CN105888864A - 一种高压共轨柴油发动机自动电子调速装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种高压共轨柴油发动机自动电子调速装置，其特征在于：包括依次连接的PID调节电路、输出处理及保护电路、ECU，还包括分别与PID调节电路连接的转速信号给定电路、转速处理及调理电路，以及与转速处理及调理电路连接的转速传感器，其中ECU与柴油发动机连接，转速传感器安装在柴油发动机内。本发明通过自动控制ECU的油门信号大小来控制ECU的喷油量输出大小，达到发动机在不同输出功率的情况下，自动保持特定的转速。

Description

一种高压共轨柴油发动机自动电子调速装置及方法

技术领域

本发明涉及发动机转速控制领域，特别涉及一种高压共轨柴油发动机自动电子调速装置及方法。

背景技术

高压共轨(Common Rail)电喷技术技术是新一代的柴油机供油控制技术，是指在高压油泵、压力传感器和电子控制单元(ECU)组成的闭环***中，将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开的一种供油方式。它是由高压油泵将高压燃油输送到公共供油管，通过公共供油管内的油压实现精确控制，使高压油管压力大小与发动机的转速无关，可以大幅度减小柴油机供油压力随发动机转速变化的程度。相比传统柴油发动机具有更好的动力性、燃油经济性与更环保的排放性能，功率体积比也具有明显的提升。

高压共轨柴油发动机多作为车用发动机，其转速变化采用了油门踏板进行控制，无法进行自动调速，因此目前高压共轨柴油发动机无法在此基础上进行二次开发，比如用作发电机组的动力源。其主要原因，其一，其改装较为复杂；其二，市面上没有专门的控制器进行自动调速，采用油门踏板无法实现转速的自动控制。上述两个原因，特别是第二个因素，是限制了高压共轨柴油发动机的用作其他用途的关键点。如开发一种基于高压共轨的柴油发电机组，转速随着负载的变化而波动将无法进行使用，需要将发动机的转速固定在一个相对稳定的值，后端发电机的输出才能相对稳定。

随着国家对节能排放的环保的越来越重视，高压共轨柴油发动机依其燃油经济性、排放环保型等优点，应用场合也会越来越多。因此有必要提供一种新的高压共轨柴油发动机自动电子调速装置来满足需求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种高压共轨柴油发动机自动电子调速装置。

本发明的另一目的在于提供一种高压共轨柴油发动机自动电子调速方法。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

一种高压共轨柴油发动机自动电子调速装置，包括依次连接的PID调节电路、输出处理及保护电路、ECU(即Electronic Control Unit，电子控制单元)，还包括分别与PID调节电路连接的转速信号给定电路、转速处理及调理电路，以及与转速处理及调理电路连接的转速传感器，其中ECU与柴油发动机连接，转速传感器安装在柴油发动机内。

所述PID调节电路包括轨到轨的运算放大器N1、电阻R1、R2、R3、R4，还包括电容C1、C2、C3、C4，以及第一电源去耦电路和后端输出分压滤波电路，其中电阻R1的一端连接转速信号给定电路的输出端，另一端连接运算放大器N1的同相输入端；电阻R2的一端连接转速处理及调理电路的输出端，另一端连接运算放大器N1的反向输入端；第一电源去耦电路置于运算放大器N1的供电电源接入端；电容C1、C2、C3并联后一端依次与电阻R3、R4串联，电阻R4的另一端与运算放大器N1的反向输入端电连接，电容C1、C2、C3并联后的另一端与运算放大器N1的输出端连接；电容C4的一端与运算放大器N1的反向输入端电连接，另一端与运算放大器N1的输出端连接；后端输出分压滤波电路的一端与运算放大器N1的输出端连接，另一端连接输出处理及保护电路的输入端。该部分是调速核心电路，可通过调整不同位置的电阻值及电容值来调配PID参数，实现***最优化；其中转速信号给定电路的输出端输出的是给定电压Vset，转速处理及调理电路的输出端输出的是转速反馈信号Vback。

所述第一电源去耦电路包括电容C5、C6，其中电容C5、C6并联后的一端与运算放大器N1的供电电源接入端相连接，另一端接地。

所述后端输出分压滤波电路包括电阻R5、R6，以及电容C7，其中电阻R5的一端与运算放大器N1的输出端连接，另一端连接输出处理及保护电路的输入端；电阻R6与电容C7并联后的一端连接输出处理及保护电路的输入端，另一端接地。

所述输出处理及保护电路包括运算放大器N2、电阻R7、R8、R9、R10，还包括第二电源去耦电路、限压与反接保护电路，其中电阻R7的一端连接PID调节电路的输出端，另一端连接运算放大器N2的同相输入端；电阻R8的一端接运算放大器N2的反相输入端，另一端接地；电阻R9的一端接运算放大器N2的反相输入端，另一端接运算放大器N2的输出端；电阻R10的一端接运算放大器N2的输出端，另一端接限压与反接保护电路；第二电源去耦电路置于运算放大器N2的供电电源接入端。输出处理信号及保护电路信号最终将PID电路的实时调整的电压信号进行一级跟随(Vout1)，和二级2倍放大处理(Vout2)，最后经过限压与反接保护处理。其中Vout1连接到R7的一端，R7的另一端连接到N2的第3脚(即同相输入端)，R7、R8、R9和预算放大器N2组成放大网络(放大2倍)，有N2的第1脚(即输出端)连接到R10进行输出，一级跟随电压(Vout1)连接到ECU的油门开关的踏板传感信号1端，二级2倍放大电路(Vout2)连接到ECU的油门开关的踏板传感信号2端。两路电压必须保持第二路是第一路的两倍关系，发动机才能正常加速，否则，发动机处于怠速保护状态。

所述第二电源去耦电路包括电容C8、C9，其中电容C8、C9并联后的一端与运算放大器N2的供电电源接入端相连接，另一端接地。

所述限压与反接保护电路包括电容C10、隧道二极管V1，其中电容C10、隧道二极管V1并联后的一端接ECU，另一端接地。该电路的目的是限压目的是防止输出电压过高，导致发动机高速失控，对后端用电设备造成损害；反接保护是防止负压进入ECU造成ECU的损坏。

所述转速处理及调理电路包括运算放大器N3、电阻R11、R12、R13，还包括电容C10、C11、C12，其中电阻R11的一端连接转速传感器，另一端连接运算放大器N3的同相输入端；电阻R12的一端连接运算放大器N3的反相输入端，另一端接地；电阻R13的一端连接运算放大器N3的反相输入端，另一端接运算放大器N3的输出端；电容C10的一端连接运算放大器N3的同相输入端，另一端接地；电容C11、C12并联后的一端与运算放大器N3的供电电源接入端相连接，另一端接地；运算放大器N1的输出端连接PID调节电路。转速处理及调理电路将转速传感器给出的信号经过放大、滤波等电路等组成。转速传感器的作用是检测转速，将转速信号转换为电压信号输出到转速处理及调理电路，经过放大电路放大，在经过滤波电路进行噪声滤波后给到PID调节电路的反馈端(-端)。在电路中，转速传感器信号连接到R11的一端，R11的另一端连接C10滤波后直接连接到N3的第3脚(即同相输入端)，并与R12、R13组成运放电路，由N3的第1脚(即输出端)直接输出。最后的输出信号连接到PID调节电路的Vback端。

所述转速信号给定电路包括MCU芯片、运算放大器N4、电阻R14、R15，还包括电容C13、C14、C15、C16，其中电阻R14的一端接MCU芯片，另一端接运算放大器N4的同相输入端；电容C13的一端接地，另一端接运算放大器N4的同相输入端；运算放大器N4的反相输入端与运算放大器N4的输出端，电阻R15的一端接运算放大器N4的输出端，另一端连接PID调节电路；电容C14、C15并联后的一端与运算放大器N4的供电电源接入端相连接，另一端接地；电容C16的一端接运算放大器N4的输出端，另一端接地。电阻R15连接PID调节电路的一端是转速信号给定电路的输出端输出的是给定电压Vset。

本发明的另一目的通过以下的技术方案实现：

一种高压共轨柴油发动机自动电子调速方法，包括以下顺序的步骤：

S1.上电后ECU处于工作状态，启动发动机，发动机启动约5s时间(具体时间视环境等情况未定)，启动成功后ECU输出5V电压，自动调速***得电工作；

S2.MCU定时一段时间后，缓慢给定输出电压，以达到退积分饱和的目的，并判断机器现在需要的状态，如果在怠速状态，则给定电压让机器处在怠速运行状态；若以设定速度正常运行(如1500rmp)，则给定电压让机器处于设定转速状态，此时，机器转速稳定，***工作正常；

S3.在负载发生变化时，PID***随时进行自动调整使机器始终处于稳定的设定速度运行：

(1)采集转速信号，采集的转速信号为模拟信号，将模拟信号转换成数字信号，并传输至PID调节电路；

(2)给定PID的参数，在启动的时进行逐次累加给定，进行退饱和处理和或者采用模拟电路给定，并采用积分退饱和电路；

(3)调整P、I、D各项的参数，使其转速在稳态时的波动率和突加突卸时的调整率符合其要求；

S4.当工作结束后，将发动机的状态调整至怠速状态，冷却机器，后断电关机，整个工作过程结束。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

本发明采集发动机转速信号，对转速信号进行闭环PID控制来模拟自动电子油门，通过自动控制ECU的油门信号大小来控制ECU的喷油量输出大小，达到发动机在不同输出功率的情况下，自动保持特定的转速。

附图说明

图1为ECU的控制原理图。

图2为本发明所述一种高压共轨柴油发动机自动电子调速装置的结构示意图。

图3为图2所述调速装置的PID调节电路的电路图。

图4为图2所述调速装置的输出处理及保护电路的电路图。

图5为图2所述调速装置的转速信号给定电路的电路图。

图6为图2所述调速装置的转速处理及调理电路的电路图。

图7为本发明所述一种高压共轨柴油发动机自动电子调速方法的流程图。

图8本发明实施例中负载50％稳态调速效果图。

图9本发明实施例中负载50％突加突卸的调速效果图。

图10本发明实施例中负载100％突加突卸的效果图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图1，在图1中给出了ECU的复杂控制信号示意图，从图中我们可以看出ECU通过复杂的数字与模拟量对柴油机的轨压进行实时控制，从而通过电子喷油嘴进行喷油量的控制，进而实现柴油机不同的负荷载量，转速相同的情况下的柴油机的输出功率和配油量大大小有直接的关系，最终表现在控制电路中就是给定电压的大小值。

如图2，一种高压共轨柴油发动机自动电子调速装置，包括依次连接的PID调节电路、输出处理及保护电路、ECU(即Electronic Control Unit，电子控制单元)，还包括分别与PID调节电路连接的转速信号给定电路、转速处理及调理电路，以及与转速处理及调理电路连接的转速传感器，其中ECU与柴油发动机连接，转速传感器安装在柴油发动机内。

如图3，所述PID调节电路包括轨到轨的运算放大器N1、电阻R1、R2、R3、R4，还包括电容C1、C2、C3、C4，以及第一电源去耦电路和后端输出分压滤波电路，其中电阻R1的一端连接转速信号给定电路的输出端，另一端连接运算放大器N1的同相输入端；电阻R2的一端连接转速处理及调理电路的输出端，另一端连接运算放大器N1的反向输入端；第一电源去耦电路置于运算放大器N1的供电电源接入端；电容C1、C2、C3并联后一端依次与电阻R3、R4串联，电阻R4的另一端与运算放大器N1的反向输入端电连接，电容C1、C2、C3并联后的另一端与运算放大器N1的输出端连接；电容C4的一端与运算放大器N1的反向输入端电连接，另一端与运算放大器N1的输出端连接；后端输出分压滤波电路的一端与运算放大器N1的输出端连接，另一端连接输出处理及保护电路的输入端。该部分是调速核心电路，可通过调整不同位置的电阻值及电容值来调配PID参数，实现***最优化；其中转速信号给定电路的输出端输出的是给定电压Vset，转速处理及调理电路的输出端输出的是转速反馈信号Vback。

所述第一电源去耦电路包括电容C5、C6，其中电容C5、C6并联后的一端与运算放大器N1的供电电源接入端相连接，另一端接地。

所述后端输出分压滤波电路包括电阻R5、R6，以及电容C7，其中电阻R5的一端与运算放大器N1的输出端连接，另一端连接输出处理及保护电路的输入端；电阻R6与电容C7并联后的一端连接输出处理及保护电路的输入端，另一端接地。

如图4，所述输出处理及保护电路包括运算放大器N2、电阻R7、R8、R9、R10，还包括第二电源去耦电路、限压与反接保护电路，其中电阻R7的一端连接PID调节电路的输出端，另一端连接运算放大器N2的同相输入端；电阻R8的一端接运算放大器N2的反相输入端，另一端接地；电阻R9的一端接运算放大器N2的反相输入端，另一端接运算放大器N2的输出端；电阻R10的一端接运算放大器N2的输出端，另一端接限压与反接保护电路；第二电源去耦电路置于运算放大器N2的供电电源接入端。输出处理信号及保护电路信号最终将PID电路的实时调整的电压信号进行一级跟随(Vout1)，和二级2倍放大处理(Vout2)，最后经过限压与反接保护处理。其中Vout1连接到R7的一端，R7的另一端连接到N2的第3脚(即同相输入端)，R7、R8、R9和预算放大器N2组成放大网络(放大2倍)，有N2的第1脚(即输出端)连接到R10进行输出，一级跟随电压(Vout1)连接到ECU的油门开关的踏板传感信号1端，二级2倍放大电路(Vout2)连接到ECU的油门开关的踏板传感信号2端。两路电压必须保持第二路是第一路的两倍关系，发动机才能正常加速，否则，发动机处于怠速保护状态。

所述第二电源去耦电路包括电容C8、C9，其中电容C8、C9并联后的一端与运算放大器N2的供电电源接入端相连接，另一端接地。

所述限压与反接保护电路包括电容C10、隧道二极管V1，其中电容C10、隧道二极管V1并联后的一端接ECU，另一端接地。该电路的目的是限压目的是防止输出电压过高，导致发动机高速失控，对后端用电设备造成损害；反接保护是防止负压进入ECU造成ECU的损坏。

如图6，所述转速处理及调理电路包括运算放大器N3、电阻R11、R12、R13，还包括电容C10、C11、C12，其中电阻R11的一端连接转速传感器，另一端连接运算放大器N3的同相输入端；电阻R12的一端连接运算放大器N3的反相输入端，另一端接地；电阻R13的一端连接运算放大器N3的反相输入端，另一端接运算放大器N3的输出端；电容C10的一端连接运算放大器N3的同相输入端，另一端接地；电容C11、C12并联后的一端与运算放大器N3的供电电源接入端相连接，另一端接地；运算放大器N1的输出端连接PID调节电路。转速处理及调理电路将转速传感器给出的信号经过放大、滤波等电路等组成。转速传感器的作用是检测转速，将转速信号转换为电压信号输出到转速处理及调理电路，经过放大电路放大，在经过滤波电路进行噪声滤波后给到PID调节电路的反馈端(-端)。在电路中，转速传感器信号连接到R11的一端，R11的另一端连接C10滤波后直接连接到N3的第3脚(即同相输入端)，并与R12、R13组成运放电路，由N3的第1脚(即输出端)直接输出。最后的输出信号连接到PID调节电路的Vback端。

如图5，所述转速信号给定电路包括MCU芯片、运算放大器N4、电阻R14、R15，还包括电容C13、C14、C15、C16，其中电阻R14的一端接MCU芯片，另一端接运算放大器N4的同相输入端；电容C13的一端接地，另一端接运算放大器N4的同相输入端；运算放大器N4的反相输入端与运算放大器N4的输出端，电阻R15的一端接运算放大器N4的输出端，另一端连接PID调节电路；电容C14、C15并联后的一端与运算放大器N4的供电电源接入端相连接，另一端接地；电容C16的一端接运算放大器N4的输出端，另一端接地。电阻R15连接PID调节电路的一端是转速信号给定电路的输出端输出的是给定电压Vset。

如图7，一种高压共轨柴油发动机自动电子调速方法，包括以下顺序的步骤：

S1.上电后ECU处于工作状态，启动发动机，发动机启动约5s时间(具体时间视环境等情况未定)，启动成功后ECU输出5V电压，自动调速***得电工作；

S2.MCU定时一段时间后，缓慢给定输出电压，以达到退积分饱和的目的，并判断机器现在需要的状态，如果在怠速状态，则给定电压让机器处在怠速运行状态；若以设定速度正常运行(如1500rmp)，则给定电压让机器处于设定转速状态，此时，机器转速稳定，***工作正常；

S3.在负载发生变化时，PID***随时进行自动调整使机器始终处于稳定的设定速度运行：

(1)采集转速信号，采集的转速信号为模拟信号，将模拟信号转换成数字信号，并传输至PID调节电路；

(2)给定PID的参数，在启动的时进行逐次累加给定，进行退饱和处理和或者采用模拟电路给定，并采用积分退饱和电路；

(3)调整P、I、D各项的参数，使其转速在稳态时的波动率和突加突卸时的调整率符合其要求；

S4.当工作结束后，将发动机的状态调整至怠速状态，冷却机器，后断电关机，整个工作过程结束。

如图8中，在带载50％的情况下，其稳态转速带≤0.5％，满足要求GJB5785-2009《军用内燃发电机组通用规范》的相关要求；

图9为本发明实施例中负载50％突加突卸的调速效果图，其瞬态调整率≤8％，回复时间≤3S，满足要求GJB5785-2009《军用内燃发电机组通用规范》的相关要求；

图10本发明实施例中负载100％突加突卸的效果图，其瞬态调整率≤10％，回复时间≤3S，满足要求GJB5785-2009《军用内燃发电机组通用规范》的相关要求。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高压共轨柴油发动机自动电子调速装置，其特征在于：包括依次连接的PID调节电路、输出处理及保护电路、ECU，还包括分别与PID调节电路连接的转速信号给定电路、转速处理及调理电路，以及与转速处理及调理电路连接的转速传感器，其中ECU与柴油发动机连接，转速传感器安装在柴油发动机内。

2.根据权利要求1所述高压共轨柴油发动机自动电子调速装置，其特征在于：所述PID调节电路包括轨到轨的运算放大器N1、电阻R1、R2、R3、R4，还包括电容C1、C2、C3、C4，以及第一电源去耦电路和后端输出分压滤波电路，其中电阻R1的一端连接转速信号给定电路的输出端，另一端连接运算放大器N1的同相输入端；电阻R2的一端连接转速处理及调理电路的输出端，另一端连接运算放大器N1的反向输入端；第一电源去耦电路置于运算放大器N1的供电电源接入端；电容C1、C2、C3并联后一端依次与电阻R3、R4串联，电阻R4的另一端与运算放大器N1的反向输入端电连接，电容C1、C2、C3并联后的另一端与运算放大器N1的输出端连接；电容C4的一端与运算放大器N1的反向输入端电连接，另一端与运算放大器N1的输出端连接；后端输出分压滤波电路的一端与运算放大器N1的输出端连接，另一端连接输出处理及保护电路的输入端。

3.根据权利要求2所述高压共轨柴油发动机自动电子调速装置，其特征在于：所述第一电源去耦电路包括电容C5、C6，其中电容C5、C6并联后的一端与运算放大器N1的供电电源接入端相连接，另一端接地。

4.根据权利要求2所述高压共轨柴油发动机自动电子调速装置，其特征在于：所述后端输出分压滤波电路包括电阻R5、R6，以及电容C7，其中电阻R5的一端与运算放大器N1的输出端连接，另一端连接输出处理及保护电路的输入端；电阻R6与电容C7并联后的一端连接输出处理及保护电路的输入端，另一端接地。

5.根据权利要求1所述高压共轨柴油发动机自动电子调速装置，其特征在于：所述输出处理及保护电路包括运算放大器N2、电阻R7、R8、R9、R10，还包括第二电源去耦电路、限压与反接保护电路，其中电阻R7的一端连接PID调节电路的输出端，另一端连接运算放大器N2的同相输入端；电阻R8的一端接运算放大器N2的反相输入端，另一端接地；电阻R9的一端接运算放大器N2的反相输入端，另一端接运算放大器N2的输出端；电阻R10的一端接运算放大器N2的输出端，另一端接限压与反接保护电路；第二电源去耦电路置于运算放大器N2的供电电源接入端。

6.根据权利要求5所述高压共轨柴油发动机自动电子调速装置，其特征在于：所述第二电源去耦电路包括电容C8、C9，其中电容C8、C9并联后的一端与运算放大器N2的供电电源接入端相连接，另一端接地。

7.根据权利要求5所述高压共轨柴油发动机自动电子调速装置，其特征在于：所述限压与反接保护电路包括电容C10、隧道二极管V1，其中电容C10、隧道二极管V1并联后的一端接ECU，另一端接地。

8.根据权利要求1所述高压共轨柴油发动机自动电子调速装置，其特征在于：所述转速处理及调理电路包括运算放大器N3、电阻R11、R12、R13，还包括电容C10、C11、C12，其中电阻R11的一端连接转速传感器，另一端连接运算放大器N3的同相输入端；电阻R12的一端连接运算放大器N3的反相输入端，另一端接地；电阻R13的一端连接运算放大器N3的反相输入端，另一端接运算放大器N3的输出端；电容C10的一端连接运算放大器N3的同相输入端，另一端接地；电容C11、C12并联后的一端与运算放大器N3的供电电源接入端相连接，另一端接地；运算放大器N1的输出端连接PID调节电路。

9.根据权利要求1所述高压共轨柴油发动机自动电子调速装置，其特征在于：所述转速信号给定电路包括MCU芯片、运算放大器N4、电阻R14、R15，还包括电容C13、C14、C15、C16，其中电阻R14的一端接MCU芯片，另一端接运算放大器N4的同相输入端；电容C13的一端接地，另一端接运算放大器N4的同相输入端；运算放大器N4的反相输入端与运算放大器N4的输出端，电阻R15的一端接运算放大器N4的输出端，另一端连接PID调节电路；电容C14、C15并联后的一端与运算放大器N4的供电电源接入端相连接，另一端接地；电容C16的一端接运算放大器N4的输出端，另一端接地。

10.一种高压共轨柴油发动机自动电子调速方法，其特征在于，包括以下顺序的步骤：

S1.上电后ECU处于工作状态，启动发动机，启动成功后ECU输出5V电压，自动调速***得电工作；

S2.MCU定时一段时间后，缓慢给定输出电压，并判断机器现在需要的状态，如果在怠速状态，则给定电压让机器处在怠速运行状态；若以设定速度正常运行，则给定电压让机器处于设定转速状态，此时，机器转速稳定，***工作正常；

S3.在负载发生变化时，PID***随时进行自动调整使机器始终处于稳定的设定速度运行：

(1)采集转速信号，采集的转速信号为模拟信号，将模拟信号转换成数字信号，并传输至PID调节电路；

(2)给定PID的参数，在启动的时进行逐次累加给定，进行退饱和处理和或者采用模拟电路给定，并采用积分退饱和电路；

(3)调整P、I、D各项的参数，使其转速在稳态时的波动率和突加突卸时的调整率符合其要求；

S4.当工作结束后，将发动机的状态调整至怠速状态，冷却机器，后断电关机，整个工作过程结束。