基于MPC5634m的高壓共軌柴油機(jī)噴油模塊開(kāi)發(fā)

□ 蔣明遠(yuǎn)

河海大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 江蘇常州 213022

隨著經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，能源危機(jī)和環(huán)境問(wèn)題已經(jīng)變得越來(lái)越突出。柴油機(jī)以其顯著的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性在各個(gè)行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，但是工作噪聲大、排放超標(biāo)限制了柴油機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展［1］。如今，隨著高壓共軌噴射技術(shù)的日益發(fā)展，已很好地解決了這一難題。高壓共軌柴油機(jī)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(jìn)一步解決日趨嚴(yán)格的排放法規(guī)、輸出動(dòng)力性以及燃油經(jīng)濟(jì)性之間的關(guān)系。由于共軌柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的控制對(duì)象多、控制算法復(fù)雜、控制精度和實(shí)時(shí)性要求高，這對(duì)于單片機(jī)的運(yùn)算速度及實(shí)時(shí)處理能力要求極高［2］。因此，高壓共軌柴油機(jī)噴油模塊的開(kāi)發(fā)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 噴油驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

噴油閥一般采用Peak（峰值）和Hold（維持）電流驅(qū)動(dòng)方式［3］，如圖1所示。噴油電磁閥為高速?gòu)?qiáng)力電磁閥，發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，電磁閥需要頻繁地動(dòng)作，控制電路必須能快速響應(yīng)電磁閥的關(guān)閉和打開(kāi)。

由于噴油電磁閥線圈為感性負(fù)載，電磁閥閉合時(shí)，必須使其線圈上的電流迅速上升并達(dá)到一定的大小，以保證在電感儲(chǔ)能的同時(shí)，噴油電磁閥能夠快速地開(kāi)啟；噴油電磁閥快速開(kāi)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(qū)動(dòng)電路的功耗，同時(shí)減少功率器件的發(fā)熱量；噴油結(jié)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(shè)計(jì)了參考電壓可調(diào)的單電源恒流斬波驅(qū)動(dòng)電路，如圖2所示。

▲圖1 Peak﹠Hold驅(qū)動(dòng)電流方式

▲圖2 單電源恒流斬波驅(qū)動(dòng)電路

高壓電源由低壓電源通過(guò)BOOST升壓電路變換得到，電流的控制由高端恒流斬波來(lái)實(shí)現(xiàn)，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(kāi)通和關(guān)斷。比較器一端輸入?yún)⒖茧妷?，一端輸入放大后的電流采樣信?hào)。為了實(shí)現(xiàn)Peak和Hold波形，專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了參考電壓可調(diào)電路，使在峰值階段的參考電壓值比維持階段大。一定的時(shí)間過(guò)后，參考電壓自動(dòng)回復(fù)到保持階段的參考電壓。當(dāng)Q1關(guān)斷后，電磁閥線圈、Q2、采樣電阻Rs和續(xù)流二極管D2共同形成了恒流斬波的續(xù)流回路；當(dāng)Q1、Q2同時(shí)關(guān)斷后，電磁閥線圈、續(xù)流二極管D1、D2和儲(chǔ)能電容共同形成了噴油結(jié)束后的續(xù)流回路，保證電磁閥線圈中的電流迅速下降。

參考電壓可調(diào)電路（如圖3所示）設(shè)計(jì)的峰值電流是13 A，維持電流是6.5 A。當(dāng)參考電流控制端DA輸出是高電平5 V時(shí)，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(dāng)參考電流控制端DA輸出是低電平0 V時(shí)，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(shí)間則由高壓控制脈沖（HSW）和參考電流控制（DA）共同決定，當(dāng)HSW和DA輸出都是高電平時(shí)為峰值階段，當(dāng)HSW輸出高電平、DA輸出低電平時(shí)為維持階段，當(dāng)HSW和DA輸出都是低電平時(shí)電流迅速下降，電磁閥關(guān)閉。

▲圖3 參考電壓可調(diào)電路

2 噴油函數(shù)開(kāi)發(fā)

為了滿足柴油機(jī)不斷提高的噴射壓力和越來(lái)越苛刻的環(huán)保排放要求，必須采用預(yù)噴、主噴、后噴相結(jié)合的多次噴射方法，對(duì)燃燒過(guò)程進(jìn)行不斷的優(yōu)化處理［4］。另外，精確的系統(tǒng)定時(shí)機(jī)制也是電控柴油機(jī)燃油噴射控制的基礎(chǔ)［5］。 Freescale公司的32位微處理器MPC5634m，采用雙核結(jié)構(gòu)，其中擁有 32通道的 eTPU（增強(qiáng)型時(shí)序處理單元）更是具有強(qiáng)大的定時(shí)處理功能，特別適合對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)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(gè)曲軸齒信號(hào)的上升沿都會(huì)觸發(fā)CPU中斷進(jìn)入eTPU中的噴油程序，噴油起始角需要換算為曲軸整齒數(shù)和小于10°的延時(shí)角度。如某缸的噴油起始角為45°，則在程序中表示為5個(gè)曲軸整齒數(shù)+5°延時(shí)角度。在完成eTPU通道配置以及相關(guān)函數(shù)初始化后，噴油控制函數(shù)在eTPUch0ISR（）中斷函數(shù)中執(zhí)行。eTPU通道配置如圖4所示。

首先，根據(jù)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(dāng)前齒號(hào)和曲軸轉(zhuǎn)速。進(jìn)入噴油執(zhí)行程序需要判斷3個(gè)條件：曲軸整齒數(shù)、缸號(hào)和噴油次數(shù)是否符合要求。筆者采用的四缸柴油機(jī)按照1-3-4-2順序進(jìn)行噴油控制，主程序初始化時(shí)缸號(hào)cylinder=1，噴油次數(shù)fuel_num=1（預(yù)噴），當(dāng)由當(dāng)前獲取的曲軸齒號(hào)等于噴油起始角曲軸整圖高壓控制脈沖（齒數(shù)時(shí)，進(jìn)入噴油執(zhí)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(yù)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(jìn)入噴油執(zhí)行程序后，根據(jù)延時(shí)角度TS_delay_deg0得到TCR1延時(shí)計(jì)數(shù)值，填充在my_QOM_event_array［0］.p中，即到達(dá)噴油起始點(diǎn)時(shí)，將所選通道置于高電平；根據(jù)噴油時(shí)長(zhǎng)tmpFUI0得到延時(shí)計(jì)數(shù)值，填充在 my_QOM_event_array［1］.p 中，即噴油結(jié)束后，將所選通道置低。fs_etpu_qom_init（）函數(shù)根據(jù)上述參數(shù)，對(duì)所選的通道進(jìn)行脈沖輸出來(lái)控制噴油驅(qū)動(dòng)電路。三次噴油需要調(diào)用三次qom函數(shù)，這樣可以靈活實(shí)現(xiàn)預(yù)噴、主噴和后噴的調(diào)節(jié)。

▲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(gè)與之對(duì)應(yīng)的參考電流控制脈沖（DA）和高壓控制脈沖（HSW），每一缸需要進(jìn)行預(yù)噴、主噴、后噴三次噴油，對(duì)于四缸柴油機(jī)，曲軸轉(zhuǎn)一圈需要進(jìn)行兩缸噴油，即得到曲軸轉(zhuǎn)一圈需要6個(gè)參考電流控制脈沖（DA）和6個(gè)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(shù)中讀取crank_num和crank_speed進(jìn)行計(jì)算，造成eTPU在輸出噴油脈沖時(shí)有一定的延時(shí)，因此需要適當(dāng)減小TCR1延時(shí)計(jì)數(shù)值予以修正，以滿足輸出噴油脈沖的實(shí)時(shí)性，這樣可以控制噴油脈沖觸發(fā)誤差在1～2 μs范圍內(nèi)。曲軸轉(zhuǎn)兩圈完成4個(gè)缸的噴油周期，4個(gè)缸的噴油順序?yàn)?-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(shí)驗(yàn)測(cè)試

通過(guò)ECU接入曲軸信號(hào)，對(duì)本電路及噴油控制程序進(jìn)行測(cè)試。用120 μH的線圈代替噴油電磁閥，設(shè)計(jì)的BOOST升壓電路可將12 V電壓升至56 V。根據(jù)電感元件上的電壓、電流和電感之間的關(guān)系：?？傻玫骄€圈上電流上升至13 A電流所需的時(shí)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(shí)間為0.4 ms，預(yù)噴、主噴、后噴的噴油時(shí)間分別設(shè)置為0.8 ms、2 ms、0.8 ms。噴油起始點(diǎn)轉(zhuǎn)換為以缺齒后第一個(gè)上升沿為0°，預(yù)噴、主噴、后噴的噴油起始點(diǎn)分別為 58°、92°、150°。通過(guò)示波器可以檢測(cè)到經(jīng)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(yù)噴、主噴、后噴的采樣電壓放大波形。

▲圖1 0 預(yù)噴波形

▲圖1 2 后噴波形

根據(jù)采樣電壓放大后的波形，能夠得到線圈上驅(qū)動(dòng)電流波形。從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，本噴油電路以及噴油程序的設(shè)計(jì)能夠很好地實(shí)現(xiàn)Peak和Hold驅(qū)動(dòng)電流波形的控制，并且能夠?qū)娪痛螖?shù)、噴油起始點(diǎn)和噴油時(shí)間長(zhǎng)短在程序中進(jìn)行靈活設(shè)置。

4 結(jié)束語(yǔ)

高壓共軌噴射系統(tǒng)是柴油機(jī)控制發(fā)展的必然趨勢(shì)，多次靈活的燃油噴射是高壓共軌系統(tǒng)的重要特征。本文通過(guò)分析高壓共軌噴射系統(tǒng)的技術(shù)要求，完成了噴油驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)以及三次噴油驅(qū)動(dòng)函數(shù)的開(kāi)發(fā)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該噴油模塊的開(kāi)發(fā)，能夠?qū)娪土考皣娪投〞r(shí)進(jìn)行精確控制，實(shí)現(xiàn)了噴油系統(tǒng)的柔性控制。

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