車用柴油機(jī)電控系統(tǒng)的設(shè)計

清華大學(xué)“汽車安全與節(jié)能”國家重點實驗室在國家“九五”攻關(guān)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(jī)電控系統(tǒng)，并在二汽的東風(fēng)卡車上進(jìn)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(jī)電控系統(tǒng)的組成和結(jié)構(gòu)

柴油機(jī)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(jī)組成。電控單元采集傳感器的信號，根據(jù)預(yù)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(jī)的循環(huán)噴油量，以實現(xiàn)柴油機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性或排放。

柴油機(jī)電控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性和排放的控制時，柴油機(jī)控制目標(biāo)策略采用標(biāo)定的油量ＭＡＰ圖。在進(jìn)行調(diào)速控制時，柴油機(jī)控制目標(biāo)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(jī)械調(diào)速器相比，電子調(diào)速器可以兼顧動態(tài)和靜態(tài)（調(diào)速率可以達(dá)到0）特性，而傳統(tǒng)的機(jī)械調(diào)速器是做不到這兩點的。

2 電控單元的設(shè)計

2.1 核心器件的選擇

組成柴油機(jī)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(shù)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(nèi)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(dá)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(jī)電控系統(tǒng)執(zhí)行器的要求。

2.2 電控單元電路設(shè)計

電控單元電路框圖見圖4。

2.2.1 抗干擾設(shè)計

柴油機(jī)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(jī)對電池進(jìn)行充電和汽車有起動電機(jī)等大功率用電設(shè)備，所以電源的波動干擾比較厲害，在設(shè)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(shè)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(shè)計上，采用微島技術(shù)降低內(nèi)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)來屏蔽外界電磁輻射干擾并且降低內(nèi)部的電磁輻射對外部的干擾。

2.3 電控系統(tǒng)的軟件設(shè)計

電控系統(tǒng)的軟件設(shè)計分為兩層，分別是實時操作系統(tǒng)和應(yīng)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(zhǔn)。應(yīng)用軟件的規(guī)劃以能夠滿足系統(tǒng)的實時控制要求為準(zhǔn)則，把柴油機(jī)的控制狀態(tài)分解成有限個子狀態(tài)，任意時刻柴油機(jī)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(jìn)行編程控制。

3 應(yīng)用

電控系統(tǒng)在臺架上用玉柴的6108發(fā)動機(jī)進(jìn)行了試驗測試，隨后在二汽的東風(fēng)卡車上進(jìn)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(dá)到了預(yù)期的目的。在調(diào)速方面，轉(zhuǎn)速波動在10r／min以內(nèi)；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(jī)械調(diào)速器能夠更好地發(fā)揮原有柴油機(jī)的性能，并且可以在當(dāng)前國內(nèi)工藝條件下達(dá)到實用化。