對置二沖程柴油機噴油驅(qū)動模塊開發(fā)

張永志，劉波瀾，左 哲，崔 濤

（北京理工大學(xué)機械與車輛學(xué)院車輛動力系統(tǒng)技術(shù)重點學(xué)科實驗室，北京 100081）

對置二沖程柴油機起源于德國，后來很多國家都進行了原理樣機的研制。其功率密度和燃油效率都較高，而且零部件較傳統(tǒng)柴油機要少；一個氣缸內(nèi)的2個活塞進行鏡像往復(fù)運動，使得柴油機的平衡性得到了很大的提高，減少了曲軸軸承的負(fù)荷。由于現(xiàn)代排放法規(guī)越來越嚴(yán)格，二沖程柴油機的發(fā)展受到了很大的束縛；但是，柴油機電子控制技術(shù)的應(yīng)用使得對置二沖程柴油機的優(yōu)勢越發(fā)明顯起來。本研究針對某對置二沖程柴油機對噴油時序的要求以及電控噴油器對電磁閥驅(qū)動的要求，進行了相應(yīng)的硬件設(shè)計及試驗研究。

1 對置二沖程柴油機對噴油時序的要求

圖1示出自行研制的某型號對置二沖程柴油機，其為2氣缸4噴油器結(jié)構(gòu)，每個氣缸套上安裝了2個噴油器。

傳統(tǒng)的柴油機每個氣缸中只有1個噴油器，而且各缸的工作是有一定順序的，燃油噴射的控制一般由一個時間處理單元（TPU）來完成，TPU的任務(wù)是順序執(zhí)行的，所以2個氣缸不可能同時工作（即2個噴油器同時噴油）。而對置二沖程柴油機的1個氣缸中裝有2個噴油器，這2個噴油器需要獨立控制，既能同時進行噴油，又可以間隔一定角度噴油。所以，對置二沖程柴油機1個氣缸中的2個噴油器的驅(qū)動模塊需要接在不同的時間處理單元上，這樣才能對這2個噴油器進行獨立控制。

MPC5554微控制器擁有2個獨立的增強型時間處理單元（eTPU），每個eTPU模塊包含32個獨立的通道，每個通道可以處理連續(xù)雙重事件，能夠滿足對置二沖程柴油機對燃油噴射時序的要求。

選取MPC5554作為燃油噴射控制的微控制器，它的eTPU＿A用于控制驅(qū)動模塊A，eTPU＿B用于控制驅(qū)動模塊B。如圖2所示，對于1號氣缸（簡稱1缸）中的2個噴油器，一個由驅(qū)動模塊A驅(qū)動噴油，另一個由驅(qū)動模塊B驅(qū)動噴油；同樣，2號氣缸（簡稱2缸）中的2個噴油器分別由驅(qū)動模塊A和驅(qū)動模塊B驅(qū)動。

2 驅(qū)動模塊總體設(shè)計

驅(qū)動模塊分為驅(qū)動模塊A和驅(qū)動模塊B兩部分，每部分包含2個驅(qū)動子模塊，分別用于驅(qū)動1缸和2缸的噴油器電磁閥。由于每個驅(qū)動子模塊的結(jié)構(gòu)和工作原理都是相同的，因此，以其中1個為例進行說明。驅(qū)動子模塊的原理見圖3，主要包括CPLD、驅(qū)動電路、升壓電路和電流反饋電路4個部分。子模塊中各個部分的功能如下：CPLD用于驅(qū)動邏輯的合成；驅(qū)動芯片將CPLD輸出的信號放大為帶有驅(qū)動能力的信號去控制相應(yīng)MOS管的通斷；升壓電路主要為噴油器電磁閥打開時提供高壓，使其迅速開啟；電流反饋部分用于采集流過噴油器電磁閥的電流并反饋給CPLD，從而調(diào)整輸出驅(qū)動信號的占空比，使電流保持在某設(shè)定值附近。根據(jù)微控制器MPC5554給出的噴油脈寬信號，驅(qū)動子模塊便可以完成對噴油器電磁閥的閉環(huán)控制。

3 驅(qū)動電路設(shè)計

圖4示出具體的驅(qū)動電路原理圖，驅(qū)動芯片選取了具有高低端驅(qū)動功能的AUIRS2181S和只具有高端驅(qū)動功能的IR2125。AUIRS2181S芯片的最高操作電壓為＋600V，用于控制MOS管Q2和Q3的通斷；IR2125芯片的最高操作電壓為＋500V，用于控制MOS管Q1的通斷。這2個芯片配合完成對噴油器電磁閥的控制。圖中二極管D1和D2主要利用二極管的單向?qū)ㄐ裕梢苑乐箛娪推麟姶砰y產(chǎn)生的高壓對MOS管Q1和Q2的影響，用以保持Q1和Q2工作時的相對獨立；二極管D3和D4、儲能電容C1以及噴油器電磁閥組成續(xù)流回路，用于控制回路斷開時噴油器電磁閥的續(xù)流，將多余的能量轉(zhuǎn)移到儲能電容C1中，并且還可以防止電路的反向?qū)ā?/p>

3.1 驅(qū)動芯片的工作原理

AUIRS2181S芯片的 HIN（高端）和LIN（低端）2個管腳用于信號的輸入，HO（高端）和LO（低端）2個管腳用于信號的輸出；HO管腳的輸出信號對應(yīng)HIN管腳的輸入信號，LO管腳的輸出信號對應(yīng)LIN管腳的輸入信號。芯片工作時，對應(yīng)管腳的輸入和輸出時序是一致的（見圖5）。

IR2125芯片的工作原理見圖6，IN管腳為信號的輸入端，HO管腳為信號的輸出端。通過控制MOS管Q1的通斷，可以實現(xiàn)對高電壓的接通或斷開。

IR2125工作時，輸出信號與輸入信號及其他管腳的時序關(guān)系見圖7，當(dāng)CS管腳和ERR管腳均為低電平時，輸出信號的時序與輸入信號的時序是一致的；當(dāng)CS管腳和ERR管腳中有一個為高電平時，輸出就為低電平。

3.2 驅(qū)動電路的工作過程

微控制器MPC5554把噴油脈寬信號輸入給CPLD，由CPLD進行驅(qū)動信號的邏輯合成，并將合成的信號輸入給驅(qū)動芯片，驅(qū)動芯片只進行功率放大，信號的時序不發(fā)生改變。CPLD輸入給IR2125芯片IN管腳的信號波形見圖8。由于驅(qū)動電路采用高低端驅(qū)動的方式工作，而低端由AUIRS2181S控制，所以圖中不僅給出了噴油脈寬信號和IN管腳的輸入信號，還給出了AUIRS2181S的LIN管腳的輸入信號。

IR2125控制階段主要完成噴油器電磁閥的打開和峰值電流的保持。該階段AUIRS2181S的LO管腳輸出高電平，使MOS管Q3處于接通狀態(tài)；開始時，IR2125的HO管腳輸出高電平，使 MOS管Q1接通，給噴油器電磁閥提供一個大電流，使電磁閥快速打開；電磁閥打開后，IR2125的HO管腳輸出低電平，MOS管Q1斷開，使流過電磁閥的電流減小到略低于峰值電流的某個設(shè)定值（峰值保持電流）；然后根據(jù)實際電流值與所設(shè)定電流值的比較結(jié)果，由IR2125控制MOS管Q1的接通或斷開，從而使電流保持在設(shè)定值附近，這樣可以使噴油器電磁閥的銜鐵在吸合時減少振蕩，增加電磁閥開啟時的平穩(wěn)性。電磁閥完全打開后，IR2125停止工作，由AUIRS2181S完成對噴油器電磁閥的后續(xù)控制，其工作波形見圖9。

根據(jù)電磁閥的特性，電磁閥打開時需要較大的電流，而維持打開狀態(tài)所需要的電流相對較小，因此，在電磁閥完全打開后，為使流過噴油器電磁閥的電流迅速減小，將MOS管Q1，Q2和Q3都斷開；當(dāng)電流降到低電流保持值時，AUIRS2181S的低端輸出信號控制MOS管Q3接通，而高端根據(jù)電流的反饋值，通過調(diào)整輸出信號的占空比，控制 MOS管Q2接通或斷開，使流過電磁閥的電流值保持在所需的低電流保持值附近。該過程中由＋24V供電，而且電磁閥中部分多余的能量被回收到升壓電路的儲能電容C1中。

4 升壓電路設(shè)計

升壓電路主要利用UC3843芯片及其外圍電路來實現(xiàn)升壓功能，其原理見圖10。

升壓電路的MOS管Q4接通時，升壓電感L1充電；當(dāng)MOS管Q4斷開時，升壓電感L1產(chǎn)生很大的感應(yīng)電動勢，開始給儲能電容C1充電，將電感中儲存的能量轉(zhuǎn)移到儲能電容C1中。

電阻R12，R13，R14和R15用于升壓值的反饋控制。根據(jù)UC3843的特性，當(dāng)VFB管腳輸入一個大于3.6V的信號時，便可以將UC3843關(guān)閉。升壓電路的升壓值為儲能電容C1的電壓值，VFB管腳采集到的電壓值可以由式（1）計算得到。

式中：VVFB為VFB管腳的輸入電壓值；VC1為儲能電容C1的電壓值；R12，R15為電阻值。

電阻R10，R11和電容C5用于電流的采樣。ISENSE管腳通過采集電阻R11上端的電壓值，可以得到流過R11的電流值。芯片UC3843根據(jù)VFB管腳的反饋電壓值和ISENSE管腳的反饋電流值，來調(diào)整OUTPUT管腳的輸出信號，從而得到所設(shè)定的高壓值。ISENSE管腳的采樣電流值可以由式（2）計算得到。

5 電流反饋設(shè)計

式中：IS為流過電阻R11的電流值。根據(jù)UC3843的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可知，當(dāng)VVFB＜0.6V且VS＜1V時，OUTPUT管腳輸出最大占空比信號；當(dāng)0.6V＜VVFB＜3.6V時，OUTPUT管腳輸出信號的占空比隨著電壓的升高而減小。

電阻R16和電容C6提供芯片的工作頻率。在選擇芯片的工作頻率時，需要綜合考慮：工作頻率太低，不能滿足工作需要；工作頻率太高，流過L1的平均電流會減小，導(dǎo)致升壓的能量不夠，而且對MOS管Q4的響應(yīng)性要求較高，會影響其使用壽命。

芯片UC3843的工作頻率f與單位時間內(nèi)MOS管Q4的開關(guān)次數(shù)n的關(guān)系見式（3）。

如圖3所示，電阻R1和運算放大器A1構(gòu)成電壓跟隨器，電壓跟隨器具有輸入阻抗很高、輸出阻抗很低、不從信號中索取電流等特點，所以將它放在采集電路的前端；電阻R2，R3和運算放大器A2構(gòu)成比較器1，用于峰值電流保持時的電流反饋；電阻R5，R6和運算放大器A3構(gòu)成比較器2，用于低電流保持時的電流反饋。電壓跟隨器將采集到的采樣電阻RS的上端電壓值輸入到比較器，與已設(shè)定的電壓值進行比較，比較后的結(jié)果作為反饋信號輸入到CPLD中，由CPLD合成出所需的驅(qū)動邏輯信號，由驅(qū)動電路控制流過噴油器電磁閥的電流，使其保持在設(shè)定值附近。電阻R2，R3，R5和R6的參數(shù)值應(yīng)根據(jù)設(shè)定的電流值和R1的參數(shù)值來選取。

6 試驗驗證

對噴油器進行驅(qū)動試驗，圖11示出升壓值50V時單個噴油器電磁閥的驅(qū)動電流波形。從圖中可以看出，只需要110μs左右，電流便從0A上升到峰值20A；峰值保持電流在15A左右，低電流保持在10A左右。

圖12示出在不同升壓值情況下，儲能電容C1的電位變化。在兩條曲線中，當(dāng)電壓降至最低時（如圖中虛線所示位置），噴油器電磁閥停止工作，儲能電容開始快速充電。由于該驅(qū)動模塊設(shè)計有能量回收功能，因此，在噴油器電磁閥工作時，產(chǎn)生的部分多余能量會轉(zhuǎn)移到儲能電容中，使儲能電容的能量得到一些補償；當(dāng)電磁閥停止工作時，多余的能量也會轉(zhuǎn)移到儲能電容中。

在油泵試驗臺上進行驅(qū)動噴油試驗，對所設(shè)計的驅(qū)動模塊進行測試，噴油器可以正常工作。圖13示出所設(shè)計的驅(qū)動模塊工作時，流過同一缸2個噴油器電磁閥的電流波形；從噴射時序上看，該驅(qū)動模塊可以滿足對置二沖程柴油機需要雙噴油器同時工作的要求。

7 結(jié)束語

微控制器只需給出噴油脈寬信號，所設(shè)計的驅(qū)動模塊便可以完成對噴油器電磁閥的閉環(huán)控制，占用單片機的資源較少。在工作時序上，驅(qū)動模塊可以滿足對置二沖程柴油機需雙噴油器同時工作的特殊要求。該驅(qū)動模塊可以使噴油器電磁閥在110μs左右打開，并且能夠?qū)崿F(xiàn)多段電流保持功能，滿足電控噴油器的驅(qū)動要求。驅(qū)動模塊可以有效回收電磁閥斷開時產(chǎn)生的多余能量，降低了系統(tǒng)功耗，提高了系統(tǒng)可靠性。

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