直噴汽油機噴油器驅動模塊設計

天津理工大學自動化學院 天津市復雜控制理論與應用重點實驗室 張寶峰 李金龍中國人民解放軍軍事交通學院 李建文清華大學航天航空學院 卜建國

直噴汽油機噴油器驅動模塊設計

天津理工大學自動化學院 天津市復雜控制理論與應用重點實驗室 張寶峰 李金龍
中國人民解放軍軍事交通學院 李建文
清華大學航天航空學院 卜建國

直噴汽油機噴油器電磁閥的驅動方式一般采用典型Peak & Hold電流模型,針對缸內直噴技術對電磁閥響應特性的要求,本文設計了一種GDI噴油器驅動模塊。該模塊由升壓電路提供噴油器快速開啟時所需高壓,由MCU輸出脈沖寬度調制信號驅動電磁閥,結合高、低端驅動技術及高、低電壓分時供電,實現Peak & Hold電流波形。設計節能型釋能回路,使噴油器關閉后快速泄流,滿足電磁閥對驅動電路的要求。通過電流反饋技術,實現噴油電流值的精確控制,并具有噴油器短路、斷路診斷功能。

直噴汽油機;噴油器驅動電路;雙電源驅動;儲能型泄流;高速電磁閥

0 概述

面對日益加劇的能源危機和嚴格的排放法規,缸內直噴汽油機由于其在動力性和 燃油經濟性上的優勢,成為車用汽油機的主流發展方向[1]。汽油機缸內直噴(Gasoline Direct Injection,GDI)技術借助電控燃油噴射系統充分發揮其優勢[2]。電控燃油噴射系統的核心部件都是執行器,電磁閥作為應用最廣泛的燃油噴射系統執行器,其驅動電路的表現將直接影響到燃油噴射系統乃至整個發動機的性能[3]。

為滿足高速電磁閥在噴油過程中的動態特性,驅動電流一般采用Peak & Hold驅動方式[4]。

論文設計了高速電磁閥驅動模塊,并對其進行了理論分析和實驗研究,驗證了驅動電路響應的快速性和控制的高精度。

1 驅動模塊總體設計方案

GDI噴油器驅動電流一般采用典型Peak & Hold電流模型,如圖1所示,能滿足不同階段,噴油器對電流變化的要求。

圖1 Peak & Hold驅動電流波形Fig.1 Waveform of Peak & Hold drive current

1階段為上升階段,需要一個高電壓作用于電磁閥線圈,迅速給噴油器線圈充能,使電流快速上升,縮短噴油器開啟時間;2階段為拾波階段,維持電磁閥驅動電流在峰值電流附近一小段時間,以防止電流突變導致噴油器針閥意外落座;3階段為維持階段,當電磁閥銜鐵落座后,磁路氣隙減小,磁阻降低[5],維持較小電流即可保證電磁閥的開啟狀態且降低功耗;圖中最后關閉階段應快速抑制驅動電流,達到快速關斷,以提高控制精度。

噴油器驅動模塊整體結構如圖2所示,由微控制單元MCU、升壓電路、電磁閥驅動電路、電流采集電路組成,工作原理如下:噴油器噴油前MCU控制升壓電路建立75V高壓,在上升階段高壓給線圈充能,拾波階段采用12V供電,由MCU產生脈沖寬度調制PWM信號作用于電磁閥驅動電路,通過高、低電壓分時控制,結合電流負反饋閉環控制,實現Peak&Hold電流波形及其各階段電流值標定。

圖2 驅動器結構框圖Fig.2 Driver structure block diagram

2 升壓電路設計

根據上述理想的驅動電流波形,論文設計開發的噴油器驅動模塊采用雙電壓分時驅動模式,由升壓電路產生高壓,滿足噴油器在開啟階段對驅動高壓的要求,以提高電磁閥打開速度;通過分時控制實現高低電壓之間的控制切換。

2.1 DC/DC升壓電路

DC/DC升壓電路采用BOOST變換方式,如圖3所示,主要由儲能電感、儲能電容和二極管構成,利用PWM控制MOS管的開閉,實現電壓的升高。輸出電壓作用于噴油器線圈。

圖3 升壓電路原理圖Fig.3 Schematic diagram of booster circuit

設計中采用ADP1621產生圖3中PWM信號,如圖4所示為儲能元件,用于吸收噴油器釋放能量,為輸出高壓。MCU提供片選信號Input,FREQ與COMP管腳外接電阻、電容決定PWM工作頻率, CS管腳外接過流保護電阻,FB管腳得到輸出電壓的反饋值,并根據此值ADP1621自主調節GATE管腳輸出PWM控制MOS管開閉,使輸出電壓穩定在。

圖4 升壓電路Fig.4 Booster circuit

2.2 雙電源分時控制方式[6]

圖5 雙電源驅動電路Fig.5 Double power supply drive circuit

如圖5所示,雙電源分時控制電路中,分別與高速電磁閥和形成半橋驅動電路。同時導通時,高壓電源為線圈L快速充能,此時二極管、反向截止,當進入較大電流維持階段,關斷,以切斷高壓充能,同時導通、使低壓電源對線圈供電,利用PWM控制的開關頻率,實現對線圈電流的精確控制,控制波形如圖6所示。

圖6 控制波形Fig.6 Waveform of control

3 驅動電路設計

驅動電路如圖7所示,形成半橋驅動,IR2127及其外圍電路組成高端驅動,控制MOS管開閉,、分別為自舉電容和自舉電阻。HO管腳為輸出,由MCU產生PWM信號,當IN管腳輸入低電平時,輸出管腳HO輸出低電平,此時VS管腳與HO管腳內部相接,自舉電容在VS基準電壓上充電至,當IN管腳輸入高電平時,電容充電完畢,輸出管腳HO與VB導通,柵源極電壓高于其開啟電壓,高端MOS管打開,自舉完成。

圖7 噴油器高端驅動電路Fig.7 High voltage drive circuit of injector

4 續流回路

對于感性負載,關斷時電路中的續流回路承擔了執行器釋能速度的快慢,決定了執行器停止工作的響應時間的長短,合理的續流回路設計可以改善控制系統的動態響應,縮短控制的反應時間。

對應Peak-Hold電流的驅動電路有多種類型,常用的有緩慢續流回路和快速切斷型續流回路。[7][8][9]

圖8 緩慢型續流回路Fig.8 Continuous flow circuit of slow type

圖9 快速切斷型續流回路Fig.9 Continuous flow circuit of quick cut off type

圖10 能量回饋續流回路Fig.10 Continuous flow circuit of energy feedback type

對于緩慢續流回路,如圖8所示,當關斷時,執行器沿虛線方向形成續流回路,可估計出執行器的釋能速度如式(1)所示。為關斷前電流值,為續流二極管正向導通電壓,一般為線圈電流下降緩慢。

對于快速切斷型續流回路,如圖9所示,當關斷,執行器沿虛線方向形成泄流回路,可估計出執行器的釋能速度如式(2)所示。為關斷前電流值,為續流二極管正向導通電壓,一般為,為二極管雪崩擊穿電壓。一般功率MOSFET管雪崩擊穿電壓可以達到,甚至更高,此電路大大加快了線圈釋能速度。然而,當線圈中存儲能量較大時,頻繁工作的執行器會導致MOS管和續流二極管過熱。

論文采用能量回饋續流電路,是快速切斷型續流回路的改進,如圖10所示,將關斷時線圈的能量直接傳輸給儲能電容,釋能速度如式(3)所示,為關斷前電流值,為續流二極管正向導通電壓,為儲能電容電壓,可以看出這樣不僅能夠提高線圈釋能速度,并且能為儲能電容充電,達到節能的作用,也減少了MOS管的發熱。這樣的設計要保證的雪崩擊穿電壓大于高壓供電電壓。

執行器釋能過程的物理本質,是將存儲在執行器線圈中的能量通過續流回路轉移到儲能電容中。高電壓的儲能電容一個方面在充能階段提供了快速的上升電流,另外一個方面又在執行器停止工作的階段提供一個快速的釋能通道,同時還降低了驅動電路的發熱,提高驅動電路能量利用效率。

5 電流采樣電路

電流采樣電路采用差分放大電路,如圖11所示噴油器線圈電流經過低端驅動MOS管由采樣電阻采樣,形成差分放大電路輸入,與決定放大倍數,Output輸出到MCU的ADC通道。MCU將利用采集到的電壓值與設定值比較,求出誤差,應用變積分PID算法調節輸出PWM信號的占空比,控制高端MOS管的開閉,使電流值穩定在設定值。

圖11 電流采集電路Fig.11 Current collect circuit

6 實驗驗證和結論

驅動器實物圖如圖12所示,對所設計的驅動器進行實驗,實驗脈寬設定為,噴射周期,使用電流鉗測得噴油器電流,如圖13所示;電流上升階段采用高壓供電;經過達到峰值;拾波階段線圈供電電流維持在持續;保持階段電流保持在,關斷時泄流迅速。多次噴射效果如圖14所示。

圖12 驅動器實物圖Fig.12 Driver photo

圖13 噴油器電壓和電流Fig.13 Voltage and current of injector

圖14 多次噴射效果Fig.14 Multiple injection effect

所設計的驅動模塊采用雙電源供電,加快噴油器的開啟速度;設計能量回饋續流回路,提高噴油器的關斷速度,并將能量回收,減少功耗;實現了理想的Peak & Hold驅動電流波形,滿足GDI噴油器響應特性;通過電流負反饋閉環控制,實現上位機對驅動電流的標定;具有噴油器短路和斷路檢測功能。

[1]胡春明,郭守昌,崔潤龍,等。直噴汽油機噴油器驅動模塊的開發與優化[J]。內燃機工程,2014,35(2):83-84.

[2]陳林,董小瑞,王艷華。缸內直噴發動機高速電磁閥驅動電路設計[J]。柴油機設計與制造,2014,2(20):28.

[3]張科勛,洪木南,周明,等。柴油機電磁閥集成式升壓驅動電路設計與分析[J]。上海交通大學學報,2008,42(8):1368.

[4]卜建國,周明,溫浩彥,等。柴油機高速電磁閥驅動電路響應特性研究[J]。內燃機工程,2015.

[5]李克,李廣霞,崔國旭,等。一種智能可靠的電磁噴油器驅動單元的開發[J]。汽車工程,2013,35(1):78.

[6]張奇,張科勛,李建秋,等。電控柴油機電磁閥驅動電路優化設計[J]。內燃機工程,2005,26(2):1-4.

[7]李克,蘇萬華,郭樹滿。高速電磁閥分時驅動電路可靠性與一致性研究[J]。內燃機工程,2011,32(2):33-38.

[8]郭樹滿,蘇萬華,劉二喜,等。基于自舉電路的共軌噴油器驅動電路優化設計[J]。農業機械學報,2012,43(5):11-15.

[9]李建秋,王金力,宋子由,等。汽車電控執行器的充能釋能過程與驅動器的電路設計[J]。汽車安全與節能學報,2013,4(1):41-47.

Design of Injector Driving Module for GDI Engine

ZHANG Bao-feng1,LI Jin-long1,LI Jian-wen2, BU Jian-guo3
(1.School of Automation,Tianjin Key Laboratory of complex system control theory and Application,Tianjin University of Technology,Tianjin 300384,China; 2.War Traffic College of PLA,Tianjin 300161,China; 3.School of Aerospace Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084 China)

The typical Peak & Hold current model is used to drive Injector solenoid valve in Gasoline Direct Injection(GDI)engine in generaly, according to the requirements of GDI on solenoid valve response characteristics,a driving module of GDI Injector was designed in this paper。In the module,boost converter circuit can provide the high driving voltage needed for rapid opening the injector,the PWM signal output by MCU use to drive solenoid valve,base on the technology of high side and low side driving and the high-low voltage time-sharing power supply,Peak & Hold current waveform is realized。Efficient release energy loop is designed to ensure that the energy of injector release quickly after it shut down,meeting the requirements of solenoid valve driving circuits。 Using the theory of circuit feedback this module can conctrl the current precisely,it also has the function of detect the short-circuit and cut-circuit of injector。

GDI engine;injector driving circuit;duplicate supply drive circuit;avalanche discharge;high-speed soleniod valve

張寶峰(1962-),男,博士生導師。

汽車噴油器測試系統的開發與研究(703000822)。

李金龍【通訊作者】(1989-),男,碩士研究生。