GDI发动机喷油器驱动电路设计及试验验证

长春工程学院电气与信息学院 吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室 张 允长春工程学院电气与信息学院 侯丽华 张黎黎 赵迎辉



GDI发动机喷油器驱动电路设计及试验验证

长春工程学院电气与信息学院 吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室 张 允
长春工程学院电气与信息学院 侯丽华 张黎黎 赵迎辉

【摘要】为了实现缸内直喷汽油机（GDI）对喷油器响应度的精确控制，需要喷油器驱动电路能够满足更高的要求。本文基于EA888发动机，设计了该喷油器升压驱动电路，并利用multisim软件对DC/DC升压电路进行了仿真，仿真结果表明所设计的升压电路能够在600us内使电压上升到60V且电压纹波在10%以内，在此基础上，进一步利用台架试验对GDI喷油器驱动电路的驱动特性进行了测量和分析，验证了驱动电路的可行性。

【关键词】缸内直喷汽油机；喷油器；升压驱动电路；建模仿真；台架实验

0 引言

与传统汽油机相比，缸内直喷汽油机具有燃油效率高和超低排放的优点，在内燃机领域被认为是最有前途的技术之一[1]。为了实现对GDI发动机的喷油正时和喷射脉宽的精确地控制，需要对喷油器驱动电路及发动机特性进行研究。本文针对EA888发动机，基于 UC3843芯片设计了GDI发动机喷油器升压驱动电路，利用multisim软件对升压电路进行了仿真，并通过台架试验对GDI发动机喷油器特性以及驱动电路的可行性进行了验证。

1 GDI发动机喷油器及其驱动方式

1.1 GDI发动机喷油器介绍

本文所研究的大众EA888系列的1.8TSI汽油直喷增压发动机喷油器是一款内开、多孔式电磁线圈低阻型喷油器，响应速度较快且喷油压力最高可达15MPa；在大的喷油压力下，喷油器在一个工作循环会多次开启（一般2次）。

图1 PEAK-HOLD电流驱动方式

1.2 喷油器驱动方式

电磁线圈喷油器分为高阻型和低阻型两种类型[2]，本文采用的GDI发动机喷油器属于低阻型喷油器。由于该喷油器需要保证在较高油压的条件下达到快速开启（即需要更快的开启速度及更高的喷油压力），所以我们自主设计了一种PEAK-HOLD电流驱动方式，在喷油器开启初期采用较大的驱动电流，保证喷油器快速开启，喷油器开启后采用较低的驱动电流维持喷油器的开启状态。如图1所示, 在该驱动方式下，每个喷油器都有两个场效应管独立地产生PEAK-HOLD电流，当发动机控制器发送信号后，就依次对高压场效应管（AH）和非高压场效应管（AL）发出控制信号，产生PEAK-HOLD电流波形，驱动喷油器完成喷油。

图2 DC/DC升压电路原理图

2 DC/DC升压电路设计

升压电路是整个PEAK-HOLD电流驱动方式的核心。本文基于UC3843大功率DC/DC升压芯片，实现了从电池电压到60V高电压的转换。UC3843芯片为高性能固定频率电流模式脉宽调制器，专为离线和直流至直流变换器应用而设计[3]。该芯片可以驱动大功率N沟道MOS管，最高能承受60V的输出电压[4]。通过该芯片和相关储能电容C10、电压反馈电阻R7、储能电感L1、二极管D2和MOS管Q1等共同构成了升压电路以实现DC/DC升压（即PEAK驱动）。MOS管Q2、电阻R2、电感L2共同构成了低压驱动电路（即HOLD驱动）。驱动升压电路如图2所示。

升压电路工作原理为：当Q1导通时，L1被短路，此时由VCC、L1及Q1共同构成闭合回路，将能量存储于电感线圈L1中。电容C10放电维持输出电压，二极管D2反向截止，防止C10通过Q1被短路；当Q1截止时，L1两端产生非常高的感应电动势，经过二极管D2给电容C10充高压直流电，达到升高电压的目的。这里升压比VO/VI取决于占空比，占空比越大升压比越大，其数学关系为：

其中：VI是升压电路输入电压、VO是升压电路输出电压、ton为Q1导通时间，Tsw为脉宽调制周期，D为占空比。

图中UC3843 控制器用于输出PWM信号，以控制升压电路的工作。当电压反馈引脚（引脚2）的输入电压低于2.5V时，输出引脚则输出PWM信号，此时升压电路开始工作；反之，输出引脚则输出低电平，升压电路停止工作。

3 电路仿真分析

本文基于multisim软件设计了升压电路仿真模型。Multisim仿真软件是由美国NI公司推出的用于电子线路仿真与设计的EDA（Electronic Design Automatic）软件。该软件操作界面就像一个电子实验工作台，包含绘制电路所需的各种元器件的电路原理图、虚拟测试仪器和图形显示结果等设计窗口。我们可以利用该仿真软件得到在multisim触发工作状态下的仿真波形，并使用逻辑分析仪对输入、输出波形进行观察、分析，该软件可以直观地描述工作性能，尤其对于通过真实电子实验仪器无法测试得到的触发工作波形，利用该软件通过边设计边实验、边修改调试的方式可以得到解决。

3.1 仿真电路构建

基于Multisim软件构建的仿真电路如图3所示。

图3 升压电路仿真模型

图4 PWM和喷油器信号参数

利用Multisim软件模拟升压电路工作时，需要模拟PWM信号和喷油器打开信号等各种类型的输入信号，实验过程中可根据观测结果不断地调整各信号参数的设置，如图4所示。

图5为利用逻辑分析仪观察得到的PWM信号和喷油器打开信号波形图。

图5 PWM和喷油器信号

图6 升压电路的负载结果

3.2 仿真结果分析

针对所构建的仿真电路设置各输入参数，得到相应的仿真实验结果如图6所示。由于喷油器特殊的工作环境和实验要求，必须能够迅速地产生一个高电压直接作用在其电磁阀线圈上，以加快驱动电流上升速度、缩短喷油器开启时间。之前的许多研究者由于不能及时的提升电压而导致电压下降过快、抑或导致压力波动超过10%，最终造成喷油系统不能正常工作。本文设计的升压电路升压时间仅为600us，显著提高了驱动电路的时间响应特性，如图7所示。

图7 升压时间

图8 电压波纹

图8为输出电压波动曲线仿真结果。图中电压曲线虽有波动,但经放大器放大之后可见在喷射器开启期间，其波动值约为4V，这比纹波电压波动小了10%，该波动在允许范围内。

4 喷油器整体驱动电路

根据前面设计的升压电路，并将其与保持电流电路结合起来共同构成完整的喷油器PEAK-HOLD驱动电路，如图9所示。

图9 完整的PEAK-HOLD驱动电路图

图10 PEAK-HOLD电流 驱动波形图和时序图

图中模块A是LT1161驱动芯片，该芯片具有具有四个独立的开关通道，每个通道都包含一个完全独立的电荷泵，以保证在没有外部元件的情况下N渠道MOSFET正常开启[5]，该芯片在电路中用于驱动模块C中的MOS管。模块B是续流二极管，用于防止喷油器关断时产生反向电动势将MOS管击穿。模块C由MOS管和电流反馈电阻组成，用于产生峰值电流。模块D由二极管组成，用于实现高压电到喷油器单向流动。模块E是MC33888集成驱动芯片,用于在电路中实现HOLD电流。模块F用于实现PEAK-HOLD电流驱动波形图和时序图，如图10所示。图中，PBx与PHx为单片机端口B/H用于控制峰值电流的引脚，X代表对应控制的是第X缸喷油器的引脚；t1为高压直流电接通时间，其值决定了峰值电流的大小；t2为从高电压断开到蓄电池接通的时间，其值影响保持电流初始段的大小；t3为保持电流部分第一段通电时间，其值同样对保持电流的波形产生影响。t4是占空比为50%的方波，表示保持电流通电波形。

5 实验验证

将所设计的驱动电路焊接成PCB板，进一步进行调试得到图11所示波形。

图11电压与电流波形

图12 实验验证结果

图中黄色曲线为喷油器电压波形，蓝色曲线为喷油器电流波形。高压电在12V~60V之间变换。t1到t4的值见表1。

表1 t1到t4的值Table 1 Values from T1 to T4

进一步针对GDI发动机的喷油器升压电路进行台架实验验证，采集的相关信号如图12所示。图中，蓝色曲线为喷油器电压波形，黄色曲线为喷油器电流波形。测试结果和设计期望值一致，满足了设计要求。

6 结论

本文基于UC3843芯片设计了GDI发动机喷油器驱动电路，用以输出PEAK-HOLD电流波形。利用Multisim软件对驱动电路进行了仿真，仿真结果表明升压电路可在600us内使电压升到60V且电压波纹小于10%，缩短了驱动电路的响应时间并节约了资源。最后利用台架试验对GDI发动机喷油器的特性进行了测试与分析，测试结果表明所设计的喷油器驱动电路能够实现对GDI发动机喷油量、喷油时刻、喷射脉冲宽度，峰值脉冲宽度的准确控制。

参考文献

[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.

张允（1973－），女，吉林长春人，博士研究生，副教授，研究方向：混合动力汽车智能控制。

作者简介：

基金项目：吉林省教育厅基金《混合动力客车多目标综合协调控制技术研究》；长春工程学院种子基金《基于多目标动态规划的混合动力汽车综合协调控制研究》。