直喷汽油机喷油器驱动模块设计

天津理工大学自动化学院 天津市复杂控制理论与应用重点实验室 张宝峰 李金龙中国人民解放军军事交通学院 李建文清华大学航天航空学院 卜建国

直喷汽油机喷油器驱动模块设计

天津理工大学自动化学院 天津市复杂控制理论与应用重点实验室 张宝峰 李金龙
中国人民解放军军事交通学院 李建文
清华大学航天航空学院 卜建国

直喷汽油机喷油器电磁阀的驱动方式一般采用典型Peak & Hold电流模型,针对缸内直喷技术对电磁阀响应特性的要求,本文设计了一种GDI喷油器驱动模块。该模块由升压电路提供喷油器快速开启时所需高压,由MCU输出脉冲宽度调制信号驱动电磁阀,结合高、低端驱动技术及高、低电压分时供电,实现Peak & Hold电流波形。设计节能型释能回路,使喷油器关闭后快速泄流,满足电磁阀对驱动电路的要求。通过电流反馈技术,实现喷油电流值的精确控制,并具有喷油器短路、断路诊断功能。

直喷汽油机;喷油器驱动电路;双电源驱动;储能型泄流;高速电磁阀

0 概述

面对日益加剧的能源危机和严格的排放法规,缸内直喷汽油机由于其在动力性和 燃油经济性上的优势,成为车用汽油机的主流发展方向[1]。汽油机缸内直喷(Gasoline Direct Injection,GDI)技术借助电控燃油喷射系统充分发挥其优势[2]。电控燃油喷射系统的核心部件都是执行器,电磁阀作为应用最广泛的燃油喷射系统执行器,其驱动电路的表现将直接影响到燃油喷射系统乃至整个发动机的性能[3]。

为满足高速电磁阀在喷油过程中的动态特性,驱动电流一般采用Peak & Hold驱动方式[4]。

论文设计了高速电磁阀驱动模块,并对其进行了理论分析和实验研究,验证了驱动电路响应的快速性和控制的高精度。

1 驱动模块总体设计方案

GDI喷油器驱动电流一般采用典型Peak & Hold电流模型,如图1所示,能满足不同阶段,喷油器对电流变化的要求。

图1 Peak & Hold驱动电流波形Fig.1 Waveform of Peak & Hold drive current

1阶段为上升阶段,需要一个高电压作用于电磁阀线圈,迅速给喷油器线圈充能,使电流快速上升,缩短喷油器开启时间;2阶段为拾波阶段,维持电磁阀驱动电流在峰值电流附近一小段时间,以防止电流突变导致喷油器针阀意外落座;3阶段为维持阶段,当电磁阀衔铁落座后,磁路气隙减小,磁阻降低[5],维持较小电流即可保证电磁阀的开启状态且降低功耗;图中最后关闭阶段应快速抑制驱动电流,达到快速关断,以提高控制精度。

喷油器驱动模块整体结构如图2所示,由微控制单元MCU、升压电路、电磁阀驱动电路、电流采集电路组成,工作原理如下:喷油器喷油前MCU控制升压电路建立75V高压,在上升阶段高压给线圈充能,拾波阶段采用12V供电,由MCU产生脉冲宽度调制PWM信号作用于电磁阀驱动电路,通过高、低电压分时控制,结合电流负反馈闭环控制,实现Peak&Hold电流波形及其各阶段电流值标定。

图2 驱动器结构框图Fig.2 Driver structure block diagram

2 升压电路设计

根据上述理想的驱动电流波形,论文设计开发的喷油器驱动模块采用双电压分时驱动模式,由升压电路产生高压,满足喷油器在开启阶段对驱动高压的要求,以提高电磁阀打开速度;通过分时控制实现高低电压之间的控制切换。

2.1 DC/DC升压电路

DC/DC升压电路采用BOOST变换方式,如图3所示,主要由储能电感、储能电容和二极管构成,利用PWM控制MOS管的开闭,实现电压的升高。输出电压作用于喷油器线圈。

图3 升压电路原理图Fig.3 Schematic diagram of booster circuit

设计中采用ADP1621产生图3中PWM信号,如图4所示为储能元件,用于吸收喷油器释放能量,为输出高压。MCU提供片选信号Input,FREQ与COMP管脚外接电阻、电容决定PWM工作频率, CS管脚外接过流保护电阻,FB管脚得到输出电压的反馈值,并根据此值ADP1621自主调节GATE管脚输出PWM控制MOS管开闭,使输出电压稳定在。

图4 升压电路Fig.4 Booster circuit

2.2 双电源分时控制方式[6]

图5 双电源驱动电路Fig.5 Double power supply drive circuit

如图5所示,双电源分时控制电路中,分别与高速电磁阀和形成半桥驱动电路。同时导通时,高压电源为线圈L快速充能,此时二极管、反向截止,当进入较大电流维持阶段,关断,以切断高压充能,同时导通、使低压电源对线圈供电,利用PWM控制的开关频率,实现对线圈电流的精确控制,控制波形如图6所示。

图6 控制波形Fig.6 Waveform of control

3 驱动电路设计

驱动电路如图7所示,形成半桥驱动,IR2127及其外围电路组成高端驱动,控制MOS管开闭,、分别为自举电容和自举电阻。HO管脚为输出,由MCU产生PWM信号,当IN管脚输入低电平时,输出管脚HO输出低电平,此时VS管脚与HO管脚内部相接,自举电容在VS基准电压上充电至,当IN管脚输入高电平时,电容充电完毕,输出管脚HO与VB导通,栅源极电压高于其开启电压,高端MOS管打开,自举完成。

图7 喷油器高端驱动电路Fig.7 High voltage drive circuit of injector

4 续流回路

对于感性负载,关断时电路中的续流回路承担了执行器释能速度的快慢,决定了执行器停止工作的响应时间的长短,合理的续流回路设计可以改善控制系统的动态响应,缩短控制的反应时间。

对应Peak-Hold电流的驱动电路有多种类型,常用的有缓慢续流回路和快速切断型续流回路。[7][8][9]

图8 缓慢型续流回路Fig.8 Continuous flow circuit of slow type

图9 快速切断型续流回路Fig.9 Continuous flow circuit of quick cut off type

图10 能量回馈续流回路Fig.10 Continuous flow circuit of energy feedback type

对于缓慢续流回路,如图8所示,当关断时,执行器沿虚线方向形成续流回路,可估计出执行器的释能速度如式(1)所示。为关断前电流值,为续流二极管正向导通电压,一般为线圈电流下降缓慢。

对于快速切断型续流回路,如图9所示,当关断,执行器沿虚线方向形成泄流回路,可估计出执行器的释能速度如式(2)所示。为关断前电流值,为续流二极管正向导通电压,一般为,为二极管雪崩击穿电压。一般功率MOSFET管雪崩击穿电压可以达到,甚至更高,此电路大大加快了线圈释能速度。然而,当线圈中存储能量较大时,频繁工作的执行器会导致MOS管和续流二极管过热。

论文采用能量回馈续流电路,是快速切断型续流回路的改进,如图10所示,将关断时线圈的能量直接传输给储能电容,释能速度如式(3)所示,为关断前电流值,为续流二极管正向导通电压,为储能电容电压,可以看出这样不仅能够提高线圈释能速度,并且能为储能电容充电,达到节能的作用,也减少了MOS管的发热。这样的设计要保证的雪崩击穿电压大于高压供电电压。

执行器释能过程的物理本质,是将存储在执行器线圈中的能量通过续流回路转移到储能电容中。高电压的储能电容一个方面在充能阶段提供了快速的上升电流,另外一个方面又在执行器停止工作的阶段提供一个快速的释能通道,同时还降低了驱动电路的发热,提高驱动电路能量利用效率。

5 电流采样电路

电流采样电路采用差分放大电路,如图11所示喷油器线圈电流经过低端驱动MOS管由采样电阻采样,形成差分放大电路输入,与决定放大倍数,Output输出到MCU的ADC通道。MCU将利用采集到的电压值与设定值比较,求出误差,应用变积分PID算法调节输出PWM信号的占空比,控制高端MOS管的开闭,使电流值稳定在设定值。

图11 电流采集电路Fig.11 Current collect circuit

6 实验验证和结论

驱动器实物图如图12所示,对所设计的驱动器进行实验,实验脉宽设定为,喷射周期,使用电流钳测得喷油器电流,如图13所示;电流上升阶段采用高压供电;经过达到峰值;拾波阶段线圈供电电流维持在持续;保持阶段电流保持在,关断时泄流迅速。多次喷射效果如图14所示。

图12 驱动器实物图Fig.12 Driver photo

图13 喷油器电压和电流Fig.13 Voltage and current of injector

图14 多次喷射效果Fig.14 Multiple injection effect

所设计的驱动模块采用双电源供电,加快喷油器的开启速度;设计能量回馈续流回路,提高喷油器的关断速度,并将能量回收,减少功耗;实现了理想的Peak & Hold驱动电流波形,满足GDI喷油器响应特性;通过电流负反馈闭环控制,实现上位机对驱动电流的标定;具有喷油器短路和断路检测功能。

[1]胡春明,郭守昌,崔润龙,等。直喷汽油机喷油器驱动模块的开发与优化[J]。内燃机工程,2014,35(2):83-84.

[2]陈林,董小瑞,王艳华。缸内直喷发动机高速电磁阀驱动电路设计[J]。柴油机设计与制造,2014,2(20):28.

[3]张科勋,洪木南,周明,等。柴油机电磁阀集成式升压驱动电路设计与分析[J]。上海交通大学学报,2008,42(8):1368.

[4]卜建国,周明,温浩彦,等。柴油机高速电磁阀驱动电路响应特性研究[J]。内燃机工程,2015.

[5]李克,李广霞,崔国旭,等。一种智能可靠的电磁喷油器驱动单元的开发[J]。汽车工程,2013,35(1):78.

[6]张奇,张科勋,李建秋,等。电控柴油机电磁阀驱动电路优化设计[J]。内燃机工程,2005,26(2):1-4.

[7]李克,苏万华,郭树满。高速电磁阀分时驱动电路可靠性与一致性研究[J]。内燃机工程,2011,32(2):33-38.

[8]郭树满,苏万华,刘二喜,等。基于自举电路的共轨喷油器驱动电路优化设计[J]。农业机械学报,2012,43(5):11-15.

[9]李建秋,王金力,宋子由,等。汽车电控执行器的充能释能过程与驱动器的电路设计[J]。汽车安全与节能学报,2013,4(1):41-47.

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

张宝峰(1962-),男,博士生导师。

汽车喷油器测试系统的开发与研究(703000822)。

李金龙【通讯作者】(1989-),男,硕士研究生。