車用柴油機電控系統的設計

清華大學“汽車安全與節能”國家重點實驗室在國家“九五”攻關大型項目“汽車電子控制”的研究中，開發了基于位置控制式的第一代車用柴油機電控系統，并在二汽的東風卡車上進行了一年的裝車試驗。下面具體介紹該電控系統。

1 柴油機電控系統的組成和結構

柴油機電控系統組成框圖如圖1所示，系統由傳感器、電控單元、執行器、噴油泵和發動機組成。電控單元采集傳感器的信號，根據預定的控制策略，向執行器發送控制命令，執行器控制噴油泵的齒條位置，最終控制柴油機的循環噴油量，以實現柴油機的動力性、經濟性或排放。

柴油機電控系統的結構如圖2所示。

在進行經濟性和排放的控制時，柴油機控制目標策略采用標定的油量ＭＡＰ圖。在進行調速控制時，柴油機控制目標策略采用PID控制即可（控制框圖見圖3），此時，整個系統組態為一個串級控制系統，和機械調速器相比，電子調速器可以兼顧動態和靜態（調速率可以達到0）特性，而傳統的機械調速器是做不到這兩點的。

2 電控單元的設計

2.1 核心器件的選擇

組成柴油機電控系統的元器件必須選擇滿足車用要求的可靠性高、工作溫度范圍適宜于車用的元器件。

2.1.1 CPU的選擇

在CPU的具體選擇上，我們確定了以下幾個選擇原則：（１）工作溫度范圍要適宜于車用；（２）實時中斷的效率要高；（３）為了提高系統工作的可靠性和電磁兼容性，CPU工作的時鐘頻率要盡可能低；（４）開發技術難度要適中；（５）有可靠而穩定的貨源。

從以上原則出發，對比全球范圍內流行的CPU，最終我們選定了美國MOTOROLA公司的M68HC11微控制器作為電控單元的CPU。

2.1.2 執行器的選擇

控制油泵齒條位置的執行器選擇美國辛格斯達公司生產的帶位置反饋信號的0250型線性電磁鐵，該線性電磁鐵完全能夠滿足車用柴油機電控系統執行器的要求。

2.2 電控單元電路設計

電控單元電路框圖見圖4。

2.2.1 抗干擾設計

柴油機電控單元在使用中主要干擾及具體解決辦法如下：

（１）由于發電機對電池進行充電和汽車有起動電機等大功率用電設備，所以電源的波動干擾比較厲害，在設計中主要采用多級濾波電路濾除電源的波動干擾；

（２）汽車地是浮地，地電位不穩定，在設計中采用單點接地電路消除地線干擾；

（３）電磁輻射干擾。在電路板設計上，采用微島技術降低內部的電磁輻射；對傳感器輸入信號采用限幅濾波技術消除外部地磁干擾信號；采用電控單元的整體屏蔽技術來屏蔽外界電磁輻射干擾并且降低內部的電磁輻射對外部的干擾。

2.3 電控系統的軟件設計

電控系統的軟件設計分為兩層，分別是實時操作系統和應用軟件。

實時操作系統的核心是硬件的實時中斷和對輸入／輸出口的管理，實時中斷頻率的選擇要以能夠滿足系統的控制要求為準。應用軟件的規劃以能夠滿足系統的實時控制要求為準則，把柴油機的控制狀態分解成有限個子狀態，任意時刻柴油機只處于一個確定的狀態。在不同的使用要求下用不同的控制策略進行編程控制。

3 應用

電控系統在臺架上用玉柴的6108發動機進行了試驗測試，隨后在二汽的東風卡車上進行了一年多的連續上車試驗。試驗經歷了春夏秋冬四季不同的氣溫環境，電控單元工作都很可靠，達到了預期的目的。在調速方面，轉速波動在10r／min以內；改善了自由加速煙度，改善了起動、加速的排放。

從目前情況來看，用電控系統取代機械調速器能夠更好地發揮原有柴油機的性能，并且可以在當前國內工藝條件下達到實用化。