对置二冲程柴油机喷油驱动模块开发

张永志，刘波澜，左 哲，崔 涛

（北京理工大学机械与车辆学院车辆动力系统技术重点学科实验室，北京 100081）

对置二冲程柴油机起源于德国，后来很多国家都进行了原理样机的研制。其功率密度和燃油效率都较高，而且零部件较传统柴油机要少；一个气缸内的2个活塞进行镜像往复运动，使得柴油机的平衡性得到了很大的提高，减少了曲轴轴承的负荷。由于现代排放法规越来越严格，二冲程柴油机的发展受到了很大的束缚；但是，柴油机电子控制技术的应用使得对置二冲程柴油机的优势越发明显起来。本研究针对某对置二冲程柴油机对喷油时序的要求以及电控喷油器对电磁阀驱动的要求，进行了相应的硬件设计及试验研究。

1 对置二冲程柴油机对喷油时序的要求

图1示出自行研制的某型号对置二冲程柴油机，其为2气缸4喷油器结构，每个气缸套上安装了2个喷油器。

传统的柴油机每个气缸中只有1个喷油器，而且各缸的工作是有一定顺序的，燃油喷射的控制一般由一个时间处理单元（TPU）来完成，TPU的任务是顺序执行的，所以2个气缸不可能同时工作（即2个喷油器同时喷油）。而对置二冲程柴油机的1个气缸中装有2个喷油器，这2个喷油器需要独立控制，既能同时进行喷油，又可以间隔一定角度喷油。所以，对置二冲程柴油机1个气缸中的2个喷油器的驱动模块需要接在不同的时间处理单元上，这样才能对这2个喷油器进行独立控制。

MPC5554微控制器拥有2个独立的增强型时间处理单元（eTPU），每个eTPU模块包含32个独立的通道，每个通道可以处理连续双重事件，能够满足对置二冲程柴油机对燃油喷射时序的要求。

选取MPC5554作为燃油喷射控制的微控制器，它的eTPU＿A用于控制驱动模块A，eTPU＿B用于控制驱动模块B。如图2所示，对于1号气缸（简称1缸）中的2个喷油器，一个由驱动模块A驱动喷油，另一个由驱动模块B驱动喷油；同样，2号气缸（简称2缸）中的2个喷油器分别由驱动模块A和驱动模块B驱动。

2 驱动模块总体设计

驱动模块分为驱动模块A和驱动模块B两部分，每部分包含2个驱动子模块，分别用于驱动1缸和2缸的喷油器电磁阀。由于每个驱动子模块的结构和工作原理都是相同的，因此，以其中1个为例进行说明。驱动子模块的原理见图3，主要包括CPLD、驱动电路、升压电路和电流反馈电路4个部分。子模块中各个部分的功能如下：CPLD用于驱动逻辑的合成；驱动芯片将CPLD输出的信号放大为带有驱动能力的信号去控制相应MOS管的通断；升压电路主要为喷油器电磁阀打开时提供高压，使其迅速开启；电流反馈部分用于采集流过喷油器电磁阀的电流并反馈给CPLD，从而调整输出驱动信号的占空比，使电流保持在某设定值附近。根据微控制器MPC5554给出的喷油脉宽信号，驱动子模块便可以完成对喷油器电磁阀的闭环控制。

3 驱动电路设计

图4示出具体的驱动电路原理图，驱动芯片选取了具有高低端驱动功能的AUIRS2181S和只具有高端驱动功能的IR2125。AUIRS2181S芯片的最高操作电压为＋600V，用于控制MOS管Q2和Q3的通断；IR2125芯片的最高操作电压为＋500V，用于控制MOS管Q1的通断。这2个芯片配合完成对喷油器电磁阀的控制。图中二极管D1和D2主要利用二极管的单向导通性，可以防止喷油器电磁阀产生的高压对MOS管Q1和Q2的影响，用以保持Q1和Q2工作时的相对独立；二极管D3和D4、储能电容C1以及喷油器电磁阀组成续流回路，用于控制回路断开时喷油器电磁阀的续流，将多余的能量转移到储能电容C1中，并且还可以防止电路的反向导通。

3.1 驱动芯片的工作原理

AUIRS2181S芯片的 HIN（高端）和LIN（低端）2个管脚用于信号的输入，HO（高端）和LO（低端）2个管脚用于信号的输出；HO管脚的输出信号对应HIN管脚的输入信号，LO管脚的输出信号对应LIN管脚的输入信号。芯片工作时，对应管脚的输入和输出时序是一致的（见图5）。

IR2125芯片的工作原理见图6，IN管脚为信号的输入端，HO管脚为信号的输出端。通过控制MOS管Q1的通断，可以实现对高电压的接通或断开。

IR2125工作时，输出信号与输入信号及其他管脚的时序关系见图7，当CS管脚和ERR管脚均为低电平时，输出信号的时序与输入信号的时序是一致的；当CS管脚和ERR管脚中有一个为高电平时，输出就为低电平。

3.2 驱动电路的工作过程

微控制器MPC5554把喷油脉宽信号输入给CPLD，由CPLD进行驱动信号的逻辑合成，并将合成的信号输入给驱动芯片，驱动芯片只进行功率放大，信号的时序不发生改变。CPLD输入给IR2125芯片IN管脚的信号波形见图8。由于驱动电路采用高低端驱动的方式工作，而低端由AUIRS2181S控制，所以图中不仅给出了喷油脉宽信号和IN管脚的输入信号，还给出了AUIRS2181S的LIN管脚的输入信号。

IR2125控制阶段主要完成喷油器电磁阀的打开和峰值电流的保持。该阶段AUIRS2181S的LO管脚输出高电平，使MOS管Q3处于接通状态；开始时，IR2125的HO管脚输出高电平，使 MOS管Q1接通，给喷油器电磁阀提供一个大电流，使电磁阀快速打开；电磁阀打开后，IR2125的HO管脚输出低电平，MOS管Q1断开，使流过电磁阀的电流减小到略低于峰值电流的某个设定值（峰值保持电流）；然后根据实际电流值与所设定电流值的比较结果，由IR2125控制MOS管Q1的接通或断开，从而使电流保持在设定值附近，这样可以使喷油器电磁阀的衔铁在吸合时减少振荡，增加电磁阀开启时的平稳性。电磁阀完全打开后，IR2125停止工作，由AUIRS2181S完成对喷油器电磁阀的后续控制，其工作波形见图9。

根据电磁阀的特性，电磁阀打开时需要较大的电流，而维持打开状态所需要的电流相对较小，因此，在电磁阀完全打开后，为使流过喷油器电磁阀的电流迅速减小，将MOS管Q1，Q2和Q3都断开；当电流降到低电流保持值时，AUIRS2181S的低端输出信号控制MOS管Q3接通，而高端根据电流的反馈值，通过调整输出信号的占空比，控制 MOS管Q2接通或断开，使流过电磁阀的电流值保持在所需的低电流保持值附近。该过程中由＋24V供电，而且电磁阀中部分多余的能量被回收到升压电路的储能电容C1中。

4 升压电路设计

升压电路主要利用UC3843芯片及其外围电路来实现升压功能，其原理见图10。

升压电路的MOS管Q4接通时，升压电感L1充电；当MOS管Q4断开时，升压电感L1产生很大的感应电动势，开始给储能电容C1充电，将电感中储存的能量转移到储能电容C1中。

电阻R12，R13，R14和R15用于升压值的反馈控制。根据UC3843的特性，当VFB管脚输入一个大于3.6V的信号时，便可以将UC3843关闭。升压电路的升压值为储能电容C1的电压值，VFB管脚采集到的电压值可以由式（1）计算得到。

式中：VVFB为VFB管脚的输入电压值；VC1为储能电容C1的电压值；R12，R15为电阻值。

电阻R10，R11和电容C5用于电流的采样。ISENSE管脚通过采集电阻R11上端的电压值，可以得到流过R11的电流值。芯片UC3843根据VFB管脚的反馈电压值和ISENSE管脚的反馈电流值，来调整OUTPUT管脚的输出信号，从而得到所设定的高压值。ISENSE管脚的采样电流值可以由式（2）计算得到。

5 电流反馈设计

式中：IS为流过电阻R11的电流值。根据UC3843的内部结构可知，当VVFB＜0.6V且VS＜1V时，OUTPUT管脚输出最大占空比信号；当0.6V＜VVFB＜3.6V时，OUTPUT管脚输出信号的占空比随着电压的升高而减小。

电阻R16和电容C6提供芯片的工作频率。在选择芯片的工作频率时，需要综合考虑：工作频率太低，不能满足工作需要；工作频率太高，流过L1的平均电流会减小，导致升压的能量不够，而且对MOS管Q4的响应性要求较高，会影响其使用寿命。

芯片UC3843的工作频率f与单位时间内MOS管Q4的开关次数n的关系见式（3）。

如图3所示，电阻R1和运算放大器A1构成电压跟随器，电压跟随器具有输入阻抗很高、输出阻抗很低、不从信号中索取电流等特点，所以将它放在采集电路的前端；电阻R2，R3和运算放大器A2构成比较器1，用于峰值电流保持时的电流反馈；电阻R5，R6和运算放大器A3构成比较器2，用于低电流保持时的电流反馈。电压跟随器将采集到的采样电阻RS的上端电压值输入到比较器，与已设定的电压值进行比较，比较后的结果作为反馈信号输入到CPLD中，由CPLD合成出所需的驱动逻辑信号，由驱动电路控制流过喷油器电磁阀的电流，使其保持在设定值附近。电阻R2，R3，R5和R6的参数值应根据设定的电流值和R1的参数值来选取。

6 试验验证

对喷油器进行驱动试验，图11示出升压值50V时单个喷油器电磁阀的驱动电流波形。从图中可以看出，只需要110μs左右，电流便从0A上升到峰值20A；峰值保持电流在15A左右，低电流保持在10A左右。

图12示出在不同升压值情况下，储能电容C1的电位变化。在两条曲线中，当电压降至最低时（如图中虚线所示位置），喷油器电磁阀停止工作，储能电容开始快速充电。由于该驱动模块设计有能量回收功能，因此，在喷油器电磁阀工作时，产生的部分多余能量会转移到储能电容中，使储能电容的能量得到一些补偿；当电磁阀停止工作时，多余的能量也会转移到储能电容中。

在油泵试验台上进行驱动喷油试验，对所设计的驱动模块进行测试，喷油器可以正常工作。图13示出所设计的驱动模块工作时，流过同一缸2个喷油器电磁阀的电流波形；从喷射时序上看，该驱动模块可以满足对置二冲程柴油机需要双喷油器同时工作的要求。

7 结束语

微控制器只需给出喷油脉宽信号，所设计的驱动模块便可以完成对喷油器电磁阀的闭环控制，占用单片机的资源较少。在工作时序上，驱动模块可以满足对置二冲程柴油机需双喷油器同时工作的特殊要求。该驱动模块可以使喷油器电磁阀在110μs左右打开，并且能够实现多段电流保持功能，满足电控喷油器的驱动要求。驱动模块可以有效回收电磁阀断开时产生的多余能量，降低了系统功耗，提高了系统可靠性。

［1］宋 军，李书泽，李孝禄，等.高速电磁阀驱动电路设计及试验分析［J］.汽车工程，2005，27（5）：547－549.

［2］崔 涛，黄 英，刘波澜，等.单体泵智能驱动模块设计及试验研究［J］.内燃机工程，2009，30（4）：82－86.

［3］王尚勇，杨 青.柴油机电子控制技术［M］.北京：机械工业出版社，2005.

［4］TI.UC3843Datasheet［R］.Texas：Texas Instruments INC，2005：1－19.

［5］龚元明，徐 涛，于世涛，等.电控喷油器智能驱动模块设计［J］.内燃机工程，2006，27（3）：18－21.

［6］张科勋，李建秋，李 进，等.柴油机电控燃油喷射电磁阀的驱动逻辑优化［J］.清华大学学报：自然科学版，2004，44（8）：1142－1145.

［7］连长震，李建秋，周 明，等.电控燃油喷射用高速电磁阀驱动方式研究［J］.汽车工程，2002，24（4）：310－313.

［8］安士杰，欧阳光耀.电控喷油器控制电磁阀理论与试验研究［J］.内燃机学报，2003，21（5）：356－360.