GDI發動機噴油器驅動電路設計及試驗驗證

長春工程學院電氣與信息學院 吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室 張 允長春工程學院電氣與信息學院 侯麗華 張黎黎 趙迎輝

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GDI發動機噴油器驅動電路設計及試驗驗證

長春工程學院電氣與信息學院 吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室 張 允
長春工程學院電氣與信息學院 侯麗華 張黎黎 趙迎輝

【摘要】為了實現缸內直噴汽油機（GDI）對噴油器響應度的精確控制，需要噴油器驅動電路能夠滿足更高的要求。本文基于EA888發動機，設計了該噴油器升壓驅動電路，并利用multisim軟件對DC/DC升壓電路進行了仿真，仿真結果表明所設計的升壓電路能夠在600us內使電壓上升到60V且電壓紋波在10%以內，在此基礎上，進一步利用臺架試驗對GDI噴油器驅動電路的驅動特性進行了測量和分析，驗證了驅動電路的可行性。

【關鍵詞】缸內直噴汽油機；噴油器；升壓驅動電路；建模仿真；臺架實驗

0 引言

與傳統汽油機相比，缸內直噴汽油機具有燃油效率高和超低排放的優點，在內燃機領域被認為是最有前途的技術之一[1]。為了實現對GDI發動機的噴油正時和噴射脈寬的精確地控制，需要對噴油器驅動電路及發動機特性進行研究。本文針對EA888發動機，基于 UC3843芯片設計了GDI發動機噴油器升壓驅動電路，利用multisim軟件對升壓電路進行了仿真，并通過臺架試驗對GDI發動機噴油器特性以及驅動電路的可行性進行了驗證。

1 GDI發動機噴油器及其驅動方式

1.1 GDI發動機噴油器介紹

本文所研究的大眾EA888系列的1.8TSI汽油直噴增壓發動機噴油器是一款內開、多孔式電磁線圈低阻型噴油器，響應速度較快且噴油壓力最高可達15MPa；在大的噴油壓力下，噴油器在一個工作循環會多次開啟（一般2次）。

圖1 PEAK-HOLD電流驅動方式

1.2 噴油器驅動方式

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發動機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），所以我們自主設計了一種PEAK-HOLD電流驅動方式，在噴油器開啟初期采用較大的驅動電流，保證噴油器快速開啟，噴油器開啟后采用較低的驅動電流維持噴油器的開啟狀態。如圖1所示, 在該驅動方式下，每個噴油器都有兩個場效應管獨立地產生PEAK-HOLD電流，當發動機控制器發送信號后，就依次對高壓場效應管（AH）和非高壓場效應管（AL）發出控制信號，產生PEAK-HOLD電流波形，驅動噴油器完成噴油。

圖2 DC/DC升壓電路原理圖

2 DC/DC升壓電路設計

升壓電路是整個PEAK-HOLD電流驅動方式的核心。本文基于UC3843大功率DC/DC升壓芯片，實現了從電池電壓到60V高電壓的轉換。UC3843芯片為高性能固定頻率電流模式脈寬調制器，專為離線和直流至直流變換器應用而設計[3]。該芯片可以驅動大功率N溝道MOS管，最高能承受60V的輸出電壓[4]。通過該芯片和相關儲能電容C10、電壓反饋電阻R7、儲能電感L1、二極管D2和MOS管Q1等共同構成了升壓電路以實現DC/DC升壓（即PEAK驅動）。MOS管Q2、電阻R2、電感L2共同構成了低壓驅動電路（即HOLD驅動）。驅動升壓電路如圖2所示。

升壓電路工作原理為：當Q1導通時，L1被短路，此時由VCC、L1及Q1共同構成閉合回路，將能量存儲于電感線圈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Q1截止時，L1兩端產生非常高的感應電動勢，經過二極管D2給電容C10充高壓直流電，達到升高電壓的目的。這里升壓比VO/VI取決于占空比，占空比越大升壓比越大，其數學關系為：

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導通時間，Tsw為脈寬調制周期，D為占空比。

圖中UC3843 控制器用于輸出PWM信號，以控制升壓電路的工作。當電壓反饋引腳（引腳2）的輸入電壓低于2.5V時，輸出引腳則輸出PWM信號，此時升壓電路開始工作；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軟件設計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計的EDA（Electronic Design Automatic）軟件。該軟件操作界面就像一個電子實驗工作臺，包含繪制電路所需的各種元器件的電路原理圖、虛擬測試儀器和圖形顯示結果等設計窗口。我們可以利用該仿真軟件得到在multisim觸發工作狀態下的仿真波形，并使用邏輯分析儀對輸入、輸出波形進行觀察、分析，該軟件可以直觀地描述工作性能，尤其對于通過真實電子實驗儀器無法測試得到的觸發工作波形，利用該軟件通過邊設計邊實驗、邊修改調試的方式可以得到解決。

3.1 仿真電路構建

基于Multisim軟件構建的仿真電路如圖3所示。

圖3 升壓電路仿真模型

圖4 PWM和噴油器信號參數

利用Multisim軟件模擬升壓電路工作時，需要模擬PWM信號和噴油器打開信號等各種類型的輸入信號，實驗過程中可根據觀測結果不斷地調整各信號參數的設置，如圖4所示。

圖5為利用邏輯分析儀觀察得到的PWM信號和噴油器打開信號波形圖。

圖5 PWM和噴油器信號

圖6 升壓電路的負載結果

3.2 仿真結果分析

針對所構建的仿真電路設置各輸入參數，得到相應的仿真實驗結果如圖6所示。由于噴油器特殊的工作環境和實驗要求，必須能夠迅速地產生一個高電壓直接作用在其電磁閥線圈上，以加快驅動電流上升速度、縮短噴油器開啟時間。之前的許多研究者由于不能及時的提升電壓而導致電壓下降過快、抑或導致壓力波動超過10%，最終造成噴油系統不能正常工作。本文設計的升壓電路升壓時間僅為600us，顯著提高了驅動電路的時間響應特性，如圖7所示。

圖7 升壓時間

圖8 電壓波紋

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

4 噴油器整體驅動電路

根據前面設計的升壓電路，并將其與保持電流電路結合起來共同構成完整的噴油器PEAK-HOLD驅動電路，如圖9所示。

圖9 完整的PEAK-HOLD驅動電路圖

圖10 PEAK-HOLD電流 驅動波形圖和時序圖

圖中模塊A是LT1161驅動芯片，該芯片具有具有四個獨立的開關通道，每個通道都包含一個完全獨立的電荷泵，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動模塊C中的MOS管。模塊B是續流二極管，用于防止噴油器關斷時產生反向電動勢將MOS管擊穿。模塊C由MOS管和電流反饋電阻組成，用于產生峰值電流。模塊D由二極管組成，用于實現高壓電到噴油器單向流動。模塊E是MC33888集成驅動芯片,用于在電路中實現HOLD電流。模塊F用于實現PEAK-HOLD電流驅動波形圖和時序圖，如圖10所示。圖中，PBx與PHx為單片機端口B/H用于控制峰值電流的引腳，X代表對應控制的是第X缸噴油器的引腳；t1為高壓直流電接通時間，其值決定了峰值電流的大小；t2為從高電壓斷開到蓄電池接通的時間，其值影響保持電流初始段的大小；t3為保持電流部分第一段通電時間，其值同樣對保持電流的波形產生影響。t4是占空比為50%的方波，表示保持電流通電波形。

5 實驗驗證

將所設計的驅動電路焊接成PCB板，進一步進行調試得到圖11所示波形。

圖11電壓與電流波形

圖12 實驗驗證結果

圖中黃色曲線為噴油器電壓波形，藍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

進一步針對GDI發動機的噴油器升壓電路進行臺架實驗驗證，采集的相關信號如圖12所示。圖中，藍色曲線為噴油器電壓波形，黃色曲線為噴油器電流波形。測試結果和設計期望值一致，滿足了設計要求。

6 結論

本文基于UC3843芯片設計了GDI發動機噴油器驅動電路，用以輸出PEAK-HOLD電流波形。利用Multisim軟件對驅動電路進行了仿真，仿真結果表明升壓電路可在600us內使電壓升到60V且電壓波紋小于10%，縮短了驅動電路的響應時間并節約了資源。最后利用臺架試驗對GDI發動機噴油器的特性進行了測試與分析，測試結果表明所設計的噴油器驅動電路能夠實現對GDI發動機噴油量、噴油時刻、噴射脈沖寬度，峰值脈沖寬度的準確控制。

參考文獻

[1]Harada J,Tomita T,Mizuno H,Mashiki Z and Ito Y: Development of direct injection gasoline engine.SAE Paper 970540.

[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.

[3]Chen Chen,Li Yun-qing,Wang De-fu: Design of Driving Circuit of GDI Injector and Experiment Verification based on L9707 Chip[J].Internal Combustion Engine &Power plant,2010(1):1-6.

[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.

張允（1973－），女，吉林長春人，博士研究生，副教授，研究方向：混合動力汽車智能控制。

作者簡介：

基金項目：吉林省教育廳基金《混合動力客車多目標綜合協調控制技術研究》；長春工程學院種子基金《基于多目標動態規劃的混合動力汽車綜合協調控制研究》。