防爆電控柴油機(jī)電子控制單元控制策略研究*

王曉

（中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司）

隨著現(xiàn)代化礦井對礦用輔助運輸車輛需求的不斷增加，煤礦井下使用的輔助運輸車輛越來越多，車輛的動力源——防爆柴油機(jī)排出的廢氣污染物也相應(yīng)增多，對煤礦井工作人員的身心健康造成了危害[1-2]。目前降低防爆柴油機(jī)廢氣排放的措施多是在防爆柴油機(jī)后增加濕式廢氣處理裝置，該方法只能降低炭煙顆粒的排放量，對NOx和CO 收效甚微。文章提出使用高效的電控燃油噴射控制系統(tǒng)替代機(jī)械式燃油噴射控制系統(tǒng)，研究出一套適合煤礦井下防爆電控柴油機(jī)電子控制單元（ECU）的控制策略，其可有效、全面地降低尾氣排放，對煤礦井下的安全環(huán)保有著非常重大的意義。

1 防爆電控柴油機(jī)基本控制方案

燃油量計量是煤礦井下用防爆電控單體泵柴油機(jī)控制方案中的核心部分。基本處理方法為先分別計算2種需求的油量，然后進(jìn)行綜合處理，確認(rèn)最終的期望油量需求，如圖1 所示。

圖1 防爆電控單體泵柴油機(jī)控制系統(tǒng)控制方案示意圖

計算駕駛員需求的燃油量是以防爆電控柴油機(jī)的實際運行轉(zhuǎn)速和此轉(zhuǎn)速下的負(fù)荷為最初信號，參照存儲在防爆電控柴油機(jī)中由臺架試驗測得數(shù)據(jù)所繪制的圖，選擇控制噴油量內(nèi)部需求的基準(zhǔn)值，此基準(zhǔn)值需要用該防爆電控柴油機(jī)的冷卻液溫度、進(jìn)氣系統(tǒng)中新鮮空氣的壓力和溫度等信號值進(jìn)行校正，作為噴油量的內(nèi)部需求值；其它控制單元對發(fā)動機(jī)的需求油量是根據(jù)扭矩需求進(jìn)行油量轉(zhuǎn)換后得到的，因此，本控制系統(tǒng)對其它控制單元的接口是扭矩信息，便于整車系統(tǒng)的集成。當(dāng)獲得期望的噴油量時，根據(jù)存儲在發(fā)動機(jī)中的圖，選擇噴油提前角和噴油持續(xù)期的基準(zhǔn)值，并進(jìn)行噴射修正[3-4]。通過發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)達(dá)到精確控制單體泵柴油機(jī)的目的。

2 防爆電控柴油機(jī)ECU 控制策略

2.1 ECU 的狀態(tài)轉(zhuǎn)換策略

防爆電控柴油機(jī)在不同工況下的不同狀態(tài)控制流程，是由電控系統(tǒng)的ECU 進(jìn)行智能控制來運行的，ECU的工作狀態(tài)有系統(tǒng)初始化、正常運行、關(guān)機(jī)、關(guān)機(jī)后存儲、編程和診斷測試工況，如圖2 所示。

圖2 防爆電控柴油機(jī)電子控制單元狀態(tài)轉(zhuǎn)換流程圖

初始化工況是指上電，但發(fā)動機(jī)沒有起動的階段，這時不斷判斷起動狀態(tài)，直到檢測到防爆電控柴油機(jī)處于啟動狀態(tài)后進(jìn)入正常運行工作狀態(tài)。初始化工況主要進(jìn)行所有寄存器初始化、操作系統(tǒng)初始化、所有輸出值初始化、所有傳感器采樣值初始化，以及內(nèi)容讀取等操作。

正常運行工況是發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)正常工作模式，具有油量計算、診斷、通信及噴射控制等功能。正常運行工況可以根據(jù)不同條件進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換：當(dāng)點火開關(guān)關(guān)閉，進(jìn)入關(guān)機(jī)工況；當(dāng)點火開關(guān)開啟，且診斷請求為編程模式時，進(jìn)入編程工況；當(dāng)車速為怠速，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速小于最低值，水溫大于98 ℃，且診斷請求為診斷測試模式時，進(jìn)入診斷測試工況[5-8]。

關(guān)機(jī)工況中主延遲監(jiān)控仍進(jìn)行。當(dāng)在關(guān)機(jī)工況中檢測到點火開關(guān)又一次為開啟狀態(tài)時，則可以從關(guān)機(jī)工況返回到正常運行工況；當(dāng)檢測到發(fā)動機(jī)已經(jīng)停止，則轉(zhuǎn)換到關(guān)機(jī)后存儲工況。

在關(guān)機(jī)后存儲工況過程中，需要完成其它的后處理工作，如完成運行數(shù)據(jù)存儲和故障碼存儲。完成后通過主延遲關(guān)斷控制單元，進(jìn)入斷電狀態(tài)，直到下一次系統(tǒng)上電。

編程工況主要是向主機(jī)刷寫程序，使產(chǎn)品程序更新成為可能。編程工況通過點火開關(guān)關(guān)斷系統(tǒng)供電而退出。

診斷測試工況主要是進(jìn)行發(fā)動機(jī)的特定功能測試，如壓縮測試、加速測試等。診斷測試完成后進(jìn)入關(guān)機(jī)工況。

2.2 發(fā)動機(jī)正時控制策略

影響防爆電控柴油機(jī)燃油噴射控制的精度和準(zhǔn)確度的最重要因素是防爆電控柴油機(jī)的正時識別，該因素是防爆電控柴油機(jī)能按照設(shè)計順序進(jìn)行噴射的保證。防爆電控柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速信號由曲軸傳感器提供，實時位置信號由凸輪軸傳感器提供。這2 種信號為柴油機(jī)燃油噴射的時鐘，燃油噴射的精度和準(zhǔn)確度由這2種信號的精度和準(zhǔn)確度決定。2 種信號如果出現(xiàn)錯誤和偏差將會引起嚴(yán)重的后果。因此為防止曲軸傳感器和凸輪軸傳感器出現(xiàn)問題而造成信號錯誤，設(shè)計了一套新的獨立的啟動系統(tǒng)。

防爆電控柴油機(jī)電控單元為了保證在最正確的時刻把燃油噴射到對應(yīng)的缸體內(nèi)，就必須能精確地確定曲軸位置和目前工作的是哪一個缸[6-9]。保證電控單元正常工作的根本是位置正時。其工作原理是轉(zhuǎn)速傳感器把轉(zhuǎn)速信號傳輸給ECU，然后ECU 通過電控單元綜合判斷防爆電控柴油機(jī)此時工作的是哪一個缸，計算出曲軸此時所在的位置。

防爆電控柴油機(jī)電控部分通過獲取轉(zhuǎn)速傳感器感應(yīng)凸輪軸和曲軸齒盤后的轉(zhuǎn)速信號來實現(xiàn)位置正時。安裝在凸輪軸和曲軸的齒盤決定了防爆電控柴油機(jī)采用的正時策略。曲軸和凸輪軸采用了不同的正時策略。由于安裝在曲軸上齒盤的齒數(shù)較多，為了能夠精準(zhǔn)快速地判斷出曲軸的實時位置，曲軸齒盤大部分情況下都采用缺齒的方式來實現(xiàn)。凸輪軸齒盤和曲軸齒盤不同，相對齒數(shù)少。根據(jù)不同的要求可分為單齒和多齒2 種不同的結(jié)構(gòu)。單齒結(jié)構(gòu)只是在工作時第1 個缸到達(dá)其上止點前發(fā)出信號，因此1 個齒就可以滿足要求。多齒結(jié)構(gòu)是指在實現(xiàn)單齒結(jié)構(gòu)功能的基礎(chǔ)上，還應(yīng)該在2～6 缸（以6 缸為例）各自處于其壓縮階段的上止點前發(fā)出其信號。防爆電控柴油機(jī)凸輪軸轉(zhuǎn)速信號所用齒盤使用多齒結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是，當(dāng)曲軸傳感器出現(xiàn)故障時，防爆電控柴油機(jī)仍可以正常工作。以6 缸為例，防爆電控柴油機(jī)所安裝曲軸齒盤的齒數(shù)一般為（60-2）個齒，而凸輪軸齒盤的齒數(shù)一般為（6+1）個齒。

轉(zhuǎn)速和位置信號在正常情況下可以直接進(jìn)入正常起動處理流程，系統(tǒng)讀取位置同步信號中斷，判別中斷發(fā)生位置是否處在曲軸同步窗口范圍之內(nèi)，如果實現(xiàn)同步則進(jìn)入同步后的噴射處理，否則等待下一次凸輪軸中斷的到來，在實現(xiàn)同步之前，對曲軸中斷不予理會。系統(tǒng)如果發(fā)現(xiàn)只有位置傳感器正常而轉(zhuǎn)速傳感器出現(xiàn)故障，則進(jìn)入位置信號單獨起動處理流程，系統(tǒng)讀取位置信號中斷，識別出位置傳感器信號中的同步信號即認(rèn)為系統(tǒng)完成同步，但會影響后續(xù)的噴油精度。系統(tǒng)如果發(fā)現(xiàn)只有轉(zhuǎn)速傳感器正常而位置傳感器出現(xiàn)故障，則進(jìn)入轉(zhuǎn)速信號單獨起動處理流程，由于缺少位置傳感器中的同步信號，要判別出同步比較困難，在本系統(tǒng)中，采用試噴的方式進(jìn)行判斷。轉(zhuǎn)速傳感器單獨起動工作模式激活以后，電控系統(tǒng)通過試噴油之后檢測發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速來定位1 缸位置，從而確定準(zhǔn)確的噴油順序。發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器單獨起動成功的標(biāo)志是，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速值和轉(zhuǎn)速梯度均超過設(shè)定門限值。

2.3 燃油噴射控制策略

燃油噴射器和單體泵實現(xiàn)同步之后，開始響應(yīng)中斷請求。中斷內(nèi)部分為靜態(tài)中斷、缺齒中斷和動態(tài)中斷，靜態(tài)中斷用于完成時間片任務(wù)中需要由中斷任務(wù)進(jìn)行計算的部分，中斷任務(wù)運行相對比較長的代碼均在此部分運行；缺齒中斷在系統(tǒng)中用于預(yù)置噴射的粗略位置，并預(yù)置防爆電控柴油機(jī)所裝防爆單體泵結(jié)構(gòu)中電磁閥的啟動時間及啟動時刻；動態(tài)中斷的主要功能是根據(jù)噴油角度時鐘精確計算噴油開始時刻和噴油持續(xù)時間，并由相應(yīng)硬件完成噴油驅(qū)動[7-10]。

噴油角度時鐘用來控制噴油信號位置精度，正常模式下采用跟隨曲軸位置的方式進(jìn)行，噴油提前角和噴油持續(xù)期都是以角度的概念進(jìn)行計算，設(shè)計中采用將6°CA（一個轉(zhuǎn)速信號的曲軸角度）平均分割256 份，因此噴油信號的位置精度最高可達(dá)到0.023 4 °CA。因此在防爆電控柴油機(jī)曲軸的轉(zhuǎn)角位置設(shè)計精密的位置傳感器，配備高配置、大內(nèi)存的計算機(jī)，并采用精準(zhǔn)合適的控制方式，就可以滿足精準(zhǔn)計時控制的要求。動態(tài)中斷發(fā)生時，計算出噴油導(dǎo)入時間，在系統(tǒng)中各缸對應(yīng)下降沿觸發(fā)可以有效避免高速時由于處理器對中斷的處理所造成的時間延遲；導(dǎo)入時間完成以后，由時間處理單元根據(jù)當(dāng)前的采樣時間和當(dāng)前的齒數(shù)計算得出電磁閥開啟的時間。這樣做的好處是可以避免由于導(dǎo)入時間過長使單個曲軸齒采樣時間過度滯后，造成計算不精確。

防爆電控柴油機(jī)依靠噴射電磁閥的快速響應(yīng)來實現(xiàn)防爆單體泵的噴射功能。為了按照預(yù)期實現(xiàn)噴射電磁閥的快速響應(yīng)，就需要在工作初始狀態(tài)，峰值電流能夠快速注入電磁閥上纏繞的線圈，使電磁閥上安裝的銜鐵能夠快速吸合。此時，只需要很小的電流就可以保證電磁閥的銜鐵能夠牢固地吸合，原因是電磁閥中因其間隙變小，導(dǎo)致磁阻很快降低。當(dāng)電磁閥的銜鐵需要打開時，應(yīng)該快速切斷驅(qū)動電流以避免電磁閥釋放延時。

2.4 油量控制策略

供油量控制主要包括起動控制、低怠速控制、駕駛性控制、巡航控制、車速限制、高怠速控制、油量限制及發(fā)動機(jī)制動等，這些控制模式由油量控制邏輯模塊統(tǒng)一進(jìn)行協(xié)調(diào)和仲裁，實現(xiàn)對油量的精確控制。

3 結(jié)論

文章從理論上對防爆電控柴油機(jī)單體泵燃油系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行了研究，得出正時關(guān)系、燃油噴射、油量控制是ECU 控制策略的關(guān)鍵，其直接影響了防爆電控柴油機(jī)的排放性能，為防爆電控柴油機(jī)ECU 控制策略的進(jìn)一步研究提供了理論參考，對防爆電控柴油機(jī)電控技術(shù)的發(fā)展有著重要的意義。文章的研究還缺乏實際驗證，下一步可通過臺架試驗和道路試驗進(jìn)行實際驗證，并做進(jìn)一步的完善和改進(jìn)。