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基于高压共轨柴油机的电控系统开发与实验研究

作　者: 苏庆鹏
导　师: 苏万华
学　校: 天津大学
专　业: 动力机械及工程
关键词: 高压共轨电控系统功率驱动电路高速电磁阀 EGR
分类号: TK423
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

高压共轨燃油喷射系统能够有效提高柴油机的经济性和排放性,而功能强大的电控单元能够充分发挥高压共轨燃油喷射系统的技术优势,实现对喷油压力、喷油量、喷油定时和喷油规律的全工况灵活控制。电控单元ECU的开发主要包括硬件设计、控制策略开发、控制参数标定及电控发动机性能优化三个阶段。但是,ECU硬件结构复杂、软件开发以及参数标定周期长、成本投入大。一套功能完善的电控实验系统能够提高整个研发历程的效率,作者在本课题组前期工作的基础上,开发了基于工控机的高压共轨柴油机电控开发系统。电控开发系统基于PC机丰富的硬件和软件资源,结合定时卡和采集卡,利用可编程逻辑器件CPLD进行硬件设计,实现了喷油器、油泵计量单元等控制信号的产生与合成,以及发动机状态参数的采集。在电控开发系统软件开发中,以中断控制技术为核心,采用DOS操作系统平台和C语言,引入层次化程序设计方法,实现了灵活的发动机控制和良好的人机交互;通过PID算法的应用,对共轨压力实现了闭环控制。通过软件与硬件的结合,电控开发系统能柔性控制高压共轨柴油机的喷射压力、喷油定时及喷油量,并能实现多种喷油模式,还具有成本低廉、结构简单、使用方便等优点,为高压共轨电控柴油机的研发提供了有利的工具。作者还设计了一套以功率场效应晶体管MOSFET为核心的功率驱动电路,选用了具有良好开关特性和可靠性的MOS管,设计了栅极驱动电路和漏源极过压保护电路,保证了喷油器的安全可靠工作和良好开关特性。同时,本研究还根据高速电磁阀的开关特性,重点研究了上电回路和放电回路对喷油器电磁阀开关特性和喷油规律的影响。基于电控开发系统的强大功能,本文开展了试验研究,在1300转50%负荷下研究了EGR对高压共轨柴油机排放性及经济性的影响,并在此基础上将该燃烧模式拓展到1600转50%负荷和1900转50%负荷。实验发现,综合协调EGR和增压技术,可以在实现较低的NOx-Soot排放的同时兼顾热效率,而可变气门系统的使用,可以为兼顾热效率和较低NOx-Soot排放提供更大的空间。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
第一章绪论  9-21
  1.1 引言  9
  1.2 能源危机与环境保护  9-11
  1.3 解决方法和技术实施路线  11-14
    1.3.1 基于传统燃烧过程优化的缸内净化＋尾气后处理技术  11-12
    1.3.2 基于燃烧过程变革的缸内净化措施  12-14
      1.3.2.1 新概念低温燃烧研究进展  12-13
      1.3.2.2 柴油机高密度低温燃烧理论的提出  13-14
  1.4 柴油机共轨式燃油喷射系统  14-20
    1.4.1 柴油机电控燃油系统的发展  14-15
    1.4.2 共轨式喷油系统的优势  15-16
    1.4.3 燃油喷射技术对柴油机性能的影响  16-20
      1.4.3.1 喷射压力对柴油机性能的影响  16-17
      1.4.3.2 喷油定时对柴油机性能的影响  17-18
      1.4.3.3 喷油规律对柴油机性能的影响  18-20
        1.4.3.3.1 靴形喷射  18-19
        1.4.3.3.2 多次喷射  19-20
  1.5 本课题的研究意义和内容  20-21
第二章柴油机电控开发系统的硬件和软件设计  21-40
  2.1 电控开发系统概述  21-24
  2.2 电控开发系统的硬件结构和功能实现  24-28
    2.2.1 输入信号调理电路  24-26
    2.2.2 控制信号产生模块  26-28
  2.3 电控开发系统的软件结构和功能实现  28-38
    2.3.1 人机交互系统  29-30
    2.3.2 数据采集和存储系统  30
    2.3.3 发动机控制系统  30-38
      2.3.3.1 中断机制  32-33
      2.3.3.2 发动机工况判断及控制策略  33-34
      2.3.3.3 共轨油压控制  34-37
      2.3.3.4 喷油定时控制  37
      2.3.3.5 各缸喷油一致性修正  37-38
  2.4 本章小结  38-40
第三章电控喷油器的功率驱动和开关特性研究  40-68
  3.1 电控喷喷油器的结构和工作原理  40-41
  3.2 喷油器电磁阀开启特性和关闭特性  41-45
    3.2.1 喷油器电磁阀开启特性  41-43
      3.2.1.1 吸合触动阶段  42
      3.2.1.2 吸合运动时间  42-43
    3.2.2 喷油器电磁阀关闭特性  43-45
      3.2.2.1 释放触动时间  43-44
      3.2.2.2 释放运动时间  44-45
  3.3 电控喷油器驱动波形参数的确定  45-47
    3.3.1 喷油器理想驱动信号  45
    3.3.2 喷油器驱动信号波形参数的确定  45-47
  3.4 CPLD 信号合成模块  47-48
  3.5 喷油器功率驱动模块  48-59
    3.5.1 NMOS 的工作原理和工作特性  48-51
      3.5.1.1 MOS 管结构和导通特性  48-49
      3.5.1.2 MOS 管驱动  49-50
      3.5.1.3 功率管的功耗算法  50
      3.5.1.4 MOS 管的选择依据和使用注意  50-51
    3.5.2 MOS 的栅极驱动  51-52
    3.5.3 MOS 功率管的过压保护  52-59
      3.5.3.1 二极管抑制  54
      3.5.3.2 二极管-电阻抑制  54-56
      3.5.3.3 电阻-电容-二极管抑制  56-57
      3.5.3.4 稳压二极管TVS 抑制  57-58
      3.5.3.5 MOS 管漏源极间的钳压电路  58-59
  3.6 喷油器电磁阀开关特性的研究  59-66
    3.6.1 喷油器电磁阀开启特性的研究  59-60
    3.6.2 喷油器电磁阀关闭特性的研究  60-66
      3.6.2.1 实现相同的单次喷射喷油量的脉宽和喷油规律  61-62
      3.6.2.2 相同的脉宽下的电流波形和喷油规律  62-63
      3.6.2.3 相同电阻相同脉宽下不同轨压的喷油规律  63
      3.6.2.4 实现相同多脉冲喷射喷油量的喷油量波动率和电流波形  63-65
      3.6.2.5 循环喷油量的波动率对燃烧的不稳定的影响  65-66
  3.7 本章小结  66-68
第四章 EGR 对高压共轨柴油机排放性及经济性影响的初步实验研究  68-84
  4.1 实验系统简介  68-72
    4.1.1 高压共轨柴油机  68-70
    4.1.2 可变气门系统  70-71
    4.1.3 多通道燃烧测试分析系统  71
    4.1.4 气路系统  71-72
  4.2 发动机实验相关评定参数定义  72
    4.2.1 EGR 率  72
    4.2.2 氧浓度  72
  4.3 高压共轨柴油机排放性能的实验研究  72-82
    4.3.1 低转速中等负荷下EGR 对高压共轨柴油机排放性能的影响  72-76
    4.3.2 中等负荷下转速的提高对排放性能的影响  76-79
    4.3.3 高转速中等负荷下VVT 对排放性能的影响  79-82
  4.4 本章总结  82-84
第五章全文总结  84-86
参考文献  86-90
发表论文和参加科研情况说明  90-91
致谢  91

基于高压共轨柴油机的电控系统开发与实验研究

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