對(duì)置二沖程柴油機(jī)噴油驅(qū)動(dòng)模塊開發(fā)

張永志，劉波瀾，左 哲，崔 濤

（北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院車輛動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

對(duì)置二沖程柴油機(jī)起源于德國，后來很多國家都進(jìn)行了原理樣機(jī)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(jī)要少；一個(gè)氣缸內(nèi)的2個(gè)活塞進(jìn)行鏡像往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使得柴油機(jī)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(jī)的發(fā)展受到了很大的束縛；但是，柴油機(jī)電子控制技術(shù)的應(yīng)用使得對(duì)置二沖程柴油機(jī)的優(yōu)勢越發(fā)明顯起來。本研究針對(duì)某對(duì)置二沖程柴油機(jī)對(duì)噴油時(shí)序的要求以及電控噴油器對(duì)電磁閥驅(qū)動(dòng)的要求，進(jìn)行了相應(yīng)的硬件設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究。

1 對(duì)置二沖程柴油機(jī)對(duì)噴油時(shí)序的要求

圖1示出自行研制的某型號(hào)對(duì)置二沖程柴油機(jī)，其為2氣缸4噴油器結(jié)構(gòu)，每個(gè)氣缸套上安裝了2個(gè)噴油器。

傳統(tǒng)的柴油機(jī)每個(gè)氣缸中只有1個(gè)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(gè)時(shí)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(gè)氣缸不可能同時(shí)工作（即2個(gè)噴油器同時(shí)噴油）。而對(duì)置二沖程柴油機(jī)的1個(gè)氣缸中裝有2個(gè)噴油器，這2個(gè)噴油器需要獨(dú)立控制，既能同時(shí)進(jìn)行噴油，又可以間隔一定角度噴油。所以，對(duì)置二沖程柴油機(jī)1個(gè)氣缸中的2個(gè)噴油器的驅(qū)動(dòng)模塊需要接在不同的時(shí)間處理單元上，這樣才能對(duì)這2個(gè)噴油器進(jìn)行獨(dú)立控制。

MPC5554微控制器擁有2個(gè)獨(dú)立的增強(qiáng)型時(shí)間處理單元（eTPU），每個(gè)eTPU模塊包含32個(gè)獨(dú)立的通道，每個(gè)通道可以處理連續(xù)雙重事件，能夠滿足對(duì)置二沖程柴油機(jī)對(duì)燃油噴射時(shí)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(dòng)模塊A，eTPU＿B用于控制驅(qū)動(dòng)模塊B。如圖2所示，對(duì)于1號(hào)氣缸（簡稱1缸）中的2個(gè)噴油器，一個(gè)由驅(qū)動(dòng)模塊A驅(qū)動(dòng)噴油，另一個(gè)由驅(qū)動(dòng)模塊B驅(qū)動(dòng)噴油；同樣，2號(hào)氣缸（簡稱2缸）中的2個(gè)噴油器分別由驅(qū)動(dòng)模塊A和驅(qū)動(dòng)模塊B驅(qū)動(dòng)。

2 驅(qū)動(dòng)模塊總體設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)模塊分為驅(qū)動(dòng)模塊A和驅(qū)動(dòng)模塊B兩部分，每部分包含2個(gè)驅(qū)動(dòng)子模塊，分別用于驅(qū)動(dòng)1缸和2缸的噴油器電磁閥。由于每個(gè)驅(qū)動(dòng)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(gè)為例進(jìn)行說明。驅(qū)動(dòng)子模塊的原理見圖3，主要包括CPLD、驅(qū)動(dòng)電路、升壓電路和電流反饋電路4個(gè)部分。子模塊中各個(gè)部分的功能如下：CPLD用于驅(qū)動(dòng)邏輯的合成；驅(qū)動(dòng)芯片將CPLD輸出的信號(hào)放大為帶有驅(qū)動(dòng)能力的信號(hào)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(shí)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(dòng)信號(hào)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(hào)，驅(qū)動(dòng)子模塊便可以完成對(duì)噴油器電磁閥的閉環(huán)控制。

3 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

圖4示出具體的驅(qū)動(dòng)電路原理圖，驅(qū)動(dòng)芯片選取了具有高低端驅(qū)動(dòng)功能的AUIRS2181S和只具有高端驅(qū)動(dòng)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(gè)芯片配合完成對(duì)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?，可以防止噴油器電磁閥產(chǎn)生的高壓對(duì)MOS管Q1和Q2的影響，用以保持Q1和Q2工作時(shí)的相對(duì)獨(dú)立；二極管D3和D4、儲(chǔ)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(shí)噴油器電磁閥的續(xù)流，將多余的能量轉(zhuǎn)移到儲(chǔ)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(dòng)芯片的工作原理

AUIRS2181S芯片的 HIN（高端）和LIN（低端）2個(gè)管腳用于信號(hào)的輸入，HO（高端）和LO（低端）2個(gè)管腳用于信號(hào)的輸出；HO管腳的輸出信號(hào)對(duì)應(yīng)HIN管腳的輸入信號(hào)，LO管腳的輸出信號(hào)對(duì)應(yīng)LIN管腳的輸入信號(hào)。芯片工作時(shí)，對(duì)應(yīng)管腳的輸入和輸出時(shí)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(hào)的輸入端，HO管腳為信號(hào)的輸出端。通過控制MOS管Q1的通斷，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)高電壓的接通或斷開。

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

3.2 驅(qū)動(dòng)電路的工作過程

微控制器MPC5554把噴油脈寬信號(hào)輸入給CPLD，由CPLD進(jìn)行驅(qū)動(dòng)信號(hào)的邏輯合成，并將合成的信號(hào)輸入給驅(qū)動(dòng)芯片，驅(qū)動(dòng)芯片只進(jìn)行功率放大，信號(hào)的時(shí)序不發(fā)生改變。CPLD輸入給IR2125芯片IN管腳的信號(hào)波形見圖8。由于驅(qū)動(dòng)電路采用高低端驅(qū)動(dòng)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(hào)和IN管腳的輸入信號(hào)，還給出了AUIRS2181S的LIN管腳的輸入信號(hào)。

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(shí)，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(gè)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(gè)設(shè)定值（峰值保持電流）；然后根據(jù)實(shí)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(shí)減少振蕩，增加電磁閥開啟時(shí)的平穩(wěn)性。電磁閥完全打開后，IR2125停止工作，由AUIRS2181S完成對(duì)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(shí)需要較大的電流，而維持打開狀態(tài)所需要的電流相對(duì)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(shí)，AUIRS2181S的低端輸出信號(hào)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(hào)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(chǔ)能電容C1中。

4 升壓電路設(shè)計(jì)

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

升壓電路的MOS管Q4接通時(shí)，升壓電感L1充電；當(dāng)MOS管Q4斷開時(shí)，升壓電感L1產(chǎn)生很大的感應(yīng)電動(dòng)勢，開始給儲(chǔ)能電容C1充電，將電感中儲(chǔ)存的能量轉(zhuǎn)移到儲(chǔ)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(gè)大于3.6V的信號(hào)時(shí)，便可以將UC3843關(guān)閉。升壓電路的升壓值為儲(chǔ)能電容C1的電壓值，VFB管腳采集到的電壓值可以由式（1）計(jì)算得到。

式中：VVFB為VFB管腳的輸入電壓值；VC1為儲(chǔ)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(hào)，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(jì)算得到。

5 電流反饋設(shè)計(jì)

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(shí)，OUTPUT管腳輸出最大占空比信號(hào)；當(dāng)0.6V＜VVFB＜3.6V時(shí)，OUTPUT管腳輸出信號(hào)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(shí)，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(huì)減小，導(dǎo)致升壓的能量不夠，而且對(duì)MOS管Q4的響應(yīng)性要求較高，會(huì)影響其使用壽命。

芯片UC3843的工作頻率f與單位時(shí)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(yùn)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(hào)中索取電流等特點(diǎn)，所以將它放在采集電路的前端；電阻R2，R3和運(yùn)算放大器A2構(gòu)成比較器1，用于峰值電流保持時(shí)的電流反饋；電阻R5，R6和運(yùn)算放大器A3構(gòu)成比較器2，用于低電流保持時(shí)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(jìn)行比較，比較后的結(jié)果作為反饋信號(hào)輸入到CPLD中，由CPLD合成出所需的驅(qū)動(dòng)邏輯信號(hào)，由驅(qū)動(dòng)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(yàn)驗(yàn)證

對(duì)噴油器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)，圖11示出升壓值50V時(shí)單個(gè)噴油器電磁閥的驅(qū)動(dòng)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(chǔ)能電容C1的電位變化。在兩條曲線中，當(dāng)電壓降至最低時(shí)（如圖中虛線所示位置），噴油器電磁閥停止工作，儲(chǔ)能電容開始快速充電。由于該驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)有能量回收功能，因此，在噴油器電磁閥工作時(shí)，產(chǎn)生的部分多余能量會(huì)轉(zhuǎn)移到儲(chǔ)能電容中，使儲(chǔ)能電容的能量得到一些補(bǔ)償；當(dāng)電磁閥停止工作時(shí)，多余的能量也會(huì)轉(zhuǎn)移到儲(chǔ)能電容中。

在油泵試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行驅(qū)動(dòng)噴油試驗(yàn)，對(duì)所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行測試，噴油器可以正常工作。圖13示出所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)模塊工作時(shí)，流過同一缸2個(gè)噴油器電磁閥的電流波形；從噴射時(shí)序上看，該驅(qū)動(dòng)模塊可以滿足對(duì)置二沖程柴油機(jī)需要雙噴油器同時(shí)工作的要求。

7 結(jié)束語

微控制器只需給出噴油脈寬信號(hào)，所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)模塊便可以完成對(duì)噴油器電磁閥的閉環(huán)控制，占用單片機(jī)的資源較少。在工作時(shí)序上，驅(qū)動(dòng)模塊可以滿足對(duì)置二沖程柴油機(jī)需雙噴油器同時(shí)工作的特殊要求。該驅(qū)動(dòng)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(dòng)要求。驅(qū)動(dòng)模塊可以有效回收電磁閥斷開時(shí)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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