第三部分
发动机控制
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发动机控制的结构和组成
发动机电子控制代表了命令不同燃烧功能的中心。它由电子控制元件(ECU)、传感器、执行器、和通讯系统组成。下文中介绍了ECU的结构和控制组件的综述如给出的传感器、执行器和一些辅助单元。
5.1 发动机控制结构和功能模块
发动机控制的功能可以被描述为考虑硬件结构、软件结构和等级管理控制功能
5.1.1 硬件结构
图5.1.1描述了一个策划ECU硬件和传感器、执行器连接的面向块(block-oriented)
ECU是基于一或两个微控制器，组成：
- 微处理器。它包括中央处理单元(CPU)和拥有来源于程序内存的执行命令控制单元和处理算术的逻辑单元(ALU)和逻辑运算。CPU执行流量控制和地址管理和命令译码程序。处理发生在一个循环(10纳秒100兆赫兹)并向外部储存器输出。
- 存储器。微处理器运作于不易失和易失存储器。随机存储器(RAM)是读或写易失存储，RAM是作为微处理器的主要存储。当没有电压时他的内容会丢失。静态RAM(SRAM)保留之前的信息直到它被覆盖或者供电被切断。动态RAM(DRAM)有更少的电源消耗，但是它必须被重写在读取之后和在一段时间间隔之后，这是为了补偿它的自放电。
图5.1.1一个汽油机ECU硬件结构
只读存储器(ROM)是稳定的。它储存的所有程序和数据会被保留即使在切断电源时也不会改变。ROM储存控制功能或函数的通常代码和常量数据，这些由制造商编程。如果由用户编程，可编程只读存储器(PROM)将被应用。
一些类型的ROM可以被擦除和重新编写。可擦除可编程只读存储器(EPROM)可以被紫外线辐射擦除并重新编写。电可擦可编程只读存储器(EEPROM)可以用一个分离装置在ECU中被电擦除或者重新编程。一个优点是每行内存可以被单独重写。另一个发展是闪存(Flash EPROMrsquo;s)。它们允许擦除，或者刷新完整的内存存储通过电脉冲和重新编程通过使用编程装置。如果闪存是ECU的一部分，则穿上可以使用闪光。因此，闪存已经成为代表它们允许修改在发动机生命周期中稳定存储。
微处理器中的算术单元和控制单元经由内部总线操作不同类型的内存。RAM通常储存易变化的数据。程序指令和永久数据被储存在ROM中。
协处理器可以通过内部总线联系主微处理器并且至少有部分用于监控主处理器功能(函数)和任务扩充。主微处理器通过地址和数据总线通过平行的8、16或32位结构与外部存储器(ROM、RAM)输入、输出接合点联系。
- 输入接口。输入模块为外部传感器或开关和微处理器提供联系。它们收到模拟、二进制或数字输入信号，并把信号传递到微处理器中。模拟电信号会被过滤，转化为均匀电压，并通过多路复位器、延迟部件和模数变换器(ADC)。数字输入被要求为文字。至于增量传感器输入信号变化的数字是由计数电路加工的。一个总线接口允许与其他的ECU相连，如自动变速器和底盘控制(ESC/TRC)
- 输出接口。输出接口为执行机构和继电器提供连接服务。基于驾驶者和传感器的输入，微型计算机会估计操纵变量给发动机。微处理器输出的低电平信号背激励级放大到各执行器的需要。通常驱动器可以提供足够的能量给执行器，至于大电流散热风扇，驱动器会打开一个继电器。特殊功能的驱动器被电感点火系统所需要。基于计算点火时间和点火驱动，点火线圈为火花塞引发高电压。
燃油喷射量取决于燃油喷射器的持续时间和燃油压力。微处理器为注射的开始和持续时间传送数字信号。在高压共轨直接喷射系统的情况下，喷射持续时间非常短。作为特殊应用，特别是前发电机的直流/直流转换信号，例如65伏，这会产生一个升压电流峰值，然后是一个保持电流，以驱动喷油器。比例作用电磁致动器的螺线管驱动器由高频脉宽调制电压控制。脉宽调制信号例如由专用专用集成电路产生。带二极管的H桥允许升压，以实现两个方向的快速磁场变化。电动节气门的位置通过一个氢桥进行控制，以实现电机速度和位置在两个方向的受控变化。
图5.1.1总结了电子控制单元微控制器的各种部件，并显示了输入侧的各种传感器和开关以及输出侧操纵发动机的不同执行器和继电器。表5.1.1给出了过去20年汽油发动机电子控制单元技术数据的发展概况。在此期间，时钟频率从12MHz增加到150 MHz，数据总线宽度从8位增加到32位，EPROM的程序存储从32千字节增加到2兆字节(大约数字)。计算性能从大约10加到300MIPS，见图1.3.1。在过去10年中，输入变量(传感器)和操纵输出变量的增加导致控制功能的大幅度扩展，并因此导致校准参数(标签)的大幅增加，从大约4.000增加到16.000，见表5.1.2柴油发动机的发展也有类似的印象，见表5.1.3图5.1.2也以图形形式总结了过去十年汽油和柴油发动机的发展。电子控制单元硬件设计的两个例子如图5.1.3所示。
表5.1.1汽油电子控制单元一些技术数据的发展
表5.1.2开发发动机控制输入和所需校准标签的数量，Klar和Klages (2009 )
表5.1.3博世柴油机电子控制单元的开发，另见图1.3.1和5.1.2
5.1.2软件结构
发动机电子控制单元的软件结构非常复杂。它是分层和模块化组织的，必须符合强实时性要求。发动机控制应与车辆的平均动力训练控制相连接。图5.1.4显示了发动机控制本身是动力系统管理和车辆运动控制的一部分的结构。动力系统管理还包括变速器(自动或手动换档)和可能的电气驱动(例如混合动力驱动的起动机/发电机)。车辆运动控制包括动力系和底盘，形式为牵引力控制(TCS)、电子稳定控制(ESC)、自适应巡航控制(ACC)，参见图1 . 1 . 1。通过这种方式，软件功能块被定义为具有定义接口的封闭单元。这些功能软件可以部分集成在ECU中，如TSC和ACC，也可以在其他ECU中实现，如自动变速器或制动系统(ESC)。
发动机控制软件的第一个总体细分可以通过区分基础软件和应用软件来实现，Stuhler等人( 2010年)，见图5.1.5。基础软件在较低层次上用于组织从输入部件到微型计算机和输出部件的数据流。这包括通过模拟、数字和二进制输入读取传感器数据或设定值，或向各驱动级发送命令信号，以及通信和部件诊断任务。因此，基础软件是面向硬件的、ECU专用的，并且独立于ECU的应用程序。
汽油机ECU性能开发
柴油机ECU性能开发
图5.1.2 cuperformance ( 1998 - 2009 )的发展，考特证券有限公司。汽油发动机。
图5.1.3电子控制单元硬件设计示例。a Motronic MED 17，Scholl ( 2007年)。欧洲大陆汽车有限公司( 2011年)轻型商ECU(Freescale MPC 555，40MHz，包括驱动器)。
应用软件在更高级别上运行，并执行发动机控制和一些车辆控制功能。它通过输入组件的基础软件功能接收输入值，并将控制输出发送到基础软件输出组件。软件的应用原理与硬件无关。它的结构与主发动机部件——燃油系统、空气系统、点火、燃烧、冷却、排气系统以及车辆运动相关，参见图5.1.4，并且是面向功能的。这些主要部件包括控制功能块，如用于燃烧或发动机充气控制的喷射控制、点火控制和扭矩控制以及用于空气系统的EGR。这些汽油和柴油发动机控制功能将在下一节中讨论.。
对于软件的开发，应用了特殊的工具。它们可以分为功能开发工具、软件实现工具和校准工具。整个过程遵循虚拟开发方案，这将在第二章中描述。软件实现是通过手动编程或自动代码生成来执行的。
软件功能开发例如通过使用MATLAB/ Simulink开始，并通过预编译器转移到语言C。然后用特殊的编译器将这个C程序转换成机器代码。例如，该程序通过工业物流仓库系统和开发环境来实现，如来自数据空间的目标链接或来自ETAS的ASCET，参见第一章。6 .
5.1.3发动机控制功能块
内燃机的总体控制由离散事件或曲柄角或时间相关的控制功能组成。转动点火钥匙后，必须启动ECU。它通过不同的离散ECU状态，例如启动、初始化控制器、硬件和软件测试以及发动机启动程序，如图5 . 1 . 6第一部分所示。然后启动命令让起动机转动并根据特定启动程序启动发动机。因此，该程序遵循某个启动程序，并因此经历不同的离散状态。
图5.1.4风线、动力列车和车辆控制系统功能块的分层结构，Eisath和Brandl (2007 )。
图5.1.5电子控制单元的软件结构，Stuhler等人( 2010 )。
发动机运行还区分不同的离散发动机状态，见图5.1.6方框二。启动时，必须区分冷启动和热启动阶段。接下来是预热阶段。同样，对于怠速控制，必须提供冷或热状态。预热后，发动机达到正常运行状态。不同的发动机状态需要发动机控制功能的某些设定点或校正系数。它们可以用状态图或带有节点和边的状态机来表示。从一种状态到另一种状态的转变取决于条件，例如环境和冷却剂或过滤器的温度。其他离散事件包括换向、催化剂或微粒过滤器的产生或跛行回家模式，以及最终发动机的关闭。
内燃机的主要控制功能要么取决于曲柄角度，要么取决于时间，见图5.1.6，方框三。根据燃烧的间歇过程特征，喷射和点火控制取决于曲柄角位置，因此基于曲轴齿轮传感器的脉冲。其他控制功能仅取决于时间，如空气流量和废气再循环流量控制、排放(lambda;)控制、燃料供应控制和冷却剂控制。扭矩控制与喷射和点火曲柄角度相关，与空气和废气再循环流量相关，取决于连续时间。这些控制功能以及相应的致动器和传感器已经在图1.3.5和1.3.7中给出。
另一组是诊断功能，见方框四。它们基于可用的传感器，对传感器、ECU和执行器应用特殊的测试程序，并向故障/故障记忆、驾驶舱切换警告灯和跛行回家控制模块(离散发动机状态)产生输出。传感器数据的评估可以被认为是持续的，而测试程序和带有报警的诊断是离散事件。特别是由于与排放相关的车载诊断功能的增加，诊断功能的范围已经达到所有ECU软件功能的50 %。
图5.1.6中的ECU和发动机的离散状态以及连续控制和诊断功能的布置示出了ECU功能内的分级结构。在ECU启动程序和启动命令后，启动键开始启动程序。最大值是河流的加速和减速，最大值使用工程经济功能开始运行。发动机通过调节相位和控制功能主要获得温度相关的校正值和设定点。换档和排气后处理也会产生影响，例如控制功能的设定点。因此，这些离散的发动机状态比连续控制功能高一级。
诊断功能可视为与控制功能并行的信号处理功能，但对于汽车的安全驾驶功能，诊断功能具有较低的重要性，因为诊断功能仅指示和存储故障，不干预发动机运行，除非有强烈的保护需求，例如，必须触发跛行回家模式。
现代发动机控制系统包含80多个功能块、400多个控制功能，软件包含300多万条代码和程序线，Stuhler等人( 2010 )。
图5.1.6汽油发动机的离散事件状态、控制和诊断功能。
5.2执行器和驱动器
执行器代表信号速度传感器和内燃机之间的线路。机电致动器的基本结构如图5.2.1所示。它由致动器驱动器、机械致动器部件和传感器组成，具有正向能量流和电子反馈控制器。执行器通常操纵过程能量或物质流。所需的致动器驱动需要辅助能量，可以是电动、气动或液压的。如果没有施加信号反馈，致动器被控制前馈，如图5.2.2a )所示。精确的致动通常需要级联控制，包括次要内部控制器(例如位置或电流控制器)和主要外部控制器(例如气流或充气压力控制器，见图5.2.2b )。然后，副控制器补偿摩擦或齿隙，提高驱动速度，并减弱主控制器的非线性特性的影响。发动机气动执行机构通常作为低成本设备使用，因此没有操纵精度的位置反馈。
表5.2.1给出了内燃机执行器和驱动器的概况。它们与制冷系统、燃烧系统、排气系统、冷却和润滑以及辅助设备的相互作用有关。以下类型可区分:
A)带有电动、气动或液压辅助能量的执行器
B)开/关喷射阀和磁开关阀
C)电气驱动、泵和风扇
表5.2.2中说明了A型执行器的特性。它们在功率、功率/重量比、平移或旋转运动以及操纵动力学和精度方面有很大不同，Isermann (2000 )，Isermann (2005 )。这些特征及其优缺点导致了它们在燃烧前的不同，参见英国金属学会( 2010 )。可以对这些机电部件的控制结构进行进一步的分类，如:
- 分散式机电部件
- 传感器、电子设备和放大器的局部集成执行器和驱动器
- 如:燃料喷射泵、电动液压、电动阀门、电动发电机
- 集中控制的执行器和开关
英语原文共 20 页
资料编号：[4720]
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