直喷发动机系统中高压喷油器驱动设计与仿真

杨守建

直喷发动机系统中高压喷油器驱动设计与仿真

杨守建

（联合汽车电子有限公司，上海 201206）

高压喷油器是汽油直喷（GDI）发动机系统的核心零部件，在四冲程发动机的进气或压缩冲程将汽油直接喷入缸内，进而提升发动机燃油效率。其驱动电路设计既要满足在高压喷油器开启瞬间的高能量要求，又要满足稳态工作时低能耗要求，还要满足停止喷油时可以快速关断要求。论文通过对高压喷油器的工作原理进行了详细分析，掌握了其驱动能量的计算方法和不同运行阶段的驱动控制策略，并通过Saber RD仿真加以验证。

GDI发动机；高压喷油器；驱动能量；时序控制；Saber RD

汽油直喷（Gasoline Direct Injection, GDI）起源于20世纪30年代，由于当时技术限制以及汽油价格低廉的原因而没有得到普遍的应用。现在，面对汽油价格上升和排放法规趋严的压力以及电喷技术的提升，汽油直喷技术重回市场，且所占市场份额不断提升。汽油直喷技术可将燃油效率提高20%，可提高压缩比以输出更强劲动力，同时有效降低碳氢化合物（HC）和一氧化碳（CO）的排放[1-2]。

论文首先对高压喷油器的结构和驱动特性进行了分析，然后基于其驱动要求，提出了硬件控制方案，包含提供驱动能量的Boost升压电路，进行驱动时序控制的双高边半桥驱动电路，以及快速关断电路。对电路中的关键参数进行了定量分析，并在Saber仿真环境下搭建系统电路仿真模型，对理论分析加以验证。

1 高压喷油器工作原理

1.1 高压喷油器结构介绍

高压喷油器的典型结构如图1所示，主要包含O形圈、滤网、支撑环、主弹簧、线圈、针阀组件、燃烧室密封圈和阀座等部件。其工作原理是：当线圈未通电时，主弹簧弹力将针阀压住，使阀球和阀座紧贴将燃油密封住，同时也密封了从小孔处进来的燃烧气体；当线圈通电时，电线圈产生磁力，磁力提起衔铁，衔铁带动针阀向上运动，使阀球离开阀座，进而在高腔内压力作用下使汽油雾化喷出[3]。

图1 高压喷油器结构

1.2 衔铁和针阀的运动过程

如图2所示，过程①为喷油器线圈被施加一定的高电压，产生的电磁力吸起衔铁向上运动，针阀保持不动；过程②为衔铁达到针阀机械上止点后，带动针阀一起向上运行，阀球离开阀座，汽油在腔内高压力作用下可沿小孔雾化喷出；当衔铁带动针阀到达喷油器机械上止点后，在有效喷油窗口期内，将维持该物理状态以保持输出恒定的喷油量；过程③为喷油器由打开转入关断的起始阶段，在重力和反向电磁力的作用下衔铁向下运行，针阀亦向下运动；过程④针阀向下运动结束，衔铁继续向下运动，阀球落入阀座，但未完全密封；过程⑤衔铁向下运动达到针阀机械下止点，将阀球完全顶入阀座，达到完全密封状态，喷油停止。

以BOSCH HDEV5和HDEV6高压喷油器为例，其负载电流特性通常包含了Boost、Pick up、Hold on和Shut off四个阶段，分别如图3(a)和图3(b)所示，其中boost表示Boost阶段持续时间，1/anzug表示Boost阶段加Pick up阶段持续总时间，2表示从Pick up至Hold on的切换时间，t表示一个冲程内喷油时间，boost为Boost阶段喷油器供电电压，batt为蓄电池电压，discharge/abschalt为喷油器快速关断时施加的反向电压，boost为Boost阶段给喷油器施加的最大电流，p/anzug为Boost阶段进入Pick up阶段的电流阈值，p_eff/anzug_eff为p/anzug阈值上限，hold_eff/halt_eff为Hold on阶段喷油器驱动电流平均值，hys/hysterese为hold_eff/halt_eff控制精度范围。

图3 负载特性

在Boost阶段①，需要较大的瞬时能量将喷油器内的衔铁进行提升，进而带动针阀运动，因此，驱动电路上需要给喷油器线圈施加约65 V高电压，以快速生产较大的驱动电流。在Pick up阶段②，衔铁和针阀到达喷油器机械上止点，喷油嘴达到全开。在Hold on阶段③，只需要输出较小的能量即可使喷油嘴保持全开状态；在Shut off阶段④，需要较大的方向能量使衔铁和针阀快速落座，阀球顶住喷油嘴，停止喷油，因此，驱动电路上需要给喷油器线圈施加约负65 V反向电压，以达到快速关断的目的[4]。

2 高压喷油器驱动控制方案

2.1 BOOST升压模块原理

高压喷油器驱动控制包含两部分，第一部分为BOOST升压模块，为喷油器快速打开或迅速关断提供能量，BOOST升压模块电路拓扑结构如图4所示[5]，车载蓄电池经过主继电器后的电压（Vol- tage after Battery Relay（U is the symbol for voltage）, URA）；UBOOST为输出电压。

图4 BOOST电路拓扑结构

BOOST升压模块主要由储能电感， MOSFET开关T1，续流二极管D，输出电容和电流采样电阻shunt组成，并采用电压电流双闭环控制策略。通过控制使能信号EN，shunt电流采样信号和输出电压采样信号UBOOST来控制开关T1，控制方法如图5所示。

当使能信号EN有效，流过shunt电阻的电流低于放电电流最小设定值low且输出电压低于Boost设置电压值，开关T1导通，UBR对储能电感L进行充电；当使能信号EN有效，流过shunt电阻的电流大于充电电流最大设定值high，开关T1关断，由于电感电流不能突变，UBR和储能电感对输出电容充电，抬升输出电容电压。按此过程不断循环直至输出电压UBOOST达到设定电压值。

图5 BOOST电路控制方法

2.2 输入电感与输出电容的参数配置

设BOOST电压目标值为Boostmax；喷油器Boost阶段所需能量为Boost；BOOST电压允许电压跌落至Boostmin，则

则输出电容的选取临界最小值min为

Boost可从喷油器负载特性曲线及性能参数手册中得到，输出电容可采用铝电解电容。以BOSCH、CONTI、DELPHI和HITACHI四家供应商的某型号喷油器为例，针对单次喷射应用场景，输出电容参数配置理论计算如表1所示。

表1 Boost输出电容验证

SupplierEBoost /mJUBoost max/VUBoost min/VC理论值/uF BOSCH876562456.7 CONTI1506562787.4 DELPHI1436562750.6 HITACHI1526562797.9

若将输出电容设计为2个680 uF，70 V耐压的电解电容并联，等效容值为1 360 uF，则可兼容多款喷油器驱动单次喷射的能量需求。当设计需求出现变更，如：喷油器型号、喷射次数等，则需重新评估输出电容值。

根据能量守恒定律，电感L上储存的能量大部分转移到输出电容，剩余能量以热损耗的方式消耗掉，设充电电流最大值为high，放电电流最小值为low，经过N个充放电周期将电容电压由Boostmin抬升至Boostmax，Boost电路工作效率为，BR为蓄电池电压。则

设在单个充放电周期内，1为电感充电时间；2为电感放电时间。

在充电过程中，由基尔霍夫电压定律（Kirch- hoff laws, KVL）[6]可得

在放电过程中，由KVL可得

式中，c为单独充放电后输出电容上的电压值，但不能与最终的Boostmax划等号，只有在经过个充放电周期后，输出电容上的能量不断叠加才会使电压被抬升至Boostmax。

设充电至Boostmax的时间为charge，则有

由式（9）可得，charge与喷油器Boost阶段所需能量Boost（含C、BoostminBoostmax因素），电池电压BR，充放电电流设定值high和low，BOOST工作效率及c有关，c同时受电感，2影响。所以从式（9）中无法直接判断电感取值与充电时间charge的关系。

对于时间charge还可以从能量守恒的角度分析，对于BOOST电路由Boostmin充电至Boostmax过程，根据能量守恒定律有：

式中，BAT为电池提供能量；C为输出电容储存能量；Ldis为电感寄生电阻消耗能量；Cdis为输出电容寄生电阻消耗能量；diode为续流二极管消耗能量；MOSFET为开关管消耗能量；shunt为shunt电阻消耗能量；DGDI-S为驱动控制芯片DGDI-S BOOST PIN脚消耗能量。则有：

式中，r、f为MOSFET导通时电压上升时间和关断时电压下降时间；Boost为DGDI-S Boost PIN脚上消耗的电流。由式（6）、式（8）、式（11）—式（19）联合求解得charge。

对式（10）两边同时除以charge，可得

在喷油器Boost工作阶段（不含初始上电阶段）C处于Boostmin和Boostmax之间，如果两者迟滞很小，可将C取为两者的中间值作近似分析，如下：

因此，当电池电压BR，充电电流上限high，放电电流下限low，充电电压上限Boostmax，放电电压下限Boostmin，输出电容值，DGDI-S Boost PIN脚工作电流Boost，电感电容寄生电阻L、C，shunt电阻值shunt，MOSFET开关T1上升下降时间r和f，续流二极管导通压降diode均确定的条件下，式（20）等式左边为定值，右边除第2项和第5项外也均为定值。

当储能电感增大时，由式（6）和式（8）可知（1+2）增大，T1的开关频率降低，式（20）等式右边第5项减小，要使等式（20）仍保持成立，则式（20）等式右边第2项必须要增大，因为C值不变，所以充电时间charge减小。反之当储能电感减小时，T1的开关频率增大，充电时间charge增大。

图6 L=5 uH；C=1 360 uF工况下仿真结果

图7 L=50 uH，C=1 360 uF工况下仿真结果

图8 L=5 uH，C=680 uF工况下仿真结果

同理，当其他设定值固定，仅输出电容变化时，式（20）左边为定值，式（20）右边除第2项外均为定值，当输出电容增大时，电容储存能量C增大，要使式（20）仍成立，充电时间charge相应增大。

因此，在BOOST电路正常工作时，且相关控制变量不变前提下，充电时间长短与储能电感值大小成反相关，与输出电容值大小成正相关。在Saber RD中设置Boostmax=65 V；Boostmin=62 V；high=8 A；low=2 A仿真输出结果如图6—图8所示，上方曲线为流过shunt电流信号，下方曲线为输出电压BOOST信号。

当输出电容为1 360 uF，储能电感为5 uH时对应的charge时间约为4.8 ms，而当电感值增大到50 uH时，charge时间约为4.4 ms。

当储能电感为5 uH时，输出电容为1 360 uF时对应的charge时间约为4.8 ms，输出电容为680 uF时对应的charge时间约为2.4 ms。与前文理论分析结果一致。

2.3 喷油器半桥桥驱模块

高压喷油器驱动控制第二部分为半桥桥驱电路，用以控制喷油器按其负载电流特性进行工作。区别于传统半桥驱动结构，其上半桥包含2路高边开关，连接不同电源电压，下半桥为1路低边开关，并带shunt电阻进行电流采样，其电路拓扑结构如图9所示。

图9 喷油器半桥桥驱电路

以BOSCH喷油器 HDEV5和HDEV6为例，依据其负载特性分别介绍其控制时序，并通过Saber仿真加以验证。HDEV5，HDEV6的负载特性如图3(a)、图3(b)所示。从负载特性中可以看出，两者驱动均采用电流+时间控制，主要区别在于Pick up阶段过渡至Hold on阶段的续流阶段的控制方式不同，整理两者半桥开关控制时序如表2所示。

表2 HDEV5和HDEV6开关控制时序

开关管喷油器类型BOOST阶段①①至②续流阶段Pick up阶段②②至③续流阶段Hold on阶段③③至④续流阶段Off阶段④ T2(BOOSTHSD)HDEV5ONOFFOFFOFFOFFOFFOFF HDEV6ONOFFOFFOFFOFFOFFOFF T1(UBAT HSD)HDEV5ONOFFONOFFON/OFFOFFOFF HDEV6ONOFFONOFFON/OFFOFFOFF T3 (LSD)HDEV5ONONONOFFàONONOFFOFF HDEV6ONONONONONOFFOFF

在saber RD仿真环境中，搭建上述仿真模型，并通过状态机模拟开关控制逻辑，仿真结果如图10、图11所示。输出电流曲线与两者的负载电流特性基本一致，验证了该仿真模型能够正确模拟喷油器负载驱动特性，为进一步研究喷油器驱动性能提供理论仿真支持。

图10 HDEV5喷油特性曲线

图11 HDEV6喷油特性曲线

3 总结

高压喷油器是汽车直喷系统中的核心零部件，BOOST升压模块和半桥桥驱模块是驱动控制高压喷油器的核心电路。BOOST升压模块为喷油器在Boost工作阶段能够快速提起针阀提供所能能量，半桥驱动模块为喷油器能按其特定负载特性曲线工作提供驱动和时序控制功能。论文结合喷油器驱动要求和BOOST升压模块设计要点，论述了储能电感和输出电容的设计方法，并通过仿真加以验证。同时通过搭建喷油器驱动控制系统的仿真模型，验证了喷油器的负载特性和半桥驱动模块技术方案的可行性，为后续汽油直喷技术研究提供设计参考与经验借鉴。

[1] 蒋晓寒,谭建伟,徐长建,等.基于粒径分布的直喷汽油车颗粒物排放特性研究[J].汽车工程,2022,44(10): 1609-1618.

[2] 胡志远,夏孝程,宋博,等.缸内直喷汽油车颗粒物数量及可溶性有机组分排放特性[J].中国环境科学, 2021,41(3):1095-1101.

[3] 杨宏伟,杨显锋,陈晓欢,等.密封锥角对针阀偶件密封面形变和应力的影响[J].内燃机与动力装置,2022, 39(4):24-28.

[4] 刘晨,刘振明,陈萍,等.压电喷油器动态响应特性试验研究[J].车用发动机,2021(5):28-33.

[5] 赵秋山,王凯,徐伟,等.空间电源系统放电调节器技术的应用研究[J].电源技术,2017,41(8):1236-1238.

[6] 邱关源.电路[M].5版.北京:高等教育出版社.2006.

Design and Simulation of High Pressure Injector Driver in GDI Engine System

YANG Shoujian

( United Automotive Electronic Systems Company Limited, Shanghai 201206, China )

High pressure fuel injector is the key component of gasoline direct injection (GDI) engine system. It directly injects gasoline into the cylinder during the intake or compression stroke of a four stroke engine, thereby improving the fuel efficiency of the engine. The design of its driving circuit should not only meet the requirements of high energy at the moment when the high- pressure fuel injector starts, but also meet the requirements of low energy consumption during steady state operation, and also meet the requirements of fast shutdown when fuel injection is stopped. In this paper, the working principle of the high-pressure fuel injector is analyzed in detail, and the calculation method of its driving energy and the driving control strategies in different operating stages are researched, which are also verified by Saber RD simulation.

GDI Engine; High pressure fuel injector; Driving energy; Sequential control; Saber RD

U464

A

1671-7988(2023)11-119-08

杨守建（1989－），男，硕士，工程师，研究方向为汽车电子控制器硬件架构设计与平台开发，E-mail: shoujian.yang@uaes.com。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.011.022