基于MPC5634m的高壓共軌柴油機噴油模塊開發

□ 蔣明遠

河海大學 機電工程學院 江蘇常州 213022

隨著經濟的迅猛發展，能源危機和環境問題已經變得越來越突出。柴油機以其顯著的動力性和經濟性在各個行業中得到了廣泛的應用，但是工作噪聲大、排放超標限制了柴油機的進一步發展［1］。如今，隨著高壓共軌噴射技術的日益發展，已很好地解決了這一難題。高壓共軌柴油機以其高的噴射壓力以及多次噴射的靈活控制，能夠很好地改善燃燒特性，從而進一步解決日趨嚴格的排放法規、輸出動力性以及燃油經濟性之間的關系。由于共軌柴油發動機的控制對象多、控制算法復雜、控制精度和實時性要求高，這對于單片機的運算速度及實時處理能力要求極高［2］。因此，高壓共軌柴油機噴油模塊的開發具有重要的現實意義。

1 噴油驅動電路設計

噴油閥一般采用Peak（峰值）和Hold（維持）電流驅動方式［3］，如圖1所示。噴油電磁閥為高速強力電磁閥，發動機高速運轉時，電磁閥需要頻繁地動作，控制電路必須能快速響應電磁閥的關閉和打開。

由于噴油電磁閥線圈為感性負載，電磁閥閉合時，必須使其線圈上的電流迅速上升并達到一定的大小，以保證在電感儲能的同時，噴油電磁閥能夠快速地開啟；噴油電磁閥快速開啟后，必須使其線圈上的電流迅速下降到維持電流，以降低電磁閥驅動電路的功耗，同時減少功率器件的發熱量；噴油結束后，必須使其線圈上的電流迅速下降為零，也就是必須要有快速的電流釋放回路。為此，設計了參考電壓可調的單電源恒流斬波驅動電路，如圖2所示。

▲圖1 Peak﹠Hold驅動電流方式

▲圖2 單電源恒流斬波驅動電路

高壓電源由低壓電源通過BOOST升壓電路變換得到，電流的控制由高端恒流斬波來實現，高壓控制脈沖和比較器的輸出共同決定了高壓控制端Q1的開通和關斷。比較器一端輸入參考電壓，一端輸入放大后的電流采樣信號。為了實現Peak和Hold波形，專門設計了參考電壓可調電路，使在峰值階段的參考電壓值比維持階段大。一定的時間過后，參考電壓自動回復到保持階段的參考電壓。當Q1關斷后，電磁閥線圈、Q2、采樣電阻Rs和續流二極管D2共同形成了恒流斬波的續流回路；當Q1、Q2同時關斷后，電磁閥線圈、續流二極管D1、D2和儲能電容共同形成了噴油結束后的續流回路，保證電磁閥線圈中的電流迅速下降。

參考電壓可調電路（如圖3所示）設計的峰值電流是13 A，維持電流是6.5 A。當參考電流控制端DA輸出是高電平5 V時，比較器的參考電壓約為1.43 V，則可得到采樣電流為13 A；當參考電流控制端DA輸出是低電平0 V時，比較器的參考電壓約為0.716 V，則可得到采樣電流為6.5 A。峰值和維持的時間則由高壓控制脈沖（HSW）和參考電流控制（DA）共同決定，當HSW和DA輸出都是高電平時為峰值階段，當HSW輸出高電平、DA輸出低電平時為維持階段，當HSW和DA輸出都是低電平時電流迅速下降，電磁閥關閉。

▲圖3 參考電壓可調電路

2 噴油函數開發

為了滿足柴油機不斷提高的噴射壓力和越來越苛刻的環保排放要求，必須采用預噴、主噴、后噴相結合的多次噴射方法，對燃燒過程進行不斷的優化處理［4］。另外，精確的系統定時機制也是電控柴油機燃油噴射控制的基礎［5］。 Freescale公司的32位微處理器MPC5634m，采用雙核結構，其中擁有 32通道的 eTPU（增強型時序處理單元）更是具有強大的定時處理功能，特別適合對發動機的控制。因此，采用了基于eTPU模塊的三次噴油控制方案。

▲圖5 參考電流控制脈沖（DA）

▲圖4 eTPU通道配置

筆者采用36-2的曲軸齒，每個曲軸齒信號的上升沿都會觸發CPU中斷進入eTPU中的噴油程序，噴油起始角需要換算為曲軸整齒數和小于10°的延時角度。如某缸的噴油起始角為45°，則在程序中表示為5個曲軸整齒數+5°延時角度。在完成eTPU通道配置以及相關函數初始化后，噴油控制函數在eTPUch0ISR（）中斷函數中執行。eTPU通道配置如圖4所示。

首先，根據crank_tooth_num=fs_etpu_eng_pos_get_tooth_number（）以及crank_speed=fs_etpu_eng_pos_get_engine_speed（etpu_a_tcr1_freq）獲取當前齒號和曲軸轉速。進入噴油執行程序需要判斷3個條件：曲軸整齒數、缸號和噴油次數是否符合要求。筆者采用的四缸柴油機按照1-3-4-2順序進行噴油控制，主程序初始化時缸號cylinder=1，噴油次數fuel_num=1（預噴），當由當前獲取的曲軸齒號等于噴油起始角曲軸整圖高壓控制脈沖（齒數時，進入噴油執行程序，程序如下。

▲6 HSW）

▲圖7 oIni_1、oInj_4控制脈沖

▲圖8 oInj_2、oIni_3控制脈沖

if（crank_tooth_num=TS_tooth_num0﹠﹠cylinder=1﹠﹠fuel_num=1）/*1缸預噴*/

{

delay_count=TS_delay_deg0*5000000/crank_speed;

my_QOM_event_array［0］.p=（（delay_count-450）＜＜1） +FS_ETPU_PIN_HIGH;

my_QOM_event_array［1］.p=（tmpFUI0＜＜1）+FS_ETPU_PIN_LOW;

error_code=fs_etpu_qom_init（）;

：

}

進入噴油執行程序后，根據延時角度TS_delay_deg0得到TCR1延時計數值，填充在my_QOM_event_array［0］.p中，即到達噴油起始點時，將所選通道置于高電平；根據噴油時長tmpFUI0得到延時計數值，填充在 my_QOM_event_array［1］.p 中，即噴油結束后，將所選通道置低。fs_etpu_qom_init（）函數根據上述參數，對所選的通道進行脈沖輸出來控制噴油驅動電路。三次噴油需要調用三次qom函數，這樣可以靈活實現預噴、主噴和后噴的調節。

▲圖9 三次噴油波形

▲圖1 1 主噴波形

每一次噴油都需要一個與之對應的參考電流控制脈沖（DA）和高壓控制脈沖（HSW），每一缸需要進行預噴、主噴、后噴三次噴油，對于四缸柴油機，曲軸轉一圈需要進行兩缸噴油，即得到曲軸轉一圈需要6個參考電流控制脈沖（DA）和6個高壓控制脈沖（HSW），如圖5、圖6所示。鑒于CPU在輸出噴油脈沖前需要從CRANK函數中讀取crank_num和crank_speed進行計算，造成eTPU在輸出噴油脈沖時有一定的延時，因此需要適當減小TCR1延時計數值予以修正，以滿足輸出噴油脈沖的實時性，這樣可以控制噴油脈沖觸發誤差在1～2 μs范圍內。曲軸轉兩圈完成4個缸的噴油周期，4個缸的噴油順序為1-3-4-2，則相鄰兩次噴油間隔為180°，1缸與4缸噴油相隔360°，3缸與2缸噴油相隔360°。1缸、4缸的三次噴油控制脈沖如圖7所示，2缸、3缸的三次噴油控制脈沖如圖8所示。

3 實驗測試

通過ECU接入曲軸信號，對本電路及噴油控制程序進行測試。用120 μH的線圈代替噴油電磁閥，設計的BOOST升壓電路可將12 V電壓升至56 V。根據電感元件上的電壓、電流和電感之間的關系：。可得到線圈上電流上升至13 A電流所需的時間約為：Δt=Δi=13×12056 ≈0.028 ms。 主程序中用于控制峰值電流的DA控制端高電平時間為0.4 ms，預噴、主噴、后噴的噴油時間分別設置為0.8 ms、2 ms、0.8 ms。噴油起始點轉換為以缺齒后第一個上升沿為0°，預噴、主噴、后噴的噴油起始點分別為 58°、92°、150°。通過示波器可以檢測到經放大后的采樣電壓波形，圖9為三次噴油的采樣電壓放大后的波形，圖10、11、12分別為預噴、主噴、后噴的采樣電壓放大波形。

▲圖1 0 預噴波形

▲圖1 2 后噴波形

根據采樣電壓放大后的波形，能夠得到線圈上驅動電流波形。從上述實驗結果可以看出，本噴油電路以及噴油程序的設計能夠很好地實現Peak和Hold驅動電流波形的控制，并且能夠對噴油次數、噴油起始點和噴油時間長短在程序中進行靈活設置。

4 結束語

高壓共軌噴射系統是柴油機控制發展的必然趨勢，多次靈活的燃油噴射是高壓共軌系統的重要特征。本文通過分析高壓共軌噴射系統的技術要求，完成了噴油驅動電路的設計以及三次噴油驅動函數的開發。實驗結果表明：該噴油模塊的開發，能夠對噴油量及噴油定時進行精確控制，實現了噴油系統的柔性控制。

［1］ 李長河，衛建斌，高連興.柴油機共軌噴射系統的發展及關鍵技術［J］.內蒙古民族大學學報,2003,18（2）:138-141.

［2］ 顏培宇.eTPU模塊在共軌柴油機噴油系統中的應用［J］.機械制造及自動化，2014（2）:174-176.

［3］ 龔元明，姜虎波，史瑋煒.低功耗高低端控制的電控噴油器驅動電路的設計［J］.車用發動機，2012（4）：15-19.

［4］ 黃和祥，彭玲玲.柴油發動機高壓共軌噴射系統介紹［J］.機械工程與自動化，2012（5）:211-213.

［5］ 張守鋼，張守姣，車喜龍，等.基于eTPU模塊的高壓共軌柴油機正時同步方法［J］.汽車工程，2012,34（2）：103-108.