直噴汽油機(jī)噴油器驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

天津理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 天津市復(fù)雜控制理論與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 張寶峰 李金龍中國人民解放軍軍事交通學(xué)院 李建文清華大學(xué)航天航空學(xué)院 卜建國

直噴汽油機(jī)噴油器驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

天津理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 天津市復(fù)雜控制理論與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 張寶峰 李金龍
中國人民解放軍軍事交通學(xué)院 李建文
清華大學(xué)航天航空學(xué)院 卜建國

直噴汽油機(jī)噴油器電磁閥的驅(qū)動(dòng)方式一般采用典型Peak & Hold電流模型,針對(duì)缸內(nèi)直噴技術(shù)對(duì)電磁閥響應(yīng)特性的要求,本文設(shè)計(jì)了一種GDI噴油器驅(qū)動(dòng)模塊。該模塊由升壓電路提供噴油器快速開啟時(shí)所需高壓,由MCU輸出脈沖寬度調(diào)制信號(hào)驅(qū)動(dòng)電磁閥,結(jié)合高、低端驅(qū)動(dòng)技術(shù)及高、低電壓分時(shí)供電,實(shí)現(xiàn)Peak & Hold電流波形。設(shè)計(jì)節(jié)能型釋能回路,使噴油器關(guān)閉后快速泄流,滿足電磁閥對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求。通過電流反饋技術(shù),實(shí)現(xiàn)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(jī);噴油器驅(qū)動(dòng)電路;雙電源驅(qū)動(dòng);儲(chǔ)能型泄流;高速電磁閥

0 概述

面對(duì)日益加劇的能源危機(jī)和嚴(yán)格的排放法規(guī),缸內(nèi)直噴汽油機(jī)由于其在動(dòng)力性和 燃油經(jīng)濟(jì)性上的優(yōu)勢(shì),成為車用汽油機(jī)的主流發(fā)展方向[1]。汽油機(jī)缸內(nèi)直噴(Gasoline Direct Injection,GDI)技術(shù)借助電控燃油噴射系統(tǒng)充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)[2]。電控燃油噴射系統(tǒng)的核心部件都是執(zhí)行器,電磁閥作為應(yīng)用最廣泛的燃油噴射系統(tǒng)執(zhí)行器,其驅(qū)動(dòng)電路的表現(xiàn)將直接影響到燃油噴射系統(tǒng)乃至整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能[3]。

為滿足高速電磁閥在噴油過程中的動(dòng)態(tài)特性,驅(qū)動(dòng)電流一般采用Peak & Hold驅(qū)動(dòng)方式[4]。

論文設(shè)計(jì)了高速電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊,并對(duì)其進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究,驗(yàn)證了驅(qū)動(dòng)電路響應(yīng)的快速性和控制的高精度。

1 驅(qū)動(dòng)模塊總體設(shè)計(jì)方案

GDI噴油器驅(qū)動(dòng)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(duì)電流變化的要求。

圖1 Peak & Hold驅(qū)動(dòng)電流波形Fig.1 Waveform of Peak & Hold drive current

1階段為上升階段,需要一個(gè)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(shí)間;2階段為拾波階段,維持電磁閥驅(qū)動(dòng)電流在峰值電流附近一小段時(shí)間,以防止電流突變導(dǎo)致噴油器針閥意外落座;3階段為維持階段,當(dāng)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(tài)且降低功耗;圖中最后關(guān)閉階段應(yīng)快速抑制驅(qū)動(dòng)電流,達(dá)到快速關(guān)斷,以提高控制精度。

噴油器驅(qū)動(dòng)模塊整體結(jié)構(gòu)如圖2所示,由微控制單元MCU、升壓電路、電磁閥驅(qū)動(dòng)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(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制PWM信號(hào)作用于電磁閥驅(qū)動(dòng)電路,通過高、低電壓分時(shí)控制,結(jié)合電流負(fù)反饋閉環(huán)控制,實(shí)現(xiàn)Peak&Hold電流波形及其各階段電流值標(biāo)定。

圖2 驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Driver structure block diagram

2 升壓電路設(shè)計(jì)

根據(jù)上述理想的驅(qū)動(dòng)電流波形,論文設(shè)計(jì)開發(fā)的噴油器驅(qū)動(dòng)模塊采用雙電壓分時(shí)驅(qū)動(dòng)模式,由升壓電路產(chǎn)生高壓,滿足噴油器在開啟階段對(duì)驅(qū)動(dòng)高壓的要求,以提高電磁閥打開速度;通過分時(shí)控制實(shí)現(xiàn)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(chǔ)能電感、儲(chǔ)能電容和二極管構(gòu)成,利用PWM控制MOS管的開閉,實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)中采用ADP1621產(chǎn)生圖3中PWM信號(hào),如圖4所示為儲(chǔ)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(hào)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(hù)電阻,FB管腳得到輸出電壓的反饋值,并根據(jù)此值A(chǔ)DP1621自主調(diào)節(jié)GATE管腳輸出PWM控制MOS管開閉,使輸出電壓穩(wěn)定在。

圖4 升壓電路Fig.4 Booster circuit

2.2 雙電源分時(shí)控制方式[6]

圖5 雙電源驅(qū)動(dòng)電路Fig.5 Double power supply drive circuit

如圖5所示,雙電源分時(shí)控制電路中,分別與高速電磁閥和形成半橋驅(qū)動(dòng)電路。同時(shí)導(dǎo)通時(shí),高壓電源為線圈L快速充能,此時(shí)二極管、反向截止,當(dāng)進(jìn)入較大電流維持階段,關(guān)斷,以切斷高壓充能,同時(shí)導(dǎo)通、使低壓電源對(duì)線圈供電,利用PWM控制的開關(guān)頻率,實(shí)現(xiàn)對(duì)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(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電路如圖7所示,形成半橋驅(qū)動(dòng),IR2127及其外圍電路組成高端驅(qū)動(dòng),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(chǎn)生PWM信號(hào),當(dāng)IN管腳輸入低電平時(shí),輸出管腳HO輸出低電平,此時(shí)VS管腳與HO管腳內(nèi)部相接,自舉電容在VS基準(zhǔn)電壓上充電至,當(dāng)IN管腳輸入高電平時(shí),電容充電完畢,輸出管腳HO與VB導(dǎo)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(qū)動(dòng)電路Fig.7 High voltage drive circuit of injector

4 續(xù)流回路

對(duì)于感性負(fù)載,關(guān)斷時(shí)電路中的續(xù)流回路承擔(dān)了執(zhí)行器釋能速度的快慢,決定了執(zhí)行器停止工作的響應(yīng)時(shí)間的長短,合理的續(xù)流回路設(shè)計(jì)可以改善控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng),縮短控制的反應(yīng)時(shí)間。

對(duì)應(yīng)Peak-Hold電流的驅(qū)動(dòng)電路有多種類型,常用的有緩慢續(xù)流回路和快速切斷型續(xù)流回路。[7][8][9]

圖8 緩慢型續(xù)流回路Fig.8 Continuous flow circuit of slow type

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

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

對(duì)于緩慢續(xù)流回路,如圖8所示,當(dāng)關(guān)斷時(shí),執(zhí)行器沿虛線方向形成續(xù)流回路,可估計(jì)出執(zhí)行器的釋能速度如式(1)所示。為關(guān)斷前電流值,為續(xù)流二極管正向?qū)妷?一般為線圈電流下降緩慢。

對(duì)于快速切斷型續(xù)流回路,如圖9所示,當(dāng)關(guān)斷,執(zhí)行器沿虛線方向形成泄流回路,可估計(jì)出執(zhí)行器的釋能速度如式(2)所示。為關(guān)斷前電流值,為續(xù)流二極管正向?qū)妷?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(dá)到,甚至更高,此電路大大加快了線圈釋能速度。然而,當(dāng)線圈中存儲(chǔ)能量較大時(shí),頻繁工作的執(zhí)行器會(huì)導(dǎo)致MOS管和續(xù)流二極管過熱。

論文采用能量回饋續(xù)流電路,是快速切斷型續(xù)流回路的改進(jìn),如圖10所示,將關(guān)斷時(shí)線圈的能量直接傳輸給儲(chǔ)能電容,釋能速度如式(3)所示,為關(guān)斷前電流值,為續(xù)流二極管正向?qū)妷?為儲(chǔ)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(chǔ)能電容充電,達(dá)到節(jié)能的作用,也減少了MOS管的發(fā)熱。這樣的設(shè)計(jì)要保證的雪崩擊穿電壓大于高壓供電電壓。

執(zhí)行器釋能過程的物理本質(zhì),是將存儲(chǔ)在執(zhí)行器線圈中的能量通過續(xù)流回路轉(zhuǎn)移到儲(chǔ)能電容中。高電壓的儲(chǔ)能電容一個(gè)方面在充能階段提供了快速的上升電流,另外一個(gè)方面又在執(zhí)行器停止工作的階段提供一個(gè)快速的釋能通道,同時(shí)還降低了驅(qū)動(dòng)電路的發(fā)熱,提高驅(qū)動(dòng)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(jīng)過低端驅(qū)動(dòng)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(shù),Output輸出到MCU的ADC通道。MCU將利用采集到的電壓值與設(shè)定值比較,求出誤差,應(yīng)用變積分PID算法調(diào)節(jié)輸出PWM信號(hào)的占空比,控制高端MOS管的開閉,使電流值穩(wěn)定在設(shè)定值。

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

6 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和結(jié)論

驅(qū)動(dòng)器實(shí)物圖如圖12所示,對(duì)所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)脈寬設(shè)定為,噴射周期,使用電流鉗測(cè)得噴油器電流,如圖13所示;電流上升階段采用高壓供電;經(jīng)過達(dá)到峰值;拾波階段線圈供電電流維持在持續(xù);保持階段電流保持在,關(guān)斷時(shí)泄流迅速。多次噴射效果如圖14所示。

圖12 驅(qū)動(dòng)器實(shí)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(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)模塊采用雙電源供電,加快噴油器的開啟速度;設(shè)計(jì)能量回饋續(xù)流回路,提高噴油器的關(guān)斷速度,并將能量回收,減少功耗;實(shí)現(xiàn)了理想的Peak & Hold驅(qū)動(dòng)電流波形,滿足GDI噴油器響應(yīng)特性;通過電流負(fù)反饋閉環(huán)控制,實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)驅(qū)動(dòng)電流的標(biāo)定;具有噴油器短路和斷路檢測(cè)功能。

[1]胡春明,郭守昌,崔潤龍,等。直噴汽油機(jī)噴油器驅(qū)動(dòng)模塊的開發(fā)與優(yōu)化[J]。內(nèi)燃機(jī)工程,2014,35(2):83-84.

[2]陳林,董小瑞,王艷華。缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)高速電磁閥驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)[J]。柴油機(jī)設(shè)計(jì)與制造,2014,2(20):28.

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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(dǎo)師。

汽車噴油器測(cè)試系統(tǒng)的開發(fā)與研究(703000822)。

李金龍【通訊作者】(1989-),男,碩士研究生。