电控天然气发动机ECU中新型驱动电路的设计[1]

・电子控制・

电控天然气发动机ECU 中新型驱动电路的设计

郭林福,张　欣,李国岫

(北京交通大学机械与电子控制工程学院动力工程系,北京　100044)

摘要:根据天然气发动机喷气电磁阀实际工作时电磁力的变化特点,设计了新型电磁阀驱动电路,使电磁阀开启力足够且有效地降低了功耗和发热量;在点火驱动电路中使用新型IG B T 模块,使系统结构简化,元件数量减少;设计的PWM 工作方式带电流反馈和过流保护的怠速控制阀驱动电路,使怠速控制更为灵活精确。 关键词:天然气发动机;电控单元;驱动电路

中图分类号:T K411 文献标识码:B 文章编号:100122222(2005)0320036204

我国正在实施的“西气东输”工程将大大促进天然气管道沿线各大中城市广泛使用天然气汽车[1],这成为治理城市大气污染和合理使用能源的重要措施。在天然气发动机中采用电子控制多点顺序喷射、稀燃闭环控制及高能电子点火等先进技术是发展方向,而实现这些技术的关键是开发高性能的电控单元(ECU );尤其是我国加入W TO 后,在国外产品大量涌入中国市场的大环境下,开发具有自有知识产权的ECU 更为重要。

ECU 是发动机的控制核心,不仅承担数据采集与处理、工况判断与计算及控制输出等功能,还要适应发动机振动、噪声及高温等复杂恶劣的工况。考虑到6缸多点顺序喷射天然气发动机要同时控制喷气和点火的复杂性,并满足车辆使用条件和最后产品化的要求,在新一轮的开发中选用的MCS12系列16位微控制器,带有8通道的增强型定时器(EC T ),能够满足实时控制喷射和点火的要求;具有多个SPI ,SCI 和CAN 等通信模块,能够满足多种通信和监控要求[2]。

ECU 硬件是实现各种控制功能的物质基础,其设计包括输入信号的调理和滤波,AD 以及输出的多级驱动,外壳和散热器及接口线束等内容[3]。本文着重论述这一轮开发中相对于原有ECU 硬件中的改进之处,主要包括喷气阀驱动电路,点火驱动电路以及怠速控制阀驱动电路等。

1　喷气阀驱动电路设计及其性能

电磁阀在开启瞬间需要较大电流以提供较大的

开启力,保证可靠开启并减少喷射延时;开启之后,由于针阀和线圈之间的距离大大减小,维持电磁阀保持开启状态所需的电磁力要小得多,因而保持电流也要小得多,一般仅为最大电流的1/4左右。原有的喷气阀驱动电路仅是简单采用了电压控制的MOSFET 管,该电路在喷射信号到来之后,电磁阀

线圈和MOSFET 管中的电流开始上升,当电磁力克服了电磁阀弹簧的弹力之后,电磁阀开启,但通过电流仍然继续上升到由电源电压和电路阻抗确定的最大电流,并将一直持续到喷射信号结束时为止。这样,该电路工作时就要消耗较大的能量,MOS 2FET 管和电磁阀线圈的发热量也明显增加,加大了散热的难度,并可能降低元器件和系统工作的稳定性和可靠性。为了解决这一问题,采用输出脉宽调制(PWM )信号的方式来控制电磁阀,软件设计在喷射开始时,PWM 信号采用较大的占空比,保证电磁阀的开启;在电磁阀开启后减小PWM 输出信号的占空比[4],使通过电磁阀线圈的平均电流减小。但这样就增加了软件编制的工作量,增加了MCU 的负担,并且在软件上也很难准确确定电磁阀的开启时刻。为解决这一问题,采用一种能够实现电流随电磁阀开启状态自动改变的专用芯片[5]。单一电磁阀的驱动电路原理如第37页图1所示,其中U1就是该专用芯片。电磁阀线圈的负极接到图中INJ 1节点上,当微控制器的喷气输出信号加到INJ I1节点上时,功率晶体管Q1导通,线圈通电。这一芯片可以通过外部电阻设定电磁阀线圈回路电路所需的最大电流,当电路中通过的电流达到最大值之后,立

收稿日期:2004209230;修回日期:2005203209

作者简介:郭林福(1975—

),男,江西省安远县人,讲师,博士,研究方向为内燃机电子控制技术与增压技术1第3期(总第157期)　2005年6月 车　用　发　动　机V EHICL E EN GIN E

No.3(Serial No.157)

J un.2005

即将电流降为原来的1/4,然后用斩波恒流的方式

保持该电流值直到喷射信号结束。此外,

该芯片还可通过外部电阻和电容设定最长的开启时间,如开启时间超过这个值,电路将自动关闭,这可以起到在MCU 发生故障时保护功率管和电磁阀的作用

。

图1　改进后喷气阀驱动电路原理图

工作在喷气脉宽为18ms 时,改进前后通过电

磁阀线圈的电流随时间变化的情况见图2

。

图2　改进前后电磁阀线圈工作电流的变化

从中可看到,喷射脉宽小于7ms 时,由于电磁阀线圈感抗的作用,电流不能达到设定的最大值,因而这时该电路不会有限流作用,此时两种电路的工作电流变化情况一样;但喷射脉宽继续加大时,两种电路有了明显的差别。电磁阀的工作电压为12V ,在喷射脉宽为18ms 时,改进后的电路与原电路相比,一次喷射中减少的消耗功为

ΔW =U (i 2-i 1)t cut =673.2,(mJ );式中,U 为电磁阀工作电压;i 1和i 2分别为两种电路下的工作电流;t cut 为新电路发生限流后的喷射持续时间。减少的消耗功相对于原电路一次喷射所需功的百分比为

ΔW /W =U (i 2-i 1)

t cut Ui 2t all

=47.2%,

式中,t all 为喷射脉宽。显然,喷射脉宽越大,该百分比值也越大,新电路的优越性就越明显。

2　点火驱动电路设计

天然气与空气混合物所需的点火能量较大,而

且本增压机型采用稀燃技术,为了保证发动机点火正常,采用了高能点火系统,并采用由微机控制的直接顺序点火方式。发动机实时的点火提前角由当前的转速和进气压力查表确定,经进气温度等修正后,结合凸轮轴判缸信号计算确定最终的各缸点火时刻以及初级线圈的通电时间。本系统设计的初级线圈储存的点火能量为140mJ ,次级线圈点火电压峰值为30000V ,初级线圈的最短通电时间为8ms 。试验证明,这一点火能量保证发动机在各种工况下都能可靠点火。

原点火驱动电路为2级驱动,并且有一个控制发动机是否点火的总开关电路,只有在总开关电路

导通后,控制各缸是否点火的信号才能生效。这一电路较为复杂,所用分立元器件较多,整个电路的可靠性有可能降低。本系统中,点火模块和ECU 相分离,以减少点火系统对ECU 的干扰,并便于点火模块的维修或更换。新型点火功率模块(IG B T 模块)可以由微控制器的输出管脚直接驱动,取消控制发动机是否点火的总开关电路,整个驱动电路相当于简化为原来的一级驱动;IG B T 模块还有限流及保护等功能。改进后单缸的点火驱动电路原理如图3所示,其中输入极(Gate )端接微控制器的点火控制信号,而集电极(Collector )端接点火初级线圈负

极。可见,整个点火驱动电路得到了极大的简化,甚

至可以将点火模块合并到ECU 中

。

图3　新的单缸的点火驱动电路原理图

3　怠速控制阀驱动电路设计

为了使发动机在冷车运转及空调和电器负荷、

自动变速器、动力转向伺服机构等接入的情况下保持怠速稳定,本系统设有怠速转速控制装置。该装置采用由ECU 控制的怠速控制阀(ISC )来调节旁

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