柴油机喷油泵电控系统设计论文(编辑修改稿)

柴油机喷油泵电控系统设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

高速电磁阀的研究、泵油量的控制、执行机构的开发、泄漏问题、各学科分工合作等还不怎么成熟和完善 [6]。 目前相关企业正在致力于做一些共轨电控及其标定系统研制开发、零部件的优化调整、燃油特性分析和燃油系统的模拟计算等方面工作。 柴油机电控技术与汽油机电控技术有许多相似之处，整个系统都是由传感器、电控单 元和执行器三部分组成。 在电控喷射方面柴油机与汽油机的主要差别长春工业大学本科毕业设计（论文） 6 是，汽油机的电控喷射系统只是控制空燃比 (汽油与空气的比例 )，柴油机的电控喷射系统则是通过控制喷油时间来调节输出油量的大小，且柴油机喷油控制是由发动机 的转速和加速踏板位置 (油门、供油拉杆位置 )来决定的。 柴油机电控技术有两个明显的特点：一是柴油喷射电控执行器复杂，二是柴油电控喷射系统的多样化。 柴油机的燃油喷射具有高压、 高频、脉动等特点，其喷射压力为汽油喷射的几百倍，上千倍，要求有很好的可靠性和耐久性，而且柴油喷射对喷射正时的精度要求很高，相对于上死点的角度为止要求很准确没这就导致了柴油喷射的执行器复杂得多。 从控制对象看，从机械控制时机械调速器控制喷油量，机械式提前器控制喷射正时，到电子控制时，不仅控制喷油量，喷射正时，而且控制喷射速率，喷射压力所感应的工况由单一的转速工况发展到感应整个发动机运行工况和环境条件，这样势必带来了控制复杂性。 因此柴油机电控技术的关键是执行器，也即是电控柴油及喷射机构，各个国家都在致力于开发研制 各种类型的电控柴油机喷射机构，以寻求最佳方案，这也是柴油机电控技术的难点所在。 论文研究的主要内容 本文主要研究对执行器的控制问题。 柴油发动机执行器作为控制机构，具有一定的时变性和非线性，控制效果将直接影响对齿条位置的控制。 采用闭环控制有效的对齿条位置进行控制，从而达到控制的精度和准确性。 由于 PID 控制算法简单，运算量少，具有较强的鲁棒性以及较高的控制精度，特别是稳态精度高，具有很广泛地适应性。 而且 PID 调节器是一种应用十分广泛而且成熟的工程控制方法。 对已知的定常性受控对象，只要确定好响应的参数，便 可以很好地发挥其调节作用，使控制对象输出在期望值上。 所以本系统采用 PID 控制 ， 即简单，又能达到控制精度要求。 长春工业大学本科毕业设计（论文） 7 第二章 方案论证 系统设计要求 系统采用单片机对柴油机喷油泵 (BOSCH 喷油泵 )进行控制，主要实现对喷油泵内齿条位置的准确控制，从而实现喷油量的准确控制，完成软硬件设计，主要技术指标：。 （齿条位移大于 1mm），响应时间小于 40ms。 （齿条位移小于 ） ， 响应时间小于 40ms。 机控制器通过 CAN 总线（控制器局域网）通信（该部分可选做）。 系统方案论证 近年来，随着电子技术的迅猛发展，发动机电子控制技术取得了长足的进步，发动机喷油系统电子控制采用使的发动机突破传统机械调节的弱点，进一步提高了喷油系统的灵活性和适应能力。 采用电子控制式当前柴油机技术发展的重要方向。 单片机作为柴油机电子控制单元的核心，它具有体积小、集成度高、可靠性好、功耗低和实时处理能力强的特点，适用于独立控制场合。 单片机技术推动了发动机控制技术的发展，随着电子控制单元中单片机从 4 位向 16 位发展，发动机控制项 目也从简单的喷油反馈控制发展到整机的 智能 控制，由于电子控制单元中单片机的功能和可靠性直接影响电控系统的性能，因此，选用功能较强的单片机是发动机控制系统 具有 高性能的重要保证。 单片机的选择论证 由于柴油机的电控系统的工作环境比较恶劣，不仅有柴油机工作时猛烈的振动，还有高温及电磁干扰及油污灰尘等的侵蚀，此外，柴油机的控制单元要求体积小、可靠性高、实时处理能力强，因此，在发动机电子控制单元单片机的选择上，必须考虑其具体使用环境和柴油机喷油控制的实时性，一般品种的单片机很难胜任。 ATMEL 公司的 8 位单 片机是国际主流机型之一，具有功能齐全、可靠性高、品种多、性能价格比高的特点，在家电、仪器仪表及 智能 控制领域得到了广泛应用。 目前，美国通用汽车公司， Caterpillar 公司等在其电控柴油 机 中都已采用该种单片机，取得明显的效果。 ATMEL 系列 8 位单片机在汽车控制方面已成为一长春工业大学本科毕业设计（论文） 8 种工业标准，本系统选用的 AT89C51 单片机为 ATMEL 公司 80 年代末生产的增强微控制器，它采用  高速 CMOS 技术制造，是目前最强的 8 位单片机，其主要特点如下： a． 低功耗、高速度； b． 有用户可以 自行选择的 4 种方式 ； c． 有丰富的 I/O 口，可简化系统端口扩展，从而提高系统的可靠性； d． 具有较强的定时器、脉冲累加器功能； e． 有 8 位 8 通道的 A/D 转换； f． 有方便的串行通讯接口 SCI 和串行外设接口 SPI； g． 可靠性好、有计算机操作正常检测系统和时钟检测系统； h． 有较强的指令系统，便于软件编制； i． 具有 256 字节的片内 RAM 和 2K 字节的片内 2E PROM。 用户可以根据需 要灵活定位； j． 采用普林斯顿的统一寻址方式，方便编制，简化指令系统 ； k． 单片机引脚功能介绍： 40 个引脚按引脚功能大致可 以分为 4 个种类：电 源、时钟、控制和 I/O 引脚。 图 21 单片机引脚图 1． 电源。 （ 1） VCC芯片电源，接 +5V。 （ 2） VSS接地端。 长春工业大学本科毕业设计（论文） 9 注；用万用表测试单片机引脚电流一般为 0V或者 5V，这是标准的 TTL 电平，但是有时候在单片机程序正在工作时候测试结果并不是这个值而是介于0V~5V 之间，其实这只是万用表反应没这么快而已，在某一个瞬间单片机引脚电流还是保持在 0V或者 5V的。 2． 时钟。 XTAL XTAL2晶体震荡电路反相输入端和输出端； 3． 控制线。 控制线共有 4 根： （ 1） ALE/PROG:地址锁存允许 /片内 EPROM 编 程脉冲。 ① ALE 功能：用来锁存 P0 口送出的 8 位地址； ② PROG 功能：片内有 EPROM 的芯片，在 EPROM 编程期间，在引脚输入编程脉冲。 （ 2） PSEN：外 ROM 读选通信号。 （ 3） RST/VPN：复位 /备用电源。 ① RST（ Reset）功能：复位信号输入端； ② VPD 功能：在 Vcc 掉电情况下，接备用电源。 （ 4） EA/Vpp：内外 ROM 选择 /片内 EPROM 编程电源。 ① EA 功能：内外 ROM 选择端； ② Vpp 功能：片内有 EPROM 的芯片，在 EPROM 编程期间，施加编程电源 Vpp。 4． I/O 线。 5． 89C51 共有 4 个 8 位并行 I/O 端口： P0、 P P P3 口，共 32 个引脚。 P3 口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出的控制信号（属控制总线） [7]。 传感器选择论证 车用柴油机电控技术的关键是实现喷油泵的电控，其中喷油量的准确控制是核心问题，而喷油量的准确控制又是通过柴油发动机电控喷油控制系统的齿条位移传感器电控单元（ ECU）和齿条位移执行器等 构成的闭环控制系统实现的，要进行有效的控制，就要求传感器检测的当前齿条的位置信号准确无误，因此对于齿条位移检测所应用的传感器的选择尤为重要。 喷油泵电控的整个闭环系统控制由位移传感器来监视，并反馈到电子控制单元进行实时调控位移传感器的测量精度反应速度，输出噪声，工作稳定性等指标直接决定了整个系统的控制精度及控制品质，所以要慎重应用。 采用位移传感器能使柴油发动机电控喷油系统反馈的位移信号准确度高，使整个系统的闭环提供了有效的偏移量，整个系统稳定、可靠。 位移传感器的工作特性：位移传感器又称为线性传感器，它 分为电感式位移传感器，电容式位移传感器，光电式位移传感器，超声波位移传感器，霍尔式位长春工业大学本科毕业设计（论文） 10 移传感器。 电感式位移传感器是一种金属感应的线性器件，接通电源后，在开关的感应面将产生一个交变磁场，当金属物体接近此感应面时，金属中则产生涡流而洗去了振荡器的能量，使振荡器输出幅度线性衰减，然后根据衰减量的变化来完成 无接触 检测物体的目的。 电感式位移传感器具有无滑动触点，工作时不受灰尘等非金属因素的影响，并且低功耗，长寿命，可使用在各种恶劣条件下，位移传感器主要应用在自动化装备生产线对模拟量的智能控制。 磁致伸缩线性位移传感器 的工作原理：在工作时，由电子仓内的电子电路产生一起起始脉冲，此起始脉冲在波导丝中传输时，同时产生了一沿波导丝方向前进的旋转磁场，当这个磁场与磁环或浮球中的永久磁场相遇时，产生磁致伸缩效应，使波导丝发生扭动，这一扭动被安装在电子仓内的拾能机构所感知并转换成相应的电流脉冲，通过电子电路计算出两个脉冲之间的时间差，即可精确测出被测的位移和液位。 该产品主要应用于要求测量精度使用环境较恶劣的位移和液位测量系统中。 具有精度高、重复性稳定可靠、非接触式测量、寿命长、安装方 便、环境适应性强等特点。 它的输出信号是一个真正的绝 对位置输出，而不是比例的或需要再放大处理的信号，所以不存在信号漂移或变值的情况，因此不必像其它液位传感器一样需要定期重标和维护。 正是因为它的输出信号为绝对值，所以即使电源中断重新接通也不会对数据接收构成问题，更无须重新归回零位，与其它液位变送器或液位计相比有明显的优势。 它可广泛的应用于石化工、制药、食品、饮料等行业，对各种液罐的液位进行计量和控制。 作为位移传感器，它不但可以测量运动物体的直线位移，而且还可同时给出运动物体的速度模拟信号。 电涡流传感器是由 DJ 型前置放大器的电涡流探头组合构成，它使一种趋近式传 感器系统。 由于其长期工作可靠性好，灵敏度高、抗干扰能力强，采用非接触测量，响应速度快，耐高温，能在油、汽、水等恶劣环境下长期连续工作，检测不受油污、蒸汽等介质的影响，已广泛应用于电力、石化、冶金、钢铁、航空航天等大中型企业，对各种旋转型机械的轴位移、振动、转速、涨差、偏心、油膜厚度等进行在线监测和安全保护，为精密诊断系统提供了全息动态特性，有效地对设备进行保护。 电涡流位移传感器系统主要包括探头、延伸电缆（可选）、前置器和附件。 线性范围宽、动态响应好、抗干扰能力强。 电涡流传感器是以高频电涡流效应为原理的非接触 式位移传感器。 前置器内产生的高频电流从振荡器流入探头线圈中，线圈就产生了一个高频电磁场。 当 被 侧金属的表面靠近该线圈时，由于高频电磁场的作用，在金属表面产生感应电流，即电涡流。 该电流产生一个交变磁场，方向与线圈磁场相反，这二个磁场相互叠加就改变了原线圈的阻抗。 所以探头与被测金属表面距离的变化可通过探头线圈阻抗的变化来测量。 前长春工业大学本科毕业设计（论文） 11 置器根据探头线圈的阻抗变化输出一个与距离成正比的直流电压 [8]。 目前。 全球的传感器市场在不断创新的变化中呈现出快速增长的趋势。 有关专家指出，传感器领域的主要技术将在现有基础上予以延伸和提 高，各国将竞相加速新一代传感器的开发和产业化，竞争也将日益激烈。 新技术的发展将重新定义未来的传感器市场，比如无线传感器、光纤传感器、智能传感器和金属氧化传感器等新型传感器的出现与市场份额的扩大。 由于 BOSCH 直列式喷油泵 6DE2 柴油机内部自带电感式传感器，所以本系统采用的是电感式传感器。 长春工业大学本科毕业设计（论文） 12 第三章 硬件电路设计 车用柴油机电控技术的关键是实现喷油泵的电控，其中喷油量的准确控制是核心问题，而喷油量的准确控制又是通过柴油发动机电控喷油控制系统 的齿条位移传感器、电控单元（ ECU）和齿条位移执行器等构成的闭环控制系统实现的，要进行有效的控制，就要求传感器检测的当前齿条的位置信号准确无误，因此对于齿条唯一检测所应用的传感器的选择和 AD 转换电路的设计与实现尤为重要。 错误 !未找到引用源。 错误 !未找到引用源。 错误 !未找到引用源。 图 31 柴油机位置控制系统结构图 控制系统的硬件总体结构 本系统以 BOSCH 直列式喷油泵 6DE2 柴油机为对象，喷油泵喷油量的大小通过喷油泵齿条位移运动来实现的。 图 32 为齿条位移示意图，喷油泵体内的泵油元件是喷油泵、柱塞和套筒组成。 喷油泵体的上不是吸油腔，吸油腔通过 2 个小进油孔与压油腔相连。 当柱塞向上移动盖过吸油腔的进油孔时，喷油泵即开始供油；当柱塞的斜坡形控制边缘与进油孔相 遇时，更停止供油。 位于柱塞之上的压油腔经柱塞上的垂直槽与吸油腔相通，于是供油终点以及所供的油量随着油泵柱塞的移动而产生变化。 总之，每个柱塞位置所对应的喷油量同发动机转矩有一定的比例关系，与螺旋线成一定角度即对应一定的喷油量。 喷油泵内柱塞的旋转是通过齿条的位移实现的。 系统中推动齿条运动的执行器采用的是德国 BOSCH 公司的电磁式执行器。