高压共轨柴油机管理系统的软件系统开发与实验研究

论文摘要

在能源和环境的双重压力之下，如何实现柴油机的高效清洁燃烧已经成为柴油机研发工作的焦点。柴油机高效清洁燃烧的实现依赖于先进的燃烧技术，而单一的燃烧策略已被证明无法实现柴油机全负荷范围内的高效清洁燃烧，本课题组提出的低温燃烧和高密度低温燃烧相结合的复合燃烧策略是实现柴油机全工况高效清洁燃烧的有效途径。低温燃烧和高密度低温燃烧相结合的复合燃烧新技术的实现离不开功能强大的发动机管理系统(EMS)的支持。发动机管理系统也就是电子控制单元(ECU)，其包括软件和硬件两大部分，而软件是整个管理系统的“思想”，它决定着整个系统的每一个“动作”，而其功能的完善性、可靠性和稳定性是发动机系统能否稳定、可靠地实现复合燃烧新技术的关键。作者在课题组前期工作的基础上，以完善发动机管理系统功能、提高其可靠性和稳定性及保障柴油机低温燃烧和高密度低温燃烧技术的可靠稳定实现为目标，提出了电控单元软件系统的分层化设计方法，开发了电控单元的CAN总线通信系统，实现了其DMA直接数据存储功能，节约了电控单元的CPU开销，并为发动机EMS系统移植了多任务实时操作系统，提高了电控系统运行的可靠性和稳定性，并节约了系统资源。为了满足低温燃烧和高密度低温燃烧技术对发动机管理系统所提出的要求，作者开发了电控EGR系统、电控涡轮增压器调节系统以及IVCA电子控制系统，并设计了灵活可调的发动机喷油策略，实现了发动机喷油模式的灵活切换。为了满足排放法规对柴油机动态排放的严格要求，作者以ELR和ETC测试循环的要求为依托，设计了发动机的动态控制策略，取得了初步的研究成果。为了对发动机管理系统的控制策略的有效性和可靠性进行验证，本文开展了大量的实验研究工作。分析论证了电控EGR系统在实现发动机低温燃烧技术时的有效性和可靠性，并分析了该燃烧策略下喷油定时和EGR率对发动机排放和热效率的影响规律；论证了电控增压器调节系统对改善发动机性能的有效性，并做出了不同放气阀及阀开度对发动机性能影响的规律性分析；验证了两次喷射对改善发动机高速中大负荷排放的有效性，并分析了不同喷射比例、后喷定时对发动机性能的影响规律；对比分析说明了进气门晚关系统(IVCA)在改善发动机排放和经济性能方面的显著效果。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 世界主题—节能与减排
• 1.3 柴油机新型燃烧技术的发展以及意义
• 1.3.1 柴油机均质压燃、低温燃烧理论
• 1.3.2 柴油机燃烧新技术的发展
• 1.4 柴油机电子控制技术的发展及意义
• 1.4.1 柴油机电控燃油系统的发展
• 1.4.2 柴油机控制系统微控制器的发展
• 1.4.3 柴油发动机控制器开发技术的发展
• 1.4.4 实现内燃机新型燃烧技术对电控系统的要求
• 1.5 本课题的研究内容和意义
• 第二章 柴油机电控 ECU 软件功能模块的开发
• 2.1 ECU 硬件系统介绍
• 2.1.1 控制器核心芯片 MCF5235 简介
• 2.1.2 电控系统硬件功能模块组成
• 2.2 电控系统的软件架构
• 2.3 柴油机控制系统 CAN 总线系统的开发
• 2.3.1 汽车总线系统概况
• 2.3.2 CAN 总线的应用和特点
• 2.3.3 CAN 总线分成结构和报文协议
• 2.3.4 MCF5235 微控制器 FLEXCAN 模块介绍
• 2.3.5 柴油机管理系统中 CAN 总线系统的硬件开发
• 2.3.6 柴油机管理系统中 CAN 总线系统的软件开发
• 2.3.7 基于 CAN 总线系统的 MCF5235 与 PC 机的交互
• 2.4 DMA 直接数据存储功能的开发
• 2.4.1 微控制器 DMA 功能模块简介
• 2.4.2 DMA 控制器原理
• 2.4.3 DMA 操作 UART 进行数据传输
• 2.5 多任务实时操作系统的开发
• 2.5.1 采用多任务实时操作系统的优点
• 2.5.2 多任务实时操作系统的选择
• 2.5.3 μC/OS-Ⅱ 在 MCF5235 上的移植
• 2.5.4 μC/OS-Ⅱ 时钟节拍的产生
• 2.5.5 基于μC/OS-Ⅱ 的柴油机 EMS 系统应用程序的开发
• 2.6 本章小结
• 第三章 基于发动机试验的稳态控制策略的实现
• 3.1 新型复合燃烧发动机系统结构介绍
• 3.2 发动机整机燃烧方案及其实现手段
• 3.3 电子控制 EGR 系统的实现
• 3.3.1 电控 EGR 阀和背压阀机构介绍
• 3.3.2 电控 EGR 系统的硬件设计
• 3.3.3 电控 EGR 阀的软件设计
• 3.3.4 电控背压阀的软件设计
• 3.4 IVCA 机构控制系统和增压器调节系统的开发
• 3.4.1 IVCA 机构控制系统和增压器调节系统的硬件开发
• 3.4.2 IVCA 机构控制系统的软件设计
• 3.4.3 涡端放气阀系统的软件设计
• 3.5 基于角度时钟的喷油定时算法和多次喷射策略的实现
• 3.5.1 基于角度时钟的喷油定时算法的实现
• 3.5.2 发动机电控系统多次喷射模式的实现
• 3.6 本章小结
• 第四章 发动机动态控制策略的研究
• 4.1 发动机工况的划分及其相互间的切换
• 4.2 ELR 测试循环控制策略的研究
• 4.2.1 ELR 测试循环简介
• 4.2.2 ELR 动态控制策略的提出
• 4.2.3 ELR 动态过程模拟
• 4.2.4 ELR 不同加油过程对排放的影响
• 4.2.5 ELR 测试循环动态 MAP 的制定
• 4.3 ETC 测试循环控制策略的初步研究
• 4.4 本章小结
• 第五章 控制策略的验证及实验结果分析
• 5.1 研究概述
• 5.2 研究内容
• 5.3 低负荷低温燃烧策略试验结果分析
• 5.4 高速大负荷放气阀调节试验结果分析
• 5.5 喷油模式及喷射参数对发动机排放及热效率的影响研究
• 5.6 电控 IVCA 系统对发动机排放及热效率的影响研究
• 5.7 本章小结
• 第六章 全文总结
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢