GDI发动机ECU中几个功能模块的控制软件设计

摘要

随着汽车排放法规的日趋严格和油耗法规的实施，对发动机的排放和经济性要求越来越高。作为内燃机行业中解决能源和环境问题的重要方向之一，汽油直喷(Gasoline Direct Injection，GDI)发动机以其热效率高、油耗低、冷启动性能好和排放低等一系列优势而成为当今的研究热点，作为GDI发动机技术的一个重要部分，GDI发动机电控单元(ECU)的开发也成为研究的重点之一。　　ECU中的软件是GDI发动机电控技术开发中的重点和难点。按照层模型结构，发动机ECU软件分为应用软件层、运行时间环境(Run Time Environment，RTE)层和基础软件层，涉及到功能、策略、算法、监控、诊断、通信和IO控制等。基础软件层包括实时操作系统(Real Time Operating System，RTOS)、IO硬件抽象层、微控制器抽象层和复杂驱动层。其中，IO硬件抽象层和复杂驱动层与硬件相关，需要在基础软件层配置阶段，根据应用软件层要求的接口以及ECU提供的硬件资源来实现。　　在前期的研究中，初步完成了台架实验用GDI发动机ECU的总体设计，硬件部分包括传感器信号处理电路、爆震信号检测电路、喷油器驱动电路、点火驱动电路、VVT机油压力控制电磁阀驱动电路和ETC模块驱动电路等。在软件方面，进行了电控系统软件的总体结构设计和后台标定软件的设计。本文在此基础上，在ECU中增加了宽域排气氧(Universal Exhaust Gas Oxygen，UEGO)传感器的硬件接口电路，设计了几个重要功能模块与硬件相关的驱动层软件和一部分控制算法，主要研究内容如下：　　(1)点火控制模块程序设计　　点火控制模块由点火提前角控制和爆震检测模块组成。点火提前角控制包括闭合角控制和点火提前角控制，闭合角和点火提前角可以由用户设置。程序根据曲轴位置传感器和凸轮轴位置传感器信号判别将要点火的气缸和气缸压缩上止点，再根据设定的闭合角和点火提前角以及当前的发动机转速，计算闭合角对应的通电时间。然后，根据曲轴位置传感器齿隙脉冲间隔计算断电时刻，输出缸序控制和点火正时信号。　　闭环控制时，点火提前角依据爆震强度来调节。微控制器通过串行外设接口(SPI)与爆震信号专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)HIP9011通讯，设置爆震芯片的工作模式和工作参数，参数包括积分时间常数、放大倍数、带通滤波器频率等。爆震检测程序根据发动机转速设定的爆震检测窗口起始位置和宽度以及爆震判定阈值，由获取的检测窗口内的爆震信号积分值和阈值，判别爆震并计算爆震强度。根据计算或查表得到的点火提前角修正值，调节点火正时。利用信号发生器模拟爆震信号，对爆震检测程序进行了初步检验。结果表明，程序能够有效提取不同幅值爆震所对应的信号处理值。　　(2)燃油控制模块程序设计　　燃油控制模块南燃油轨压控制模块和燃油喷射控制模块组成。南于GDI发动机的燃油直接喷入到气缸内，为了提高燃油雾化程度，喷油压力可达5～20MPa，因此，燃油喷射压力控制的稳定性直接影响到燃油计量的精确性。燃油轨压控制模块根据燃油压力传感器的反馈信号，通过控制高压油泵内燃油压力调节阀的开启时刻来控制燃油轨压。本文根据对高压油泵的压油特性，确定了燃油轨压的控制方法。以压油凸轮轴型线上升阶段下止点与上止点之间的某个时刻为供油起始时刻，型线的上止点为供油结束时刻。根据压油凸轮轴与曲轴信号的相位关系，在合适的时刻输出供油信号。设计了燃油轨压控制逻辑，将轨压控制分为启动和启动后两个阶段，启动阶段采用查表控制，启动后采用预控制和PID反馈控制相结合的控制方法。在燃油系统实验台上进行了燃油轨压控制实验，结果表明，当目标轨压为10MPa，发动机转速为503r/min、喷油脉宽为3ms时，轨压的波动范围小于0.04MPa。　　喷油量控制和喷油正时控制是燃油喷射控制模块的基本任务，喷油驱动程序可以实现两次喷射的功能，一次在吸气冲程，另一次在压缩冲程。喷射脉宽由给定的喷油量和燃油轨压查表确定，根据曲轴位置传感器和凸轮轴位置传感器信号判别将要喷油的气缸和气缸排气上止点，再根据设定的喷油提前角和曲轴位置传感器齿隙脉冲间隔以及当前的发动机转速，确定喷油时刻，输出喷油信号。　　(3)电子节气门控制(Electric Throttle Control，ETC)模块程序设计　　ETC模块通过输出PWM脉冲控制直流伺服电机来改变节气门开度，并根据节气门位置传感器的反馈信息进行闭环控制。其主要作用是控制进气量，进而调节发动机的扭矩，并且在巡航控制模式下控制发动机的转速。通过改进节气门控制算法，采用闭环控制策略与非线性补偿相结合的方法，实现了电子节气门快速、稳定控制，减小了控制时出现的超调。　　(4)进气可变气门正时(VVT)控制模块程序设计　　可变气门正时(Variable Valve Timing，VVT)控制模块控制通过液压控制电磁阀供油和泄油通路来改变凸轮轴相位，调节气门正时，优化发动机的吸气和排气过程，提高充气效率，改善动力输出、燃油经济性和怠速稳定性，并通过内部EGR降低NOx排放。本文设计了进气可变气门正时(VVT)的控制算法，根据曲轴与凸轮轴信号相对位置关系的变化来判别VVT相位，分别采用增量式分段PID控制和模糊控制算法控制进气门相位，在VVT试验台上进行了控制试验。结果表明，两种算法都能将误差控制在±1°范围内，但是模糊控制的控制速度更快，超调量较小。　　(5)宽域废气氧传感器接口控制单元硬、软件设计　　严格的汽车尾气排放标准和稀薄燃烧技术的应用，要求在一定范围内精确控制空燃比，由于宽域废气氧(Universal Exhaust Gas Oxygen，UEGO)传感器具有较宽的测量范围，已成为发动机空燃比控制系统的重要部件。但是，这种传感器的可靠工作与测量精度在很大程度上依赖于传感器接口控制单元。为此，基于CJ125接口芯片设计了UEGO传感器LSU4.2/LSU4.9的控制电路，基于PI控制算法设计了UEGO传感器加热控制程序。加热控制实验结果表明，采用这种PI控制算法，控制过程平稳、控制精度较高，13s内便可达到750℃的传感器目标温度值。编制了传感器标定软件，在四缸汽油机上对LSU4.2 UEGO传感器进行了标定。

目录

文摘

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致谢

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第一章 绪论

1.1 选题背景

1.2 直喷汽油机存在的潜力

1.3 PFI发动机与GDI发动机性能比较

1.4 直喷汽油机分类

1.4.1 壁面阻挡型直喷汽油机

1.4.2 喷雾导向型直喷汽油机

1.4.3 空气导向型直喷汽油机

1.5 汽油直喷发动机的工作模式

1.6 国内汽油直喷汽油机电控系统的研究现状

1.7 前期的设计工作概况

1.8 课题来源及主要研究内容

第二章 喷油与点火控制程序及电子节气门控制设计

2.1 点火控制程序设计

2.1.1 点火提前角对燃烧性能的影响

2.1.2 点火闭合角对点火的影响

2.1.3 点火驱动程序设计

2.1.4 点火驱动程序实验验证

2.2 喷油控制程序设计

2.2.1 汽油直喷发动机喷射策略分析

2.2.2 喷油驱动程序设计

2.2.3 喷油提前角及喷油脉宽的确定

2.2.4 喷油驱动程序实验结果

2.3 电子节气门控制

2.3.1 节气门介绍

2.3.2 电子节气门控制器硬件设计

2.3.3 电子节气门控制软件设计

2.3.4 PID控制简介

2.3.5 软件设计

2.4 控制实验

2.5 本章小结

第三章 汽油直喷发动机燃油轨压控制

3.1 直喷汽油机燃油系统

3.2 电动燃油泵控制

3.3 燃油轨压控制方法

3.3.1 轨压控制规律

3.3.2 启动时的燃油轨压控制

3.3.2 启动后燃油轨压控制

3.4 软件编写

3.5 目标轨压确定

3.6 实验装置

3.6.1 轨压和VVT试验台

3.6.2 发动机试验台架

3.7 试验结果

3.7.1 燃油系统试验台上的试验结果

3.7.2 发动机试验台上的试验结果

3.8 本章小结

第四章 宽域氧传感器接口电路设计及加热控制

4.1 UEGO传感器简介

4.2 CJ125功能及接口电路

4.2.1 CJ125功能

4.2.2 CJ125的接口电路

4.3 LSU4.2/9传感器加热控制

4.3.1 闭环加热控制目标值的确定

4.3.2 加热程序设计

4.4 后台标定软件编写

4.5 标定实验

4.6 本章小结

第五章 可变气门正时的控制

5.1 气门正时对发动机性能的影响

5.2 汽油直喷发动机进气VVT控制策略

5.3 VVT机构工作原理

5.4 VVT控制模块

5.5 VVT控制系统软件设计

5.5.1 VVT相位计算方法

5.5.2 油压控制阀(OCV)特性

5.5.3 增量式分段PID控制系统的设计

5.5.4 模糊控制系统设计

5.6 VVT系统控制实验

5.6.1 VVT系统实验台简介

5.6.2 实验结果

5.7 本章小结

第六章 直喷汽油机爆震检测模块

6.1 直喷汽油机爆震分析

6.1.1 导致爆震的原因及其影响因素

6.1.2 直喷汽油机和电喷汽油机的爆震比较

6.2 爆震检测及其控制方法

6.3 爆震传感器

6.3.1 原理及结构

6.3.2 特征参数

6.4 直喷汽油机爆震检测模块硬件设计

6.4.1 爆震信号处理芯片简介

6.4.2 SPI通讯协议

6.4.3 爆震信号处理电路

6.5 爆震检测模块软件设计

6.5.1 爆震信号处理芯片的编程

6.5.2 爆震检测窗口宽度与起始位置的确定

6.5.3 爆震临界值的确定

6.5.4 爆震强度的判断

6.5.5 爆震检测模块程序设计

6.6 模拟实验

6.7 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 工作总结

7.2 工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文