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共轨燃油喷射系统—喷油器控制

共轨燃油喷射系统—喷油器控制

凌风2018_版主_
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上贴介绍了转速采集,ECU接收到曲轴位置的信号,知道在什么时候喷油,然后在计算喷油量和喷油时刻就可以喷射了。

发动机当中执行燃油喷射任务的是喷油泵(计量阀)、喷油器,通过控制燃油计量阀的开度来控制进入共轨管的油量,进而控制油压。每次喷射时刻到来后,ECU控制喷油器的电磁铁来进行喷射。而喷射控制是共轨系统的关键,通过多次喷射(包括预喷、主喷和后喷等)来使燃烧更充分、效率更高。

喷油模块是发动机的核心部分,可靠的硬件是执行精确喷油控制的关键。喷油器的控制和喷油泵的控制都是通过对电流波形的调制来进行的。

1、喷油器的控制

共轨喷油器是一个典型的汽车电子部件,我们以常见的电磁阀是喷油器为例,其结构如图1所示:

1.jpg

图1:电磁阀共轨喷油器结构图

如图1所示,是共轨喷油器的基本结构。电流控制电磁阀吸合衔铁,衔铁带动阀杆、针阀偶件打开喷油器进行燃油喷射。

所以控制喷油器就是控制喷油器的电磁阀,电磁阀相当于一个线圈,给线圈通过电流,线圈产生电磁力。电流越大、电磁力越大,直到能够吸合衔铁。而在实际应用中,往往先使用一个较大的电流将喷油器打开,然后通过一个较低的电流维持电磁阀的开启即可。这种驱动电磁阀的方式就是所谓的峰值保持型驱动。

典型的电流波形如图2所示:

2.png

图2:喷油器驱动电流波形

如图2所示,peak为电流峰值阶段,典型电流可达20A,hold阶段为电流保持阶段,典型值为12A。其中峰值阶段的电流较大,需要高压来驱动,典型为45到50V。正常电控单元的电池电压为12V或24V(共轨系统没有见过48V系统),因此为了达到这么高的电压,通常会增加一个升压模块,典型拓扑为boost。

而hold阶段的电流较小,则使用电池电压供电即可。电流波形当中的锯齿是通过电流调制来实现的。因此根据驱动电流的要求,驱动电路常采用双电源高边半桥电路。(自己取的名儿。。。)其基本结构如图3所示:

3.png

图3:典型喷哟器驱动电路

如图所示,我们说的半桥,是指高边开关加低边开关的组合,注意这里的开关用的是MOS管。而双电源则是电池电源和升压电源,在驱动的时候要进行切换。

下面我们来分析一下该电路的工作过程

阶段 ① off: 所有开关均为关闭状态,没有电流流过电磁阀。

阶段 ② Boost:发生在驱动刚刚开始时。此时Q1及Q3同时打开。Boost 高压加载在电磁阀两端。电流快速增加。

阶段③、④peak-on:在peak阶段要进行电流调制,即产生锯齿波,方法是保持Q1开启,控制Q3的交替开闭来实现。

阶段⑤ peak-decay:电流快速下降到hold电流,维持电磁阀的开启。方法是关闭所有开关,电流通过地端二极管回到boost端,因此电磁阀两端的电压为负的boost电压,电流下降较快

阶段⑥、⑦ hold-on:在hold阶段同样要进行电流调制。方法是保持Q2开启,控制Q3的交替开闭来实现。

阶段⑧ end-of-injection:喷射结束,所有开关关断,电流快速下降到0,结束喷射流程。

 

以上便是喷油器电磁阀的控制方式。在应用当中,往往会选用一块能产生复杂驱动波形的集成电路来驱动MOS管。其中高边MOS管还需要升压来打开,因为常用的驱动管都是NMOS,通常会使用电荷泵的拓扑来产生维持NMOS管打开的高压。

因此理想的驱动芯片应当包含以下内容:DCDC升压(高压打开电磁阀),电荷泵升压(维持NMOS管开启),产生PWM。当然还应当包含一个简单的状态机,可以执行简单的逻辑以产生驱动信号。另外为了感知控制电流的大小,进行开关时间的控制,应当增加一个电流感知模块。这同样也方便增加诊断逻辑,包括过流、短路、开路等情况。

网上有用NXP的MC33816,基本满足以上要求,但是我没有用过,大家可以自己看看。

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图4:典型喷油器驱动MC33816

好了,今天的内容就这么多,下回继续。


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