2.3.3　柴油機的控制策略

(1)控制策略的含義

在自動控制領域中,針對任何一個受控對象,都會有相應的控制目標。為了實現這些控制目標,必須有對應的控制方法。這些控制方法總的集合被稱為控制策略。

在前文的敘述中,我們已了解到電控柴油機的一些執行器,其中最重要的是電控燃油系統。對這些執行器實現有效的控制,是使柴油機實現正常工作、發揮最大效能、保持最小油耗、獲得最佳排放效果的必要條件。針對任何一種控制需求,必須制訂對應的控制策略。

在ECU軟件工程中提到的控制策略,常包含著更廣的含義。我們常將處理任何一種通過控制過程實現的信號采集、處理、控制輸出的方法統稱為控制策略。因此,可將控制策略理解為ECU軟件為實現一項工作(信號采集、處理、控制)而制訂的具體方法。對于電控柴油機的控制策略,可以做以下區別:

1)結構設置策略

結構設置策略是與柴油機結構布局設置有關的方法和規劃。例如:對于曲軸的信號齒,必須考慮它的結構設置。前面介紹的60-2曲軸齒、4+1凸輪軸齒的設置就是一種使用較多的結構。不同的選擇將有不同的使用結果。有的電控發動機的凸輪軸信號齒在一個循環內只產生一個脈沖信號,我們稱單齒信號結構。

如果將前面所提到“60-2”與“4+1”相配合,可以使柴油機不僅可依靠曲軸和凸輪軸信號的配合實現正常工作邏輯,而且僅依靠凸輪也能使柴油機實現較正常的運行,實現在曲軸信號故障時“緩慢回家”。而單齒信號凸輪則難以實現這一功能。盡管這一功能并不是車輛必需的,但從結構設計時就考慮清楚其對功能的影響是很重要的,避免到了后期實現時受到限制。從前面對于“60-2”與“4+1”結構的介紹中可以看出,由于曲軸信號每循環內重復兩次,即使用有缺齒的信號輪,也無法通過曲軸信號實現對相位的確認。凸輪軸周內只轉一圈,通過凸輪齒上的特征位置可以確定相位起點。

凸輪軸信號輪一般都較小,不易在凸輪軸信號輪上布置太多的齒,因此常用的方法是通過凸輪齒上的特征確定曲軸相位的起點,而由曲軸齒計數來實現對相位的較準確定位。了解了這一點后,也可以在對曲軸齒和凸輪軸齒的結構設計上采用不同的策略。例如:在曲軸信號輪上不設置缺齒,這樣可以簡化加工工藝。但這樣在曲軸和凸輪軸的信號波形上就不易判別工作相位的正確與否,只能完全靠設計和安裝的正確性來保證。另外,一種結構布局策略還要影響相應的軟件設計方案,需要細致地加以規劃。

對于常用的60-2這種帶有缺齒的方案,在結構設計時要注意:曲軸缺齒的安裝位置要保證當缺齒通過傳感器時,所有氣缸都不會處在供油位置區域。這是由于在缺齒位置時無法對供油時機做精確定位,因此無法滿足供油定位需求。

2)信號傳感器設置策略

為柴油機控制提供一種外界輸入信號,就必須設置對應的傳感器。在電控柴油機基礎模型EDBM中設置了以下傳感器:

① 曲軸轉角傳感器和凸輪軸轉角傳感器。設置這兩個傳感器的共同作用是通過它們提供的信號,獲得柴油機轉速數據、相位數據和角加速度數據。

② 進氣溫度壓力傳感器。設置這個傳感器的目標是獲得進氣溫度和壓力數據,通過結合氣缸容積完成熱力學計算,獲得氣缸的進氣量。這一進氣量是控制每缸每循環最大允許供油量的基本依據,可實現避免柴油機工作時產生黑煙。用一個進氣流量傳感器也能取得同樣的效果。但進氣流量傳感器的價格遠高于進氣溫度壓力傳感器,因此一般較少采用。

③ 冷卻液溫度傳感器。冷卻液溫度指標可表達當前的柴油機熱狀態,根據柴油機熱狀態可設置不同的怠速目標和對供油量、供油提前角做不同的調整。這些都會決定柴油機運行質量的細節。

④ 燃油溫度傳感器。在電控單體泵系統和電控分配泵系統中都配有這一傳感器。這是由于當燃油溫度升高后油泵的有效供油行程會下降。因此,需要根據燃油溫度做一定量的補償。

⑤ 軌壓傳感器。在共軌系統中設置這一傳感器,用于結合供油時間,確定供油量。

⑥ 加速踏板傳感器。對傳統的柴油機,加速踏板應該屬于車輛的組成部分。但對電控柴油機來說,柴油機工作已經密不可分地與加速踏板的動作結合在一起,因此,應將加速踏板看作柴油機的一個“分離的”部件。

電控柴油機設置上述傳感器,可以看成是傳感器配置策略的最基本方案。如果需要更多的性能,則必須設置更完備的傳感器策略。

如果要使用EGR部件來降低氮氧化物,則會增加EGR閥的位置傳感器。

如果要使用VNT(可調噴嘴環增壓器)設備,則會增加噴嘴環位置傳感器。

如果要引入對空調、動力轉向、空氣壓縮機等功率設備的協調控制機制,則要分別設置對應的開關信號傳感器。

3)信號輸入策略

這里是指各傳感器信號的輸入。傳感器信號是ECU實現控制的依據,因此必須及時地向ECU提供最新的傳感器信號。輸入策略包括信號的輸入頻度或稱采樣頻率、輸入信號的時機選擇、輸入信號的濾波等。實際執行時要綜合考慮信號輸入策略的影響。

信號的采樣頻率反映信號更新的速度。較高的采樣頻率可以使ECU及時得到最新的信號數據。但由于采樣操作也會占用ECU的能力資源,因此,過快的采樣頻率會無謂地耗費ECU的能力。ECU對輸入信號的利用是間歇進行的,如果輸入的速度快于輸入信號的利用頻度,則這種快速輸入沒有意義。

例如:對某信號數據,ECU在柴油機一個工作循環內只利用一次,則如果安排在柴油機一個工作循環內輸入兩次這一數據,則必將有一次還未利用就被新讀入的數據覆蓋掉,原來讀入時消耗的資源就全都浪費了。另外,有的物理量(如冷卻液溫度、燃油溫度等)在柴油機工作時自身的變化速度不會太快,一般在以秒計的時段內都不會發生突然的顯著變化,對于這樣的數據當然也不需要頻繁地讀入。

輸入信號的時機選擇上也要有一定的考慮。輸入信號時要占用一定的處理器資源,而有時處理器資源必須先滿足一些最重要的處理工作。對于目前的柴油機控制而言,最重要的控制是供油控制。因此,如果考慮將信號讀入操作的時機選擇在不可能出現供油操作的曲軸相位區域,就可以保證對供油控制不會有影響。將信號讀入操作和后續的處理都放在處理器較空閑的時間內做合理的分布安排,處理器的能力資源就會得到較好的利用。

對于目前實際系統在輸入信號采樣方面的情況的觀測告訴我們,模擬量輸入信號常會由于一些不易預知的偶然原因產生采樣偏差。因此要采用必要的技術手段將一些可以判知為異常的數據剔除掉,這就是數據的濾波。目前常用的方法是通過軟件處理實現濾波。當然,這也會消耗一定的處理器資源。在處理這些工作時也要考慮到建立任務的時機。

以上所述的只是一般的原則。針對早期的處理器,對這些原則的把握常常能夠成為系統成敗的關鍵。但近年來由于單片機自身功能的快速發展,其處理能力越來越強。在控制柴油機運行這樣的任務中,對于建立任務時機的考慮已經不是太重要的問題了。從已經在使用中的一些柴油機控制系統的運行情況看,對于輸入功能的集中使用并沒有給系統功能帶來不利影響,而這種處理方式簡化了程序的邏輯結構,提高了軟件編制工作的效率。但適當注意這一問題仍是有益的。

4)信號處理策略

信號的處理策略與信號的輸入策略是配合工作的。例如:柴油機的轉速傳感器早期多用同步電動機來產生與轉速成正比的電壓信號。盡管這種設備能夠直接獲得轉速數據,但其作用也僅限于獲得轉速數據。采用信號齒輪結合傳感器的方案,盡管得到的信號要經過特定的處理過程才能得到轉速數據,但是,通過不同的數據處理策略,可以得到多種轉速數據滿足不同的需求。如:可以求出瞬態轉速,從中可以看出轉速隨相位的波動;可按每氣缸分別計算平均轉速,從中分析出各氣缸工作的一致性;可以求出曲軸運行的角加速度,從而解決單缸失火等運行故障判別問題等。

對于多種由模擬信號電壓值的輸入,如冷卻液溫度、進氣溫度與壓力和燃油溫度等,輸入后表現為電壓值的模擬信號量被模數轉換器轉為數字量。對于目前采用的16位單片機而言,大多使用10位的模數轉換器。所獲得的數字量是一個0~1023之間的數。對于有的模擬量而言,這一轉換后的值可以直接被用于控制。例如對于加速踏板而言,可以直接利用其輸入值來完成控制。但對于大多數具有確定物理含義的信號而言,一般都采用輸入信號→對應物理量→控制利用的策略過程。例如:先獲得冷卻液溫度的輸入信號數字量,再將這一數字量轉換為對應的溫度值,然后將這一溫度值利用于控制過程。這種做法有兩方面的好處。一是可以得到直觀的、習慣使用的物理量值,便于調試時的決策。例如:針對50℃的冷卻液溫度,在控制上應采取何種策略更合適?專業工程人員可以直接做出判斷。但如果只根據冷卻液溫度的數字采樣值則難以直接決策。二是有利于元件的代換。實際實現輸入信號→對應物理量的過程時,一般都采用關系脈譜的方式來計算確定。對應一種傳感器,即有相應的關系脈譜明確其信號量與物理量的對應值。但對于不同產品型號,關系脈譜是不同的。對于某一電控系統,如果更換冷卻液溫度傳感器,只要將對應的關系脈譜更新一下即可,其他的軟件部分都不需做任何更改。

如表2?13所示是某型冷卻液溫度傳感器用在某型ECU上關系脈譜的簡化表達。

關系脈譜是軟件系統的一部分,目前許多系統這部分是向用戶(柴油機生產商)開放的。柴油機生產商可以根據自己的實際需要采購傳感器,通過測試標定獲得關系脈譜,然后即可在系統中使用這種傳感器。

(2)控制策略的實施方法

對于柴油機控制軟件的設計制作而言,其最基礎的工作就是制訂合理的、可行的控制策略;然后針對確定的控制策略編制對應的程序算法;接著才是通過使用計算機語言編寫實際的控制程序。

1)策略制訂

制訂柴油機控制策略的前提是對柴油機的工作過程控制需求要有深入的了解。近年來,由于柴油機電控技術的普及,許多原來從事柴油機性能研究的專業人員在了解計算機控制技術的前提下,開始介入了柴油機電控的策略制訂工作。這促進了柴油機電控技術的實用化。

柴油機控制策略主要需要解決以下控制問題:

① 輸入必需的信號并完成這些信號的處理,獲得綜合的控制數據。

② 定時、定位地產生控制動作,主要是輸入動作、供油動作和其他輸出控制動作。其中定時主要依賴于軟件中的實時中斷RmI和自由運行計數器,而定位主要依賴于曲軸中斷中的齒位并可配合時間計算來確定。

根據操作要求,對于供油的量和時機做出調節。

上述的控制問題是互相關聯的。例如:供油的量會影響到供油時機的調整。控制供油是電控系統最主要的任務。因此,一般先根據主要的條件(轉速、加速踏板位置)確定每次供油量,然后針對一些相對次要的條件(冷卻液溫度、燃油溫度、電源電壓、進氣量等)對每次供油量做出補償或限定,再確定對應的供油提前角。這種方法適用于大多數情況。

針對柴油機怠速時的控制有一些要特殊處理的要求。此時由于加速踏板沒有動作,柴油機完全在自動控制的條件下工作,要自動地處理此時發生的一些運行情況。例如對于目前的電控柴油機車輛,不僅需要在怠速下啟動和行駛,還必須在怠速下滿足空調、動力轉向、空氣壓縮機等系統的工作條件。因此要想滿足對怠速運行的性能需求,就需要詳細地制訂在怠速條件下針對各種工況變化情況而采取的處理策略。

2)程序算法規劃

針對控制策略的算法規劃,是實現控制策略的下一步工作。算法規劃涉及對處理器資源的利用,是具體實現控制策略的實際步驟。由于柴油機工作過程控制決策有時涉及較多計算量,故如何在極短的時間內完成這些計算也是算法規劃所要解決的問題。例如:在控制每次供油量時,要涉及“最大供油量”的限值。有如下公式:

　　　　　　　gcyl=m/(α?L)

　　={[(p_kV_sε)/(10-6ε-10-6)]/[(RT_k)/(αL)]}/1000

Vcyl=gcyl/γ

式中　p_k——進氣壓力,MPa;

　　T_k——進氣溫度,K;

　　V_s——單缸排量,cm3;

　　ε——壓縮比,取14;

　　m——單缸進氣量,g;

　　R——空氣氣體常數,J/(kg·K);

　　α——最小過量空氣系數,取1.5;

　　L——理論空燃比,g/g,取14.3;

　　gcyl——單缸每循環最大供油質量,g;

　　γ——燃油密度,g/mm3,取0.0005g/mm3;

　　Vcyl——單缸每循環最大供油體積,mm3。

這個公式已經能夠較好地滿足對最大供油量的限定需求,不會給動力性帶來太多不利影響。但是,這個計算式增加了一定的計算量。在柴油機運行的過程中,每缸工作一次都要完成這種計算會對處理器造成很大負擔。如果此類的計算負擔太大,則ECU難以完成相關的控制工作。

實際處理這類問題的算法規劃時,一般都采用脈譜化的處理方式。如:針對上一問題有:gcyl=f(p_k,T_k)。對p_k和T_k按一定的間隔在其有效值范圍內取值,然后按上式完成計算,形成gcyl的二維數據表。即:

p_k取值:p_k1,p_k2,…,p_kn

T_k取值:T_k1,T_k2,…?,T_km

而有gcyl[p_ki,T_kj]=f(p_ki,T_kj),這將會獲得n×m個gcy值,形成一個平面矩陣,對于任意的(p_k,T_k)變量值,可以用線性插值的方式求得對應的函數值,即:

如有:p_k≤p_k≤p_ki₊₁;T_k≤T_k≤T_kj₊₁

則有:

gcylp₁=geyl[p_ki,T_kj]+(geyl[p_ki₊₁,T_kj]-geyl[p_ki,T_kj_?])(p_k-p_kj)/(p_ki₊₁-p_kj)

gcylp₂=geyl[p_ki,T_kj₊₁]+(gcyl[p_ki₊₁,T_kj₊₁])-(gcyl[p_ki,T_kj₊₁])(p_k-p_ki)/(p_ki₊₁,T_kj)

gcyl=f(p_k,T_k)=gcylp₁+gcylp₂-gcylp₁(T_k-T_kj?)/(T_kj₊₁-T_kj)

以上是較簡單的線性插值計算,對比原公式的計算量大大減少。這種方式在實現控制的過程中被普遍采用。

3)程序實現

對于用計算機程序來實現算法,是具體實現策略的技術手段。在這一過程中主要應注意要充分運用對程序的優化和簡化,盡量減少源碼的容量,以利于在嵌入式系統中實現。實現查表操作的功能時,建立和使用公共的服務函數,這樣會很大程度上減少源代碼,也有利于源碼的調試。

(3)電控柴油機常用控制策略

1)曲軸信號和凸輪軸信號輸入策略

處理曲軸齒信號和凸輪軸齒信號的基本需求是為了獲得當前齒號。對于曲軸齒號來說從0到119的齒號可以將相位精度定位在6°范圍內。進一步的處理可獲得更高的位置精度或者時間精度。

利用曲軸信號脈沖的下降沿引發中斷,來使ECU捕獲發生中斷的時機;通過針對缺齒部分脈沖的甄別,能夠判別齒計數的開始位置。由于缺齒位置少了2個齒,從圖2?12中可看出其對應的脈寬是正常脈寬的3倍。

盡管這是在柴油機勻速轉動時的情況,但由于齒夾角只有6°,可以認為鄰齒間轉速改變不會太大。因此可以確定以下策略:在曲軸中斷處理程序中,對每個齒的脈寬都進行記錄。當本次脈寬超過上次脈寬2倍時,則認為當前齒為缺齒后第1齒,可編為0號或60號齒。由于曲軸信號在一個工作循環內重復兩次,圖2?12中曲軸的兩處缺齒信號是曲軸信號輪上同一處缺齒引發的。因此單靠曲軸信號盡管可以確定缺齒后第1齒,但無法確定是0號齒還是60號齒。

為了確定是0號齒還是60號齒,我們同時考慮對凸輪軸齒信號的處理。在我們的模型中,凸輪軸齒是4+1布局,其中多齒下降沿在前后兩齒下降沿的前1/4處。當柴油機轉動時,每個工作循環凸輪軸齒信號循環一次。每當輸入口捕獲到下降沿信號時,會如同曲軸信號處理那樣記錄本次信號與上次信號間的脈寬。如果發現本次脈寬小于上次脈寬的1/2,則判定當前齒是多齒,齒計數不變;如果發現本次脈寬大于上次的2倍,則認為當前齒是1號齒。其他的情況齒計數加1,在配合凸輪軸計數時,曲軸的0號齒可以很容易地確定:當明確當前曲軸齒是缺齒后第1齒時,檢查當前的凸輪齒號,如果當前凸輪齒號是2,則當前曲軸齒號是0,否則應是60。

通過這樣的計數,相位定位可達到齒一級的精度。但是,由于在我們的模型中,每一齒的曲軸轉角為6°,也就是說,這種定位的精度不會過6°曲軸轉角。要實現更細的控制精度,就要考慮進一步的策略。

通過齒計數(針對曲軸和凸輪軸信號齒)和對應的齒脈寬,可以求得動態的平均轉速和角速度。以計算每循環平均速度為例:使用120個元素的數組記錄每個齒對應的脈寬,求得這些脈寬的累加和,即為曲軸轉兩圈的累計時間。由此可以算出當前每循環平均轉速。當計數到下一個齒的脈寬時,在原來的脈寬累加和中減去原數組中對應本齒的原脈寬值,加上本次新的本齒脈寬值,可以算出新的累加和,并得到新的每循環平均轉速。同時,用新的齒脈寬值替代數組中對應齒的脈寬值,為下一輪計算準備好數據。以上方法稱為移動平均計算法,用類C語言表達為:

2)輸入信號處理策略

從傳感器輸入的信號主要有開關信號和模擬信號兩類。對于開關信號,在普通的自動控制技術中一般要通過一定的延時來重復讀入,來消除由于開關振動引起的信號抖動。對于模擬信號,則需要對輸入的信號做軟件濾波處理,通過多次采樣的結果,過濾掉其中由于偶然的信號波動造成的無效數據。

① 信號的輸入時機。由于大多數信號都是處在動態變化的過程中,所以需要每隔段時間就更新原來輸入的數據。對于開關信號,也可以通過中斷的方式輸入,例如:一旦在輸入線上出現高電平就引發中斷,轉到中斷服務程序上做對應處理。但事實上對于目前大多數ECU中的處理器而言,有中斷功能的輸入口一般都較少,需要用于必須快速響應的處理項目。而對于一般可能有的開關信號輸入,如空調開關、空氣壓縮機開關、助力轉向開關和前照燈開關等,由于需要的響應速度都不是太快,因此都是與模擬信號的輸入方式一樣,采用定時執行輸入口掃描的輸入操作方式來實現的。

在 RTI_Sub函數中加入以下代碼:

　　這一段代碼的含義,是每隔約0.5s執行一次進氣溫度值的輸入任務。

對于目前ECU中常用的單片機,其信號采集速度是非常快的。例如:對于飛思卡爾9s12DJ256芯片而言,用于一次模數轉換過程的時間只有7μs;而對開關信號的采樣時間遠不到1μs。因此,在實際的ECU軟件中,可以每隔一個短時間將所有的開關信號和模擬信號統一輸入更新一次。常用的有兩種方法:一種是定時式;另一種是定位式。上一段代碼中反映的就是定時式的方式。無論在柴油機的任何工況下,都是每隔一固定時間輸入一次信號。這種方法簡單易行且只要ECU開始運行信號輸入就開始工作;而定位式的方式是針對曲軸位置實現對輸入操作的控制,一般可以柴油機每工作循環或若干個循環采樣一次。

通過在曲軸中斷處理函數中的齒計數,將輸入數據的時機定位在某一個齒位置。這種方法的好處是隨著柴油機轉速的上升,采樣速度也隨之同步加快,數據的更新速度與轉速的加快相適應,能夠完成更及時的控制。但這種方法顯然只是當曲軸轉動時才有機會執行輸入操作。而當柴油機無轉速時則輸入數據也都不更新了,這會無法滿足啟動過程對數據的需求。因此,在柴油機停止時不能采用這種信號輸入方式。

② 模擬信號輸入后的濾波。前面提到了由于輸入過程的不穩定可能產生個別異常的信號,造成模擬輸入量信號失常,這些異常的信號應通過軟件濾波的方式去除掉。這里介紹一種常用的軟件濾波方式的算法。

設定數組變量Data[6]和Data1[6],用最初的4個輸入量填入Data[1]~Data[4],將它們的平均值填入Data[0]。然后每次輸入數據后:

a.采集新的輸入量填入Data[5],將Data數組元素對應賦值給Data1數組元素。

b.對 Datal數組元素做排序。

c.對 Datal數組中 Datal[1]~Datal[4]求出平均值,將這一值賦給Data[0],執行Data [2]→Data[1]、Data[3]→Data[2]、Data[4]→Data[3]、Data[5]→Data[4]。

d.將Data[0]作為本次采樣的輸出值。

由以上算法策略中可以看出,對于異常值將會在排序后被舍棄掉,不會對其后實際得到的平均輸出值有影響。

3)基本控制過程策略

在此對電控柴油機基礎模型EDBM的基本控制過程做一下描述。參照本章圖2?5,從主程序流程圖開始。

當ECU加電后,軟件從主程序開始執行。主循環開始之前,主要是先完成一些系統初始化功能,也會完成控制層的初始化設置,如對某些變量置初值等。當然,也可能會有較復雜的控制任務開始執行(例如機內時鐘啟動等)。在完成初始化基本設置后程序會打開各個中斷標記(稱為開中斷),然后程序會進入主循環部分。

在主循環中,主要是單純地重復執行任務服務函數TS。這一函數的功能在前文已介紹。它只是使當前任務隊列中排在最前的任務得到執行。如果當前沒有被激活的任務,則TS什么也不做,只是做循環運行,等待任務來臨和響應中斷。

當開中斷后,所有已經設置好的中斷功能都會開始工作。這主要是實時中斷(RTI)、曲軸信號中斷、凸輪信號中斷和供油計時中斷等。但如果此時柴油機未啟動,曲軸信號等運行中斷信號都還不會有,只有實時中斷開始工作。實時中斷中會執行對傳感器信號輸入任務的定時激活,激活后這些信號輸入任務會在主循環中得到執行。因此,各模擬量和開關量傳感器的信號輸入更新都開始正常實現了。至此我們已經能夠獲得了動態的冷卻液溫度、進氣溫度、進氣壓力、燃油溫度和加速踏板位置這些數據。開始啟動后,曲軸信號中斷、凸輪信號中斷都開始發生。每發生一次這些中斷,就會進入一次對應的服務程序,完成對應的工作。這些工作的完成實現了以下目標:提供了實時的轉速值;提供了當前的齒號,而齒號從結構上定位了柴油機的當前相位;提供了供油控制參數;還能提供更進一步的數據,如曲軸角加速度等。不過這些數據是用于更細化的控制的,對于基本的運行控制還用不上。

當啟動轉速達到一定值時,按柴油機控制的需求,應該向氣缸內供油了。以后的工作過程都要靠供油來保證。但是,柴油機不同的運行狀態,對于供油方式的要求有很大不同。例如:啟動時的運行目標是實現順利地啟動,此時加速踏板位置處在完全放開的狀態;而啟動實現后,加速踏板如果還是處在完全放開的狀態,我們一般說柴油機進入怠速暖機過程。這時的控制目的有著不同的要求,對于供油的方式也有不同的要求;如果加速踏板被踩動,則可理解為操作者希望提供更多的油量,滿足車輛啟動、負載增加的需求。

總之,啟動后對供油控制的要求,必須細分為不同的情況。可以說表現出了柴油機控制中針對不同情況的不同要求。為了實現滿意的控制,目前的處理方式是將柴油機工作狀態根據當前的運行數據和加速踏板值做出判斷,將其歸入某一“工況”。而針對每個工況設置不同的控制策略通過軟件實現控制,以滿足各工況不同的具體控制需求。

4)工況區分策略

在我們的實例中,用全局變量A_Mode來描述柴油機工況。針對A_Mode的不同值,實施不同的控制策略。但各工況之間的轉換是有特定條件的,對柴油機的運行工況做以下區分:

① 停止工況(stop condition)。設定 A_Mode值為0。基本描述的是柴油機停止運行時的工況狀態。當柴油機ECU加電后,在初始化運行時會將A_Mode置為0。

② 啟動工況(start condition)。設定A_Mode值為1。描述的是柴油機啟動運行時的工況狀態。

③ 怠速工況(idle condition)。設定A_Mode值為2。怠速工況描述的是啟動完成后加速踏板沒有動作時的工況狀態。

④ 常規工況(normal condition)。設定A_Mode值為3。常規工況描述的是操作加速踏板對柴油機實現正常工作操作的工況狀態。

⑤ 限速工況(limit condition)。設定A_Mode值為4。限速工況描述的是柴油機轉速進入限速區后的工況狀態。

⑥ 超速工況(Overspeed Condition)。設定A_Mode值為5。超速工況描述的是柴油機轉速超過最高限速時的工況。

各工況之間的轉換關系如圖2?16所示。

停止工況是開機后就會進入的一個工況狀態。啟動時,當轉速的提高達到某一限定值時,則會進入啟動工況開始供油;如果在啟動工況時轉速下降到限定值則會回到停止工況。啟動工況只可能由停止工況進入,如果啟動失敗將會回到停止工況;如果啟動過程成功則會進入怠速工況。

怠速工況可由啟動工況由于啟動成功而進入,如果在怠速狀態下由于載荷過大造成轉速過低,則會回到停止工況;在怠速工況下如果踩下加速踏板,則會進入常規工況;在常規工況下如果松開加速踏板,則會回到怠速工況。

常規工況可由怠速工況通過操作加速踏板而進入。在常規工況下,如果松開加速踏板將會回到怠速工況;如果由于載荷過大造成轉速過低則會回到停止工況;如果轉速升高超過限速轉速則會進入限速工況,在限速工況下如果轉速降低則會回到常規工況。

限速工況是為了對速度超限做限制而設置的。其基本的控制目標是使轉速不再上升,但應盡量保持轉速平穩。在常規工況下如果轉速上升超過限速轉速,則會進入限速工況;在限速工況下如果轉速下降,則會回到常規工況。

超速工況是一種最終保護狀態。通過中斷供油避免轉速的上升。

在實際使用時,還要對各工況間的轉換條件做細化的描述。另外,在實際應用中,常常對工況的區分做更細致的處理。一般來說對工況的區分做得越細致,則對柴油機的控制策略就可能越有針對性。因此,工況區分的細致程度常可以反映策略方案的完備程度。

5)各工況處理策略

對各工況的設置和區分的目標是針對不同工況分別制訂對應的控制策略并在控制軟件上加以實現。各工況的控制策略,其控制的對象主要是供油量、供油時機和噴油規律。其控制的依據都是根據輸入數據和輸入數據處理所得到的工況狀態。

① 停止工況。進入停止工況后,必須切斷供油,并重新初始化所有的供油參數,為啟動做好準備。

② 啟動工況。處于啟動工況時,主要是根據當前轉速、冷卻液溫度來設置合適的每次供油量和供油提前角,滿足啟動時對于動力性和排煙限制的要求。另外,要設置由啟動工況進入怠速工況的條件(例如:連續若干次轉速測試值高于某值)。一旦條件滿足,則認為啟動成功,進入怠速工況;如果連續若干次轉速測試值持續下降,則認為啟動操作失敗,轉為停止工況。

③ 怠速工況。怠速工況控制要滿足以下幾方面的工作目標。

a.穩定運行。由于怠速工況的特征是加速踏板完全放開,因此,必須由控制系統自動控制供油過程。目前一般采用在怠速下的轉速PID控制,其基本控制原理為:設定一個目標轉速,通過計算獲得當前轉速與目標轉速的差分和二級差分,根據這些差分值確定對每次供油的調整量。PID的控制效果是使轉速能夠盡可能地穩定于怠速目標轉速值。

b.暖機過程。對于柴油機而言,暖機是指開機后通過在怠速下運行一段時間來實現熱狀態的建立和平衡,為承受較大負載做好準備的過程。對于較大型的柴油機,暖機是必須嚴格執行的操作步驟。即使是小型柴油機,在嚴寒的冬季仍應執行暖機過程以保證設備安全。對于電控柴油機而言,一般用設定怠速目標轉速的方式來控制怠速過程。當柴油機在較冷狀態(ECU系統能夠從冷卻液溫度值做出判別)下啟動后,為了能穩定地實現怠速運行,一般都設置較高的怠速轉速目標值。隨著冷卻液溫度的升高,可將這一怠速轉速目標值逐步降低。最終完成暖機后,在較低的轉速下實現穩定的怠速。

c.怠速帶載。怠速下帶載的情況主要有怠速下開啟較大的功率設備(空調、空氣壓縮機、前照燈、動力轉向泵等)和怠速下起步。怠速下帶載也是通過PID控制來實現的,但是,在怠速下起步或行駛,如果載荷較大,會對PID控制的調節能力有較高的要求。為了能實現較大的PID調節能力,有時需要將目標轉速調高一些。

④ 常規工況。車輛正常行駛時,一般多數時間運行在常規工況下。在常規工況下每次供油量將主要由操縱者通過加速踏板來控制。一般較大的加速踏板位移量對應較大的每次供油量。但具體實現的加速踏板策略則會有許多細節考慮。例如:在較低的速度下操縱,要求對油量的調節比較細致,單位加速踏板位移量可對應較少的油量改變量;而在較高的速度下操縱,可以讓單位加速踏板位移量對應較多的油量改變量。另外,由于要考慮突發性的阻力減小造成車速的自動上升,故可以采用在同一加速踏板位移下,供油量隨轉速上升而下降的策略,這可以增加操作上的穩定性。

⑤ 限速工況。當柴油機轉速接近設定的上限時,要使每次供油量隨轉速上升而較大幅度地減小。這樣會有效地遏制轉速繼續上升,使轉速無法通過加速踏板的控制而繼續增加。

⑥ 超速工況。這是為意外事件設置的工況。有了限速工況的制約,柴油機轉速一般難以在限速之上繼續上升。但如果由于外部原因(如阻力過小)造成轉速達到超速轉速,則超速控制策略會完全切斷燃油的供給,使柴油機停止主動運行。

6)供油時機控制策略

在供油時機選擇上,我們實際需求的精度要求要遠遠高于6°。例如:我們希望供油提前角為11°。在圖2?12中我們可以看出,上止點對應的位置是缺齒后第11齒(從0號開始編號)的下降沿位置,供油提前角的1°,將對應第9齒后1°的位置。為了解決這一定位精度問題,我們制訂如下的曲軸信號處理策略。

先確定供油提前角的11°對應第9齒整齒號,確定11°的供油提前角位置在第9齒整齒后的某一時間到達。由于整齒時都有中斷處理發生,故可以準確確定時間。為確定整齒后到達供油位置的時間,設當前的平均角速度為AngleSpeed(單位是1/s)。考慮到在1個齒的短時間內,平均角速度 AngleSpeed不會發生太大變化,我們將當前平均角速度 AngleSpeed看作常數,這樣可以得到曲軸轉過x(在此x=1°)的時間應為:

t_A=x/(AngleSpeed×180/3.1416)?(s)

前面供油驅動中介紹的dt_q1時間段,其實就對應著t_A時間段。獲得t_A值后,可以用于實現較精確的供油控制。

要獲得上述t_A值的前提是先得到 AngleSpeed(當前角速度)量,因此要求能夠及時提供柴油機轉速信號供完成上述策略計算時使用。在本小節“曲軸信號和凸輪軸信號輸入策略”一段中我們介紹了按齒更新 AngleSpeed值的計算方法。用此方法求得的角速度值能夠滿足對供油提前角精確定位的需求。