新型共轨压电喷油器驱动模块开发及应用
柴油机共轨式燃油系统及电控喷油器的仿真研究的开题报告
柴油机共轨式燃油系统及电控喷油器的仿真研究的开题报告一、研究背景及意义随着车辆的不断发展，柴油机已经成为了现代交通运输、工业生产中的主力之一。
柴油机燃料系统的优化已经成为了汽车发展的核心内容之一。
目前主流的柴油机燃油系统有两种，一种是直喷式燃油系统，另一种则是共轨式燃油系统。
共轨是一种高压油路系统，能够采用多次喷射技术提高柴油发动机的燃烧效率，从而大大降低机组燃油消耗，降低了油耗和污染物排放，并且很好地解决了汽车因高纬度、低温不能正常启动的问题。
电控喷油器则是目前最为先进的喷油技术，可以实现精确的油量控制，充分发挥共轨式燃油系统的优势。
因此，对共轨式燃油系统及电控喷油器进行深入研究，对提高柴油机效率、降低油耗、减少排放具有重要意义。
二、研究内容与方法本文将围绕共轨式燃油系统及电控喷油器进行仿真研究，重点研究以下几个方面：1.共轨式燃油系统的结构和工作原理；2.电控喷油器的结构和工作原理；3.燃油喷射特性和柴油机性能参数的仿真模拟；4.喷油量与燃烧效率的关系，对油耗和排放的影响。
本文将采用如下研究方法：1.了解国内外柴油机共轨技术的发展现状；2.采用仿真软件对柴油机共轨燃油系统及电控喷油器进行仿真；3.对仿真结果进行分析，得出共轨式燃油系统及电控喷油器的最优工作参数；4.对柴油机的油耗和排放进行评估。
三、预期成果通过本文研究，我们将能够深入了解柴油机共轨式燃油系统及电控喷油器的工作原理和特点，发现共轨式燃油系统的优势在于能够降低柴油机的油耗和污染物排放，并且可以实现多次喷射，提高燃烧效率，从而提高柴油机的性能。
我们将通过仿真模拟，得出共轨式燃油系统及电控喷油器的最优工作参数，为柴油机的研发提供参考，并且为下一步进一步优化燃油系统提供良好的基础研究。
为什么现在的电喷柴油发动机喜欢用高压共轨技术(2024)
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高压共轨系统控制策略探讨
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燃油喷射正时和喷油量控制方法
基于曲轴位置和凸轮轴位置传感器的信号，精确计算发动机转速和相位，从而确定 燃油喷射正时。
通过电子控制单元（ECU）接收来自各种传感器的信号，如进气温度、进气压力、 冷却水温度等，实时计算最佳喷油量。
国外厂商
如博世、德尔福、电装等，其电 喷柴油发动机技术先进，产品性 能稳定可靠，在全球市场占据主 导地位。
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不同类型电喷柴油发动机特点比较
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机械式电喷柴油发动机
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结构简单，成本较低，但控制精度和燃油经济性相对较差。
液压式电喷柴油发动机
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具有较高的喷射压力和良好的雾化效果，但系统复杂，维护成
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喷油器设计及优化方向
喷油器结构
喷油器是高压共轨系统的执行部件，主要由电磁阀、针阀、衔铁、喷孔等构成 。其结构精密，能够实现燃油的精确喷射。
优化方向
喷油器的优化方向主要包括提高喷射压力、改善喷雾质量、降低噪音和减少排 放等。通过改进电磁阀结构、优化针阀形状和喷孔设计等手段，可以实现喷油 器的性能提升。
随着环保法规的日益严格，高压共 轨技术有助于发动机满足更严格的 尾气排放要求。
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增强动力性能表现
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提高燃油喷射压力
高压共轨技术可以提供更高的燃油喷射压力，使 燃油更迅速地喷入气缸，提高发动机的响应速度 和动力输出。
优化燃烧过程
通过精确控制喷油量和喷油正时，高压共轨技术 可以优化燃烧过程，提高发动机的燃烧效率，从 而增强动力性能表现。
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电控高压共轨喷射系统及其喷油器研发生产方案(二)
电控高压共轨喷射系统及其喷油器研发生产方案1. 实施背景随着全球能源结构的转变和环保意识的提高，燃油喷射系统在汽车工业中的地位日益重要。
电控高压共轨喷射系统（HPDI）作为新一代燃油喷射技术，具有更高的燃油喷射压力和更精确的喷油控制，能够显著降低燃油消耗和排放。
目前，HPDI技术在国外汽车企业中得到了广泛应用，但在中国，此技术尚处于起步阶段。
因此，开展HPDI技术的研发生产具有强烈的现实意义和广阔的市场前景。
2. 工作原理电控高压共轨喷射系统主要由高压油泵、高压油轨、喷油器和电控单元组成。
工作原理是：高压油泵将燃油加压至100MPa以上，通过高压油轨将燃油输送至喷油器。
在喷油器内，高压燃油通过电磁阀控制喷出，经过雾化后与空气混合，实现燃油喷射。
电控单元根据发动机工况和传感器信号，精确控制喷油量和喷油时刻。
3. 实施计划步骤3.1 技术研究：进行HPDI技术的深入研究和实验验证，包括高压油泵的设计与制造、高压油轨的材质与加工、喷油器的结构设计、电磁阀的控制逻辑等。
3.2 生产工艺制定：根据技术研究结果，制定生产工艺流程和质量控制方案。
3.3 设备采购与调试：采购生产所需的设备，并进行安装调试。
3.4 产品试制：按照制定的生产工艺和质量控制方案，进行小批量试制。
3.5 产品测试与验证：对试制的产品进行性能测试和可靠性验证，并对存在的问题进行改进。
3.6 扩大生产：经过验证后，逐步扩大生产规模，并考虑与汽车企业进行合作。
4. 适用范围本研发生产方案适用于汽车、发动机等领域，特别是适用于燃油经济性要求较高和排放标准严格的领域。
未来，HPDI技术还可应用于船舶、航空等领域的燃油喷射系统。
5. 创新要点5.1 高压油泵的设计与制造技术：实现燃油的高压化，提高燃油喷射压力。
5.2 高压油轨的材质与加工技术：选择合适的材质和加工工艺，确保高压燃油的输送安全可靠。
5.3 喷油器的结构设计技术：优化喷油器的结构，提高喷油的雾化效果和均匀性。
电控喷油器仿真模块化研究
关键 词 ：柴油 机 ；电控 ；喷 油器 ；仿 真 中图分 类号 ：Ｔ ４ １ Ｋ ２ 文 献标 识 码 ： Ａ 文章 编号 ：１０ —２２ （０ ２ ０ ０ １ ２ ２ ２０ ）４—０ ２ ０ ３—０ ４
燃 油 喷 射 过 程 的 仿 真 计 算 是 研 究 和 改 善 柴 油 机 燃 油 系统 的 重 要 途 径 ， 已广 泛 应 用 于 燃 油 系 统 的 优 化设 计 中 。但 内燃 机 燃 油 系统 仿 真 技 术 仍 存 在 一 些 不 足 ， 了 数 学 模 型 的不 完 善 性 以 外 ， 序结 构 以及 除 程
维普资讯
第 ４期 （ 第 １ｏ期 ） 总 ４．
２Ｏ Ｏ ２年 ８月
车
用
发
动
机
Ｎｏ ４（ ｅｉｌＮｏ １ ０） ． Ｓ ｒ ．４ ａ
Ａｕ ２ ０２ ｇ． ０
ＶＥＨＩ 点 ＥＮＧＩ ＣＩ ＮＥ
・
仿真 技术 ・
电 控 喷 油 器 仿 真 模 块 化 研 究
・
合 理 的计 算 机 仿 真 程 序结 构 模 式 应 具 有 良好 的
开 放 性 和 二 次 开 发 能 力 。模 块 化 结 构 可 以 大 大 增 强 程 序 的 管 理 性 、 活 性 和 理 解 性 ， 管 理 性 和 灵 活 性 灵 而 对 于 仿 真 程 序 的 开 发 极 为 重 要 。 因 为仿 真所 涉 及 到 的 许 多 模 型 还 会 随 着 内燃 机 理 论 和 计 算 机 技 术 的发 展 而 不 断 发 展 完 善 ， 于 不 断 修 改 和 更 新 过 程 中。 处 模块 化 还 可 以 大 大 增 强 程 序 的通 用 性 ， 同 一 个 计 使 算 程 序 适 用 于 多 种 机 型 。 本 文 主 要 介 绍 在 高 压 共 轨 柴 油 机 燃 油 喷 射 系 统 仿 真 程 序 开 发 过 程 中 ， 于 实 用 现模块化结 构的一些技术 和方法 。
柴油机共轨式电控高压喷射系统简介
柴油机共轨式电控高压喷射系统的工作原理
当电磁阀通电时，外阀 3 向上运动，
内阀下部密封锥面结合阀座（外阀下部内 锥），共轨高压油不在进入控制室 7，外 阀 3 下部外锥面与阀座分开，控制室内的 燃油通过回油管 5 回到油箱，从而控制室 7 的油压下降。针阀 9 的承压锥面的压力 作用下针阀上移，喷油器喷油，如图 10.2 （b）所示。
实现喷油器的喷油控制。 二位三通电磁阀主要由阀体、电磁线圈、
内阀和外阀组成，如图 10.2 所示。内阀 2 与电
磁线圈 4 均固定在阀体上，外阀 3 与电磁阀电枢 做成一体，电磁线圈通电和断电时，外阀 3 则上、 下运动。
柴油机共轨式电控高压喷射系统的工作原理
当电磁阀断电时，外阀 3 向下运动，
内阀下部密封锥面离开阀座（外阀下部内 锥），共轨高压油进入控制室 7，同时， 外阀 3 下部外锥面与阀座闭合控制回油管 不回油。控制活塞 8 的面积大于针阀 9 的 承压锥面面积，针阀下移不喷油，如图 10.2（a）所示。
节流孔共同进油，控制室 7的燃油压力上升迅速，控制活塞促使针阀下行断油快，
满足停油“干脆”的要求。
谢谢
柴油机共轨式电控高压喷射系统的组成
柴油机共轨式电控高压喷射系
统主要由供油系统和控制系统组
成，如图 10.1 所示。供油系统包括
油箱、低压输油泵、高压输油泵、 共轨、喷油器等元件组成。控制系 统由传感器、ECU、执行器组成。
其中执行器主要有调压阀 14 和三通 电磁阀 2。
柴油机共轨式电控高压喷射系统的组成
柴油机共轨式电控高压喷射系统的工作原理
喷油规律控制
电磁阀 2 与控制室 7 的油路由一个单向阀和节流孔并联组成（图 10.1）。 当电磁阀通电时，电磁阀关闭进油通道，打开回油通道。此时，因为单向
电控高压共轨直喷柴油机技术图文教程
电控高压共轨直喷柴油机技术图文教程●Pizezo喷射器(压电式喷油器)Piezo 喷射器具有极快和精确的燃油量分配。
Piezo喷射器的响应时间是原系统的4倍，允许在预喷和主喷之间更短和更多可变距离的喷射。
图为Piezo喷射器由于通过能量恢复获得必需的触发能的可能，必需的触发能会相当地减少。
另外，通过简单的电控制，可达到忍受较大的电磁和基本减少感应错误。
Piezo喷射器安装在油轨上，将燃油喷入燃烧室。
每冲程的喷入量由预喷量和主喷量构成。
这种分层喷射使得柴油机燃烧过程变得柔和。
由于Piezo喷射器的配置，使其具有极快的响应速度（时间）。
因此，喷射的燃油量和剂量可以非常准确的控制，而且确保极好的循环。
喷射器由发动机控制单元控制（ECU）。
与以前的系统比较，Piezo喷射器需要相当小的触发能，它可通过可能的能量恢复得到。
注意：在发动机工作期间，连接线束连接器到发动机控制装置，喷射器必须连接可靠，否则有损坏发动机的危险。
在维修工作时，喷射器不应拆散。
每个件都不许被松动或没有拧紧，否则将引起喷射器的损坏。
●柴油共轨泵DCP柴油共轨泵由布置在一个单一壳体里的下列部件组成：内置传输泵ITP内置叶片泵的作用是将燃油从燃油箱经过燃油滤抽出，供给带有柴油的高压燃油泵。
除此之外，还有润滑高压油泵的目的。
柴油共轨泵DCP是需求控制中心，由凸轮盘驱动具有相差120°的三个排量装置的柱塞泵。
DCP提供体积流量以保证油轨正常的高压，同时也提供喷射器在发动机所所有工作条件下必需的燃油量和在DCP里的燃油压力。
油箱中的柴油完整的内置传输泵ITP(1)经燃油滤清器抽出。
燃油也被传送至润滑阀(6)和体积控制阀(2)。
平行位于燃油供应泵里的预压控制阀，当体积控制阀关闭时打开，使燃油再次到燃油泵的吸入端。
燃油经润滑阀(6)到泵里边，并从那到燃油回油管。
体积控制阀由发动机控制装置控制，计量输送到高压元件(3)的燃油量，同时到高压泵HPP。
高压共轨压电式喷油器核心驱动电路的研究
图 １ 压 电 晶体 驱 动 原 理
Ｃ
当喷油 过程 结 束 时 ， 压 电 晶体 开 始 放 电， Ｑ 打
开时 ， 压 电执行 器 通 过 Ｑ。 和 Ｌ 组 成 的放 电 回路 放 电， 放 电 电流逐 渐 增 大 ， 电感 中储 存 的 能 量 随 之 增 多， 当 电流 达 到 其设 定 的 阈值 时 ， 晶体 管 Ｑ 关 闭。 Ｑ 关 闭后 ， 电感 中反 向 电动势 通 过 Ｑ。的体 二 极 管
收 稿 日期 ：２ ０ １ ２ － １ ２ － １ ８ ；修 回 日期 ：２ ０ １ ３ — ０ ４ — １ ０
放 电电流逐 渐变小 。放 电电流方 向刚好 与充 电 电流
方 向相反 。
在压 电晶体 的整个 充 放 电过 程 中， 充放 电时 间 的长短 与充放 电 的平 均 电 流有 着 直 接关 系 ， 该 电流 是 由充放 电 晶体 管 打开时 的 回路 电流 和充放 电晶体
作 者 简 介 ：张 爱 云 （ １ ９ ７ ６ 一） ， 女， 高级工程师 ， 主要 研 究 方 向汽 车 电 子 技 术 开 发 ； ｚ ａ ｙ ＠ ｗｆ ｉ ｅ ｒ ｉ ． ｃ ｏ ｎ。 ｒ
转移 到充 电 电 源 ＨＶ 上 ， 实 现 了 能量 的 回收 ， 并 且
ｐ ｒ ｏ ｇ ｒ ａ ｍ ｗｉ ｔ ｈ ｉ ｎ ｔ ｅ ｇ ｒ ａ ｔ ｅ ｄ ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｉ ｔ ｅ ｍｐ ｈ ａ ｓ ｉ ｓ ） 仿 真 分 析 引入压 电 晶体 核 心 驱 动设 计 中 ， 既为 优 化设 计 提
器中。
逆压 电效 应制 成 的 。与 电磁 阀执 行 器 相 比 ， 压 电式
博世公司商用车新型增压式高压共轨喷射系统介绍
图1 最新型商用车用增压式高压共轨喷油系统图2 商用车共轨喷射系统的发展历程图3 发动机特性曲线场中的最佳喷油特性曲线不断完善的废气排放法规迫使柴油机制造商不断采取各种机内净化措施和废气后处理方法来降低柴油机的排放，各种废气后处理装置应运而生。
但是，柴油机的低排放与经济性是相互矛盾的，以往不断加严的排放限值已导致燃油耗的不断增加，而即使在采用机外净化措施的情况下，原始排放的高低对确定废气后处理部件的尺寸起着决定性的作用，直接影响到购置费用和运行成本，因此为了降低原始排放和燃油耗，并降低制造成本和运行费用，必须进一步采用机内净化措施来降低柴油机的原始排放和燃油耗，而其中燃油喷射系统依然起着至关重要的作用。
欧美各国随着未来排放法规US10/欧Ⅵ在重型商用车柴油机上的实施，采用高压共轨喷射系统替换目前还在许多场合使用的单体泵或泵喷油嘴系统的趋势将进一步加快，而废气再循环(EGR)在所有燃烧过程中的应用是其具有决定性意义的推动者，由此而产生的发动机对部分负荷时更高喷油压力的需求只能由带有蓄压器的喷射系统采用液力方式才能有效地实现。
开发重型商用车柴油机燃烧过程成功的关键在于把握好高负荷运转工况，为此博世公司开发了一种喷油规律曲线形状可变的增压式高压共轨喷射系统(图1)，其喷油器中除了控制喷油的电磁阀之外，还具有第2个电磁阀，它能激活集成在喷油器中的一个压力放大器,并通过优化电磁阀喷油嘴针阀控制时间的偏差，可使喷油开始时的喷油速率减半，从而限制氮氧化物的形成，使得柴油机制造商有可能在达到废气排放法规限值的同时进一步降低燃油耗。
博世公司的产品系列以高压共轨喷射系统(CRS)的两种变型来支持高负荷运转工况的燃烧过程设计。
其中，CRSN3.3高压共轨喷射系统提供了可选择的柔性多次喷射的自由度，它可用于采用高增压压力和高EGR 率的燃烧过程。
目前，喷油压力为2 200～2 500bar(1bar=105Pa)的高压共轨喷射系统产品等级(图2)可满足特殊柴油机的使用要求，而CRSN4.2增压式高压共轨喷射系统不但能以较低的共轨压力获得比一般共轨喷射系统高得多的喷油压力，而且除能进行多次预喷射和后喷射之外，还能提供可选择主喷射开始时喷油速率的柔性功能，即喷油规律(针阀升程和喷油压力)曲线形状可选择从矩形变化到斜坡形直至靴形，在宽广的发动机特性曲线范围内与柴油机的运转工况达到最佳的匹配，特别是能够降低对NOx 敏感的发动机特性曲线场范围内的氮氧化物的形成，其应用实例示于图3。
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第2期(总第138期) 现代车用动力 N o 2(ser i a lN o 138) 2010年5月 M ODERN VEH ICLE POW ER M ay 2010 do:i10.3969/.j issn.1671-5446.2010.02.006新型共轨压电喷油器驱动模块开发及应用*高崴1,2,寇伟2,宋国民2(1.上海交通大学计算机科学与工程系,上海 200030;2.中国一汽无锡油泵油嘴研究所,江苏无锡 214063)摘要:在自主研发的新型共轨压电式喷油器基础上,设计开发了驱动电路,对压电驱动的核心电路进行研究,最后进行相关喷油泵及发动机台架试验验证,结果表明该驱动模块在各种工况下驱动性能良好,从而为下一步压电式共轨系统应用奠定了基础。
关键词:喷油器;压电执行器;驱动;共轨系统中图分类号:TK423.83 文献标识码:A 文章编号:1671-5446(2010)02-0032-04D evelop m ent and Application of New P iezoelectric Injector for Co mm on Rail Syste mGAO W e i1,2,KOU W ei2,SONG Guo m i n2(1.D ept o f Computer Sc i ence&Eng i nee ri ng,Shangha i Ji aotong U n i versity,Shangha i 200030,Ch i na;2.FAW W ux i Fue l In j ection Equip m ent R esea rch Instit ute,W ux i 214063,Ch i na)Abstrac t:D r i v i ng c ircuit of piezoe l ectric ac t uator w as des i gned based on the study o f comm on rail sy stem w ith ne w i ndependent piezoe lectr i c syste m,and key c ircu its of p i ezoe lectr i c actuator we re stud i ed.F i nall y,some f ue l test bench and eng ine experi m ents w ere car ried out.It w as sho w ed by results tha t perfor m ance of dri v ing c i rcuit was good fo r various k i nds of conditions,the re f o re itw ill l ay a sol id foundati on f o r app licati on deve l op m en t of p i ezoe lectr i c co mmon ra il syste m.K ey word s:i n jector;piezoe l ec tric actuator;dr i v i ng;common ra il syste m引 言为满足不断提高的喷射压力及越来越苛刻的环保法规要求,须采用多次喷射控制策略,从而达到对燃烧过程进行优化的目的。
柴油机特别是在中低转速时,必须进行多次喷射,以达到降低发动机工作噪音及优化性能的目的。
对于多次喷射而言,执行器响应速度是关键,常规电磁式执行器由于受到原理限制,在响应提高到一定程度后要继续提高难度较大,压电式执行器正是顺应这种形势而产生,压电执行器作为快速响应执行器的一种,其优势越来越明显,基本代表着未来燃油喷射系统执行器的发展方向[1,2]。
1 压电晶体喷油器驱动设计第1代共轨系统喷油器基于电磁阀电磁力工作,最新共轨技术要求燃油系统进行多次喷射,以便进一步优化发动机燃烧过程,同时降低发动机噪音。
对多次喷射而言,需执行器具有快速响应能力,压电执行器利用压电材料的逆压电效应工作,即压电材料在施加电压后产生机械应力,压电式共轨系统正是利用这种原理进行工作的。
利用压电特性设计的喷油器优势明显,这是由于压电石英晶格的变形速度在100 s以内,所以,压电喷油器的开关响应速度比电磁阀更快,这样对于同样的燃油喷射量,只需更短的喷油持续时间;另一方面,由于采用压电晶体块取代了电磁线圈,在喷油器内整个喷射控制链的累积公差可进一步降低,从而提高了喷射的重复精度,进而可更精确地控制燃油喷射量[1,3]。
1.1 压电晶体喷油器驱动模块介绍压电晶体喷油器驱动开发的核心是驱动回路电压及电流的控制及开发,压电执行器驱动的原理如图1所示。
其中V DC为充电电压,T1为充电高端开关,T2为低端开关,C A代表喷油器执行器,I CA为驱*收稿日期:2009-12-13作者简介:高崴(1981-),男,江苏盐城人,硬件工程师,工程硕士,研究方向为汽车电控系统。
基金项目:江苏省基础研究计划(自然科学基金)资助项目,项目编号BK2008535。
动电流,U CA为驱动电压。
图1 压电执行器原理从图1可见,由于压电执行器本质上是容性负载,因此,在驱动过程中需高端及低端开关共同控制,以达到控制执行器电流的目的,驱动模块主要由高压产生(BOOST)电路、高压开放电路、高压泄放电路、高压反馈电压电路、电流维持电路等基本功能组成,驱动电路基本模块如图2所示。
图2 压电晶体驱动模块1.2 BOOST 电路在图2所示的压电晶体驱动模块中,其驱动核心部分是B OOST 电路及电流控制电路。
由于压电执行器变形量与电压呈正比,驱动执行器需要高压(120~200V ),因此,电路板设计中必须产生一个能灵活控制的电压源。
本方案利用专用脉冲宽度调制(P WM )控制芯片,该类芯片专为固定频率电流模式控制器离线和直流至直流变换器应用而设计,提供只需很少的外部元件就能获得成本效益较高的解决方案。
集成电路具有微调振荡器,能进行精确占空比控制、温度补偿参考、高增益误差放大等功能。
电流取样比较器和大电流图腾柱式输出等功能是驱动场效应晶体管(MOS )的理想器件,输出脚直接驱动MOS 栅极,在1nF 负载情况下,能提供高达 2.0A 的峰值驱动电流和典型值为50ns 的上升、下降时间,还附加了一个内部电路,使得任何时候只要欠压锁定有效,输出就进入驱动有效模式,从而可提供稳定的电压,内部参考电压在25 时的精度为1 0%,该比较电压的主要目的是给振荡定时电容提供充电电流,参考电压具有短路保护功能,并能向附加控制电路提供超过20mA 的驱动能力,芯片原理框图如图3所示。
图3 专用PWM 电流模式控制芯片结构图BOOST 电路利用P WM 控制芯片直接驱动MOS ,并利用MOS 的开关功能实现充电,P WM 驱动频率由专用的R T /C T 电路产生,电容C T 由内部的+5.0V 参考电压通过电阻R T 充电,该参考电压在系统正常复位后由内部电路产生,当电容C T 充至一定电压时(2.8V ),再由一个内部电路放电(1.2V ),电流控制型脉宽调制器产生频率固定而脉冲宽度可调的驱动信号,控制大功率晶体管的通断状态来调节输出电压,达到稳压目的。
锯齿波发生器提供恒定的时钟频率信号,利用误差放大器和电流测定比较器形成电压闭环,利用电流测定、电流测定比较器构成电流闭环,在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感电流的信号与误差放大器输出信号进行比较,从而调节驱动信号占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化,若某种原因使输出电压升高时,脉宽调制器就会改变驱动信号的脉冲宽度,亦即占空比,使斩波后的平均电压下降,达到稳压目的,反之亦然。
控制芯片上电后,系统内部自动产生+5.0V 的比较电压(上电复位需要专门的启动电路处理),通过MOS 的开关作用和感性元件进行能量转换,电容作为高压存储源,系统仅使用1只电容(试验表明可使用2只电容并联),P WM 频率通过电阻及电容进行调整,频率在10~1000k H z 之间连续可调,电容电压通过反馈输入端实现电压峰值控制,电流检测用于当电流超限时产生系统保护[4]。
1.3 电流控制电路压电晶体驱动模块主要是对电容特性的执行器进行电压充放电控制,并且要对电流进行控制,以保护执行器不受破坏,针对压电执行器特点及不同驱动要求,通常有如图4所示的3种驱动方式。
根据实际情况及技术实现的方便程度,系统试验采用第3种电流驱动方式进行驱动;其中高压充电信号与高压放电信号之间的时间差可调,即为驱动脉332010年第2期 高崴,等:新型共轨压电喷油器驱动模块开发及应用宽,该脉宽直接影响喷油量的大小,即喷射脉宽。
图4 压电执行器基本驱动方式由于喷油器利用高压驱动,驱动电路单独设计了高压开放电路用于是否需要加载高压,高压开放的同时进行喷油器驱动,并对驱动电流进行控制,否则容易击穿压电晶体执行器;喷油器驱动采用了高、低端开关控制,提高了系统驱动安全性,高压开放信号主要用于加载高压,即控制喷油器驱动时的峰值电流,驱动信号时序关系,可基本概括为充电、保持、放电3个阶段,控制信号逻辑关系如图5所示。
图5 压电晶体驱动控制信号由于压电晶体可等效为一个容性负载,通过对电容的充电,使其变形,达到驱动的目的。
当高压开放信号为高时高压电路产生的高压加到压电晶体高端;当选缸信号有效时相应地控制MOS 管导通,压电晶体低端被拉低,这时压电晶体两端产生压差,电容充电,压电晶体变形而驱动执行器。
驱动结束时,放电信号为低,相应MOS 管导通,压电晶体高端电荷通过MOS 管和并联在高、低端之间的电阻释放到地,负载两端压差消失。
压电晶体执行器为容性负载,电容两端电压不能突变,电容充放电时间只与电阻和电容值大小有关,与电源电压无关,该时间可表示为电阻、电容的乘积,即时间常数 。
=R !C =U I !Q U =I !TI=T 式中:R 为电阻;C 为电容;U 为电压;I 为电流;Q 为电量;T 为充电时间,在电容单次充电过程中,电路电压的变化规律如下。
V t =V 0+(V 1-V 0)!(1-exp (-t /R C ))(1)式中:V 0为电容上的初始电压值;V 1为电容最终可充到或放到的电压值;V t 为t 时刻电容上的电压值。
从式(1)可见,当V 0为0时,V 1为升压电压时电流非常大,只有采用P WM 方式分次充电才可达到控制电流的目的,控制信号时序关系如图6中的维持电流控制信号所示。
若每个有效脉冲对应的时间为t n ,则实时电压变化可表示为:V t =V n -1+(V n -V n -1)!(1-exp (-t n /RC ))此时电压V t 则由每个脉冲时间实时控制,通过调整P WM 占空比来改变t n ,即间断开放充电MOS 管,从而达到分次控制电流大小的目的。