本文關(guān)鍵詞：GDI發(fā)動機ECU中幾個功能模塊的控制軟件設計，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：隨著汽車排放法規(guī)的日趨嚴格和油耗法規(guī)的實施，對發(fā)動機的排放和經(jīng)濟性要求越來越高。作為內(nèi)燃機行業(yè)中解決能源和環(huán)境問題的重要方向之一，汽油直噴(Gasoline Direct Injection，GDI)發(fā)動機以其熱效率高、油耗低、冷啟動性能好和排放低等一系列優(yōu)勢而成為當今的研究熱點，作為GDI發(fā)動機技術(shù)的一個重要部分，GDI發(fā)動機電控單元(ECU)的開發(fā)也成為研究的重點之一。 ECU中的軟件是GDI發(fā)動機電控技術(shù)開發(fā)中的重點和難點。按照層模型結(jié)構(gòu)，發(fā)動機ECU軟件分為應用軟件層、運行時間環(huán)境(Run Time Environment，RTE)層和基礎軟件層，涉及到功能、策略、算法、監(jiān)控、診斷、通信和IO控制等�；A軟件層包括實時操作系統(tǒng)(Real Time Operating System，RTOS)、IO硬件抽象層、微控制器抽象層和復雜驅(qū)動層。其中，IO硬件抽象層和復雜驅(qū)動層與硬件相關(guān)，需要在基礎軟件層配置階段，根據(jù)應用軟件層要求的接口以及ECU提供的硬件資源來實現(xiàn)。 在前期的研究中，初步完成了臺架實驗用GDI發(fā)動機ECU的總體設計，硬件部分包括傳感器信號處理電路、爆震信號檢測電路、噴油器驅(qū)動電路、點火驅(qū)動電路、VVT機油壓力控制電磁閥驅(qū)動電路和ETC模塊驅(qū)動電路等。在軟件方面，進行了電控系統(tǒng)軟件的總體結(jié)構(gòu)設計和后臺標定軟件的設計。本文在此基礎上，在ECU中增加了寬域排氣氧(Universal Exhaust Gas Oxygen，UEGO)傳感器的硬件接口電路，設計了幾個重要功能模塊與硬件相關(guān)的驅(qū)動層軟件和一部分控制算法，主要研究內(nèi)容如下： (1)點火控制模塊程序設計 點火控制模塊由點火提前角控制和爆震檢測模塊組成。點火提前角控制包括閉合角控制和點火提前角控制，閉合角和點火提前角可以由用戶設置。程序根據(jù)曲軸位置傳感器和凸輪軸位置傳感器信號判別將要點火的氣缸和氣缸壓縮上止點，再根據(jù)設定的閉合角和點火提前角以及當前的發(fā)動機轉(zhuǎn)速，計算閉合角對應的通電時間。然后，根據(jù)曲軸位置傳感器齒隙脈沖間隔計算斷電時刻，輸出缸序控制和點火正時信號。 閉環(huán)控制時，點火提前角依據(jù)爆震強度來調(diào)節(jié)。微控制器通過串行外設接口(SPI)與爆震信號專用集成電路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)HIP9011通訊，設置爆震芯片的工作模式和工作參數(shù)，參數(shù)包括積分時間常數(shù)、放大倍數(shù)、帶通濾波器頻率等。爆震檢測程序根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速設定的爆震檢測窗口起始位置和寬度以及爆震判定閾值，由獲取的檢測窗口內(nèi)的爆震信號積分值和閾值，判別爆震并計算爆震強度。根據(jù)計算或查表得到的點火提前角修正值，調(diào)節(jié)點火正時。利用信號發(fā)生器模擬爆震信號，對爆震檢測程序進行了初步檢驗。結(jié)果表明，程序能夠有效提取不同幅值爆震所對應的信號處理值。 (2)燃油控制模塊程序設計 燃油控制模塊由燃油軌壓控制模塊和燃油噴射控制模塊組成。由于GDI發(fā)動機的燃油直接噴入到氣缸內(nèi)，為了提高燃油霧化程度，噴油壓力可達5～20MPa，因此，燃油噴射壓力控制的穩(wěn)定性直接影響到燃油計量的精確性。燃油軌壓控制模塊根據(jù)燃油壓力傳感器的反饋信號，通過控制高壓油泵內(nèi)燃油壓力調(diào)節(jié)閥的開啟時刻來控制燃油軌壓。本文根據(jù)對高壓油泵的壓油特性，確定了燃油軌壓的控制方法。以壓油凸輪軸型線上升階段下止點與上止點之間的某個時刻為供油起始時刻，型線的上止點為供油結(jié)束時刻。根據(jù)壓油凸輪軸與曲軸信號的相位關(guān)系，在合適的時刻輸出供油信號。設計了燃油軌壓控制邏輯，將軌壓控制分為啟動和啟動后兩個階段，啟動階段采用查表控制，啟動后采用預控制和PID反饋控制相結(jié)合的控制方法。在燃油系統(tǒng)實驗臺上進行了燃油軌壓控制實驗，結(jié)果表明，當目標軌壓為10MPa，發(fā)動機轉(zhuǎn)速為503r/min、噴油脈寬為3ms時，軌壓的波動范圍小于0.04MPa。 噴油量控制和噴油正時控制是燃油噴射控制模塊的基本任務，噴油驅(qū)動程序可以實現(xiàn)兩次噴射的功能，一次在吸氣沖程，另一次在壓縮沖程。噴射脈寬由給定的噴油量和燃油軌壓查表確定，根據(jù)曲軸位置傳感器和凸輪軸位置傳感器信號判別將要噴油的氣缸和氣缸排氣上止點，再根據(jù)設定的噴油提前角和曲軸位置傳感器齒隙脈沖間隔以及當前的發(fā)動機轉(zhuǎn)速，確定噴油時刻，輸出噴油信號。 (3)電子節(jié)氣門控制(Electric Throttle Control，ETC)模塊程序設計 ETC模塊通過輸出PWM脈沖控制直流伺服電機來改變節(jié)氣門開度，并根據(jù)節(jié)氣門位置傳感器的反饋信息進行閉環(huán)控制。其主要作用是控制進氣量，，進而調(diào)節(jié)發(fā)動機的扭矩，并且在巡航控制模式下控制發(fā)動機的轉(zhuǎn)速。通過改進節(jié)氣門控制算法，采用閉環(huán)控制策略與非線性補償相結(jié)合的方法，實現(xiàn)了電子節(jié)氣門快速、穩(wěn)定控制，減小了控制時出現(xiàn)的超調(diào)。 (4)進氣可變氣門正時(VVT)控制模塊程序設計 可變氣門正時(Variable Valve Timing，VVT)控制模塊控制通過液壓控制電磁閥供油和泄油通路來改變凸輪軸相位，調(diào)節(jié)氣門正時，優(yōu)化發(fā)動機的吸氣和排氣過程，提高充氣效率，改善動力輸出、燃油經(jīng)濟性和怠速穩(wěn)定性，并通過內(nèi)部EGR降低NOX排放。本文設計了進氣可變氣門正時(VVT)的控制算法，根據(jù)曲軸與凸輪軸信號相對位置關(guān)系的變化來判別VVT相位，分別采用增量式分段PID控制和模糊控制算法控制進氣門相位，在VVT試驗臺上進行了控制試驗。結(jié)果表明，兩種算法都能將誤差控制在±1°范圍內(nèi)，但是模糊控制的控制速度更快，超調(diào)量較小。 (5)寬域廢氣氧傳感器接口控制單元硬、軟件設計 嚴格的汽車尾氣排放標準和稀薄燃燒技術(shù)的應用，要求在一定范圍內(nèi)精確控制空燃比，由于寬域廢氣氧(Universal Exhaust Gas Oxygen，UEGO)傳感器具有較寬的測量范圍，已成為發(fā)動機空燃比控制系統(tǒng)的重要部件。但是，這種傳感器的可靠工作與測量精度在很大程度上依賴于傳感器接口控制單元。為此，基于CJ125接口芯片設計了UEGO傳感器LSU4.2/LSU4.9的控制電路，基于PI控制算法設計了UEGO傳感器加熱控制程序。加熱控制實驗結(jié)果表明，采用這種PI控制算法，控制過程平穩(wěn)、控制精度較高，13s內(nèi)便可達到750℃的傳感器目標溫度值。編制了傳感器標定軟件，在四缸汽油機上對LSU4.2UEGO傳感器進行了標定。
【關(guān)鍵詞】：汽油直噴發(fā)動機 電控單元 功能模塊 控制軟件設計 燃油軌壓 寬域氧傳感器 可變氣門正時 爆震檢測 電子節(jié)氣門控制
【學位授予單位】：合肥工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2012
【分類號】：TK412
【目錄】：

• 摘要5-8
• ABSTRACT8-12
• 致謝12-20
• 第一章 緒論20-29
• 1.1 選題背景20
• 1.2 直噴汽油機存在的潛力20-21
• 1.3 PFI 發(fā)動機與 GDI 發(fā)動機性能比較21-22
• 1.4 直噴汽油機分類22-24
• 1.4.1 壁面阻擋型直噴汽油機22-23
• 1.4.2 噴霧導向型直噴汽油機23
• 1.4.3 空氣導向型直噴汽油機23-24
• 1.5 汽油直噴發(fā)動機的工作模式24-25
• 1.6 國內(nèi)汽油直噴汽油機電控系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀25-26
• 1.7 前期的設計工作概況26-27
• 1.8 課題來源及主要研究內(nèi)容27-29
• 第二章 噴油與點火控制程序及電子節(jié)氣門控制設計29-46
• 2.1 點火控制程序設計29-33
• 2.1.1 點火提前角對燃燒性能的影響29-30
• 2.1.2 點火閉合角對點火的影響30
• 2.1.3 點火驅(qū)動程序設計30-31
• 2.1.4 點火驅(qū)動程序?qū)嶒烌炞C31-33
• 2.2 噴油控制程序設計33-38
• 2.2.1 汽油直噴發(fā)動機噴射策略分析33-34
• 2.2.2 噴油驅(qū)動程序設計34-37
• 2.2.3 噴油提前角及噴油脈寬的確定37
• 2.2.4 噴油驅(qū)動程序?qū)嶒灲Y(jié)果37-38
• 2.3 電子節(jié)氣門控制38-44
• 2.3.1 節(jié)氣門介紹39-40
• 2.3.2 電子節(jié)氣門控制器硬件設計40
• 2.3.3 電子節(jié)氣門控制軟件設計40-41
• 2.3.4 PID 控制簡介41-42
• 2.3.5 軟件設計42-44
• 2.4 控制實驗44-45
• 2.5 本章小結(jié)45-46
• 第三章 汽油直噴發(fā)動機燃油軌壓控制46-60
• 3.1 直噴汽油機燃油系統(tǒng)46-48
• 3.2 電動燃油泵控制48
• 3.3 燃油軌壓控制方法48-52
• 3.3.1 軌壓控制規(guī)律48-51
• 3.3.2 啟動時的燃油軌壓控制51
• 3.3.3 啟動后燃油軌壓控制51-52
• 3.4 軟件編寫52-53
• 3.5 目標軌壓確定53
• 3.6 實驗裝置53-55
• 3.6.1 軌壓和 VVT 試驗臺53-54
• 3.6.2 發(fā)動機試驗臺架54-55
• 3.7 試驗結(jié)果55-58
• 3.7.1 燃油系統(tǒng)試驗臺上的試驗結(jié)果55-57
• 3.7.2 發(fā)動機試驗臺上的試驗結(jié)果57-58
• 3.8 本章小結(jié)58-60
• 第四章 寬域氧傳感器接口電路設計及加熱控制60-70
• 4.1 UEGO 傳感器簡介60-62
• 4.2 CJ125 功能及接口電路62-64
• 4.2.1 CJ125 功能62-63
• 4.2.2 CJ125 的接口電路63-64
• 4.3 LSU4.2/9 傳感器加熱控制64-67
• 4.3.1 閉環(huán)加熱控制目標值的確定64-65
• 4.3.2 加熱程序設計65-67
• 4.4 后臺標定軟件編寫67-68
• 4.5 標定實驗68
• 4.6 本章小結(jié)68-70
• 第五章 可變氣門正時的控制70-82
• 5.1 氣門正時對發(fā)動機性能的影響70-72
• 5.2 汽油直噴發(fā)動機進氣 VVT 控制策略72
• 5.3 VVT 機構(gòu)工作原理72-73
• 5.4 VVT 控制模塊73-74
• 5.5 VVT 控制系統(tǒng)軟件設計74-77
• 5.5.1 VVT 相位計算方法74-75
• 5.5.2 油壓控制閥(OCV) 特性75
• 5.5.3 增量式分段 PID 控制系統(tǒng)的設計75-76
• 5.5.4 模糊控制系統(tǒng)設計76-77
• 5.6 VVT 系統(tǒng)控制實驗77-80
• 5.6.1 VVT 系統(tǒng)實驗臺簡介77-79
• 5.6.2 實驗結(jié)果79-80
• 5.7 本章小結(jié)80-82
• 第六章 直噴汽油機爆震檢測模塊82-96
• 6.1 直噴汽油機爆震分析82-83
• 6.1.1 導致爆震的原因及其影響因素82-83
• 6.1.2 直噴汽油機和電噴汽油機的爆震比較83
• 6.2 爆震檢測及其控制方法83-84
• 6.3 爆震傳感器84-85
• 6.3.1 原理及結(jié)構(gòu)84
• 6.3.2 特征參數(shù)84-85
• 6.4 直噴汽油機爆震檢測模塊硬件設計85-90
• 6.4.1 爆震信號處理芯片簡介85-87
• 6.4.2 SPI 通訊協(xié)議87-88
• 6.4.3 爆震信號處理電路88-90
• 6.5 爆震檢測模塊軟件設計90-92
• 6.5.1 爆震信號處理芯片的編程90
• 6.5.2 爆震檢測窗口寬度與起始位置的確定90-91
• 6.5.3 爆震臨界值的確定91
• 6.5.4 爆震強度的判斷91-92
• 6.5.5 爆震檢測模塊程序設計92
• 6.6 模擬實驗92-94
• 6.7 本章小結(jié)94-96
• 第七章 總結(jié)與展望96-99
• 7.1 工作總結(jié)96-97
• 7.2 工作展望97-99
• 參考文獻99-107
• 攻讀碩士學位期間發(fā)表的論文107-108

【參考文獻】

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本文編號：252446