一種高壓共軌噴油器的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

摘要：分析了高壓共軌噴油器電磁閥工作原理，設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)模塊采用高電壓、大電流對(duì)電磁閥的開(kāi)啟加以控制，隨后采用低電壓、小電流的PWM波維持導(dǎo)通，滿足了高壓共軌噴油器電磁閥驅(qū)動(dòng)控制的要求。試驗(yàn)表明此驅(qū)動(dòng)電路性能優(yōu)異，設(shè)計(jì)運(yùn)行可靠，能滿足高壓共軌噴油器電磁閥驅(qū)動(dòng)控制的要求。
關(guān)鍵詞：高壓共軌；電磁閥；驅(qū)動(dòng)電路

0 引言
    高壓共軌系統(tǒng)由高壓油泵、共軌、噴油器、電子控制單元(ECU)和各種傳感器組成。低壓燃油泵將燃油輸入高壓油泵，高壓油泵將低壓燃油加壓成高壓燃油，并將高壓燃油供入共軌之中。燃油壓力是由通過(guò)調(diào)節(jié)供入共軌中的燃油量來(lái)控制的。共軌內(nèi)的高壓燃油經(jīng)高壓油管輸送到安裝在氣缸蓋上的噴油器內(nèi)，經(jīng)噴油器內(nèi)的噴油嘴將燃油噴入燃燒室內(nèi)。在電控共軌系統(tǒng)中，由各種傳感器檢測(cè)出發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行狀況，經(jīng)過(guò)ECU硬件的輸入模塊進(jìn)行相應(yīng)處理，將信號(hào)傳送給CPU，由CPU進(jìn)行計(jì)算、判斷、定出適合于該運(yùn)行狀況的供油量、噴油量、噴油定時(shí)等參數(shù)，再經(jīng)過(guò)ECU專用集成電路的輸出模塊進(jìn)行處理，提供高壓預(yù)噴射、主噴射和PWM噴射脈沖，驅(qū)動(dòng)電磁閥開(kāi)關(guān)，使發(fā)動(dòng)機(jī)處于最佳工作狀態(tài)。要達(dá)到最佳工作狀態(tài)需要借助靈活可變的噴油速率(多次噴射技術(shù))得以實(shí)現(xiàn)，這要求共軌噴油器具有高速響應(yīng)的特征。而其快速響應(yīng)特性是通過(guò)電磁閥的特殊設(shè)計(jì)及高壓電源(50V)模塊快速放電實(shí)現(xiàn)的。電控燃油系統(tǒng)核心部件是執(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)電路直接影響燃油噴射系統(tǒng)乃至整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。
    噴油器電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊是共軌ECU開(kāi)發(fā)的核心技術(shù)，現(xiàn)階段，噴油器電磁閥廣泛地采用峰值～維持控制方式，峰值電流為20A左右，維持電流為13A左右，該方式通常由BOOST升壓與PWM調(diào)制驅(qū)動(dòng)兩個(gè)部分構(gòu)成，本研究對(duì)這兩部分進(jìn)行詳細(xì)的分析，并給出相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)方法和控制電流波形。

1 升壓模塊的結(jié)構(gòu)和原理
    噴油器為了實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)需要高驅(qū)動(dòng)電壓，這里采用DC-DC轉(zhuǎn)換模塊將柴油機(jī)24V蓄電池電壓轉(zhuǎn)換到50V。50V電源模塊是共軌噴油器電磁閥驅(qū)動(dòng)電路中的重要部件，它由升壓型DC-DC電路構(gòu)成。設(shè)計(jì)思路采用24V斬波-升壓-整流-電容充電-放電激勵(lì)電磁閥的方式，基本構(gòu)成如圖1所示。在充電過(guò)程中，開(kāi)關(guān)管閉合，開(kāi)關(guān)處用導(dǎo)線代替。這時(shí)，輸入電壓流過(guò)電感。二極管防止電容對(duì)地放電。由于輸入是直流電，所以電感上的電流以一定的比率線性增加，這個(gè)比率跟電感大小有關(guān)。隨著電感電流增加，電感里儲(chǔ)存了一些能量。放電過(guò)程這是當(dāng)開(kāi)關(guān)管斷開(kāi)時(shí)的等效電路。當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，由于電感的電流保持特性，流經(jīng)電感的電流不會(huì)馬上變?yōu)?，而是緩慢地由充電完畢時(shí)的值變?yōu)?。而原來(lái)的電路己斷開(kāi)，于是電感只能通過(guò)新電路放電，即電感開(kāi)始給電容充電，電容兩端電壓升高，此時(shí)電壓已經(jīng)高于輸入電壓了，升壓完畢。起來(lái)升壓過(guò)程就是一個(gè)電感的能量傳遞過(guò)程。充電時(shí)，電感吸收能量，放電時(shí)電感放出能量。如果電容量足夠大，那么在輸出端就可以在放電過(guò)程中保持一個(gè)持續(xù)的電流。如果這個(gè)通斷的過(guò)程不斷重復(fù)，就可以在電容兩端得到高于輸入電壓的電壓。

[!--empirenews.page--]
2 噴油器電磁閥驅(qū)動(dòng)電路
2．1 半橋驅(qū)動(dòng)電路
    在噴油器的驅(qū)動(dòng)控制中，電磁閥驅(qū)動(dòng)是一個(gè)機(jī)械、液力、電磁等諸多因素相互作用的過(guò)程，為達(dá)到保護(hù)電磁閥、提高可靠性的目的，對(duì)電磁閥控制過(guò)程中驅(qū)動(dòng)電流、電流持續(xù)時(shí)間等參數(shù)都有一定的要求，從而使驅(qū)動(dòng)電流表現(xiàn)出特定的波形，所以這里采用半橋驅(qū)動(dòng)電路，如圖2所示。實(shí)際上是高邊驅(qū)動(dòng)和低邊驅(qū)動(dòng)的結(jié)合，噴油器的兩端分別連接相應(yīng)的MOS管，與電源和地都不連接，高邊和低邊任何一個(gè)MOS管都可以控制噴油器不工作，而執(zhí)行器要工作，兩個(gè)MOS管必須都工作。半橋驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是兩個(gè)控制信號(hào)來(lái)控制噴油器的工作狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)更加靈活和更加復(fù)雜的控制邏輯。同時(shí)，兩個(gè)MOS管控制負(fù)載，相當(dāng)于提高了關(guān)斷噴油器的安全系數(shù)，因此適應(yīng)安全性能苛刻的場(chǎng)合。

2．2 噴油驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
    噴油控制的連接電路原理圖見(jiàn)圖3。其中，CYD_IJ為CPU提供的初始噴油信號(hào)，經(jīng)過(guò)CPLD處理后產(chǎn)生BOOST_IJ為高壓噴射脈沖，POW_IJ為正常噴射，用來(lái)控制高邊MOS管，高邊MOS管用來(lái)控制噴油器的噴油波形，CYD_IJ為回線控制信號(hào)。用來(lái)控制低邊MOS管，低邊MOS管的控制代表著各缸的選缸脈沖，高壓預(yù)噴射和正常噴射經(jīng)過(guò)線或后控制電磁閥，相應(yīng)回線控制信號(hào)在噴油期間一直有效，當(dāng)電磁閥迅速打開(kāi)后，高壓信號(hào)變低同時(shí)正常噴射信號(hào)變?yōu)镻WM控制波形，每個(gè)控制信號(hào)都有電流采樣，然后反饋給CPLD，構(gòu)成閉環(huán)控制回路，最終產(chǎn)生穩(wěn)定準(zhǔn)確的噴油控制脈沖和噴油電流。[!--empirenews.page--]

    在6缸或4缸控制中，主控制信號(hào)(即高壓預(yù)噴射和正常噴射信號(hào))每3或2個(gè)一組，回線控制信號(hào)號(hào)和回線控制信號(hào)同時(shí)有效時(shí)，該缸被選中，電磁閥才能打開(kāi)?；鼐€控制信號(hào)在每個(gè)缸的噴射過(guò)程中一直有效，因此噴射時(shí)間的大小主要由主控信號(hào)的脈沖寬度決定。在電磁閥打開(kāi)的過(guò)程中，回線控制環(huán)路中采樣電阻上流過(guò)一定值的電流，當(dāng)該電流超過(guò)一定值時(shí)，達(dá)到內(nèi)部比較器的閾值，內(nèi)部的比較器發(fā)生翻轉(zhuǎn)，最終產(chǎn)生脈沖寬度可變的PWM波形，控制電磁閥的高速開(kāi)啟和關(guān)閉，讓電磁閥保持較小且恒定的電流，降低電路的功耗，同時(shí)保護(hù)器件不被損壞。

    電磁閥的理想運(yùn)動(dòng)特性是實(shí)現(xiàn)在電磁閥通電初期盡快地注入能量，以提高電磁閥的響應(yīng)速度；在電磁閥通電動(dòng)作后，只需要提供較小的保持電流。這樣不但可以降低能量消耗、減少電磁閥的發(fā)熱量，而且可以提高電磁閥的斷電響應(yīng)速度。通過(guò)控制脈沖來(lái)控制功率管的通斷，實(shí)現(xiàn)“峰值～維持”波形的電流調(diào)節(jié)方式，控制波形見(jiàn)圖5所示，CYD_IJ為CPU提供的初始噴油信號(hào)，經(jīng)過(guò)CPLD處理后產(chǎn)生高壓噴射BOOST_IJ和正常噴射POW_IJ主控制信號(hào)。IJ_VOL為高壓預(yù)噴射和主噴射信號(hào)的線或，即為電磁閥上端的電壓，在兩個(gè)信號(hào)同時(shí)為高時(shí)該信號(hào)為高壓信號(hào)50V，快速開(kāi)啟后為正常電源電壓24V。IJ_CUR為電磁閥在噴射過(guò)程中的電流，在初始高壓噴射過(guò)程中該電流迅速上升至峰值電流I_PULL，在高壓噴射結(jié)束后該電流隨著PWM脈沖的變化呈現(xiàn)充電放電的過(guò)程，保持在I_HOLD附件，使電磁閥的電流位置在比較低的范圍內(nèi)。[!--empirenews.page--]

3 試驗(yàn)驗(yàn)證
    將設(shè)計(jì)的硬件電路在噴油臺(tái)架上進(jìn)行測(cè)試，所選用的噴油器型號(hào)為BOSCH公司的CRIN1。所需的噴嘴驅(qū)動(dòng)電流圖形見(jiàn)圖6所示，峰值電流為17．5～19．5A，保持電流為12．5～13．5A。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得噴油器電流波形如圖。所以，通過(guò)示波器測(cè)量，噴油器峰值電流為19．5A，保持電流為13．5A。電路波形整齊有序，臺(tái)架驗(yàn)證，該驅(qū)動(dòng)方式工作穩(wěn)定可靠、效率較高，完全滿足噴油器驅(qū)動(dòng)需求。

4 結(jié)論
    在對(duì)BOOST升壓電路與PWM調(diào)制驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，給出了噴油器半橋驅(qū)動(dòng)器的實(shí)現(xiàn)方法和對(duì)應(yīng)的控制電流波形。試驗(yàn)結(jié)果表明，采取相應(yīng)方法之后電磁閥電流一致性較好，噴油器動(dòng)態(tài)響應(yīng)較快，性能優(yōu)異，系統(tǒng)運(yùn)行可靠，能滿足產(chǎn)品實(shí)際使用要求。