电控柴油机电磁阀驱动电路优化设计

1、第26卷第2期内燃机工程Vol . 26No . 22005年4月Chinese I nternal Combusti on Engine Engineering Ap r . 2005文章编号:1000-0925(2005 02控柴油机电磁阀驱动电路优化设计张奇, 张科勋, 李建秋, 欧阳明高(清华大学汽车工程系, 汽车安全与节能国家重点实验室, 北京100084O pti m i za ti on D esi gn of Soleno i d D r i ve C i rcu it for Electron i ca llyCon trolled D i ese

2、l Eng i n eZHANG Q i , ZHANG Ke 2xun, L I J i a n 2q i u, O UYANG M i n g 2gao(State Key Laborat ory for Aut omotive Safety and Energy, Depart m ent of Aut omotive Engineering,Tsinghua University, Beijing 100084, China Abstract:An electr onic fuel injecti on syste m is suitable for a engine t o issi

3、 on regulati on .How t o drive the high 2s peed s olenoid of a fuel injecti on syste m an design . Based on the experi m ent and analysis of a conventi ne u was designed. T wo driving voltage s ources with 120V and adop ted and the s olenoid current was con 2tr olled by the hard P tuned by the curre

4、nt feedback signal . An onboard DC /DCboosted The experi m ent results show that the rising up ti m e of the s olenoid is shortened consump ti on of the s olenoid is m ini m ized, as well as the s oft w are interrup t ti m es related t o the injecti on contr ol p r ocess is significant reduced .摘要:电

5、控燃油喷射系统是电控柴油机的重要组成部分, 作为喷射系统执行器的电磁阀,其驱动性能研究是一个重要课题。在对现有电控柴油机电磁阀驱动电路进行分析的基础上, 设计了一种优化驱动电路。该系统采用120V 高压和24V 低压双电源系统分时驱动, 从硬件上实现了电磁阀喷射电流的自动P WM 反馈调制。试验结果表明:该系统显著缩短了电磁阀闭合时间, 降低了系统功耗, 同时可减少ECU 中断响应次数, 对ECU 资源占用较少。关键词:内燃机; 柴油机; 电磁阀; P WM 调制; 驱动电路Key W ords:I . C . Engine; D iesel Engine; Solenoid; P WM 2M

6、odulati on; D rive Circuit中图分类号:TK423. 8文献标识码:A1概述电控柴油机为了实现排放特性与动力性和经济性的最佳匹配, 燃油喷射系统必须满足灵活精确地实现预喷射、主喷射、后喷射, 甚至更多次喷射的要求1, 这增加了电磁阀驱动设计的难度。现有喷射系统电磁阀驱动电路关闭时间长, 关闭过程中电流峰值大, 同时喷射过程中电流调制通过软件实现, 占用较多的ECU 资源, 不能满足复杂喷射的要求2。收稿日期:2003212212作者简介:张奇(1979- , 男, 硕士, 主要研究方向为柴油机电控, E 2ma il:zhangq i 01mails . tsi n g

7、hua. edu . cn 。本文首先就减小电磁阀关闭过程响应时间和电流调制实现进行了分析, 接着以减小闭合响应时间和降低系统能耗为优化目标提出了一种优化设计方案, 然后设计实现了该方案的驱动电路, 最后进行了试验验证和结果分析。2现有电控柴油机电磁阀驱动电路分析图1为一种现有电控柴油机电磁阀驱动电路原 理图。该驱动电路主要由一个公共高位功率管和六个独立下位功率管组成, D1二极管用来实现喷射过程结束后电磁阀能量的泄流。图2为该驱动电路对应的驱动控制和电磁阀电流波形图, 整个喷射过程主要可分为电磁阀关闭过程和维持闭合(燃油喷射 两个阶段。其中, 电磁阀关闭时刻决定了喷油定时,闭合持续时间的长短

8、决定了喷油量1。该驱动电路采用单电源系统, 在电磁阀关闭过程中采用恒定电源电压驱动; 在维持闭合过程中, 闭合磁路的磁阻减小, 不需要大电流, 为了降低系统功耗, 采用了P WM 调制实现喷射电流维持。 图1 图2驱动控制波形图为了满足复杂喷射的要求, 缩短关闭响应时间,必须提高关闭阶段的驱动电压。在上述驱动电路中, 电磁阀关闭阶段采用恒定电压驱动, 由于电磁阀中的电流没有任何控制, 随着驱动电压的提高, 电磁阀关闭过程中电流峰值将会很大, 这样电磁阀功耗大大增加, 对寿命和稳定性产生不利影响, 因此必须对此阶段的电流进行优化控制。3电磁阀硬件驱动电路优化方案为了定量准确地分析驱动电压对电磁阀

9、动态响应特性的影响, 用有限元软件ANSYS 对电磁阀进行有限元建模, 模拟了电磁阀关闭动态响应过程2。图3为不同驱动电压下, 电磁阀关闭过程中的电流和相应的电磁力变化趋势图。由图可见:电流到达磁饱和点以前, 电感的反电动势阻止电流的增加, 电流上升斜率较小; 到达磁饱和点后, 磁通量饱和, 电感作用变小, 电流以较大的斜率上升。电路驱动电压越大, 最后的峰值电流越大。但从电磁力的变化上看, 到达电流峰值时相对应的电磁力最大值并没有显著增加, 电磁阀中的电流很大一部分全部转化成了热量, 对系统能耗和散热很不利。这说明在电磁阀关闭阶段, 盲目采用高电压驱动来缩短响应时间而不进行控制, 对系统整体

10、性能可能不但没有提高, 反而使得系统稳定性和寿命大大缩短。图3电磁阀关闭过程的电流和电磁力通过P WM 调制是实现电流控制的有效办法, 如果在电磁阀关闭过程中对峰值电流(电磁阀起始运动电流 进行P WM 调制, 则既可以保证系统较高响应速度又能降低系统功耗。基于优化思路出发, 提出了新的优化方案, 图4为优化驱动电路实现原理图, 图5为相应控制逻辑和电流波形图。该优化驱动电路与原系统的主要区别是采用了双电源模式, 其中高电压V H 在电磁阀的电流到达峰值调制电流(电磁阀起始运动电流 时间内有效, 实现采用高电压驱动加快关闭响应速度的要求; 低电压V L 在此后的工作过程中一直有效, 分别按照峰

11、值电流和喷射过程的维持电流进行P WM 调制, 实现通过电流控制降低系统功耗的目的。 图4 电磁阀优化驱动电路原理图图5高电压V H 和P WM 调制实现是关键部分。V H必须通过汽车蓄电池电源24V 变换产生, 而且直接驱动电磁阀, 其性能决定了电磁阀的响应速度, 因此V H 的设计是优化驱动设计的关键。P WM 调制有硬件和软件两种方法实现, 硬件P WM 调制速度快且不占用ECU 资源, 适合喷射控制要求。本文设计采用了普通器件, 在系统成本增加不多的情况下实现了P WM 调制, 故也是系统设计的关键。4电磁阀优化驱动电路设计4. 1DC /DC升压变换本优化驱动电路采用DC /DC变换

12、实现高电压V H 。由于DC /DC输出波纹较大, 动态响应时间较长4, 而本系统中V H 直接驱动电磁阀, 在连续喷射过程中V H 电压波动必须很小, 同时在相邻下次喷射开始前V H 应恢复到稳定值, 这要求必须结合喷射系统对DC /DC变换进行匹配设计。优化驱动电路采用了典型的BOOST 电路结构, 其基本原理如图6所示。可以看出, 输出电压V O (高电压V H 波动的主要原因是充电电容C 充放电, 为满足喷射要求, 结合图5的电流波形参数,DC /DC设计参数分析如下:电磁阀能量:E p 2L S I p2图6DC /DC升压变换原理图峰值时间:T p L S I p V O电荷量:Q

13、 2I p T p 2L I 2V O输出电压V O 波动:V O V OV O C=E p V O 2C峰值时间波动:T p =-L S 2I p32V O 3, p , 峰, 输出电, 充电电容放电能, 峰值时间波动的意义则体现了在一次喷射过后, 输出电压有一定下降的情况下直接进行下一次喷射的时间波动。本系统采用的参数如下:输出电容C 为220F, 电磁阀能量E p 为150mJ, 输出电压V O 为120V, 峰值电流I p 为21A, 故理论上的输出电压波动, 峰值时间和峰值时间波动响应参数如下:V OV O=4. 3%, T p =0. 125m s,T p =0. 005m s 。

14、4. 2硬件P WM 调制实现本设计优化驱动电路采用普通器件实现硬件P WM 调制达到对喷射电流的闭环控制, 系统控制参数可灵活配置且不占用ECU 资源。基本控制原理如图7所示。系统灵活利用了定时器的延时作用, 按照不同的要求产生不同的延时定时控制脉冲。其中关键是定时器2输出改变了比较器的电压基准, 分别对应于起始运动电流和喷射过程的调制电流。整个喷射调制过程如下:(1 喷射开始, ECU 只需发出形状相同的喷射和选缸矩形脉冲。其中, 喷射脉冲触发定时器1和定时器2, 定时器1输出定时为T p 的峰值上升时间脉冲, 定时器2输出定时为T C 的电磁阀完全关闭时间脉冲; 选缸脉冲打开下位管, 实

15、现喷射缸的选择。在T p 的时间内, 高电压V H 有效, 电磁阀电流在V H 驱动下以较大的斜率上升。(2 T p 时间过后, V H 切断, V L 有效。同时, 采样 图7硬件P WM 调制原理图电阻中的电压与峰值电流对应的电压基准进行比较, 然后输出驱动信号, 输出驱动信号在触发器的时钟脉冲下进行P WM 调制, 使得电磁阀中的电流维持在峰值电流处, 直到T C 电磁阀闭合时间段结束。(3 T C 时间结束后, 电磁阀闭合, 燃油喷射过程开始。定时器2输出电平改变电阻分压系数, 重新设置比较器电压基准, , P , 射过程结束。5在以上工作的基础上, 进行了电磁阀驱动性能试验。试验中设

16、定参数为:喷射时间T w =320s, 峰值电流I p =21A, 维持电流I h =13A, 试验测得的响应参数为:到达峰值电流时间T p =130s, 电磁阀完全闭合时间T c =175s 。试验测得波形如图8所示。从电流波形图可以看出, 在130s 的峰值驱动时间内, 在120V 的V H 电压驱动下, 电磁阀电流以很快的速度上升, 到达设定的峰值电流(起始运动电流 21A 时V H 驱动结束, 然后系统按照峰值电流21A 调制直到175s 处电磁阀完全闭合燃油喷射过程开始, 此后系统继续按照设定喷射维持电流13A 开始调制直到喷射过程结束。从整个响应过程可以看出, 本系统电流峰值最大不

17、到30A, 比48V 仿真结果的90A 小了2倍, 功耗降低了8倍左右, 同时电磁阀关闭响应时间从原来的350s 下降到了175s, 响应速度大大提高。6结论(1 提高电磁阀关闭驱动电压从48V 至120V ,电磁阀闭合响应时间从350s 缩短至175s 。(2 电磁阀闭合过程的电流峰值限制到30A以图8优化驱动控制和电流波形图下, 系统功耗大大降低。(3 通过硬件实现了电磁阀闭合过程和喷射过程中的P WM 调制, 减小了ECU 的资源负担, 降低了喷射软件实现的复杂程度。(4 该系统响应满足包括预喷射、后喷射在内的复杂喷射要求, 为共轨系统的进一步开发提供了基础。参考文献:1卢启龙, 欧阳明高, 等. 电控柴油喷射系统的脉冲电磁控制阀及其智能驱动器J .清华大学学报, 1997, 37(12 :102105. 2郝守刚, 周明, 等. 电控单体泵电磁阀动态响应特性数值仿真J .内燃机工程, 2003, 24(2 :1013.3连长震, 李建秋, 等. 电控