电子喷射阀驱动单元模块电路的设计及应用

吕　青

(武汉船舶职业技术学院，湖北武汉　430050)



电子喷射阀驱动单元模块电路的设计及应用

吕青

(武汉船舶职业技术学院，湖北武汉430050)

摘要本文通过对电子喷射阀驱动单元电路设计的论述，探讨了如何解决双燃料发动机电子控制系统对喷射量的精确控制，提高了发动机在燃烧性能、动力性能及排放等方面的技术指标。

关键词双燃料发动机；电子喷射阀；驱动电路

随着各国对发动机排放指标的限制越来越严格，柴油、天然气双燃料发动机的广泛应用已成为趋势。就发动机而言，气态燃料的使用可以很大程度降低其活塞与气缸盖的磨损，减少发动机维护保养频率，延长发动机使用年限。但这种发动机工作想要达到理想的热效率，其动力性、经济性及排放指标，要依赖于能够对各缸的喷射量和时间进行很好地控制，以使得缸内天然气和空气的比例达到最优值，从而使得燃料得到充分的燃烧，因此，探讨电子控制系统喷射单元的设计，有利于实现对气体量的准确控制。

1双燃料发动机电子控制系统的总体设计

对双燃料发动机来说，气体燃料的供应方式一般分为两种：利用混合器混合的方式和利用电子喷射阀喷射的方式。利用混合器混合的方法就是利用混合器的前后气压来检测，检查前后压差来进行控制，然后去调节气流阀的开度，不断为每个气缸供应燃气，只是利用混合器法对空燃比的控制不是很精确，并不能达到理想的郊果。利用电子喷射阀喷射的方法可以在运行程序中对燃气喷射的定量和定时可以精确控制，并可准确判断喷射始点，燃气进排门的时刻在活塞上止点的密切关系。在气缸压缩比较高以及压缩终点喷射的燃气发动机上，主要使用高压喷射的供应方法，这样就可以得到更高的燃料供给量和延续时间较短的燃气供应时间。

柴油天然气发动机点火方式是采用微量柴油引燃技术，液化天然气经气化后，在活塞的压缩行程中和空气一起喷入气缸内，由微量柴油来引燃混合可燃气体。因此系统设计的关键一个是液化供应系统，另一个是电子控制喷射系统。而电子控制喷射系统的设计，采用点火引燃技术，通过对喷射进行精确控制而使燃烧热达到理想高点。

2电子控制器整体设计方案

以某台架试验的电子控制器为例，电子控制系统整体设计结构如图1所示，主要包括电源单元模块、调试下载单元模块、四路输入调理电路、六路输出调理电路、串行通信单元电路、电机调理单元电路。

电控处理单元采用的微处理器MCU是一种新型的16位处理器，以上各种调理电路都是以该芯片为核心来设计的。

3电子喷射驱动单元模块电路的设计

电子喷射阀是气体燃料供应的主要电子元器件，电子喷射阀驱动电路，以LM1949喷射驱动控制器为例，如图2所示。

LM1949线性集成电路是一种优越的控制燃油喷射器的驱动电路。这个集成电路被设计成去控制一个外部功率NPN晶体管，以致能驱动一个大电流喷射电磁阀，打开电磁阀瞬间的电流要比维持打开状态时的电流要大很多，因此，初始化驱动器直到打开阀的最大电流是维持开启状态电流的4倍。打开电磁阀之后，电流自动减少到有效开启水平为输入脉冲的持续时间，整个器件系统的能量消耗是显著减少的，打开和关闭电磁阀的延迟时间也相应的减少了。图3所示为LM1949线性集成电路的应用结构图。

图1　电子控制器总体结构图

图2　电子喷射阀驱动电路图

图3　LM1949应用结构图

该喷射电磁阀驱动集成电路被设计用于外部连接控制器上，LM1949驱动器的驱动信号来自于控制器原始过程(CMOS)，微处理器，或一些其他的系统。这个输入信号，来自于有效生命周期内或频率内，作用在第一个引脚，在一个典型的系统中，驱动器输入的频率与发动机的转速成正比关系，而驱动器的周期与发动机的负荷成反比的关系，在闭式回路中，发动机排气被检测并且空气与燃油混合的比例是可调的去维持一个最优的当量比。如图4所示是一个典型的燃油喷射器模型。

图4　RL电路图

在实际运行中，L1阀将依据电磁阀的状态，L1的改变将根据电磁阀的打开和关闭来改变，电感自身体现的改变作为一个断点在电磁阀电流是原始上升阶段，波形输入显示在大约130mV时发生，因此，实际需要的电流去克服这个喷射器本身结构阻力是1.3A。峰值电流和开启电流是由电阻Rs的阻值决定的，集成电路的驱动器，当引脚1的输入信号初始化时，初始驱动晶体管Q1到饱和状态，喷射器电流将从0在一定速率下上升，这个速度根据L1、R1、电流电压使用寿命和Q1的饱和电压来决定。

电磁阀电流超过1.3A开启，当电流低于0.3A时关闭，为了使喷射器工作在一定的生命周期和温度范围之内，峰值电流大约选择4A，通过电磁阀的峰值电流和维持开启电流一般选3.85A和0.94A。

不同类型的电磁阀需要不同的电流值，检测电阻Rs可能也根据实际而改变，例如一个峰值为8A的喷射器需要Rs的值是0.5Ω。

时间功能的目的是来限制电磁阀和喷射器功率下降，在特定的条件下，特别是在电池电压太低时，由于发动机曲轴或非增压，这就可能不能有效地得到使喷射器动作的峰值电流，电池电压很低时，喷射器电流能被看到3A或1A(低于正常的阀值电流)，3A可能引起喷射器发热，集成电路的时间功能将强力转到维持状态在一定时间后(这个时间等于RtCt)，在每个输入脉 冲后这个时间能被重新设置。

图3中，在喷射系统中的定时口授实际范围应该接近3.9ms，定时器实际有效的范围是从ms到s，它根据组件的选择，Rt的有效范围大约在1K到240K，电容Ct限制在最低值和最大值之间，在每个控制器脉冲后电容的复位时间由供应电压和电容值决定的，集成电路复位电容到初始值(Vbe)通过改变电流值大约在15Ma，因此一个0.1uF的电容的复位时间是25us。放大器的补偿性能为电路在维持阶段提供稳定，允许设计为每个系统而量身定做，电路中正常工作值可以从100pF到0.1uF。

二极管Z1的目的是双重的，它的负荷是感应的，电压峰值产生在Q1随着喷射器电流减少，它发生在喷射阀的峰值到维持开启值的转变中，当电流减少到峰值电流的四分之一时，在每个输入脉冲的结尾，当电流减少到0，当二极管提供一个电流路径为感应反应，限制二极管电压峰值和阻止电压损害Q1。因此，和系统峰值电流相关的二极管电压比损害Q1的最小值要小，Z1集积了喷射器电流在峰值到维持值的转变时，Q1运行在维持值阶段，当集成电路放大器需要94mA通过Rs，Q1将很准确的提供，在Q1安全运行区域必须包括维持电流在二极管电压Vce，二极管可能连续到Rs的最大值，通过感应电阻的电压，实际可以反映喷射器的电流在任何时间，误差放大器保持Q1关闭直到喷射器电流到达合适的值。

喷射阀驱动电路的切换：系统功率的损耗，特别在Q1能被减少用一个切换喷射驱动电路转换，由于喷射的负荷是主要的，转换器Q1能被快速切换开和关在一个转换调节器中，这个电磁阀整合的电压能产生喷射器需要的电流，Q1消耗的功率将被减少，在图2的电路中，仅仅额外的器件是两个外部电阻R1和R2，另外，二极管需要连接到Rs，维持电流的波形很容易被R1和R2的阻值比所控制，R2保持很小以致感应的输入电流(一般为0.3mA)能够在Vin上有一些影响，振荡器的周期和频率在维持状态时是依靠喷射器的特性、R1、R2和二极管电压来控制。

4结语

通过驱动单元模块电路的成功设计，使得电子控制系统以天然气的喷射量为控制核心，实现了对天然气的多点顺序喷射的精确控制，提高了燃料的热效率，并且很好地解决了发动机经济性、动力性及排放等多方面问题。

参考文献

1张武高，周明，欧阳明高.柴油、天然气双燃料发动机的燃烧性分析[J]，内燃机学报，2000，18 (2)：299-304

2张新搪，高孝洪等.柴油-LPG双燃料发动机排放性能研究[J].武汉理工大学学报,2001(2)

3苏万华，汪洋，林志强等，气口顺序喷射、稀然、全电控柴油/天然气双燃料发动机的研究[J].内燃机学报，2001(2)

(责任编辑：谭银元)

The Electronic Injection Valve Drive Unit Module Circuit Design

Lv Qing

(Wuhan Institute of Shipbuilding Technology, Wuhan 430050,China)

Abstract:This article through to the electronic injection valve drive unit circuit design, this paper illustrates how to solve the dual fuel engine electronic control system to achieve precise control of injection quantity, thus improve the engine in the combustion performance, dynamic performance and emissions and so on various aspects.

Key words:Dual fuel engine ; Electronic injection valve ; Driver circuit

作者简介：吕青，女，副教授，主要从事内燃机制造与维修方面的教学和科研工作。

收稿日期：2014-12-16

中图分类号TK24

文献标志码A

文章编号1671-8100(2015)02-0042-03