本文關(guān)鍵詞：GDI發(fā)動機(jī)ECU中幾個功能模塊的控制軟件設(shè)計(jì)，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(yán)格和油耗法規(guī)的實(shí)施，對發(fā)動機(jī)的排放和經(jīng)濟(jì)性要求越來越高。作為內(nèi)燃機(jī)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(jī)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(dāng)今的研究熱點(diǎn)，作為GDI發(fā)動機(jī)技術(shù)的一個重要部分，GDI發(fā)動機(jī)電控單元(ECU)的開發(fā)也成為研究的重點(diǎn)之一。 ECU中的軟件是GDI發(fā)動機(jī)電控技術(shù)開發(fā)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。按照層模型結(jié)構(gòu)，發(fā)動機(jī)ECU軟件分為應(yīng)用軟件層、運(yùn)行時(shí)間環(huán)境(Run Time Environment，RTE)層和基礎(chǔ)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(chǔ)軟件層包括實(shí)時(shí)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(fù)雜驅(qū)動層。其中，IO硬件抽象層和復(fù)雜驅(qū)動層與硬件相關(guān)，需要在基礎(chǔ)軟件層配置階段，根據(jù)應(yīng)用軟件層要求的接口以及ECU提供的硬件資源來實(shí)現(xiàn)。 在前期的研究中，初步完成了臺架實(shí)驗(yàn)用GDI發(fā)動機(jī)ECU的總體設(shè)計(jì)，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(diǎn)火驅(qū)動電路、VVT機(jī)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(jìn)行了電控系統(tǒng)軟件的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和后臺標(biāo)定軟件的設(shè)計(jì)。本文在此基礎(chǔ)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(shè)計(jì)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(diǎn)火控制模塊程序設(shè)計(jì) 點(diǎn)火控制模塊由點(diǎn)火提前角控制和爆震檢測模塊組成。點(diǎn)火提前角控制包括閉合角控制和點(diǎn)火提前角控制，閉合角和點(diǎn)火提前角可以由用戶設(shè)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(diǎn)火的氣缸和氣缸壓縮上止點(diǎn)，再根據(jù)設(shè)定的閉合角和點(diǎn)火提前角以及當(dāng)前的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，計(jì)算閉合角對應(yīng)的通電時(shí)間。然后，根據(jù)曲軸位置傳感器齒隙脈沖間隔計(jì)算斷電時(shí)刻，輸出缸序控制和點(diǎn)火正時(shí)信號。 閉環(huán)控制時(shí)，點(diǎn)火提前角依據(jù)爆震強(qiáng)度來調(diào)節(jié)。微控制器通過串行外設(shè)接口(SPI)與爆震信號專用集成電路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)HIP9011通訊，設(shè)置爆震芯片的工作模式和工作參數(shù)，參數(shù)包括積分時(shí)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(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)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(jì)算爆震強(qiáng)度。根據(jù)計(jì)算或查表得到的點(diǎn)火提前角修正值，調(diào)節(jié)點(diǎn)火正時(shí)。利用信號發(fā)生器模擬爆震信號，對爆震檢測程序進(jìn)行了初步檢驗(yàn)。結(jié)果表明，程序能夠有效提取不同幅值爆震所對應(yīng)的信號處理值。 (2)燃油控制模塊程序設(shè)計(jì) 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(jī)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(dá)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(jì)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(shí)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(diǎn)與上止點(diǎn)之間的某個時(shí)刻為供油起始時(shí)刻，型線的上止點(diǎn)為供油結(jié)束時(shí)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(shí)刻輸出供油信號。設(shè)計(jì)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(yù)控制和PID反饋控制相結(jié)合的控制方法。在燃油系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺上進(jìn)行了燃油軌壓控制實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，當(dāng)目標(biāo)軌壓為10MPa，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為503r/min、噴油脈寬為3ms時(shí)，軌壓的波動范圍小于0.04MPa。 噴油量控制和噴油正時(shí)控制是燃油噴射控制模塊的基本任務(wù)，噴油驅(qū)動程序可以實(shí)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(diǎn)，再根據(jù)設(shè)定的噴油提前角和曲軸位置傳感器齒隙脈沖間隔以及當(dāng)前的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，確定噴油時(shí)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(shè)計(jì) ETC模塊通過輸出PWM脈沖控制直流伺服電機(jī)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(jìn)行閉環(huán)控制。其主要作用是控制進(jìn)氣量，，進(jìn)而調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)的扭矩，并且在巡航控制模式下控制發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速。通過改進(jìn)節(jié)氣門控制算法，采用閉環(huán)控制策略與非線性補(bǔ)償相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)了電子節(jié)氣門快速、穩(wěn)定控制，減小了控制時(shí)出現(xiàn)的超調(diào)。 (4)進(jìn)氣可變氣門正時(shí)(VVT)控制模塊程序設(shè)計(jì) 可變氣門正時(shí)(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(shí)，優(yōu)化發(fā)動機(jī)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(jì)性和怠速穩(wěn)定性，并通過內(nèi)部EGR降低NOX排放。本文設(shè)計(jì)了進(jìn)氣可變氣門正時(shí)(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(jìn)氣門相位，在VVT試驗(yàn)臺上進(jìn)行了控制試驗(yàn)。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(shè)計(jì) 嚴(yán)格的汽車尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)和稀薄燃燒技術(shù)的應(yīng)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(jī)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(shè)計(jì)了UEGO傳感器LSU4.2/LSU4.9的控制電路，基于PI控制算法設(shè)計(jì)了UEGO傳感器加熱控制程序。加熱控制實(shí)驗(yàn)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(dá)到750℃的傳感器目標(biāo)溫度值。編制了傳感器標(biāo)定軟件，在四缸汽油機(jī)上對LSU4.2UEGO傳感器進(jìn)行了標(biāo)定。
【關(guān)鍵詞】：汽油直噴發(fā)動機(jī) 電控單元 功能模塊 控制軟件設(shè)計(jì) 燃油軌壓 寬域氧傳感器 可變氣門正時(shí) 爆震檢測 電子節(jié)氣門控制
【學(xué)位授予單位】：合肥工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)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(jī)存在的潛力20-21
• 1.3 PFI 發(fā)動機(jī)與 GDI 發(fā)動機(jī)性能比較21-22
• 1.4 直噴汽油機(jī)分類22-24
• 1.4.1 壁面阻擋型直噴汽油機(jī)22-23
• 1.4.2 噴霧導(dǎo)向型直噴汽油機(jī)23
• 1.4.3 空氣導(dǎo)向型直噴汽油機(jī)23-24
• 1.5 汽油直噴發(fā)動機(jī)的工作模式24-25
• 1.6 國內(nèi)汽油直噴汽油機(jī)電控系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀25-26
• 1.7 前期的設(shè)計(jì)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(diǎn)火控制程序及電子節(jié)氣門控制設(shè)計(jì)29-46
• 2.1 點(diǎn)火控制程序設(shè)計(jì)29-33
• 2.1.1 點(diǎn)火提前角對燃燒性能的影響29-30
• 2.1.2 點(diǎn)火閉合角對點(diǎn)火的影響30
• 2.1.3 點(diǎn)火驅(qū)動程序設(shè)計(jì)30-31
• 2.1.4 點(diǎn)火驅(qū)動程序?qū)嶒?yàn)驗(yàn)證31-33
• 2.2 噴油控制程序設(shè)計(jì)33-38
• 2.2.1 汽油直噴發(fā)動機(jī)噴射策略分析33-34
• 2.2.2 噴油驅(qū)動程序設(shè)計(jì)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?yàn)結(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(shè)計(jì)40
• 2.3.3 電子節(jié)氣門控制軟件設(shè)計(jì)40-41
• 2.3.4 PID 控制簡介41-42
• 2.3.5 軟件設(shè)計(jì)42-44
• 2.4 控制實(shí)驗(yàn)44-45
• 2.5 本章小結(jié)45-46
• 第三章 汽油直噴發(fā)動機(jī)燃油軌壓控制46-60
• 3.1 直噴汽油機(jī)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(shí)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(biāo)軌壓確定53
• 3.6 實(shí)驗(yàn)裝置53-55
• 3.6.1 軌壓和 VVT 試驗(yàn)臺53-54
• 3.6.2 發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺架54-55
• 3.7 試驗(yàn)結(jié)果55-58
• 3.7.1 燃油系統(tǒng)試驗(yàn)臺上的試驗(yàn)結(jié)果55-57
• 3.7.2 發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺上的試驗(yàn)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(shè)計(jì)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(biāo)值的確定64-65
• 4.3.2 加熱程序設(shè)計(jì)65-67
• 4.4 后臺標(biāo)定軟件編寫67-68
• 4.5 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)68
• 4.6 本章小結(jié)68-70
• 第五章 可變氣門正時(shí)的控制70-82
• 5.1 氣門正時(shí)對發(fā)動機(jī)性能的影響70-72
• 5.2 汽油直噴發(fā)動機(jī)進(jìn)氣 VVT 控制策略72
• 5.3 VVT 機(jī)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(shè)計(jì)74-77
• 5.5.1 VVT 相位計(jì)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(shè)計(jì)75-76
• 5.5.4 模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)76-77
• 5.6 VVT 系統(tǒng)控制實(shí)驗(yàn)77-80
• 5.6.1 VVT 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺簡介77-79
• 5.6.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果79-80
• 5.7 本章小結(jié)80-82
• 第六章 直噴汽油機(jī)爆震檢測模塊82-96
• 6.1 直噴汽油機(jī)爆震分析82-83
• 6.1.1 導(dǎo)致爆震的原因及其影響因素82-83
• 6.1.2 直噴汽油機(jī)和電噴汽油機(jī)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(jī)爆震檢測模塊硬件設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(qiáng)度的判斷91-92
• 6.5.5 爆震檢測模塊程序設(shè)計(jì)92
• 6.6 模擬實(shí)驗(yàn)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(xiàn)99-107
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文107-108

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：252446