柴油機共軌噴油器智能驅動模塊的設計

劉永春，郭慶波，齊善東，宋衛萍

（中國重汽集團技術發展中心，山東 濟南 250000）

柴油機共軌燃油噴射系統通過噴油驅動電路對噴油器電磁閥進行控制，來實現對噴油量、噴油定時和噴油速率的柔性控制，以達到柴油機排放性能、動力性能和經濟性能的最佳匹配。噴油驅動電路的性能直接影響著電控共軌燃油噴射系統的性能，因此，對柴油機噴油驅動模塊的設計開發具有重要的現實意義。

理想的噴油驅動模塊采用Peak&Hold驅動方式，噴油器開啟階段 （即峰值電流驅動階段）采用較高的驅動電壓使電磁線圈有較大的電流通過，從而產生較大的電磁力保證電磁閥快速開啟；當噴油器電磁閥打開后 （即保持電流驅動階段），較小的電流就可以維持打開狀態，過高的電流會導致噴油器發熱并燒壞噴油器；在關閉階段，電磁閥內電流下降越快越好，以保證電磁閥快速關閉。本文采用芯片MC33816就共軌噴油器的驅動要求設計開發了一種集成式智能噴油控制模塊，具有較高的控制精度和控制效果。

1 智能噴油控制單元的設計

1.1 芯片MC33816概述

智能噴油控制芯片MC33816是恩智浦公司開發的專用于電磁閥的精確驅動控制，電源電壓范圍為5～32 V，內部集成5路外部MOSFET高邊預驅動器和7路外部MOSFET低邊預驅動器，預驅動器的工作電壓可高達72 V，其中一路低邊預驅動器可用作DC-DC轉換器。內部通過4個獨立的微內核、2個代碼RAM和2個數據RAM BANK來進行協調管理，通過編程微碼來實現MOSFET門控驅動的靈活控制、診斷和保護功能，通過SPI總線接口，實現與單片機信息的交互完成刷寫和診斷等功能。設計的智能噴油控制模塊主要由DC-DC升壓控制模塊、噴油驅動的控制模塊和故障診斷模塊構成，其電路結構框圖如圖1所示。

1.2 DC-DC升壓控制模塊

DC-DC升壓電路主要由MC33816、續流二極管、電感、輸出電容、MOSFET和采樣電阻組成，升壓電路的原理圖見圖2。MC33816內部集成用于DC-DC轉換的電流檢測和電壓反饋模塊，通過軟件設定流過采樣電阻的最大值和最小值以及UBOOST輸出電壓的最大值和最小值。

在升壓開始階段，芯片使能異步模式 （即Async Phase），MC33816通過采樣電阻檢測流過電路中的電流Isense4與內部設定的電流最大值和最小值實時比較，觸發MOSFET的導通和關閉。當電流Isense4低于設定電流的最小值時，MOSFET導通，續流二極管反向截止，流經電感的電流持續增加，Isense4逐漸增大，電感儲存一定的能量；當Isense4達到電流設定的上限值，G_LS7輸出低電平MOSFET關閉，電流流經續流二極管給電容充電，直到 UBOOST電壓達到設定電壓的上限值，芯片使能同步模式 （即Sync Phase），這時MOSFET一直處于關閉狀態，直到UBOOST電壓達到電壓設定的下限值。如此循環工作，根據工作條件的不同，實時進行調節控制輸出的占空比和PWM頻率，從而實現升壓和穩壓的目的，UBOOST電壓控制的原理如圖3所示。

圖2 DC-DC升壓電路的原理圖

圖3 UBOOST電壓控制原理

1.3 噴油驅動的控制模塊

以某一缸的噴油器驅動電路為例，采用Peak&Hold的電流驅動方式說明噴油驅動的控制原理，其電路結構原理圖和驅動電流波形圖見圖4和圖5。電路主要由MC33816、高邊的2個MOSFET Q1和Q2、低邊的MOSFET Q3、二極管D1、D2和D3、電容和采樣電阻構成，通過微碼設定峰值驅動電流IPEAK、保持電流IHOLD、保持階段電流的關閉時間THOLD_OFF等控制參數，通過采樣電阻實時反饋電路中的驅動電流值，在不同驅動階段控制高低邊MOSFET的導通和關閉，實現噴油器電流驅動波形的精確控制。MC33816最多可以實現6個缸的噴油驅動控制，芯片引腳START1～START6、DRVEN、RESET、IRQ等需要接入單片機，由單片機控制噴油開啟和噴油結束，產生故障時觸發單片機中斷等，具體工作過程如下。

圖4 噴油驅動電路原理圖

圖5 噴油驅動電流波形

當到達某一缸的噴射時刻，單片機通過START信號控制噴油器的開啟，此時進入噴油器的Peak階段。在Peak驅動階段，控制高邊MOSFET Q1和低邊MOSFET Q3導通，Q2 MOSFET關斷，高壓電源 UBOOST通過高端驅動加到噴油器線圈的上端，電路中電流持續上升直到達到IPEAK。當電流上升到IPEAK時，高邊的MOSFET全部關閉，此時進入Bypass階段，電流開始下降，當計時器到達設定值時，進入Hold驅動階段，此時高邊MOSFET Q2和低邊MOSFET Q3導通，Q1 MOSFET關斷，電流開始上升，直到上升到保持電流IHOLD的上限值，MOSFET Q2關斷，電路中電流開始下降，電流下降到保持電流IHOLD的下限值，高邊MOSFET Q2和低邊MOSFET Q3又導通，如此周而復始，直到START信號變為低電平，Q1 MOSFET、Q2 MOSFET和Q3 MOSFET都關斷噴油結束。

在噴油器關閉瞬間，噴油器線圈中產生很高的反電動勢，噴油器電磁閥、續流二極管D3、電容和二極管D2構成能量泄放電路，將噴油器電磁閥中存儲的能量快速釋放，以保證電磁閥迅速關閉，提高了噴油器的控制精度。

2 診斷模塊

對于一個可靠安全的噴油控制驅動系統，噴油器的故障診斷模塊必不可少。本文針對噴油故障診斷進行了相應的設計，確保如有故障發生時能夠快速準確判斷，及時采取故障安全處理措施，保證控制系統的可靠性。

噴油驅動模塊的診斷分為兩個階段：預診斷階段和自動診斷階段。預診斷階段在噴油開啟信號START信號變為高電平時進行，預診斷結束后進入自動診斷階段直到噴油結束。MC33816內部設有多個比較器，通過檢測多個引腳處的實時電壓值與設定的電壓比較限值實時進行比較，根據比較器反饋得到的輸出值可以判斷出短路或開路故障，完成故障診斷功能。可以完成的故障診斷項目有：①高邊源極對搭鐵短路；②高邊開路；③高邊漏極和源極短路；④低邊開路；⑤低邊漏極對搭鐵短路；⑥低邊漏極對電源短路。

圖6 低邊開路故障診斷原理圖

這些診斷項目的檢測根據不同情況分別設置在不同的階段進行。例如在噴油驅動階段，低邊的MOSFET一直處于導通狀態，所以低邊漏極對搭鐵短路的故障在噴油驅動階段無法進行診斷，應設置在預診斷階段完成。下面以低邊開路故障為例進行分析說明，其診斷的控制原理圖見圖6。此故障設置在保持電流驅動階段進行，此時高邊UBAT的MOSFET為導通狀態，低邊的MOSFET為開路狀態，因此圖6中U1、U2和U3的電壓都為電源電壓UBAT。通過比較器與設定的電壓限值進行比較，反饋得到相應參數的狀態HSx_Vds_Vboost_fbk、HSx_Vsrc_Vboost_fbk、HSx_Vds_Vbat_fbk、LSx_Vds_fbk等，判斷參數LSx_Vds_fbk為異常值，從而診斷出噴油器低邊開路的故障，其它診斷項目的診斷原理與此類似。

3 試驗驗證

以某進口共軌噴油器為控制對象使用Peak&Hold電流驅動方式進行設計，噴油器驅動的電參數如下：①峰值驅動電壓UBOOST48V，峰值電流IPEAK26A；②保持驅動電壓UBAT24V，保持電流平均值IHOLD12A，保持驅動電流變化范圍11～13 A。

按照上述驅動要求進行軟件配置，應用設計的智能噴油驅動電路，分別在油泵臺架和發動機臺架上進行試驗驗證，取得了良好的控制效果。實際測得的噴油器電流驅動波形見圖7，通道1為START信號，通道2為電流波形，可以看出當START信號為高電平時噴油器進入峰值電流驅動階段，驅動電流從0上升到峰值電流，此時采用的是48V高壓電源驅動，之后切換到24 V低壓電源驅動模塊進入保持電流驅動階段。實測波形與目標噴油器規定的驅動電流和電壓很好的吻合，可靠地實現噴油器電磁閥的高速開閉，達到精確控制噴油器的目的。

圖7 噴油器的驅動電流波形

4 結束語

采用噴油驅動芯片MC33816設計的共軌噴油驅動模塊集成度高，控制靈活，在不改變硬件的情況下通過軟件設置就可以改變各階段電流的大小和延遲時間，能夠滿足不同的噴油器匹配要求。經過油泵臺架試驗、發動機臺架試驗等耐久試驗驗證該模塊具有較好的可靠性和響應性，可廣泛應用于電控共軌柴油機燃油噴油控制系統。