長(zhǎng)春工程學(xué)院電氣與信息學(xué)院 吉林大學(xué)汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 張 允長(zhǎng)春工程學(xué)院電氣與信息學(xué)院 侯麗華 張黎黎 趙迎輝

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GDI發(fā)動(dòng)機(jī)噴油器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)及試驗(yàn)驗(yàn)證

長(zhǎng)春工程學(xué)院電氣與信息學(xué)院 吉林大學(xué)汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 張 允
長(zhǎng)春工程學(xué)院電氣與信息學(xué)院 侯麗華 張黎黎 趙迎輝

【摘要】為了實(shí)現(xiàn)缸內(nèi)直噴汽油機(jī)（GDI）對(duì)噴油器響應(yīng)度的精確控制，需要噴油器驅(qū)動(dòng)電路能夠滿足更高的要求。本文基于EA888發(fā)動(dòng)機(jī)，設(shè)計(jì)了該噴油器升壓驅(qū)動(dòng)電路，并利用multisim軟件對(duì)DC/DC升壓電路進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的升壓電路能夠在600us內(nèi)使電壓上升到60V且電壓紋波在10%以內(nèi)，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步利用臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)GDI噴油器驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)特性進(jìn)行了測(cè)量和分析，驗(yàn)證了驅(qū)動(dòng)電路的可行性。

【關(guān)鍵詞】缸內(nèi)直噴汽油機(jī)；噴油器；升壓驅(qū)動(dòng)電路；建模仿真；臺(tái)架實(shí)驗(yàn)

0 引言

與傳統(tǒng)汽油機(jī)相比，缸內(nèi)直噴汽油機(jī)具有燃油效率高和超低排放的優(yōu)點(diǎn)，在內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域被認(rèn)為是最有前途的技術(shù)之一[1]。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油正時(shí)和噴射脈寬的精確地控制，需要對(duì)噴油器驅(qū)動(dòng)電路及發(fā)動(dòng)機(jī)特性進(jìn)行研究。本文針對(duì)EA888發(fā)動(dòng)機(jī)，基于 UC3843芯片設(shè)計(jì)了GDI發(fā)動(dòng)機(jī)噴油器升壓驅(qū)動(dòng)電路，利用multisim軟件對(duì)升壓電路進(jìn)行了仿真，并通過臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)GDI發(fā)動(dòng)機(jī)噴油器特性以及驅(qū)動(dòng)電路的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 GDI發(fā)動(dòng)機(jī)噴油器及其驅(qū)動(dòng)方式

1.1 GDI發(fā)動(dòng)機(jī)噴油器介紹

本文所研究的大眾EA888系列的1.8TSI汽油直噴增壓發(fā)動(dòng)機(jī)噴油器是一款內(nèi)開、多孔式電磁線圈低阻型噴油器，響應(yīng)速度較快且噴油壓力最高可達(dá)15MPa；在大的噴油壓力下，噴油器在一個(gè)工作循環(huán)會(huì)多次開啟（一般2次）。

圖1 PEAK-HOLD電流驅(qū)動(dòng)方式

1.2 噴油器驅(qū)動(dòng)方式

電磁線圈噴油器分為高阻型和低阻型兩種類型[2]，本文采用的GDI發(fā)動(dòng)機(jī)噴油器屬于低阻型噴油器。由于該噴油器需要保證在較高油壓的條件下達(dá)到快速開啟（即需要更快的開啟速度及更高的噴油壓力），所以我們自主設(shè)計(jì)了一種PEAK-HOLD電流驅(qū)動(dòng)方式，在噴油器開啟初期采用較大的驅(qū)動(dòng)電流，保證噴油器快速開啟，噴油器開啟后采用較低的驅(qū)動(dòng)電流維持噴油器的開啟狀態(tài)。如圖1所示, 在該驅(qū)動(dòng)方式下，每個(gè)噴油器都有兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管獨(dú)立地產(chǎn)生PEAK-HOLD電流，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)控制器發(fā)送信號(hào)后，就依次對(duì)高壓場(chǎng)效應(yīng)管（AH）和非高壓場(chǎng)效應(yīng)管（AL）發(fā)出控制信號(hào)，產(chǎn)生PEAK-HOLD電流波形，驅(qū)動(dòng)噴油器完成噴油。

圖2 DC/DC升壓電路原理圖

2 DC/DC升壓電路設(shè)計(jì)

升壓電路是整個(gè)PEAK-HOLD電流驅(qū)動(dòng)方式的核心。本文基于UC3843大功率DC/DC升壓芯片，實(shí)現(xiàn)了從電池電壓到60V高電壓的轉(zhuǎn)換。UC3843芯片為高性能固定頻率電流模式脈寬調(diào)制器，專為離線和直流至直流變換器應(yīng)用而設(shè)計(jì)[3]。該芯片可以驅(qū)動(dòng)大功率N溝道MOS管，最高能承受60V的輸出電壓[4]。通過該芯片和相關(guān)儲(chǔ)能電容C10、電壓反饋電阻R7、儲(chǔ)能電感L1、二極管D2和MOS管Q1等共同構(gòu)成了升壓電路以實(shí)現(xiàn)DC/DC升壓（即PEAK驅(qū)動(dòng)）。MOS管Q2、電阻R2、電感L2共同構(gòu)成了低壓驅(qū)動(dòng)電路（即HOLD驅(qū)動(dòng)）。驅(qū)動(dòng)升壓電路如圖2所示。

升壓電路工作原理為：當(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí)，L1被短路，此時(shí)由VCC、L1及Q1共同構(gòu)成閉合回路，將能量存儲(chǔ)于電感線圈L1中。電容C10放電維持輸出電壓，二極管D2反向截止，防止C10通過Q1被短路；當(dāng)Q1截止時(shí)，L1兩端產(chǎn)生非常高的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，經(jīng)過二極管D2給電容C10充高壓直流電，達(dá)到升高電壓的目的。這里升壓比VO/VI取決于占空比，占空比越大升壓比越大，其數(shù)學(xué)關(guān)系為：

其中：VI是升壓電路輸入電壓、VO是升壓電路輸出電壓、ton為Q1導(dǎo)通時(shí)間，Tsw為脈寬調(diào)制周期，D為占空比。

圖中UC3843 控制器用于輸出PWM信號(hào)，以控制升壓電路的工作。當(dāng)電壓反饋引腳（引腳2）的輸入電壓低于2.5V時(shí)，輸出引腳則輸出PWM信號(hào)，此時(shí)升壓電路開始工作；反之，輸出引腳則輸出低電平，升壓電路停止工作。

3 電路仿真分析

本文基于multisim軟件設(shè)計(jì)了升壓電路仿真模型。Multisim仿真軟件是由美國NI公司推出的用于電子線路仿真與設(shè)計(jì)的EDA（Electronic Design Automatic）軟件。該軟件操作界面就像一個(gè)電子實(shí)驗(yàn)工作臺(tái)，包含繪制電路所需的各種元器件的電路原理圖、虛擬測(cè)試儀器和圖形顯示結(jié)果等設(shè)計(jì)窗口。我們可以利用該仿真軟件得到在multisim觸發(fā)工作狀態(tài)下的仿真波形，并使用邏輯分析儀對(duì)輸入、輸出波形進(jìn)行觀察、分析，該軟件可以直觀地描述工作性能，尤其對(duì)于通過真實(shí)電子實(shí)驗(yàn)儀器無法測(cè)試得到的觸發(fā)工作波形，利用該軟件通過邊設(shè)計(jì)邊實(shí)驗(yàn)、邊修改調(diào)試的方式可以得到解決。

3.1 仿真電路構(gòu)建

基于Multisim軟件構(gòu)建的仿真電路如圖3所示。

圖3 升壓電路仿真模型

圖4 PWM和噴油器信號(hào)參數(shù)

利用Multisim軟件模擬升壓電路工作時(shí)，需要模擬PWM信號(hào)和噴油器打開信號(hào)等各種類型的輸入信號(hào)，實(shí)驗(yàn)過程中可根據(jù)觀測(cè)結(jié)果不斷地調(diào)整各信號(hào)參數(shù)的設(shè)置，如圖4所示。

圖5為利用邏輯分析儀觀察得到的PWM信號(hào)和噴油器打開信號(hào)波形圖。

圖5 PWM和噴油器信號(hào)

圖6 升壓電路的負(fù)載結(jié)果

3.2 仿真結(jié)果分析

針對(duì)所構(gòu)建的仿真電路設(shè)置各輸入?yún)?shù)，得到相應(yīng)的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。由于噴油器特殊的工作環(huán)境和實(shí)驗(yàn)要求，必須能夠迅速地產(chǎn)生一個(gè)高電壓直接作用在其電磁閥線圈上，以加快驅(qū)動(dòng)電流上升速度、縮短噴油器開啟時(shí)間。之前的許多研究者由于不能及時(shí)的提升電壓而導(dǎo)致電壓下降過快、抑或?qū)е聣毫Σ▌?dòng)超過10%，最終造成噴油系統(tǒng)不能正常工作。本文設(shè)計(jì)的升壓電路升壓時(shí)間僅為600us，顯著提高了驅(qū)動(dòng)電路的時(shí)間響應(yīng)特性，如圖7所示。

圖7 升壓時(shí)間

圖8 電壓波紋

圖8為輸出電壓波動(dòng)曲線仿真結(jié)果。圖中電壓曲線雖有波動(dòng),但經(jīng)放大器放大之后可見在噴射器開啟期間，其波動(dòng)值約為4V，這比紋波電壓波動(dòng)小了10%，該波動(dòng)在允許范圍內(nèi)。

4 噴油器整體驅(qū)動(dòng)電路

根據(jù)前面設(shè)計(jì)的升壓電路，并將其與保持電流電路結(jié)合起來共同構(gòu)成完整的噴油器PEAK-HOLD驅(qū)動(dòng)電路，如圖9所示。

圖9 完整的PEAK-HOLD驅(qū)動(dòng)電路圖

圖10 PEAK-HOLD電流 驅(qū)動(dòng)波形圖和時(shí)序圖

圖中模塊A是LT1161驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片具有具有四個(gè)獨(dú)立的開關(guān)通道，每個(gè)通道都包含一個(gè)完全獨(dú)立的電荷泵，以保證在沒有外部元件的情況下N渠道MOSFET正常開啟[5]，該芯片在電路中用于驅(qū)動(dòng)模塊C中的MOS管。模塊B是續(xù)流二極管，用于防止噴油器關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生反向電動(dòng)勢(shì)將MOS管擊穿。模塊C由MOS管和電流反饋電阻組成，用于產(chǎn)生峰值電流。模塊D由二極管組成，用于實(shí)現(xiàn)高壓電到噴油器單向流動(dòng)。模塊E是MC33888集成驅(qū)動(dòng)芯片,用于在電路中實(shí)現(xiàn)HOLD電流。模塊F用于實(shí)現(xiàn)PEAK-HOLD電流驅(qū)動(dòng)波形圖和時(shí)序圖，如圖10所示。圖中，PBx與PHx為單片機(jī)端口B/H用于控制峰值電流的引腳，X代表對(duì)應(yīng)控制的是第X缸噴油器的引腳；t1為高壓直流電接通時(shí)間，其值決定了峰值電流的大?。籺2為從高電壓斷開到蓄電池接通的時(shí)間，其值影響保持電流初始段的大??；t3為保持電流部分第一段通電時(shí)間，其值同樣對(duì)保持電流的波形產(chǎn)生影響。t4是占空比為50%的方波，表示保持電流通電波形。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

將所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路焊接成PCB板，進(jìn)一步進(jìn)行調(diào)試得到圖11所示波形。

圖11電壓與電流波形

圖12 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

圖中黃色曲線為噴油器電壓波形，藍(lán)色曲線為噴油器電流波形。高壓電在12V~60V之間變換。t1到t4的值見表1。

表1 t1到t4的值Table 1 Values from T1 to T4

進(jìn)一步針對(duì)GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油器升壓電路進(jìn)行臺(tái)架實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，采集的相關(guān)信號(hào)如圖12所示。圖中，藍(lán)色曲線為噴油器電壓波形，黃色曲線為噴油器電流波形。測(cè)試結(jié)果和設(shè)計(jì)期望值一致，滿足了設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)論

本文基于UC3843芯片設(shè)計(jì)了GDI發(fā)動(dòng)機(jī)噴油器驅(qū)動(dòng)電路，用以輸出PEAK-HOLD電流波形。利用Multisim軟件對(duì)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明升壓電路可在600us內(nèi)使電壓升到60V且電壓波紋小于10%，縮短了驅(qū)動(dòng)電路的響應(yīng)時(shí)間并節(jié)約了資源。最后利用臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)GDI發(fā)動(dòng)機(jī)噴油器的特性進(jìn)行了測(cè)試與分析，測(cè)試結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的噴油器驅(qū)動(dòng)電路能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)GDI發(fā)動(dòng)機(jī)噴油量、噴油時(shí)刻、噴射脈沖寬度，峰值脈沖寬度的準(zhǔn)確控制。

參考文獻(xiàn)

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[2]Han Z,Reitz R D,Yang J and Anderson R W:Effects of injection timing on fuel-air mixing in a direct-injection spark-ignition engine.SAE Paper 970627.

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[4]Hu Ying-zhi,TENG Qin,LIU Jing-sheng:Development of a driver circuit for GDI high pressure injector.Electronic Design Engineering.Jun.2011.VOL.19.

[5]Tan Xing-wen:Experimental Study on Work Mode Switch of GDI Engine.Jilin university.changchun.p22.2011.

張?jiān)剩?973－），女，吉林長(zhǎng)春人，博士研究生，副教授，研究方向：混合動(dòng)力汽車智能控制。

作者簡(jiǎn)介：

基金項(xiàng)目：吉林省教育廳基金《混合動(dòng)力客車多目標(biāo)綜合協(xié)調(diào)控制技術(shù)研究》；長(zhǎng)春工程學(xué)院種子基金《基于多目標(biāo)動(dòng)態(tài)規(guī)劃的混合動(dòng)力汽車綜合協(xié)調(diào)控制研究》。