基于eTPU的高壓共軌柴油機多脈沖燃油噴射控制系統的設計*

陳禮勇，樸有哲，蘇萬華

(1.天津大學，內燃機燃燒學國家重點實驗室，天津 300072； 2.鄭州航院機電學院，鄭州 450015)

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2015149

基于eTPU的高壓共軌柴油機多脈沖燃油噴射控制系統的設計*

陳禮勇1,2，樸有哲1，蘇萬華1

(1.天津大學，內燃機燃燒學國家重點實驗室，天津 300072； 2.鄭州航院機電學院，鄭州 450015)

設計了基于eTPU協處理器的多脈沖燃油噴射控制系統和基于結構體數組的多脈沖噴射控制算法，并在EFS油泵試驗臺和發動機臺架上進行了多次脈沖噴射試驗。結果表明，設計的多脈沖控制系統實現了一次中斷多達10次觸發噴油的功能，且多脈沖噴射次數、噴射間隔和脈沖寬度獨立可調，形成可調制的多脈沖噴射模式，充分發揮了eTPU超強的定時處理能力，減輕了CPU和外部硬件配置的負擔。

高壓共軌柴油機；多脈沖燃油噴射；eTPU；結構體數組

前言

為滿足更嚴格的排放法規要求，高壓共軌柴油機采用多脈沖燃油噴射等策略來實現不同的燃燒模式和路徑[1-5]，從而實現超低的排放。多脈沖噴油的每個脈沖都有自己的噴油定時和噴油持續期，而且為了實現噴油器電磁閥的快速打開和及時關閉，每次脈沖都需要由主脈寬(高電平)、零脈寬(低電平)和保持波(PWM波)組成的優化波來驅動[6-8]。如果每次噴射脈沖都由中斷完成，則復雜的多次噴射就需要多次的中斷服務程序處理。對于多缸發動機來說，其實時控制任務也將成倍增加，這必將過多地占用系統中斷資源，嚴重時將影響系統響應的實時性。

另外一種方法是采用微處理器和一些外圍電路組成作為控制系統的中央處理單元，同時采用可編程邏輯復雜器件(CPLD)作為協處理器來完成驅動信號的優化合成，但采用CPLD增加了外圍電路的復雜性，同時需要對CPLD配置電源和時鐘也增加了硬件電路的噪聲干擾源[9]。

在本研究中，為了減輕CPU的負擔和外部的硬件配置，充分發揮eTPU超強的定時處理能力，利用結構體數組將多脈沖參數發送到eTPU參數存儲器中，然后基于ETPU_C編譯器編譯命名為Multi_Pulse函數，在eTPU中直接生成優化波以驅動噴油器功率驅動模塊，實現了靈活的多脈沖噴射。

1 噴油器驅動電路和驅動波形分析

為了滿足高速電磁閥在噴油過程中的響應特性，實現噴油速率的靈活可調，理想噴油器驅動電路采用Peak & Hold驅動方式[10]，即在噴油器開啟階段對電磁閥線圈以盡可能快的速率注入峰值電流使其快速開啟，開啟后以較小的電流就可以維持其開啟的狀態。

為了實現這種理想驅動方式，設計了雙電壓雙邊驅動電路和高邊與低邊的噴油信號及產生的電磁線圈電流信號，如圖1所示。

在驅動信號作用下，噴油器開啟階段，高邊和低邊驅動管(M1和M2)同時打開，此時由高壓電源驅動，電流迅速增大到峰值，電磁閥快速開啟；打開之后通過零脈沖使電流回落，然后由低壓電源驅動，以一定占空比的PWM保持波維持打開狀態持續噴油，從而最終實現對噴油器驅動電流的Peak & Hold最佳控制。

低邊優化波驅動信號由主脈沖、零脈沖和PWM保持波合成，驅動脈沖可由5個參數精確定義(見圖1)：Tm為主脈沖寬度；Ti為零脈寬，主脈沖與PWM保持波的間隔時間；Tp為PWM波持續時間；k為PWM波的頻率；f為PWM波的占空比。

本文中利用結構體數組將多脈沖參數發送到eTPU參數存儲器中，多脈沖結構體數組是由第1次噴射定時、第1次噴射脈寬、第1，2次噴油間隔、第2次噴油脈寬、第2，3次噴油間隔等依次組成。ETPU_C編譯器編譯命名為Multi_Pulse函數，根據主機CPU發送的結構體數組，在eTPU中直接生成包含主脈寬、零脈寬和保持波的優化波以驅動噴油器功率驅動模塊，實現靈活的多脈沖噴射。

2 主機CPU控制算法設計

本文中設計時僅對多脈沖的第1次噴射脈沖進行定時中斷服務，而對于其它噴射脈沖的定時則根據瞬時轉速進行定時角度-時間轉換，直接由定時器控制噴射定時。控制算法設計時采用自定義的結構體數組對噴油參數進行數據建模，在油門位置采樣中斷中，控制系統根據發動機的轉速和負荷信息設定噴射次數、各噴射脈沖噴射定時和各噴射脈沖持續期，形成多次噴射參數的結構體數組。然后經過預處理和定時處理，最終形成多次噴射定時計數值數組。從預噴射定時角度中分離出預噴定時齒數，用于曲軸信號捕捉定時控制，預噴射定時計數值用于齒間角度的定時控制。

2.1 噴射過程時序

噴油時序由曲軸位置信號和凸輪軸位置信號確定，曲軸位置傳感器判斷曲軸的瞬時位置，決定噴油定時。試驗發動機的曲軸選用60-2齒形狀齒盤，凸輪選用6+1齒形盤，其中凸輪同步信號多齒所對應的飛輪信號齒到第1缸壓縮上止點是88°CA，設為φ1，飛輪信號齒之間的角度是6°CA。噴油器打開后由于液力機械等響應需要一個過程，因此不能立即噴油，該響應過程稱為噴油延時，所使用的噴油器經測量該延時為470ns，為了精確控制噴油定時，在計算噴油定時時須把該時間考慮在內，設在某一瞬時轉速n下，該時間對應的角度為φ2；設在某一工況下的噴油定時為φ3，則噴油過程的時序圖如圖2所示。

整個多脈沖噴射過程按下列流程進行：

(1) 計算上一缸工作后某一定曲軸轉角內的平均轉速作為角度-時間轉換時的瞬時轉速n；

(2) 根據發動機所處的工況，查找事先標定好的噴油模式、噴油定時MAP、噴油量MAP和噴射壓力MAP，該噴油定時為φ3；噴油量為m，噴射壓力為p；

(3) 計算噴油延時所對應的角度φ2；

(4) 計算φ4=φ1-φ2-φ3；

(5) 計算φ4所對應的整數飛輪齒數Z及其對應的余角φ5；

(6) 計算余角φ5在瞬時轉速n下對應的時間t0；

(7) 計算噴油量為m，噴射壓力為p時對應噴油脈寬t1；

(8) 由第1個脈沖的噴射定時、第2個脈沖的定時、第1個脈沖的脈寬以及瞬時轉速n，計算第1個脈沖結束后到第2個脈沖之間時間t2；同時計算第2次噴油量所對應的脈寬t3；以此類推，計算其余脈沖所對應的參數t4,t5,…,t2z-1；

(9) 由多脈沖功能所選用的時鐘頻率把t0,t1,…,t2z-1轉化為該時鐘頻率下的計數值X0,X1,…,X2z-1；

(10) 把X0,X1,…,X2z-1賦值給所定義的結構體數組里，同時把該數組傳遞到eTPU中MP函數對應的參數區中，供eTPU的微引擎調用；

(11) 由eTPU的輸入捕捉功能(IC)數齒，當數到Z時，eTPU的微引擎向CPU提出服務請求要求響應中斷，CPU中斷響應向eTPU調度器發送主機服務請求，這樣就完成了一次中斷觸發多次噴射，其它各缸按照工作時序由凸輪同步信號觸發噴油。

2.2 基于結構體數組的主機CPU多脈沖控制算法設計

要完成一次噴射，多脈沖優化波MP(Multi_Pulse)函數要匹配兩個參數：第1個參數是噴射定時齒數余角所對應的計數值；第2個參數是噴油脈寬所對應計數值。而針對于多次噴射來說，決定第2次噴射的第1個參數是上次噴射結束到這次噴射開始之間的計數值，第2個參數是噴油脈寬對應的計數值，以此類推，把決定每次噴射的參數傳遞給一個數組中，如圖3所示。在此基礎上建立一個和每個元素相對應的引腳匹配狀態的結構體數組，由CPU調用MP功能的API函數對eTPU中的數據共享存儲器中的對應參數區進行通道參數更新。最后由噴油控制中斷服務程序提出通道中斷服務請求，產生多次噴油驅動信號，完成對燃油噴射系統噴油速率的控制，這樣一次中斷即可完成多次噴射的功能。

對于多缸發動機多脈沖噴射來說，定義一個m0×2n0(m0為缸數，n0為噴射次數)二維結構體數組，查詢MAP，把噴射次數及每次噴射的定時和油量，經過運算轉換為計數值，然后賦給該數組的對應元素。

3 基于eTPU多脈沖優化波處理算法

eTPU是高性能微控制器中智能化協處理器，可利用C語言進行編程，使用Byte Craft編譯器編譯產生二進制代碼下載到其SCM區中，由主CPU初始化啟動后可自行運行[11-12]。eTPU函數設計目標就是把eTPU結構特點和編譯器的C語言的要求協調起來，處理好主機和eTPU的交互。

進行eTPU函數編程的關鍵首先是確定進入通道的哪個線程，也即程序入口地址信息向量表，而線程是由線程通道模式、通道狀態、主機服務請求、匹配捕獲時序和標示符等激活，并且線程的激活唯一；然后在線程里編輯相應的程序，實現相應的功能，線程的代碼放置在與其中語句相匹配的程序入口地址信息向量表對應的存儲器。

利用eTPU_C開發了多脈沖MP函數，其基本思想是：利用兩個定時匹配寄存器，通過從參數存儲器中讀取參數后，根據主脈寬Tm、零脈寬Ti和保持波Tp(k,f)對應的時鐘計數值，當匹配寄存器的計數值與設定值匹配時，便輸出相應的高電平或將電平拉低。多脈沖MP函數由初始化線程(噴油定時線程)、主脈沖線程模塊、零脈寬線程、保持波上升沿線程、保持波下降沿線程模塊、多次噴射線程(噴油間隔線程)和錯誤處理線程組成，其中噴油定時線程(初始化線程)的流程圖見圖4,主脈沖線程見圖5。

初始化線程(噴油定時線程)是由主機服務請求引起的調度器響應，在線程下設置通道模式和線程標示符，讀取結構體數組X0值并賦給匹配寄存器B，這樣在匹配寄存器B匹配時對應的噴油器的驅動引腳輸出高電平，并且激活調度器進入主脈寬線程模塊進行相應的操作。

主脈沖線程模塊是匹配寄存器B與噴油定時計數值X0匹配時引起的線程，在該線程下，讀取結構體數組X1，X1即為第1次脈沖噴射持續期，并賦值給變量Inject_Hold_Dwell，將主脈寬計數值賦值給匹配寄存器A,這樣在匹配寄存器A匹配時對應的噴油器的驅動引腳輸出低電平，并且激活調度器已進入零脈寬線程模塊進行相應的操作。

上面是單次噴射時，eTPU根據主CPU發送的數組生成主脈寬、零脈寬和保持波的進程代碼，若是多次脈沖噴射，與之類似，eTPU微引擎繼續讀取余下的參數，對匹配寄存器繼續相應的賦值來確定噴油間隔、持續期，以及在持續期內的主脈寬、零脈寬和保持波參數，同時設置進程標識符flag0和flag1來確定調度器每一次的調度進入唯一確定的進程代碼存儲器。

在多脈沖噴射時，結構體數組X1經變量Inject_Hold_Dwell分割給主脈寬、零脈寬和保持波完成一次噴射后，經地址指針繼續讀下一個數組，若地址指針指向尾地址則噴射結束，否則仍有數值比如(X2,X3)，則X2為第1次、第2次噴油間隔，X3為第2次噴油持續期。在噴油間隔線程，X2賦值給匹配寄存器B，匹配寄存器B匹配時對應的噴油器的驅動引腳輸出高電平，并且激活調度器已進入主脈寬線程模塊進行相應的操作。如此依次讀取數組并賦值給相應的寄存器或變量，完成多脈沖噴射的信號輸出。

eTPU成功讀取(X2,X3)數據后，將X2賦值給匹配寄存器B，當寄存器匹配時將時對應的噴油器的驅動引腳輸出高電平，并且激活調度器已進入主脈寬線程模塊進行相應的操作。X3也被分割為主脈寬、零脈寬和保持波3部分。

Main_time，Zero_Time，Keep_H_Time，Keep_L_Time是根據主脈寬Tm、零脈寬Ti和保持波Tp(k,f)確定的時鐘計數值，可以根據需要靈活調整優化，以實現主脈寬、零脈寬和保持波周期及占空比的靈活調節，從而實現對噴油器電磁閥的快速打開和及時關閉。

4 多脈沖噴射試驗

在EFS高壓共軌油泵試驗臺上試驗，在噴射壓力為160MPa、5次脈沖噴射(設計10次噴射，而EFS只能進行5次噴射測試)、噴射間隔為15°CA(n=1 300r/min)、總油量為63mg時，調制出均衡式、遞增式、駝峰式、遞減式和交錯式的噴油模式，如圖6所示。測試結果表明，脈沖噴射次數、脈寬、噴射間隔、脈沖噴射定時和主噴定時可以靈活調節，可以根據試驗需要調制成不同噴射次數、不同噴油速率和不同噴油量的噴油模式。

為實現低溫預混燃燒，在六缸高壓共軌柴油機臺架上進行了上述5種典型的噴油模式的試驗研究。試驗時，發動機轉速為1 300r/min，進氣溫度均為298K,進氣壓力為0.147MPa，所有工況點都具有相同的總噴射油量63mg左右。圖7為第1次噴油定時75°CA BTDC時不同噴油模式對放熱率的影響。由圖可見：調制的多脈沖噴油模式在25°CA BTDC附近，預混合氣的低溫自燃反應就開始進行，冷熱焰的位置基本相同；但由于脈沖噴油規律不同，脈沖噴油和空氣混合情況有很大差別，預混合氣具有不同特性，從而使它們著火時刻和燃燒速度大不相同，即噴油模式的調制影響了預混合氣形成過程，進而影響了預混燃燒放熱過程。調制多脈沖噴油模式在發動機臺架上的試驗結果表明，調制噴油模式可以柔性控制預混合氣的形成過程，進而實現可控的預混燃燒過程，噴油定時、噴油間隔和噴油模式在著火和放熱速率控制方面有著極其重要的作用，也表明了本文基于eTPU開發的多脈沖驅動信號可以實現不同噴油模式的靈活調制和自由切換。

5 結論

基于eTPU開發的多脈沖MP(Multi_Pulse)算法，在沒有CPU參與的情況下，可以靈活調制多脈沖的定時、脈寬、間隔和次數，準確地控制每次噴油的主脈寬、零脈寬和保持波占空比，實現了對發動機燃油系統的靈活控制和不同的燃油噴射模式靈活切換。

[1] Su Wanhua, Lin Tiejian, Pei Yiqiang. A Compound Technology for HCCI Combustion in a DI Diesel Engine Based on the Multi-Pulse Injection and the BUMP Combustion Chamber[C]. SAE Paper 2003-01-0741.

[2] Shuji Kimura, Osamu Aoki, et al. New Combustion Concept for Ultra-Clean and High-Efficiency Small DI Diesel Engines[C]. SAE Paper 1999-01-3681.

[3] Nicolas Dronniou, Marc Lejeune, Iyad Balloul. Combination of High EGR Rates and Multiple Injection Strategies to Reduce Pollutant Emissions[C]. SAE Paper 2005-01-3726.

[4] 王輝,蘇萬華,劉斌.調制噴油模式對柴油HCCI燃燒性能和排放的影響[J].燃燒科學與技術,2006,12(3):226-232.

[5] Hardy W L, Reitz R D. An Experimental Investigation of Partially Premixed Combustion Strategies Using Multiple Injections in a Heavy-duty Diesel Engines[C]. SAE Paper 2006-01-0917.

[6] Zhong L, Singh I P. Effect of Cycle-to-Cycle Variation in the Injection Pressure in a Common Rail Diesel Injection System on Engine Performance[C]. SAE Paper 2003-01-0699.

[7] John D Mooney. Drive Circuit Modeling and Analysis of Electronically Controlled Fuel Injectors for Diesel Engines[C]. SAE Paper 2003-01-3361.

[8] Li Jin, Zhang Kexun. Solenoid Valve Driving Module Design for Electronic Diesel Injection System[C]. SAE Paper 2005-01-0035.

[9] 李克,蘇萬華,等.高速電磁閥分時驅動電路可靠性與一致性研究[J].內燃機工程,2011,32(2):33-39.

[10] 郭樹滿,蘇萬華,等.基于自舉電路的共軌噴油器驅動電路優化設計[J].農業機械學報,2012,43(5):11-17.

[11] Freescale Semiconductor Company. MCF5235 Reference Manual[M]. USA: Freescale Semiconductor Company,2001.

[12] Freescale Semiconductor Company. Enhanced Time Processing Unit (eTPU) Preliminary Reference Manual[M]. USA: Freescale Semiconductor Company,2004.

Design of Multi-pulse Fuel Injection Control System for HighPressure Common Rail Diesel Engine Based on eTPU

Chen Liyong1,2, Piao Youzhe1& Su Wanhua1

1.TianjinUniversity,StateKeyLaboratoryofEngines,Tianjin300072; 2.DepartmentofMechanicalandElectronicEngineering,ZhengzhouInstituteofAeronauticalIndustryManagement,Zhengzhou450015

An eTPU coprocessor-based multi-pulse fuel injection control system and its corresponding algorithm based on structure array are designed, and the multi-purse injection tests on both EFS fuel pump tester and engine test bench are conducted. The results show that the multi-pulse injection control system designed fulfills the function of triggering up to 10 injections in an interrupt, with the number and interval of injection and purse width adjustable independently, forming a modulable multi-pulse injection mode, which gives full play the powerful timing processing capabilities of eTPU and reduces the burdens on CPU and other peripheral devices.

high-pressure common-rail diesel engine; multi-pulse fuel injection; eTPU; structure array

*國家重點基礎研究發展規劃(973)項目(2007CB210001)和國家高技術研究發展計劃(863)項目(2012AA111714)資助。

原稿收到日期為2013年12月16日，修改稿收到日期為2014年3月4日。