柴油發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)概述

紀(jì)元

摘 要：本文主要講解了柴油機(jī)電子控制技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展、柴油機(jī)電子控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)及存在的問題及其發(fā)展趨勢(shì)，為同行學(xué)習(xí)本內(nèi)容提供參考。

關(guān)鍵詞：柴油發(fā)動(dòng)機(jī)；電控系統(tǒng)

柴油機(jī)電子控制技術(shù)有了較快的發(fā)展，許多功能各異的柴油電子控制裝置和系統(tǒng)相繼開發(fā)研制和生產(chǎn)投放市場(chǎng)。20世紀(jì)90年代中期以來，電控共軌系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到實(shí)用化程度。共軌系統(tǒng)中，在130～160MPa的高壓下可使燃油很好地霧化，通過多段噴射可以細(xì)致地控制燃燒，對(duì)降低燃油消耗、降低噪聲、降低振動(dòng)及排放等方面都起到了巨大的作用。柴油機(jī)電子控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，使柴油機(jī)技術(shù)水平進(jìn)入一個(gè)新的歷史階段。

1 柴油機(jī)電子控制技術(shù)出現(xiàn)的必然趨勢(shì)

在剛剛過去的20世紀(jì)中，一方面科學(xué)技術(shù)的各種突飛猛進(jìn)，另一方面人類的生存與發(fā)展也遇到了前所未有的挑戰(zhàn)。人類文明已陷入了非常尷尬的境地： 人類在創(chuàng)造一個(gè)豐富的物質(zhì)世界的同時(shí)，也付出了犧牲整個(gè)生存空間的沉重代價(jià)。我國(guó)是一個(gè)人口眾多、資源相對(duì)不足的國(guó)家，走一條具有中國(guó)特色的可持續(xù)發(fā)展道路，不僅是對(duì)聯(lián)合國(guó)等世界組織的承諾，而且也符合中國(guó)的國(guó)情。可持續(xù)發(fā)展問題已不僅是各國(guó)政府的行為，它還是每個(gè)地區(qū)、每個(gè)行業(yè)、每個(gè)企業(yè)、每個(gè)社會(huì)團(tuán)體，甚至是每一個(gè)人的事情。

面對(duì)日益嚴(yán)重的能源危機(jī)和環(huán)境污染，國(guó)際內(nèi)燃機(jī)界不停地尋找實(shí)現(xiàn)汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的途徑。在不斷的技術(shù)發(fā)展中，人民對(duì)柴油機(jī)、車用柴油機(jī)有了更新、更深入的認(rèn)識(shí)。

柴油機(jī)電子控制技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展是一個(gè)必然趨勢(shì)，究其原因，主要有以下兩個(gè)方面：

原因之一是由于石油能源危機(jī)及嚴(yán)重的環(huán)境污染，對(duì)柴油機(jī)這一主要移動(dòng)式動(dòng)力裝置的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放指標(biāo)，提出了幾乎是十分苛刻的要求所到制的。原因之二是單片微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，大大地促進(jìn)了柴油機(jī)控制系統(tǒng)的更新?lián)Q代，使柴油機(jī)電子控制技術(shù)的出現(xiàn)有發(fā)展成為必然趨勢(shì)。

2 柴油機(jī)微機(jī)電子控制系統(tǒng)

盡管目前已發(fā)展出許多功能各異的柴油機(jī)電子控制系統(tǒng)，如噴油系統(tǒng)控制、調(diào)速控制、進(jìn)/排氣控制及廢氣渦輪增壓器噴嘴環(huán)截面控制系統(tǒng)等。其基本組成大體上是相同的，它們均與被控對(duì)象（柴油機(jī)與動(dòng)力裝置）構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。一般可將電控柴油機(jī)分為四個(gè)部分，即被控對(duì)象、傳感器、以單片機(jī)為核心的控制器及執(zhí)行器。后三部分組成柴油機(jī)電子控制系統(tǒng)。

傳感器的主要功能是檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)或狀態(tài)。

以單片機(jī)為核心的控制器是柴油機(jī)電子控制系統(tǒng)的大腦。

執(zhí)行器是柴油機(jī)電子控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行調(diào)控的最終手段，它按照控制器的“意圖”動(dòng)作。

柴油機(jī)電控系統(tǒng)工作流程大體如下：傳感器檢測(cè)到的各信號(hào)先送入模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器（如果輸入信號(hào)是模擬量），然后通過控制器的接口輸入。在控制器的存儲(chǔ)器中，存有所需的發(fā)動(dòng)機(jī)的調(diào)控參數(shù)或狀態(tài)的目標(biāo)數(shù)據(jù)。這些目標(biāo)數(shù)據(jù)是柴油機(jī)的各種不同參數(shù)和最優(yōu)運(yùn)行結(jié)果的綜合，一般是通過統(tǒng)計(jì)或?qū)崪y(cè)而得到的。當(dāng)由傳感器檢測(cè)到的發(fā)動(dòng)機(jī)的某一實(shí)際參數(shù)進(jìn)入單片機(jī)控制器后，先與存儲(chǔ)器中的相應(yīng)參數(shù)和最優(yōu)運(yùn)行結(jié)果比較。如果兩者相同，則整個(gè)感柴油機(jī)電制控制系統(tǒng)保持原狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)繼續(xù)按先前狀態(tài)運(yùn)行。反之，當(dāng)實(shí)際參數(shù)偏離目標(biāo)參數(shù)時(shí)，單片機(jī)控制器則會(huì)根據(jù)該偏離值的大小和極性（正或負(fù)），按一定的控制策略進(jìn)行有關(guān)信息的處理。

讀數(shù)字信號(hào)的處理主要有兩種方法：第一種是根據(jù)預(yù)定控制規(guī)律的控制算法對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行直接運(yùn)算和處理，然后輸出控制信號(hào)，這是較為簡(jiǎn)單的控制；第二種是對(duì)輸入的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行特征抽取，即對(duì)輸入信號(hào)的處理并不是為了得到直接控制決策的作用，而是從大量的輸入信號(hào)中抽取那些有用的信息，然后根據(jù)所抽取的特征值來決定控制決策信號(hào)。這些信號(hào)只能以數(shù)碼形式出現(xiàn)，它既可以表示數(shù)值的大小或極性，控制器以代表約定的確定信息。當(dāng)執(zhí)行器所需的是連續(xù)時(shí)間函數(shù)信號(hào)（模擬量）時(shí)，控制器的輸出信號(hào)還必須通過數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（D/A），然后再輸給執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)部分。這樣，執(zhí)行器就按特定的規(guī)律調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的有關(guān)機(jī)構(gòu)，使發(fā)動(dòng)機(jī)的相應(yīng)參數(shù)或狀態(tài)向目標(biāo)值逼近。逼近程度如何又可由傳感器來檢測(cè)，并將檢測(cè)結(jié)果再次送給單片機(jī)控制器。如果循環(huán)，就形成了一個(gè)閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，使發(fā)動(dòng)機(jī)按最優(yōu)狀態(tài)運(yùn)行。上述過程是柴油單片機(jī)控制應(yīng)用中較為普遍的一種控制過程，它類似于最優(yōu)控制。

3 柴油機(jī)電子控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)

柴油機(jī)電子控制的一個(gè)突出的特點(diǎn)是借助單片機(jī)的功能，可以實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的控制規(guī)律，而這在以前則是不可能的。在采用單片機(jī)電子控制系統(tǒng)之后，柴油機(jī)的面貌大為改觀，且隨著單片機(jī)電子控制系統(tǒng)的逐步發(fā)展和不斷成熟，人們對(duì)柴油機(jī)所提出的種種苛刻要求逐步得以滿足。下面介紹單片機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)：

1.改善柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和排放。

2.提高發(fā)動(dòng)機(jī)的工作可靠性。

3.響應(yīng)快、控制精度高。

響應(yīng)要快是對(duì)一個(gè)控制系統(tǒng)的基本要求。控制系統(tǒng)從接受到一個(gè)信息開始，到處理完畢并輸出控制信號(hào)所需的時(shí)間一般為毫秒級(jí)。這個(gè)時(shí)間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于發(fā)動(dòng)機(jī)或其他機(jī)械控制機(jī)構(gòu)的響應(yīng)的時(shí)間。因此，一旦發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)器系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)或狀態(tài)稍微偏離目標(biāo)值，微機(jī)控制系統(tǒng)就能立即進(jìn)行跟蹤并予以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)和控制。正是由于響應(yīng)快這一特點(diǎn)，使得單片機(jī)控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)機(jī)械制系統(tǒng)所不能實(shí)現(xiàn)的一系列的功能。

控制系統(tǒng)的控制精度越高，被控對(duì)象的性能指標(biāo)就越容易接近最優(yōu)值。單片機(jī)控制的高控制精度主要體現(xiàn)在四個(gè)方面：

1.輸入信號(hào)的高保真；

2.單片機(jī)控制器內(nèi)部的數(shù)據(jù)處理或傳輸；

3.高分辨率的輸出信號(hào)；

4.控制策略靈活。

4 柴油機(jī)電子控制系統(tǒng)存在的問題及其發(fā)展趨勢(shì)

由于柴油機(jī)單片機(jī)電子控制系統(tǒng)具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，因而能迅速躋身于柴油機(jī)控制領(lǐng)域，并逐步取代傳統(tǒng)的機(jī)械式控制系統(tǒng)和模擬電路控制系統(tǒng)。但是也應(yīng)看到，柴油機(jī)電子控制系統(tǒng)并不是萬能的，也表示十全十美的。

首先，說它不是萬能的，是因?yàn)樗鼌⑴c柴油機(jī)的控制的主要作用，是使被控對(duì)象柴油機(jī)能在接近于其最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)下工作，而該最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)則完全取決于發(fā)動(dòng)機(jī)本身，與控制系統(tǒng)的存在與否無關(guān)。換言之，發(fā)動(dòng)機(jī)是否具有內(nèi)在的高性能，取決于發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)者，而高性能則在很大程度上依賴于單片機(jī)電子控制系統(tǒng)。

其次，柴油機(jī)微單片機(jī)電子控制系統(tǒng)也存在一些固有缺陷，可靠性問題首當(dāng)其沖。在實(shí)際應(yīng)用中，柴油機(jī)電子控制系統(tǒng)遇到了一些機(jī)械式控制系統(tǒng)從來沒有遇到的問題，既電磁干擾問題。抑制干擾是單片機(jī)控制系統(tǒng)必須解決的重要問題，若不采取有效的抗干擾措施，控制系統(tǒng)是無法工作的。

柴油機(jī)電子控制系統(tǒng)是一門多學(xué)科的綜合性技術(shù)，對(duì)于各分學(xué)科來講，一般并沒有不可逾越的重大技術(shù)障礙，同時(shí)單片機(jī)電子控制系統(tǒng)的應(yīng)用也并不需要專門的技術(shù)和技能，只要掌握一般技巧便可使用，加之這種系統(tǒng)的性/價(jià)比較高，經(jīng)濟(jì)效益較為明顯，因此，隨著時(shí)間推移，預(yù)計(jì)柴油機(jī)電子控制系統(tǒng)不久就會(huì)占領(lǐng)大部分柴油機(jī)市場(chǎng)。另一方面，柴油機(jī)電子控制系統(tǒng)的控制水平也會(huì)逐步發(fā)展和提高，控制過程將會(huì)越來越復(fù)雜，相應(yīng)地其所帶來的經(jīng)濟(jì)效益也會(huì)越來越高，用戶也將越來越樂意采用這種系統(tǒng)。在工業(yè)技術(shù)發(fā)達(dá)的國(guó)家，柴油機(jī)電子控制系統(tǒng)已從研制階段轉(zhuǎn)向批量生產(chǎn)階段，許多產(chǎn)品已系列化并投放市場(chǎng)，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。相信不要多久，柴油機(jī)電控應(yīng)用的鼎盛時(shí)期就會(huì)到來。

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