電子噴射閥驅(qū)動(dòng)單元模塊電路的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

呂　青

(武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢　430050)

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電子噴射閥驅(qū)動(dòng)單元模塊電路的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

呂青

(武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢430050)

摘要本文通過對(duì)電子噴射閥驅(qū)動(dòng)單元電路設(shè)計(jì)的論述，探討了如何解決雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制系統(tǒng)對(duì)噴射量的精確控制，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)在燃燒性能、動(dòng)力性能及排放等方面的技術(shù)指標(biāo)。

關(guān)鍵詞雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)；電子噴射閥；驅(qū)動(dòng)電路

隨著各國對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放指標(biāo)的限制越來越嚴(yán)格，柴油、天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的廣泛應(yīng)用已成為趨勢(shì)。就發(fā)動(dòng)機(jī)而言，氣態(tài)燃料的使用可以很大程度降低其活塞與氣缸蓋的磨損，減少發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)保養(yǎng)頻率，延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)使用年限。但這種發(fā)動(dòng)機(jī)工作想要達(dá)到理想的熱效率，其動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及排放指標(biāo)，要依賴于能夠?qū)Ω鞲椎膰娚淞亢蜁r(shí)間進(jìn)行很好地控制，以使得缸內(nèi)天然氣和空氣的比例達(dá)到最優(yōu)值，從而使得燃料得到充分的燃燒，因此，探討電子控制系統(tǒng)噴射單元的設(shè)計(jì)，有利于實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體量的準(zhǔn)確控制。

1雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)來說，氣體燃料的供應(yīng)方式一般分為兩種：利用混合器混合的方式和利用電子噴射閥噴射的方式。利用混合器混合的方法就是利用混合器的前后氣壓來檢測(cè)，檢查前后壓差來進(jìn)行控制，然后去調(diào)節(jié)氣流閥的開度，不斷為每個(gè)氣缸供應(yīng)燃?xì)?，只是利用混合器法?duì)空燃比的控制不是很精確，并不能達(dá)到理想的郊果。利用電子噴射閥噴射的方法可以在運(yùn)行程序中對(duì)燃?xì)鈬娚涞亩亢投〞r(shí)可以精確控制，并可準(zhǔn)確判斷噴射始點(diǎn)，燃?xì)膺M(jìn)排門的時(shí)刻在活塞上止點(diǎn)的密切關(guān)系。在氣缸壓縮比較高以及壓縮終點(diǎn)噴射的燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)上，主要使用高壓噴射的供應(yīng)方法，這樣就可以得到更高的燃料供給量和延續(xù)時(shí)間較短的燃?xì)夤?yīng)時(shí)間。

柴油天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火方式是采用微量柴油引燃技術(shù)，液化天然氣經(jīng)氣化后，在活塞的壓縮行程中和空氣一起噴入氣缸內(nèi)，由微量柴油來引燃混合可燃?xì)怏w。因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵一個(gè)是液化供應(yīng)系統(tǒng)，另一個(gè)是電子控制噴射系統(tǒng)。而電子控制噴射系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，采用點(diǎn)火引燃技術(shù)，通過對(duì)噴射進(jìn)行精確控制而使燃燒熱達(dá)到理想高點(diǎn)。

2電子控制器整體設(shè)計(jì)方案

以某臺(tái)架試驗(yàn)的電子控制器為例，電子控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括電源單元模塊、調(diào)試下載單元模塊、四路輸入調(diào)理電路、六路輸出調(diào)理電路、串行通信單元電路、電機(jī)調(diào)理單元電路。

電控處理單元采用的微處理器MCU是一種新型的16位處理器，以上各種調(diào)理電路都是以該芯片為核心來設(shè)計(jì)的。

3電子噴射驅(qū)動(dòng)單元模塊電路的設(shè)計(jì)

電子噴射閥是氣體燃料供應(yīng)的主要電子元器件，電子噴射閥驅(qū)動(dòng)電路，以LM1949噴射驅(qū)動(dòng)控制器為例，如圖2所示。

LM1949線性集成電路是一種優(yōu)越的控制燃油噴射器的驅(qū)動(dòng)電路。這個(gè)集成電路被設(shè)計(jì)成去控制一個(gè)外部功率NPN晶體管，以致能驅(qū)動(dòng)一個(gè)大電流噴射電磁閥，打開電磁閥瞬間的電流要比維持打開狀態(tài)時(shí)的電流要大很多，因此，初始化驅(qū)動(dòng)器直到打開閥的最大電流是維持開啟狀態(tài)電流的4倍。打開電磁閥之后，電流自動(dòng)減少到有效開啟水平為輸入脈沖的持續(xù)時(shí)間，整個(gè)器件系統(tǒng)的能量消耗是顯著減少的，打開和關(guān)閉電磁閥的延遲時(shí)間也相應(yīng)的減少了。圖3所示為L(zhǎng)M1949線性集成電路的應(yīng)用結(jié)構(gòu)圖。

圖1　電子控制器總體結(jié)構(gòu)圖

圖2　電子噴射閥驅(qū)動(dòng)電路圖

圖3　LM1949應(yīng)用結(jié)構(gòu)圖

該噴射電磁閥驅(qū)動(dòng)集成電路被設(shè)計(jì)用于外部連接控制器上，LM1949驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)來自于控制器原始過程(CMOS)，微處理器，或一些其他的系統(tǒng)。這個(gè)輸入信號(hào)，來自于有效生命周期內(nèi)或頻率內(nèi)，作用在第一個(gè)引腳，在一個(gè)典型的系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)器輸入的頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系，而驅(qū)動(dòng)器的周期與發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷成反比的關(guān)系，在閉式回路中，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣被檢測(cè)并且空氣與燃油混合的比例是可調(diào)的去維持一個(gè)最優(yōu)的當(dāng)量比。如圖4所示是一個(gè)典型的燃油噴射器模型。

圖4　RL電路圖

在實(shí)際運(yùn)行中，L1閥將依據(jù)電磁閥的狀態(tài)，L1的改變將根據(jù)電磁閥的打開和關(guān)閉來改變，電感自身體現(xiàn)的改變作為一個(gè)斷點(diǎn)在電磁閥電流是原始上升階段，波形輸入顯示在大約130mV時(shí)發(fā)生，因此，實(shí)際需要的電流去克服這個(gè)噴射器本身結(jié)構(gòu)阻力是1.3A。峰值電流和開啟電流是由電阻Rs的阻值決定的，集成電路的驅(qū)動(dòng)器，當(dāng)引腳1的輸入信號(hào)初始化時(shí)，初始驅(qū)動(dòng)晶體管Q1到飽和狀態(tài)，噴射器電流將從0在一定速率下上升，這個(gè)速度根據(jù)L1、R1、電流電壓使用壽命和Q1的飽和電壓來決定。

電磁閥電流超過1.3A開啟，當(dāng)電流低于0.3A時(shí)關(guān)閉，為了使噴射器工作在一定的生命周期和溫度范圍之內(nèi)，峰值電流大約選擇4A，通過電磁閥的峰值電流和維持開啟電流一般選3.85A和0.94A。

不同類型的電磁閥需要不同的電流值，檢測(cè)電阻Rs可能也根據(jù)實(shí)際而改變，例如一個(gè)峰值為8A的噴射器需要Rs的值是0.5Ω。

時(shí)間功能的目的是來限制電磁閥和噴射器功率下降，在特定的條件下，特別是在電池電壓太低時(shí)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸或非增壓，這就可能不能有效地得到使噴射器動(dòng)作的峰值電流，電池電壓很低時(shí)，噴射器電流能被看到3A或1A(低于正常的閥值電流)，3A可能引起噴射器發(fā)熱，集成電路的時(shí)間功能將強(qiáng)力轉(zhuǎn)到維持狀態(tài)在一定時(shí)間后(這個(gè)時(shí)間等于RtCt)，在每個(gè)輸入脈 沖后這個(gè)時(shí)間能被重新設(shè)置。

圖3中，在噴射系統(tǒng)中的定時(shí)口授實(shí)際范圍應(yīng)該接近3.9ms，定時(shí)器實(shí)際有效的范圍是從ms到s，它根據(jù)組件的選擇，Rt的有效范圍大約在1K到240K，電容Ct限制在最低值和最大值之間，在每個(gè)控制器脈沖后電容的復(fù)位時(shí)間由供應(yīng)電壓和電容值決定的，集成電路復(fù)位電容到初始值(Vbe)通過改變電流值大約在15Ma，因此一個(gè)0.1uF的電容的復(fù)位時(shí)間是25us。放大器的補(bǔ)償性能為電路在維持階段提供穩(wěn)定，允許設(shè)計(jì)為每個(gè)系統(tǒng)而量身定做，電路中正常工作值可以從100pF到0.1uF。

二極管Z1的目的是雙重的，它的負(fù)荷是感應(yīng)的，電壓峰值產(chǎn)生在Q1隨著噴射器電流減少，它發(fā)生在噴射閥的峰值到維持開啟值的轉(zhuǎn)變中，當(dāng)電流減少到峰值電流的四分之一時(shí)，在每個(gè)輸入脈沖的結(jié)尾，當(dāng)電流減少到0，當(dāng)二極管提供一個(gè)電流路徑為感應(yīng)反應(yīng)，限制二極管電壓峰值和阻止電壓損害Q1。因此，和系統(tǒng)峰值電流相關(guān)的二極管電壓比損害Q1的最小值要小，Z1集積了噴射器電流在峰值到維持值的轉(zhuǎn)變時(shí)，Q1運(yùn)行在維持值階段，當(dāng)集成電路放大器需要94mA通過Rs，Q1將很準(zhǔn)確的提供，在Q1安全運(yùn)行區(qū)域必須包括維持電流在二極管電壓Vce，二極管可能連續(xù)到Rs的最大值，通過感應(yīng)電阻的電壓，實(shí)際可以反映噴射器的電流在任何時(shí)間，誤差放大器保持Q1關(guān)閉直到噴射器電流到達(dá)合適的值。

噴射閥驅(qū)動(dòng)電路的切換：系統(tǒng)功率的損耗，特別在Q1能被減少用一個(gè)切換噴射驅(qū)動(dòng)電路轉(zhuǎn)換，由于噴射的負(fù)荷是主要的，轉(zhuǎn)換器Q1能被快速切換開和關(guān)在一個(gè)轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)器中，這個(gè)電磁閥整合的電壓能產(chǎn)生噴射器需要的電流，Q1消耗的功率將被減少，在圖2的電路中，僅僅額外的器件是兩個(gè)外部電阻R1和R2，另外，二極管需要連接到Rs，維持電流的波形很容易被R1和R2的阻值比所控制，R2保持很小以致感應(yīng)的輸入電流(一般為0.3mA)能夠在Vin上有一些影響，振蕩器的周期和頻率在維持狀態(tài)時(shí)是依靠噴射器的特性、R1、R2和二極管電壓來控制。

4結(jié)語

通過驅(qū)動(dòng)單元模塊電路的成功設(shè)計(jì)，使得電子控制系統(tǒng)以天然氣的噴射量為控制核心，實(shí)現(xiàn)了對(duì)天然氣的多點(diǎn)順序噴射的精確控制，提高了燃料的熱效率，并且很好地解決了發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性及排放等多方面問題。

參考文獻(xiàn)

1張武高，周明，歐陽明高.柴油、天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒性分析[J]，內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2000，18 (2)：299-304

2張新搪，高孝洪等.柴油-LPG雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)排放性能研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2001(2)

3蘇萬華，汪洋，林志強(qiáng)等，氣口順序噴射、稀然、全電控柴油/天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的研究[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2001(2)

(責(zé)任編輯：譚銀元)

The Electronic Injection Valve Drive Unit Module Circuit Design

Lv Qing

(Wuhan Institute of Shipbuilding Technology, Wuhan 430050,China)

Abstract:This article through to the electronic injection valve drive unit circuit design, this paper illustrates how to solve the dual fuel engine electronic control system to achieve precise control of injection quantity, thus improve the engine in the combustion performance, dynamic performance and emissions and so on various aspects.

Key words:Dual fuel engine ; Electronic injection valve ; Driver circuit

作者簡(jiǎn)介：呂青，女，副教授，主要從事內(nèi)燃機(jī)制造與維修方面的教學(xué)和科研工作。

收稿日期：2014-12-16

中圖分類號(hào)TK24

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

文章編號(hào)1671-8100(2015)02-0042-03