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・73・2005年6月 郭林福,等:电控天然气发动机ECU 中新型驱动电路的设计 通气道的空气流量,结合对发动机燃料喷射量的控制,以实现对怠速工况的全面控制。

ISC 是一个比例电磁阀,阀头的位置决定于电磁力和弹簧力的平衡,而电磁力则决定于通过电磁线圈的电流大小。

ECU 根据发动机的工况信息决策并发出相应的PWM 信号,当信号的占空比增大时,通过线圈的电流平均值增大,电磁力增大,阀轴连同阀头的平衡位置上移,怠速旁通气道的面积增大;反之,阀头下移而减小气流通路面积。

按照上述工作原理,设计了ISC 的驱动电路(见图4)。

该电路的主体部分是由一个三极管和一个达林顿管构成的放大电路。

控制ISC 的PWM 信号从IDL E_I 标号处接入,ISC 的负极从IDL E_VALVE 标号处接入,高电平时达林顿管导通,低电平时达林顿管关闭,从而控制着ISC 中线圈电流的通断;PWM 的占空比改变时,线圈电流也随之改变,使ISC 中的流通面积改变。

该电路还有过流保护功能,当线圈中的电流超过最大额定电流的2倍时,图中所示的比较器LM339输出翻转,与门74LS08输出低电平,使达林顿管截止。

为了提高控制精度,该电路还带有电流反馈环节,通过ISC 的电流值先转化为电压值,放大后再采样输入到微控制器中。

当电路的工作参数因各种因素改变时,可以通过改变PWM 信号的占空比保持回路中的电流为一定值。

图4　怠速控制阀驱动电路原理图4　电路测试与台架试验用模拟信号和电磁阀、点火线圈和怠速旁通阀等执行器部件对电路进行了静态测试。

将电磁阀驱动电路和点火驱动电路的工作信号频率从0Hz 逐渐上升至30Hz (相对于发动机最高转速为3600r/min ),且使电磁阀喷射持续时间从3ms 变到25ms ,点火线圈通电时间从3ms 变到8ms 。

在这个过程中,测试电路各关键节点处的电流和电压参数,均符合设计要求;电磁阀、点火线圈及火花塞能按照控制信号的要求正确动作。

将怠速旁通阀驱动电路PWM 信号的占空比从10%变化到100%,经检测电路的电流电压参数也符合要求,怠速旁通阀在占空比为30%时开始动作,在100%时全开。

为了检验电路的可靠性,在周围环境温度为30℃时,以工作频率18.33Hz 、喷射持续时间为20ms 、点火线圈通电时间为6ms (相对于发动机标定工况)使驱动电路持续工作24h ,怠速旁通阀在最大开度下持续工作24h ,各驱动电路工作正常,经测量发热元件的温升不超过45℃(在允许的温升范围内)。

包含以上电路的ECU 在天然气发动机试验台架上进行了各种工况下的多次试验,累计工作时间已超过500h ,各电路均能正常工作,性能稳定。

5　结论1)喷气阀驱动电路的功率消耗比原有电路减少,电路的散热量随之减少,散热器的体积减小,电路的稳定性和可靠性提高;2)点火驱动电路采用了新型的IG B T 模块,元件数目和印刷板面积大为减少,有利于可靠性的提高;3)设计的PWM 工作方式ISC 驱动电路带有过流保护和电流反馈功能,提高了电路的工作可靠性和控制精度;4)经模拟测试和发动机台架试验,说明新设计的电路达到了预定的性能,新的电控系统比原系统体积更小,功耗更小,可靠性和抗干扰能力更强。

・83・ 车　用　发　动　机 2005年第3期参考文献:[1]宋　均,黄　震.车用天然气发动机技术及其应用[J ].天然气工业,2002(6):88291.[2]ZHAN G Y ou 2tong ,L IU Xing 2hua ,YAN G Qing.TheStudies of an Electronically Controlled CN G System for Dual Fuel Engines[C].SA E 200120120145.[3]Bortolazzi J uergen (Daimler —Benz A G ),Hirth Thom 2as ,Raith Thomas.Specification and Design of Electronic Control Units[J ].European Design Automation Confe 2rence Proceedings ,1996(1):36241.[4]程　刚,李绍安,钱圆圆.基于32位微控制器的高压共轨ECU 的开发[J ].现代车用动力,2003(2):12216.[5]王　珂,常久鹏.L N G 多点喷射发动机32位电控系统软硬件设计[J ]1北京理工大学学报,2000(12):68526871Design of N e w Driving Circuits in ECU for Electronic Controlled CNG EngineGUO Lin 2f u ,ZHAN G Xin ,L I Guo 2xiu(Department of Power Engineering ,School of Mechanical and Electronical ControlEngineering ,Beijing Jiaotong University ,Beijing 100044,China )Abstract:According to the force needed for opening and retaining the solenoid valve ,a new driving circuit is designed for so 2lenoid valve for gas injection.This circuit can provide enough opening force and lower energy consumption and heat emission.The circuit for ignition is redesigned using new type IG B T module ,system structure is thus simplified and component number is greatly reduced.Driving circuit for idle speed control valve using PWM signal is designed ,which has f unctions such as over 2current protection and current feedback.Tests show that compared with original electronic control system ,the new system is smaller ,more reliable and consumes less energy.K ey w ords :CN G engine ;ECU ;driving circuit[编辑:张玉花]・使用经验・不要忽视连杆小头的装复 连杆受力大而复杂,对其检验和装配的要求非常严格,但一些维修人员在装复连杆过程中,只注意对连杆大头按标准装复,而对连杆小头的装复则存在随意性,这样做是不科学的。