压共轨电控燃油喷射系统的总体设计 ...................................... 7
2.1 高压共轨电控燃油喷射系统的空气供给系统设计 ................................... 7
2.1.1空气供给系统的组成............................................................................... 7 2.1.2 空气供给系统的工作流程 ....................................................................... 7
2.2 高压共轨电控燃油喷射系统的燃油供给系统设计 ................................... 8
2.2.1燃油喷射系统的组成............................................................................... 8 2.2.2 燃油喷射系统的工作流程......................................................................... 8
第三章 高压共轨电控燃油喷射系统的传感器和执行器设计 .............. 9
3.1 传感器控制设计 ........................................................................................... 9
1.翼片式空气流量计控制设计 .......................................................................... 9 2.节气门位置传感器控制设计 .........................................................................10 3.进气温度传感器控制设计 .............................................................................10 4.曲轴位置传感器控制设计 .............................................................................11 5.冷却液温度传感器控制设计 .........................................................................11 6. 氧传感器控制设计......................................................................................12
3.2 执行器控制设计 ..........................................................................................13
1. 燃油泵控制设计 .......................................................................................13 2. 燃油分配器控制设计 ..................................................................................14 3. 燃油压力调节器控制设计 ...........................................................................14 4.喷油器控制设计 ...........................................................................................15
目录
第四章 高压共轨电控燃油喷射系统的电子控制单元设计 ..................16
4.1.电控单元的基本结构 ..................................................................................16 4.2 电子单元工作过程 ......................................................................................16 4.3电控系统控制逻辑 .......................................................................................16 4.4共轨压力控制原理 .......................................................................................17
4.4.1共轨压力控制 ........................................................................................18 4.4.2高压共轨柴油机电控系统喷油定时控制..................................................19
4.5高压共轨柴油机电控系统喷油量控制 .......................................................20 4.6高压共轨柴油机电控系统基于工况的控制研究 .......................................20
4.6.1发动机状态识别.....................................................................................21 4.6.2起动工况控制 ........................................................................................21 4.6.3怠速工况控制 ........................................................................................23 4.6.5部分负荷工况控制 .................................................................................24 4.6.6限速工况控制 ........................................................................................25
第五章 全文总结..................................................................................................27 参考文献 ..................................................................................................................28
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第一章 引言
1.1 柴油机电控燃油喷射技术的发展概述
柴油机电控技术的发展从20世纪70年代至今已经经历了三个发展阶段：20世纪70年代为电控柴油机开发阶段；20世纪80年代为电控柴油机实用阶段；20世纪90年代为电控柴油机发展阶段。燃油喷射系统是影响缸内燃烧过程的关键因素，对柴油机的动力性、经济性和排放性能都有重要影响。要改善柴油机缸内燃烧，燃油喷射系统一方面要有理想的喷射速率特性，另一方面要提高喷射压力。传统的喷射系统由于受到结构和原理等限制，不能同时达到这两个要求，因此，柴油机电控喷射系统逐渐发展起来。
进入80年代，随着工业技术的进步，柴油机电控技术有了很大的发展。国外以德国博世（Bosch）、日本电装（Nippondenso）及美国卡特彼勒（Caterpillar）公司为代表的许多公司和研究机构开始推出各有特色的产品，并全面引发了这一领域的技术进步。在传统的喷射系统基础上首先发展起来的电控燃油喷射系统是位置式电控燃油喷射系统，称之为第一代电控燃油喷射系统，而基于电磁阀的时间式电控燃油喷射系统则称为第二代电控燃油喷射系统，第三代电控燃油喷射系统是基于压力—时间的共轨系统。
1.1.1位置式电控燃油喷射系统
20世纪70年代，位置式电控燃油喷射系统多出现在直列泵和分配泵上，其特点是完全保留了传统燃油喷射系统的泵—管—嘴的基本结构和脉冲高压供油原理，只是将原有的机械控制机构用由传感器、执行器和ECU所组成的控制系统取代。在原机械控制循环喷油量和喷油定时的基础上，改进机构功能，使用直线比例式或旋转式电磁执行机构控制油量，调节齿杆位移和提前器运动装置的位移，从而实现对循环喷油量和喷油定时的控制，提高燃油喷射系统的控制精度、响应速度及适应性。在直列泵上采用位置式控制的燃油喷射系统主要有：日本Zexel公司的COPEC系统，德国博世公司的EDR（Electronic Diesel Control）系统以及美国Caterpillar公司的PEEC系统等。在分配泵上采用位置式控制的燃油喷射系统有：日本电装公司的ECD-V1（Electronically Controlled Diesel）系统，日本Zexel公司的COVEC系统以及德国博世公司的EDC系统等。
1.1.2时间式电控燃油喷射系统
时间式电控燃油喷射系统利用柱塞泵可承载高压的特性为喷射系统建立供油压力，通过控制高速电磁阀的开闭来实现对喷油量和喷油定时的控制。泵油机构和油量控制机构完全分开，燃油的计量是由喷油器的开启时间长短和喷油压力的大小来确定的。电磁阀作用时间的长短控制供油量的多少，而电磁阀起作用的时刻控制喷油定时。时间式电控燃油喷射系统可以直接对柴油机的燃油喷射过程进行控制，而将传统喷油泵中的齿条、滑套、柱塞上的斜槽和提前器等全部取消，对喷油量和
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喷油定时控制的自由度更大。这种控制方式使得燃油的计量成为时间的函数，与燃油机电控燃油喷射系统有一定的相似之处。这种电控燃油喷射系统比纯机械式或第一代系统具有许多优越性，但其燃油喷射压力仍然与发动机转速有关，喷射后残余压力不恒定。另外电磁阀的响应直接影响喷射特性，特别是在转速较高或瞬态转速变化很大的情况下尤为严重。而且电磁阀必须承受高压，因此对电磁阀提出了很高的要求。它通常包括电控分配泵、电控单体泵及共轨系统等。
典型的分配泵时间控制式喷射系统有：日本Zexel公司的Model-1系统，美国tanadyne公司的DS系统以及德国博世公司的VP44系统。电控单体泵系统有：美国Detroit公司的DDEC系统，DELPHI公司的EUI系统，德国MTU公司的ECS系统，还有德国Bosch公司的PDE系统和EUP系统。
1.1.3压力—时间式电控燃油喷射系统
共轨式电控燃油喷射系统不再采用传统的柱塞泵脉动供油原理，采用的是压力—时间式燃油计量原理，所以也被称为“压力—时间式电控燃油喷射系统”。由于该系统具有公共控制油道（共轨管），油泵不再直接产生高压，只是向共轨管中供油以保持所需的共轨压力，通过连续调节共轨压力来控制喷射压力，并用电磁阀控制喷射过程。压力—时间式电控燃油喷射系统对传统燃油系统的主要基本零部件都进行了革新，其特点是该系统根据柴油机运行工况的不同，不仅可以实时地控制喷油量与喷油定时，使其达到与工况相适应的最优数值；而且由于喷油压力的产生过程与燃油的喷射过程无关，还使得喷油压力和喷油速率的控制成为可能；另外，采用高速强力电磁阀对喷射量和喷油定时进行独立控制，大幅提高了系统控制的自由度以及精度。
有代表性的系统有：日本电装公司的ECU-U2高压共轨喷射系统，美国BKM公司的Servojet蓄压共轨喷射系统以及Caterpillar公司的HEUI的液压式中压共轨系统等。
1.1.4未来柴油机电控燃油喷射系统的发展
随着柴油机电控喷油技术的不断发展和完善，电控燃油喷射系统的形式种类也越来越多。由于排放法规的要求越来越严格，各种不同的电控系统也都有其各自的优缺点，究竟哪一种类型的电控燃油喷射系统是最具潜力的、综合性能指标相对优越的，则需要对各种型式的喷油系统进行比较。
1993年，Daimler-Benz公司为了选择最有潜力适用于未来一代轿车柴油机的喷油系统，对各种柴油机喷油系统进行了一次比较。为了在电磁阀控制的泵喷嘴电磁阀控制分配泵和共轨喷射系统之间做出选择，对泵喷嘴进行了长达8年的分析研究，发现改善噪声和满足未来排放限制的关键在于预喷射，而且在使用电磁阀控制泵喷嘴时，仅在很有限的范围内才可能出现预喷射油量的稳定。供油泵凸轮既限制了对喷油始点进行调整，也限制了可调的预喷射小油量。为了达到小的预喷油量，使用电磁阀控制分配泵，在有限的转速范围内实现预喷射是可能的，但在柴油机整
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个负荷和转速范围内不可能满足要求，其困难在于凸轮轴转角的振动（供油时由传动扭矩产生）影响供油速度。为此，Daimler-Benz公司十分详尽地对共轨系统进行了分析，该系统具有以下优点：
1、没有限制燃油喷射的供油凸轮，这样可以在最大程度上自由选择预喷射和主喷射的始点；
2、驱动扭矩峰值降低； 3、可自由选择喷射压力；
4、喷嘴一旦打开，开启压力和共轨压力都在起作用，在针阀关闭时也是如此。 正是由于高压共轨喷油系统具有以上优势，所以在直喷式柴油机上应用共轨系统目前已经达成共识。世界上各大汽车公司都在竞相研制和生产自己的高压共轨直喷式柴油机。随着Fiat集团、梅赛德思—奔驰公司共轨直喷式柴油机的使用，底特律柴油机公司、宝马汽车公司、丰田汽车公司、标致—雪铁龙集团和雷诺汽车公司等都己研制出他们自己的高压共轨直喷式柴油机。由此可以看出，高压共轨式电控喷油系统是未来柴油机喷油系统发展的必然结果。
1.2高压共轨柴油机电控燃油喷射系统的发展
与传统的供油系统相比，电控高压共轨燃油喷射系统可以降低汽车碳烟和颗粒排放，提高发动机动力性和燃油经济性，改善起动性能和降低燃烧噪声，是目前公认的最有前途的车用柴油机燃油供给系统。
1.2.1高压共轨电控燃油喷射系统的兴起
高压共轨电控燃油喷射系统始于20世纪90年代初期，属于第三代电控燃油喷射系统。日本电装公司、美国卡特彼勒公司、Bosch公司和意大利菲亚特公司都对该系统进行了研究，并得到很大发展，至90年代中后期开始进入实用阶段。它和燃油机的直喷技术、DME代用燃料被世界内燃机行业公认为20世纪三大突破，在21世纪对世界发展和我国建设发挥重大作用。柴油机共轨式电控燃油喷射系统在工作过程中，由于增压活塞面积比一定，共轨油管中的柴油压力由电控单元（ECU）控制，不受发动机转速影响；而喷油量和喷油定时则由电磁阀的开启和关闭时间决定，也由电控单元进行控制，故可以实现喷油量控制、喷油定时控制、喷射压力控制和喷油规律等项的优化选用。共轨式柴油机电控燃油喷射系统采用共轨油管控制油压，同燃油机电控喷射系统有许多相似之处，但两者的工作压力相差10～30倍，这是因为柴油机需要特殊的高压喷油才能实现雾化而充分燃烧。由于共轨油管中的高压要求，随之带来的高压密封要求、强度要求、快速响应动作要求也较难解决。目前德国奔驰公司同博世公司共同开发独特的高压共轨式电控燃油喷射系统，配置的电控压力调节器为该公司开发的专利产品，可以实现柴油机部分停缸控制，在低速工作时降低功率消耗；共轨油道中压力可在15～140MPa范围内自由调节，成功地实现低的喷油率、预喷射和多次喷射。
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1.2.2国外高压共轨电控燃油喷射系统的研究概况
国外典型的高压共轨电控系统主要有：日本电装公司ECD-U2高压共轨燃喷射系统，德国Bosch公司CR高压共轨燃油喷射系统，美国德尔福公司MulDCR 1400高压共轨燃油喷射系统。他们的产品代表了当今高压共轨系统的技术平和发展趋势。另外美国Caterpillar公司，美国底特律柴油机公司，德国的M公司，美国Stanadyne公司等也都在积极开发柴油机共轨蓄压燃油系统，或已有品开始投放市场。
1.2.2.1日本电装公司ECD-U2高压共轨燃油喷射系统
日本电装（Nippondenso）公司开发的ECD-U2高压共轨燃油喷射系统，该系统主要由高压油泵、共轨管、喷油器、电控单元（ECU）、传感器等组成。
图1-1 ECD-U2高压共轨燃油喷射系统
该系统的高压喷油泵为油泵控制阀（PCV）控制的2缸直列泵，凸轮为近似三角形，通过PCV阀调节高压喷油泵的泄油量来控制共轨油道中的燃油压力。燃油压力由装于共轨管上的压力传感器检测得到，通过燃油压力反馈控制来控制共轨压力，使得实际燃油压力按发动机转速和负荷要求的压力值进行控制。高压油泵的供油定时与燃油喷射同步，保证了共轨压力的稳定性。二位三通高速开关电磁阀（TWV）是系统的关键部件，起喷油器执行器的作用，也是共轨管压力、大气压力及喷油器控制腔燃油压力的选择开关。喷油量、喷油正时、喷油速率的控制由TWV的开关对液压腔活塞上油腔压力的控制来实现。TWV开启时，上油腔中的高压油泄出，此时由于喷嘴侧高压油的作用，开启喷嘴针阀，开始喷油。TWV关闭时，高压油再次作
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用在液压活塞上方，关闭喷嘴针阀。这样，通过控制TWV的开关定时，就可控制喷油量和喷油定时。在TWV和液压活塞腔之间装有单向阀和节流阀，用于限制活塞腔油压释放时的燃油流动，抑制针阀的抬起速率，从而形成合理的喷油速率。另外，在一个工作循环内，可多次控制TWV的开关，从而可实现预喷射和分段喷射。
1.2.2.2德国BOSCH公司CR高压共轨燃油喷射系统
德国BOSCH公司开发的CR高压共轨系统可以适配多种类型的汽车，如重卡车、商用客车、轿车等。该系统的组成原理图如图所示。在该系统中，高油泵前端的齿
图1-2 德国BOSCH公司CR高压共轨燃油喷射系统
轮泵将燃油从油箱抽出，通过滤清器送入高压油泵升压（可达2MPa）并输出到共轨，后经高压油管进入喷油器。共轨上安装的压力传感器、压调节器和电控装置形成闭环的压力控制回路，确保所需的供油压力。电控单元据发动机工况（转速、负荷、空气温度、冷却液温度等）和共轨压力计算出喷所需的时间，并以一定的方式控制喷油器的电磁阀，获得最佳的喷油效果，达优化发动机燃烧的目的。
1.2.2.3美国德尔福公司Multec DCR 1400高压共轨燃油喷射系统
德尔福Multec DCR 1400共轨喷射系统具有市场领先的性能，并能在目前所的应用场合达到欧Ⅲ排放法规。该系统包括带有整体式输油泵的进油计量式高油泵和喷油器等部件。喷油器在其17 mm直径的壳体内装有一个高速控制阀，油压力可在整个发动机运转工况范围23 MPa～160 MPa之间调节。
整体式输油泵将燃油从汽车油箱经滤清器输往高压泵。在油泵进油口装有电磁
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线圈控制的计量阀，用于控制进入高压油泵油缸中的燃油量。油轨上的压力传感器监测其中的燃油压力。ECU利用该油压信号将油轨中的油压调节到所需要的数值，同时控制进油计量阀，在任何发动机运转工况下都能将喷油压力控制在23 MPa～160 MPa范围内。油轨在恒定的压力下将燃油经高压油管供给喷油器。由ECU产生的电流脉冲按顺序控制每缸喷油器的电磁阀，确定发动机每循环每个喷射过程的开始和终止。
1.2.3国内高压共轨电控燃油喷射系统的研究概况
共轨系统目前已在欧美和日本的部分新开发机型上应用，在国内该系统的产业化开发才刚刚开始，目前国内尚无成熟的柴油机电控共轨喷油系统投产。虽然有几家单位从事这方面的研究，但总体上仍处于方案探讨、试验研究的层次，距投产阶段还有很长一段艰难的道路要走。
1.3本课程设计的主要内容
本课程设计主要以博世CR高压共轨电控系统为参考对象，讨论、研究并设计高压共轨电控燃油喷射系统，具体设计内容如下：
（1） 进行高压共轨电控燃油喷射系统的空气供给系统原理设计、燃油供给系
统原理设计。
（2） 进行高压共轨电控燃油喷射系统的传感器和执行器设计。首先介绍传感
器或执行器的原理，然后进行传感器或执行器的控制电路设计。
（3） 进行高压共轨电控燃油喷射系统的电子控制单元设计。
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第二章 高压共轨电控燃油喷射系统的总体设计
2.1 高压共轨电控燃油喷射系统的空气供给系统设计
2.1.1空气供给系统的组成
空气供给部分主要由空气德清器、空气流量计、节气门、进气总管和进气歧管等组成, 如图所示。
图2-1 空气供给系统
1- 节气门 2-空气流量计 3-空气的温度信号 4-控制单元 5-空气流量信号 6-空气滤清器
2.1.2 空气供给系统的工作流程
发动机工作时，空气首先经空气滤清器滤去空气中的尘埃和杂质，并经过空气流量计进行计量，然后沿节气门通道进入进气总管。再分配到各缸进气总管。发动机工作时，通过加速踏板控制节气门的开度，以此来改变进气量，控制发动机的转速。因为空气被间歇吸入汽缸，进气会产生脉动，使空气流量计的流量板振动，从而不能准确地测量进气量，所以进气总管容积要大，以减轻空气脉动的影响。
空气流量计 节气门怠速开度控制传感器 进气室 进气歧管、发动机
图2-2 空气供给系统的工作流程
空气滤清器 ISCV 空气阀（低温时）
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2.2 高压共轨电控燃油喷射系统的燃油供给系统设计 2.2.1燃油喷射系统的组成
燃油供给机构主要由燃油箱、电动燃油泵、燃油滤清器、分配器竹、喷油器和压力调节器等，如图所示。
图2-3 高压共轨燃油喷射系统
2.2.2 燃油喷射系统的工作流程
进气总管 冷启动喷油器 各缸进气管 主喷油器 燃油箱 燃油泵 燃油滤清器 油压调节器
图2-4燃油喷射系统的工作流程
工作时，电动燃油泵从燃油箱内将燃油吸起，加压后经燃油滤清器滤去杂质，压力调节器对压力进行调节，并将过量的燃油仍返回燃油箱，然后经输油管配送到主喷油器和冷启动喷油器；喷油器根据电控单元发出的指令，将适量的燃油喷入各个进气歧管或进气总管，从而完成喷油供给过程。
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第三章 高压共轨电控燃油喷射系统的传感器和执行器设计
3.1 传感器控制设计
传感器是汽车发动机电控单元的“眼睛”和“耳朵”，在发动机运行时检测发动机工况的信息，并讲检测结果提供给电控单元系统，作为电控单元进行运算的依据或控制的基准，以保证发动机始终处于良好的运转状态。
1.翼片式空气流量计控制设计
发动机吸人的空气量依发动机运行工况的不同是变化的, 由空气流量计来测量。空气流量计在空气滤清器后方, 它是根据吸人空气的流体动力与作用在空气冀片上的弹簧力相平衡使空气翼片偏斜一个角度的原理设计的。翼片的偏转角度取决于空气通道开启的通过截面, 通过截面大, 偏转角度大实际上的偏转角度与吸人空气量之间成对数关系, 可在较小的空气流量的范围内得到比较高的测量精度, 空气流策计的测量精度或者测量的准确度决定喷油量的精度, 因此空气流星计在电控汽袖喷射系统中是很重要的。
为了准确地测得流量, 在空气翼片转轴上装有一个电位计, 可将空气翼片的旋转角度直接转换成为电血值而形成电位信号, 转换成电位信号的空气流量送往电控单元。
空气流量计的下方设有旁通空气道, 当空气道中的空气翼片处于关闭位置时, 有少量的空气流过旁通空气道进人发
动机中在旁通空气道上还装有一个调节螺钉可以调节旁通空气量, 用来调节怠速工况下的混合气的浓度值, 即调整电控燃油喷射系统的转速和排放值。
图为Ｌ－Ｊ电控燃油喷射系统的空气供给部分结构示意图。与Ｋ型燃油喷射系统不向的是以带有电位计的翼片式空气流量计代替了空气流量感知板式空气流量计, 以便对空气流量进行电测量和电控。另一个主要不同是在电控系统中主要亩控制单元收集各种控制信号, 并做出喷波量的指令。
设置空气流量计的目的在于通过控制单元准确的控制燃油喷射量。因此, 如果失去空气流量计信号, 电控燃油喷射量将失去控制，空气流量计量不准确将使燃油量喷射不准确。在电控燃油喷射系统中空气流员计的计量准确性和工作可靠性决定了系统的工作准确性和可靠性。
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2.节气门位置传感器控制设计
在控制系统中，燃油机怠速、加减速、经济运行工况及全负荷工况都是根据节气门位置信号及其变化的大小来区分的，因此它是反映燃油机所处工况的一个重要参数。该控制系统中采用了线性输出的节气门位置传感器，直接安装在节气门体上，将节气门位置信号传给ECU，用来判断发动机的工况模式。其工作原理是:TP实际上是一只由节气门轴驱
动的电位器，采用5V的参考电压，活动触点在电阻滑道上滑动，由其引出的电压即代表了节气门的位置信号。电位计有三个接线柱，其中一个与电刷连接，这个接线柱为电位计的输出端，当把另外两个接线柱分别同+5V电源和地连接时，就构成了一个分压电路。TP的输出电压与节气门开度的关系在生产时经过标定，为避免由于元件差异、老化等造成的误差，在每次点火开关接通时，节气门会有一次复位动作，并以此位置为基准进行自校正。它的输出电压与转角的关系在生产时经过标定。ECU则根据输出电压来判断节气门位置。电位计的输出电压在0.74一4.5V之间变化，可直接进行A/D转换。
3.进气温度传感器控制设计 空气质量大小与进气温度高低有关。当进气温度低时，空气密度大，相同体积气体的质量增大，反之，当进气温度升高时，相同体积气体的质量将减少。当大气温度低时，ECU将控制喷油器增加喷油量，反之，当大气温度高时，将减少喷油量。进气温度的测量一般采用热敏电阻传感器。其工作原理是:用一个半导体热敏电阻作为感应元件，为负温度系数，即电阻值随温度升高而降低。
工作时与一个标准电阻串联，并在两端加5V的参考电压，温度变化时，从热敏电阻上测出的电压即代表温度信号.其输出电压(0V~5V)随热敏电阻阻值变化，可直接进行A/D转换，电阻阻值的选择尽量使:(1)在冷却水温度的变化范围。20℃一100℃)内，电压的输出范围接近A/D转换器的设定量程;(2)电压随温度的变化关系近似于线性。在此选取标准电阻Rl==5K欧姆。
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4.曲轴位置传感器控制设计
霍尔式传感器原理：触发叶轮安装在转轴上，叶轮上制有叶片。但触发叶轮随转子一同转动时，叶片便在霍尔集成电路与永久磁铁之间转动，霍尔式集成电路钟的磁场就会发生变化。霍尔集成电路有霍尔元件、发达电路、稳压电路、温度补偿电路、信号变换电路和输出电路等组成。
当转轴转动时触发叶轮的叶片辨从霍尔集成电路与永久磁铁之间的气隙中过。当叶片进入气隙时。霍尔集成电路中的磁场被叶片旁路，霍尔电压为零，集成电路输出级的三极管截止，传感器输出的次你好点呀为高电平。
当叶片离开气隙时，永久磁铁的磁通便经霍尔集成电路和导磁钢片构成回路。此时霍尔元件产生电压，霍尔集成电路输出极的三极管导通，传感器输出的信号电压为低电平。
当发动机转动时，配齐凸轮轴便通过中间轴驱动分电器轴转动，分电器有带动触发叶轮转动，触发叶轮的叶片和窗口便在传感器的气隙中交替转过，从而使传感器输出矩形波信号。分电器轴每转一转，相当于曲轴转两转，在此期间，霍尔传感器讲输出4个矩形波，每个波形的周期占180°曲轴转角，其中高电平约占100°曲轴转角，低电平约占80°
曲轴转角。发动机ECU每接受霍尔传感器两个高电平信号，便可知道曲轴旋转了一圈。ECU根据每分钟接收霍尔传感器矩形波信号的数量，便能迅速计算出发发动机曲轴的转速。同时ECU内部分频电路矩形波周期进行分频处理，便可得到曲轴位置和转角信号。
5.冷却液温度传感器控制设计
冷却液温度传感器安装在发动机缸体或缸盖水套上。功能是检测发动机冷却液的温度，并将温度信号变换为电信号传给发动机ECU。ECU根据发动机的温度信号修正喷油时间和点火时间，从而是发动机处于最佳状态运行工况。
冷却液温度传感器普遍采用NTC型热敏电阻式温度传感器。
ECU内部串联一只分压电阻，ECU向热敏电阻和分压电阻提供一个稳定的电压（一般为5V）,传感器输入ECU的信号电压等于热敏电阻上的分压值。
当冷却液温度升高时，传感器阻值减小，热敏电阻上的分压值降低；反正，当冷却液的温度降低时，传感器阻值增大，热敏电阻上的分压值升高。ECU根据接到的信号电压值，便可计算求得对应的喷油量和点火提前角，从而进行实时控制。
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图3-5热敏电阻特性曲线 图3-6冷却液温度传感器 6. 氧传感器控制设计
氧传感器的功用是通过检测排气中氧离子的含量来获得混合气的空燃比信号，并将该信号转变为电信号输入ECU。ECU根据氧传感器信号，对喷油时间进行修正，实现空燃比反馈控制，从而将空燃比控制在约为14.7附近的范围内，达到降低有害气体的排放量和节约燃油的的。
二氧化锆一种固体电解质，将其制成试管形状，以便氧离子能均匀扩散与渗透。在锆管的内、外表面都涂覆有一层金属铂作为电机，并用金属线与传感器信号输出端子连接。锆管内表面通空气。外表面通排气管废气。在外层铂电极表面还涂覆有一陶瓷保护套。锆管封装在钢制保护罩内，保护罩上制作有若干个小孔。锆管内外表面之间的电位差将发生变化，尽锆管相当与一个氧浓度差电池，传感器的信号源相当于一个可变电源。
当供给发动机的可燃混合气较浓时，燃烧后排气管中氧离子含量较少，与大气相通的锆管内表面氧离子浓度很大，因此锆管内、外表面之间的氧离子浓度差较大，两个铂电极之间的电位差较高，约0.9V。
当供给发动机的可燃混合气较稀时，与排气接触的锆管外表面氧离子浓度很大，因此锆管内、
外表面之间的氧离子浓度差较小，两个铂电极之间的电位差较低，约0.1V。
当空燃比接近于理论空燃比14.7时myouyu氧离子浓度差急剧变化，因此铂电极之间的电位差急剧变化，使传感器输出电压从0.9V急剧变化到0.1V。
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3.2 执行器控制设计 1. 燃油泵控制设计
图3-8 燃油泵ECU控制电路
燃油泵在供油系统中起输油作用, 供给各喷油器喷油和冷起动时供冷起动阀喷油燃油泵装在燃油箱中, 靠电机驱动，为电动燃油泵。
电动燃油泵与K型燃油喷射系统燃油泵基本相同只是在K系统中喷油器为机械式喷油器，靠油压喷射, 要求的压力比较，高要求输出约为0.55MPa的压力，而EDC系统中，喷油器是电磁线圈控制喷油针阀开启, 所需的喷射压力较低因此电动燃油泵只要输出0.3MPa的供油压力即可满足要求。
电动燃油泵在出油口处有单向阀，可在发动机熄火时保持一定的静压，可使发动机再次顺利起动，电动燃油泵靠电控单元控制, 当点火开始关接通时, 立即开始运转供油当点火开关断电时, 燃油泵停止供油。
（1） 起动或重负荷时：发动机ECU通过FPC端子向燃油泵ECU发出高电平信
号，燃油泵ECU向燃油泵输出高电压(约12V)，燃油泵高速运转
（2） 怠速或轻负荷时：发动机ECU通过FPC端子向燃油泵ECU发出低电平信
号，燃油泵ECU向燃油泵输出低电压(约9V)，燃油泵低速运转
（3） 怠速或轻负荷时：ECU中的Tr2接通，燃油泵继电器断开，电流流过燃
油泵电阻器，燃油泵低速运2. 滤清器
在燃油泵的前方设有烬油滤网, 可滤去嫩油中的较大颗粒的杂质和油中的胶质滤网堵塞均影响电动燃油泵吸油。
由于喷油器设计制造得精密要求燃油质量高不能有杂质存在因此在燃油泵至油路中设有燃油滤清器。滤清器中设有尼龙网筛和孔隙为10μm的纸滤芯以便达到好的滤清效果。电控燃油喷射系统要求的燃油要比较清洁才能使汽车约行驶4万公甲更换燃油滤清器。
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2. 燃油分配器控制设计
燃油分配器管是一个燃油分配竹前接燃油滤清器后接燃油压力调节器按照发动机缸数丫和冷起动阀将燃油分成一卜路, 可将燃油均匀等压地输送给各个喷由器。由于其容积较大对燃油泵的压力起缓冲作用, 防止压力波动并在燃油压力调节器作用下使燃油压力保持稳定, 稳定的油压保证’ 喷油器按照开启时间的长短来控制送到气缸中的燃油量, 是精确喷油不可缺少的环节之一。
3. 燃油压力调节器控制设计
燃油压力调节器结构图主要由阀门、膜片、弹簧和壳体等组成。 其功能是调节燃油泵至喷油器和冷起动阀的燃油压力。压力调节器的端接燃油泵和滤清器并与喷油器相通, 端接进气管, 端接回油通道。
图3-9 燃油压力控制电路
压力调节器可按弹簧的预紧力的不同将压力调节在0.25-0.30MPa范围内的一个定值, 当端压力较高时, 油压推动膜片向下拱起打开阀门使部分超压油经回油管流回燃油箱。弹簧室内有通气孔与节气门后方的进气管相通这就使燃油压力为高出进气管内压力的绝对压力, 因此无论节气门在任何开度位置, 燃油喷射压力始终保持在高于进气管的一个不变的压差上,保持喷油压力稳定。
油压调节器结构与原理：当进气管压力减小时，油压调节器中的膜片克服弹簧的弹力向上弯曲，回油阀口开启，燃油经回油口流回燃油箱，使燃油供给系统的压力下降，但两者的压差保持不变。当进气管压力增大，膜片向下弯曲，将回油阀口关闭，回油终止，燃油供给系统的压力增大，使两者的压差仍然保持不变。燃油供给系统的压力与进气管压力之差由油压调节器中的弹簧的弹力限定，调节弹簧预紧力即可改变两者的压力差，也就是改变喷油压力。
1. 改善高温起动性能：高温状态下起动发动机，ECU接收到冷却液的高温
信号，便会接通VSV，将空气抽入压力调节器的膜片室，提高燃油压力，防止高温时的燃油气阻。
2. 高温起动后约90~120s，控制终止，燃油压力恢复正常。
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4.喷油器控制设计
喷油器结构主要由电磁线圈、弹簧魂、衔铁、针阀、轴针和壳体等组成。 喷油器是燃油喷射系统中的执行元件对于每一个气缸都装有一个喷油器它装在进气门的前方。喷油器壳体内有一个电磁线圈喷油器头部的针阀与衔铁结成一体。当电磁线圈通电时产生磁场, 将衔铁和针阀吸起通过燃油滤网的压力油被压向精确设计的轴针的头部的环形间隙将燃油喷散粉碎成雾状与进气门前方的进气歧管中吸人的空气相混合进入气缸中喷油器针阀的行程约为0.10mm,针阀开启的时间每次约为2.0-10ms。开启时间长喷油量多，开启的时刻和时间的长短均受电控单元发出的喷油脉冲指令控制, 喷油指令是按照混合气配剂精确计算出来的。
对干多缸燃油机喷油器的喷油循环规律有几种不同的形式。有的以发动机的循环规律为喷油规律, 即在各缸进气门刚要开启和开启时喷油一次, 在其它时刻不喷油有的采用两组循环制, 在某个进气门开启时有两个喷油器同时喷油, 这样一部分喷射的燃油先与进气相混合, 处于等待状态, 待下一次喷油再一同进人气缸中这样的喷油规律可能对于雾化有利, 显而易见每缸每一次循环喷油两次每次喷油量只是本缸所需燃油量的二分之一。喷油正时角度是精确计算的是由分电器上的曲轴转角传感器输送给电控单元的, 电控单元按照发动机的转速和所需可燃混合气的浓度经过计算发出喷油脉冲, 即喷油开启角度和持续时间长短的电流脉冲。
图3-10 电控燃油喷射控制电路
电控燃油喷射系统中装的喷油器与机械或燃油喷射系统中的喷油器有明显不同前者受电控单元控制,只有当喷油控制电流到来时针阀开启才喷油, 喷油是间歇性的而后者喷油是连续的, 喷油只受喷油压力控制。
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第四章 高压共轨电控燃油喷射系统的电子控制单元设计 4.1.电控单元的基本结构
图4-1 电控单元
4.2 电子单元工作过程
感器来的信号，首先进入输入回路，对具体信号进行处理。如是数字信号，根据ECU的安排，经I/O接口直接进入微机；如是模拟信号，还要经过A/D转换，转换成数字信号后，才能经I/O接口进入微机。
大多数信息，暂时存储在RAM内，根据指令再从RAM送至ECU。下一步是将存储在ROM中的参考数据引入ECU，使输入传感器的信息与之进行比较。
ECU对这些数据比较运算后，作山决定并发出输出指令信号，经I/O接口，必要的信号还经D/A转换器转变成模拟信号，最后经输出回路去控制执行器动作。例如喷油器驱动信号，通过控制喷油正时和喷油脉宽，完成控制喷油功能。
4.3电控系统控制逻辑
柴油机电控系统控制策略从逻辑上可以划分为图3-6所示的五个模块，每一个特定的模块实现其对应的特定功能，各个模块之间在功能上是相互独立的，但是在逻辑上却是紧密相连的。
状态识别模块是电控系统控制策略与驾驶员的接口。其主要功能在于正确理解驾驶员的操纵意图并兼顾发动机当前参数，将其解释为发动机运行工况并提供给后面的控制模块。模块的输入主要是驾驶员的各种操作信息和发动机参数（如转速、油门踏板位置信号等）。
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油量控制模块对不同发动机运行工况和工况转换时的喷油量进行控制，以满足驾驶员的操作要求。为了能取得较好的控制效果，需要获取发动机当前的参数如转速、冷却水温以及油门踏板位置等信息。从油量控制模块得到的是每缸每循环基本喷油量和基本喷油定时，代表了驾驶员的操作需求。
共轨压力控制模块与喷射控制模块根据喷油量和发动机状态参数获得供油脉宽、供油时刻及喷射脉宽、喷射时刻，它们都属于模块驱动程序，是硬件系统层与软件系统层之间的接口，向硬件驱动模块准确表达软件控制策略的意图。
驱动模块根据共轨压力控制模块与喷射控制模块的要求，驱动燃油喷射系统的执行器。以上的逻辑层次划分使得电控系统控制的结构比较清晰，便于对控制策略进行进一步设计。
4.4共轨压力控制原理
提高燃油的喷射压力可使燃油雾化后的喷雾粒度更小、更均匀，加速燃油与空气的混合，改善燃烧的效果十分明显，故必须有较高的喷射压力。高压共轨燃油喷射系统除了可以实现高压燃油喷射之外，其共轨压力也可实现灵活控制，即使在极低的转速下也可建立较高的压力，大于常规燃油系统的平均喷射压力，可以有效促进混合气的形成。
高压共轨柴油机电控燃油喷射系统的供油泵采用双柱塞、三作用型凸轮，由油泵控制电磁阀PCV调整供油量。每个柱塞每次的泵油行程对应60°CAM，凸轮轴旋转1周，两电磁阀分别交替工作3次，共向共轨管供油6次。
图4-2 高压油泵的控制原理。
PCV阀由ECU发出信号直接驱动。在油泵柱塞的吸油行程中，低压燃油经过PCV阀流入压油腔。到了压油行程，柱塞上行，若PCV阀未被驱动，则未被压缩的低压油重新经过PCV阀及回油管直接回油这时由于没有向共轨管供油，
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所以燃油压力也没有升高，这个过程称为预压行程一旦PCV阀被驱动，低压油的回路被封闭，上行的柱塞将压油腔内的燃油压缩，当压力足以克服单向出油阀的作用力后，经过增压的燃油流过出油阀而被压入共轨管中。可见，PCV阀关闭后的柱塞有效行程（即凸轮行程）决定了供油量，即通过控制PCV阀的关闭时刻来控制柱塞的预压行程，当需要的供油量较大时，ECU发出大脉宽的PCV阀的关闭指令，以缩短预压行程，延长供油行程；反之亦然。
因为PCV阀的结构为常开型，在压油行程PCV阀在高压燃油的作用下一直保持关闭，这样可提高系统控制的安全性。另外，高压燃油的供给与喷射几乎是同步的，喷油量与供油量被精确地平衡，从而共轨管内的燃油压力可以以很高的精度与较快的响应维持稳定。
4.4.1共轨压力控制
在本文的高压共轨柴油机电控系统中，根据上述油泵控制原理，改变油泵控制阀（PCV）的关闭时刻，则改变了柱塞的供油行程，也就改变了供油量，从而实现了共轨压力的控制与调节。因此，控制与调节PCV阀，是共轨压力调节的关键技术。在起动及柴油机空转等阶段，对PCV阀进行开环控制。起动过程中，由于高压油泵低速转动，一方面检测判缸信号有较大的时间延迟，另一方面又需要迅速建立起喷射压力，需要采用较早的PCV阀关闭始点，软件中此阶段采用开环控制，以固定的频率开启和关闭阀，可使共轨压力迅速升起。随着发动机转速升高，或共轨压力的升高，PCV阀的控制转入闭环模式。当发动机转速和共轨压力同时太低时，又进入开环模式。
图4-3稳态工况下共轨压力控制
稳态工况下，共轨压力要求维持在根据柴油机状态确定的压力值上，由于喷油器喷油和燃油泄漏的影响，每次喷油后均需进行压力调节。本课题采用PID闭环反馈的控制策略，以达到稳定控制共轨压力的目标。控制原理如图4-3所示，ECU首先根据最终喷油量和转速，通过查共轨压力MAP确定目标共轨压力
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基本值，结合冷却水温对基本值进行修正，得到的结果即为最终目标共轨压力；然后将当前共轨压力反馈值与目标值相比较，两者通过PID闭环控制算法求得PCV阀通电提前角，通过驱动软件输出至PCV阀调节供油始点，完成共轨压力的控制。
4.4.2高压共轨柴油机电控系统喷油定时控制
喷油定时对柴油机燃油经济性、动力性和排放性都有很大影响。推迟喷油定时，使燃油在较高的温度和压力下喷入气缸，滞燃期短，可以降低最高燃烧温度从而降低NOx的排放和燃烧噪声。另一方面，喷油定时延迟会导致最高爆发压力下降，燃油经济性变坏，HC和微粒排放增加。一般来说，推迟喷油定时必须提高喷油压力，提高喷油压力能加快燃油的雾化过程。
在高压共轨系统中，喷油定时是由作用于喷油器电磁阀的喷射脉冲定时所决定的。作为高压共轨柴油机电控系统关键技术之一，到目前为止，喷油定时的确定仍然采用查询基于试验标定的MAP图方式来获得其具体数值。
图4-4所示为喷油定时控制策略示意图。高压共轨柴油机电控ECU首先根据最终喷油量和转速，通过查喷油定时MAP确定喷油定时基本值，结合若干修正量如冷却水温等，对基本值进行修正；然后在喷射控制软件中，根据柴油机当前的瞬时转速将喷油定时转换成整数个曲轴齿和延时时间，从而触发喷射脉冲的输出完成喷油定时控制。
图4-4 喷油定时控制策略
当要求较为复杂的喷油规律（如预喷射、后喷射、多段喷射）时，喷油量和喷油定时同样可根据上文所介绍的方法计算获得，只是在某一工况下需要多次的查对应MAP图和转换工作。
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4.5高压共轨柴油机电控系统喷油量控制
高压共轨燃油喷射系统作为时间—压力式控制系统，喷油量的大小实际上是由某一共轨压力下作用于喷油器电磁阀的喷射脉冲宽度所决定的。图4-5为喷油量控制策略示意图。
图4-5喷油量控制
ECU首先根据柴油机工况信息，即油门踏板位置和平均转速，通过查油量MAP确定目标喷油量基本值，结合冷却水温对基本喷油量进行修正，得到的结果与当前转速下的最大喷油量作比较，较小的值即为最终喷油量；然后根据当前的共轨压力，通过查喷油量和喷射脉宽的对应关系MAP，可以计算出喷射脉宽，即喷射脉冲持续时间，输出至喷油器电磁阀完成喷油量控制。
4.6高压共轨柴油机电控系统基于工况的控制研究
发动机的电子调速特性曲线是计算高压共轨柴油机油量基本值的依据。调速特性曲线的基本形式如图所示。
其作用包括： 1、 起动工况油量控
制，保证柴油机能够正常起动； 2、怠速工况油量控制；
3、全负荷工况油量控制，防止柴油机超
负荷运行； 图4-6 柴油机调速特性曲线
4、部分负荷工况油量控制，柴油机大多时候工作在部分负荷，工况在部分负荷间变化时需要保证车辆的可操作性；
5、限速工况油量控制，防止柴油机超出标定转速运行和发生“飞车”现象。
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上面的5部分作用分别体现在图3-11中调速特性曲线上的1、2、3、4、5曲线段内。调速特性曲线在ECU中以三维MAP表的形式存储，X，Y，Z轴分别为油门踏板位置、发动机转速和基本油量。
4.6.1发动机状态识别
对于柴油机的燃油喷射控制，必须根据发动机工况采用相应的控制策略。在高压共轨柴油机工作过程中，其工作状态不断变化。现将发动机的基本运行状态划分为如下六种：停机、起动、怠速、全负荷、部分负荷和限速，如图4-7所示。图中的数字表示两种状态间的转换条件。发动机不同状态间的转换条件可以归纳为如表3-1所示。
图4-7 不同状态转换关系
4.6.2起动工况控制
起动工况虽然只是一个短暂的过程，但却包含着许多变化迅速的因素，所以一直以来都是柴油机控制的难点。同时，起动过程是否迅速是衡量柴油机性能的一个重要指标，直接影响柴油机的工作可靠性和使用寿命。
在柴油机起动过程中，特别是冷起动过程中，气缸壁与燃烧室的温度较低，混合气与气缸壁间的传热增大，而且起动转速很低，漏气量增加，使压缩终点的温度与压力均较低。另外，低温时燃油粘性增大，使燃油的蒸发与雾化恶化，影响了混合气的形成。以上原因导致了柴油机起动困难。基于此，本文设计了实现高压共轨柴油机起动工况的控制策略，分别对共轨压力和喷油量进行控制。
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4.6.2.1起动工况共轨压力控制
在起动过程中，为促进燃油与空气的混合，必须迅速建立起足够高的喷射压力。高压共轨柴油机燃油喷射系统的喷射压力可以灵活控制，在极低的转速下，也可以建立较高的压力。为了迅速建立共轨压力，在起动过程中采用开环控制方式，达到目标压力后，采用闭环控制方式维持。按照起动过程的状态变化，将压力控制划分为如下三个阶段：
图4-8 第1阶段工作原理示意图 第2阶段工作原理示意图
在第1阶段里，柴油机在起动初期拖转转速较低，ECU无法检测到判缸信号时，不能按照正常的凸轮相位驱动PCV阀实现供油。因此，ECU根据采集到的转速信号计算出瞬时转速，再计算柱塞供油行程的一半，即30°CAM所对应的时间，来驱动两个PCV阀分别交替工作。由图3-13的工作原理示意图可以看出，不论PCV阀最初的工作始点对应什么凸轮相位，其有效供油行程始终是全部供油行程的1 /2。这种开环控制方式可以在ECU的控制时序建立之前就驱动供油泵供油，加速了起动目标共轨压力的建立。
在第2阶段里，当ECU检测到判缸信号、建立控制时序后，在起动目标共轨压力尚未达到之前，ECU按照与转速同步的方式驱动两个PCV阀交替工作，在整个压油行程中，ECU发出PCV阀关闭指令，以开环的控制方式迅速建立目标喷射压力，其工作原理如图4-8所示。
在第3阶段里，当共轨压力达到目标压力值，但是发动机的转速尚未达到最低怠速之间，ECU采用闭环控制方式来维持起动的目标共轨压力，直至转入怠速工况。
4.6.2.2起动工况油量控制
图4-9起动工况油量控制
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起动工况的油量控制主要考虑转速和冷却水温的影响，在转速低时喷油量大，随转速提高喷油量逐渐减小至怠速油量；ECU根据冷却水温度判断柴油机的冷热状态：冷机时增大喷油量使燃油蒸发、雾化的数量增大，以改善起动性能；热机时适当减小喷油量以避免冒黑烟。这是一种通用的起动控制策略且能取得较好的效果。
起动油量由基本油量与加浓油量组成，其控制流程如图4-9所示。基本油量是冷却水温度与柴油机转速的函数，通过查起动油量MAP获得。加浓油量控制实际上是在控制流程中加入了一个定时环节，在起动状态下经过时间ts后喷油量开始增长，增长量叠加到根据冷却水温和转速确定的油量上，最终喷油量被允许的最大起动喷油量限制。根据该起动流程，当遇上前述的特殊情况时，喷油量会随时间自动增长直至完成起动。
4.6.3怠速工况控制
柴油机起动后，达到最低怠速转速且油门踏板位置低于某一设定阈值时，转入怠速控制过程。怠速控制的主要任务是维持发动机转速恒定，影响其控制效果的主要因素为冷却水温变化。怠速转速根据冷却水温的改变进行调整，低温时目标怠速高，随着水温升高目标怠速逐渐降低，以加速暖机过程，同时改善柴油机的工作状况。作为一个典型的闭环控制问题，怠速控制吸引了很多学者采用各种控制理论对其进行研究。但是在实际的控制系统中，用得最为广泛的仍然是容易实现的PID控制算法。
图4-10 怠速工况控制流程示意图。
ECU首先根据冷却水温查怠速MAP确定目标怠速，然后通过转速信号求出柴油机实际转速，并与目标怠速相比较，两者通过PID闭环控制算法求得累加油量，结合当前喷油量，从而决定下一循环的怠速油量。
系统中的数字PID控制器采用改进的增量算法，其基本数学表达式为：
4-1
式中：ΔQ为相邻两步长怠速油量的变化；
K为比例放大系数； T为积分时间；
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Td为微分时间； T为采样周期；
ei为目标怠速与当前怠速之差； ni、ni-1、ni-2为发动机转速。
这时，目标怠速的变化因素只体现在积分项中。由于积分项系数一般较小，故在控制油量增量的增长时得到了有效的阻尼，从而避免了可能出现的比例和积分饱和现象，改善了系统的动态过程。 4.6.4全负荷工况控制策略
全负荷工况是柴油机运行的重要工况，一些重要的工况点包括最大扭矩点，最低油耗点、常用转速点、标定功率点、标定转速点、排放工况点对应的油量值均在全负荷油量MAP上。
图4-11全负荷工况控制流程
全负荷油量控制流程如图图4-11所示。当油门踏板位置为100%时，判断发动机进入全负荷工况。全负荷油量的控制方式就是以当前转速N为自变量查全负荷油量MAP得出当前控制所需的目标喷油量Q。当测得的当前转速N不在MAP的节点上时，由于本文将全负荷油量MAP按照柴油机转速等步长分段，则根据转速N选出在全负荷油量MAP中与其相邻的两个转速值N1、N2及其对应的油量值Q1、Q2，进行线性插值计算即可得到目标油量值Q。
4.6.5部分负荷工况控制
本小节以全程调速模式为例，研究部分负荷下的工况控制策略。全程调速模式在整个转速范围内调速器均起作用，能使发动机稳定在任意转速之下。表现在控制算法上，即对应于任意一油门踏板位置，都有一理论转速，控制器通过不断调节喷油量使其在理论位置附近摆动，从而使发动机实际转速稳定在理论转速附近。因此，基本控制思想直接影响着发动机的控制结果，下面对全程调速模式下的控制算法进行阐述。
由全程调速模式工作过程可以看出，柴油机工作在部分负荷工况时，可以认为其喷油量Q与转速N存在线性的关系。不同斜率的曲线表示不同油门踏板位置下的调速特性，而该斜率称之为调速率，调速率是保证柴油机部分负荷控制稳定性的关键因素。在全程调速中，某一油门踏板位置T下，发动机的空载转速的计算公式为：
（4-2）
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式中：N idle为发动机的空载转速；
N min、N max为预定的最小、最大转速；
T min、T max为油门踏板位置的最小、最大采样值； T为当前油门踏板位置的实时采样值。
由图3-4的三角关系可以获得当前油门踏板位置下的理论转速：
（4-3） 式中：
N Li为发动机的理论转速； Q为发动机的当前喷油量； Q0为发动机的最小喷油量； K为调速率。
理论喷油量可通过当前油门踏板位置与当前转速，计算得出：
（4-4）
式中：
Q Li为发动机的理论喷油量； N为发动机当前实际转速采样值。
通过分析柴油机全程调速工作特性可以看出，在油门踏板位置突变的情况下，理论喷油量若按式（4-4）计算，会超出当前转速下的全负荷最大油量，若按照此油量进行控制，会对发动机的工作过程造成严重的影响，故需要用当前转速下全负荷的最大油量进行限制。图4-12为部分负荷工况的油量控制流程。
图4-12 部分负荷工况控制流程
4.6.6限速工况控制
当柴油机转速大于标定转速时，进行限速控制，防止“飞车”。防止“飞车”是保证柴油机工作安全的重要方面，因此，在每一个控制循环都要判断是否要进行限速控制。
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当柴油机转速大于标定转速时，进行限速控制。由图4-13所示，通过外特性曲线上的标定转速Nr，及其对应的喷射脉宽Qr，以及极限转速N1可以得到限速控制线的斜率。进行限速控制时，根据当前柴油机转速N和斜率Kr可求得此时的喷油量目标值Q，即：
柴油机转速达到极限转速时，进行断油控制，保证柴油机工作的安全性，避免“飞车”。断油控制时，不向柴油机提供燃油。断油控制发生在柴油机转速高于怠速转速一定值时柴油机被反拖，或当喷油量小到无法使喷嘴有效开启时。断油控制可以节省不必要的燃油消耗，提高柴油机的制动效能，并可减小有害废气排放量。
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第五章 全文总结
高压共轨柴油机电控燃油喷射系统是世界内燃机行业公认的柴油机燃油喷射系统的发展方向。由于该系统具有高度灵活的控制功能，它可以实现很高的喷射压力，并实现理想喷油过程中的压力可调；同时，它可以实现满足各种工况下最低排放要求的多种喷射规律控制以及灵活准确的喷油定时控制，这样就加大了柴油机控制的自由度，使之具有了未来柴油机满足更严格的排放法规所必需的发展潜力，为进一步提高柴油机的性能提供了更广阔的空间。本文进行高压共轨柴油机电控系统的研究具有重要的工程意义。
通过对高压共轨燃油喷射系统的两大系统即空气供给系统和燃油供给系统的研究与设计，以及相关传感器、执行器的选择和控制电路设计，逐步明确了的高压共轨燃油喷射系统结构与功能。
更重要的是对整个电控系统的控制逻辑进行了划分，总结出五个基本的控制任务，包括状态识别、油量控制、共轨压力控制、喷射控制和驱动，形成了完整的控制策略和实现方法。
1）将电控系统的控制从逻辑上划分为五个紧密相连又各自独立的模块，即状态识别、油量控制、共轨压力控制、喷射控制和驱动模块，从而建立起清晰的控制流程。
2）在发动机状态识别中将发动机的运行工况进行了划分，包括起动、怠速、全负荷、部分负荷以及限速工况，在油量控制模块中对各个工况下的喷油量和喷油定时控制策略进行了设计。
3）在共轨压力控制模块中，根据共轨压力的控制原理，对共轨压力的控制策略进行了设计。
通过本次高压共轨电控燃油喷射系统的设计，更加熟悉了该系统的各部分组成以及结构功能，掌握的各部分的电子控制原理，并成功进行了各个工况的电子控制设计。此次课程设计是对内燃机原理、内燃机控制技术、计算机控制技术以及热工测量仪表课程知识的综合理解与应用，加深了相应学科知识的理解，更重要的是将知识应用于实践，对即将毕业工作的我有重要的指导意义。
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