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1、上海交通大学 硕士学位论文 柴油机高压共轨系统ECU的研究与设计 姓名：马建民 申请学位级别：硕士 专业：轮机工程 指导教师：万曼影;黄河 20080123 上海交通大学硕士论文 柴油机高压共轨系统 ECU 的研究与设计 I 柴油机高压共轨系统 ECU 的研究与设计 摘 柴油机高压共轨系统 ECU 的研究与设计 摘 要要 当前能源问题已经十分紧迫，随着市场供应的不足和国际原油 价格的不断上涨，逐渐演变成“能源危机” ；加上日益严格的排放法 规，迫使柴油机朝着低污染、低油耗和高比功率的方向发展。而喷 油系统是柴油机的心脏,能源短缺和环保要求的不断提高推动了柴 油机电控技术的快速发展。作为20世纪
2、末内燃机行业的三大突破进 展之一的高压共轨电控柴油机，能够实现理想的喷油规律，被认为 是解决节能和环保双重压力的最有效、最经济的手段之一。高压共 轨系统一般分为三部分：传感器、ECU和执行器，而ECU的研究与设 计又是难点与重点，所以本文对柴油机电控系统的核心电控燃油喷 射系统的电控单元(ECU)进行设计。 本论文首先介绍了国际上最具代表性的 Bosch 公司的高压共轨 系统，然后论述本电控系统的软硬件设计和控制策略设计，其中硬 件系统设计分为 MCU 模块设计、输入电路模块设计、输出驱动模块 设计和通信模块设计，在输入电路模块中利用 Cadence 和 MultiSim 电路软件对电路进行了
3、仿真分析和最优化处理；在软件系统设计方 上海交通大学硕士论文 柴油机高压共轨系统 ECU 的研究与设计 II 面介绍了 OSEK/VDX 标准、电控系统“V”型开发方案、系统软件结 构， 设计了电控系统的底层软件架构， 并给出了底层软件中 GPI、 GPO、 ADC、PWM 和 SPI 等模块的详细设计方案。在控制策略方面，详细分 析了轨压控制策略，喷油量、喷油定时和喷油速率的控制策略，并 设计了最小系统的控制策略。 硬件试验分析表明所设计的硬件电路能在所搭建的线束实验台 上可靠地运行；软件测试分析表明所设计的底层软件系统具有一定 的可靠性和可扩展性。 关键词：关键词：高压共轨系统，ECU，硬
4、件设计，软件设计，控制策略 上海交通大学硕士论文 柴油机高压共轨系统 ECU 的研究与设计 III STUDY AND DESIGN FOR ELECTRONIC CONTROL UINT OF HIGH PRESSURE COMMON RAIL SYSTEM FOR DIESEL ABSTRACT Nowadays, with the short supply and the rising price of the international crude oil, the energy problem is very urgent, and it has been becoming ener
5、gy crisis gradually. In addition to the increasing strict exhaust laws，diesel engine has been forced to low pollution, low oil consumption and promote the ratio power. Oil injection system is the heart of the diesel engine, and the lack of energy and the increasing strict exhaust laws promote the ra
6、pid development of electronic control science and technology of diesel engine. As one of the three breakthroughs of internal-combustion engine industry in the end of 21st century, Electronic control high pressure common rail is able to complete the desired fuel injection rate, which is commonly cons
7、idered to be one of the most effective and economical measurement to resolve the problems of saving energy and protecting environment. High pressure common rail system mainly includes three parts: Sensor, ECU and implementation device. Since the study and design of the ECU is the crux and has great
8、上海交通大学硕士论文 柴油机高压共轨系统 ECU 的研究与设计 IV difficulties, this paper mainly designs the electronic control oil injection system which is the key of the electronic control system of diesel. The paper firstly introduces the most representative CR high pressure common rail system which is made from BOSCH, then
9、discusses the design of its hardware and software and control strategy. The design of hardware contains the design of MCU module, input circuit module, output driver module and communication module. Some circuits of the input circuit module also give the simulation analysis and optimization by Caden
10、ce and MultiSim software. In the design of software, this paper mainly introduces the OSEK/VDX criterion, “V” type development model of electronic control system and software architecture, and gives the detailed design scheme for GPI, GPO, ADC, PWM and SPI modules. In the part of control strategy, t
11、his paper mainly analyzes the control strategy for common rail oil pressure, quantity of injection, time of injection and velocity of injection. In tha last, this paper gives control strategy for the least system. Tests and analysis show that the hardware circuit can work normally in wiring harness
12、experiment platform, and low layer driver system has some credibility and expansibility. 上海交通大学硕士论文 柴油机高压共轨系统 ECU 的研究与设计 V Key words: High Pressure Common Rail System, ECU, Hardware Design, Software Design, Control Strategy 上海交通大学上海交通大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除
13、文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：2008 年 1 月 23 日 上海交通大学上海交通大学 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、 使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学
14、位论文。 保密保密，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期：2008 年 1 月 23 日 日期：2008 年 1 月 23 日 上海交通大学硕士论文 柴油机高压共轨系统 ECU 的研究与设计 1 第一章第一章 绪论绪论 1.1 研究背景研究背景 能源短缺尤其是石油短缺是全球性的问题，而作为经济快速增长的中国在 能源方面保持着强劲的需求1。当前，中国资源的“红灯”已经亮起，其中石油 资源的短缺十分突出，据专家估计，中国已探明的石油可采储量约为 23 亿吨， 2004 年中国累计进出口原油 1.2 亿吨，
15、石油对外依存度已达到 40%。 目前，我国汽车消耗燃油约占全国总石油消费的三分之一。预计 2010 年， 汽车燃油需求为 1.38 亿吨，占总消费的 43%；2020 年燃油需求为 2.56 亿吨，占 总消费的 57%；而到了 2030 年，这一比例将有可能达到 77%。汽车数量的增长 将导致原油对外依存度进一步加剧，而石油能源是国家的战略物质，所以节能 已经不是简单的节省资源问题，而是关系到国家的能源可持续发展和国家安全 的战略问题。 目前我国机动车燃油经济性水平普遍偏低，总体而言比欧洲低 25%，比日本 低 20%，比美国整体水平低 10%。如何有效降低汽车的燃油消耗，是中国在大力 发展汽车工业时不得不面临的严峻问题。 而且随着经济的繁荣，汽车越来越多。汽车尾气的排放造成的大气污染也 更为严重。汽车排放污染物主要有 HC（碳氢化合物） 、NOx（氮氧合物） 、CO （一氧化碳） 、PM（微粒）等2，它们主要通过汽车排气管排放，将近 45%的 HC 和极小数的其它污染物质则由曲轴箱和燃油系统排放。这些污染物中，CO
