2 2 2 2 第 1 期 (总第 180 期) 2009 年 2 月 ·设计计算 · 车 　用 　发 　动 　机 V EH ICL E EN GIN E No. 1 (Serial No. 180) Feb. 2009 电控喷油器电磁阀驱动电路的改进设计及试验研究 刘振明 , 李 　珩 , 欧阳光耀 (海军工程大学船舶与动力学院 , 湖北 武汉 　430033) 　　摘要 : 分析了已有两种电磁阀驱动电路的特点 ,在对现有共轨系统驱动电路进行研究的基础上 ,改进设计了一 种新的驱动电路 。试验结果表明 ,改进设计的驱动电路具有结构简单 、动态响应好 、系统功耗低等特点 ,可以满足 多次喷射的要求 。 　　关键词 : 柴油机 ; 喷油器 ; 电磁阀 ; 驱动电路 ; 共轨 中图分类号 : T K423 8 　　文献标志码 : B 　　文章编号 : 1001 2222 (2009) 01 0001 03 　　电控共轨式燃油喷射系统通过对喷油量 、喷油 正时和喷油速率的精确控制 ,实现柴油机排放性能 与动力性能和经济性能的最佳匹配 ,是现代柴油机 燃油系统的发展方向[ 1 ] 。为了满足日益严格的排放 法规 ,燃油喷射系统还必须能够灵活精确地实现预 喷射 、主喷射 、后喷射甚至更多次的喷射 ,这就对电 磁阀驱动电路的设计提出了更高的要求 。在共轨系 统中 ,为了实现这一目标 ,除了电磁阀和喷油器本身 精密的制作工艺外 ,还需要一个高效的驱动电路 。 本研究首先分析了两种已有的电磁阀驱动电 路 ,然后改进设计了一种新的电磁阀驱动电路 ,并进 行了试验验证和结果分析 。 1 　已有驱动电路分析 图 1 示出 1 种现有的共轨喷油器电磁阀驱动电 路 。该驱动电路只有 1 个驱动电源 Vcc1 ,每个喷油 器电磁阀线圈上的电流通断由 1 个功率 MOSF ET 控制 ,通过 PWM 信号限制保持电流的大小 。该驱 动电路优点是结构简单 ,6 路驱动信号之间共地 ,只 需用 1 路 MOSF E T 开关管驱动电源 ; 缺点是每通 道的功率 MOSF E T 在开关过程中都要受到电流冲 击 ,因此都需要配置 RCD 吸收电路 ,并且喷油器电 磁阀的驱动电流作用时间的调整精度受降压 PWM 信号频率的影响 。 图 2 示出双电源驱动电路 。高电压 Vcc H 在电 磁阀电流到达峰值调制电流 (电磁阀起始运动电流) 前有效 ,采用高电压驱动可加快电磁阀响应速度 ;低 电压 VccL 在电磁阀闭合后有效 ,分别按照峰值电 流和喷射过程的维持电流进行 PWM 调制 ,通过电 流控制降低系统功耗 。该驱动电路优点是驱动电流 稳定 、开关器件损耗小 、电流电压冲击小 、驱动脉宽 调节不受 PWM 信号频率的影响[ 2 ] ;缺点是使用了 两路功率电源 ,增加了 1 个开关管 ,增加了系统的复 杂性 。 图 1 　单电源电磁阀驱动电路 图 2 　双电源电磁阀驱动电路 11 12 　　收稿日期 : 2008 16 　　基金项目 : 国家“十一五”计划项目 (401010301) 　　作者简介 : 刘振明 (1978 —) ,男 ,博士 ,主要研究方向为动力机械建模仿真与优化 ;liuzhenming2008 @sina. com。 13 ; 修回日期 : 2008 

·2·　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　车 　用 　发 　动 　机 　　　　　　　　　　　　　　　　2009 年第 1 期 2 　驱动电路改进设计 结合图 1 和图 2 示出的两种驱动电路 ,改进设 计了一种单电源双开关驱动电路[ 3 ] (见图 3) 。图 4 示出单电源双开关驱动电路控制信号 。 和输出信号之间的电气隔离 ,驱动电压波形见图 6 。 图 5 　MOSFET 开关管驱动电路 图 3 　单电源双开关驱动电路 图 4 　单电源双开关驱动电路控制信号 　　在单电源双开关驱动电路中 ,低位开关控制信 号和高位开关控制信号之间存在时间差 ,低位开关 MOSFE T 比高位开关 MOSF E T 导通时刻早 ,截止 时刻晚 ,可实现低位开关 MOSF ET 的“软开关”。 当低位开关 MOSF ET 导通时 ,高位开关 MOSF ET 处于截止状态 ,所以低位开关 MOSF E T 导通时电 流为 0 ; 低 位 开 关 MOSF ET 截 止 时 , 高 位 开 关 MOSFE T 已经处于截止状态 ,所以低位开关 MOS F ET 截止时电压为 0 。这样就可以省去低位开关 MOSFE T 的吸收电路 ,大大降低了电路的复杂程 度 ,提高了可靠性 。 2 1 　功率 MOSFET 隔离驱动电路设计 功率 MOSF ET 的 驱动 电压为 15 V , 为提 高 MOSFE T 的开关速度 , MOSF E T 的栅极需要驱动 电压和较大的驱动电流以建立栅极电压 。EDA 的 输出电压为 3. 3 V ,最大驱动电流为 20 mA ,无法直 接驱动 MOSF E T ;并且 EDA 电路必须与功率驱动 电路 之 间 进 行 隔 离[ 4 ] , 所 以 本 研 究 设 计 了 功 率 MOSFE T 隔离驱动电路 (见图 5) 。 驱动电路采用 MOSF E T 开关管隔离驱动芯片 TL P250 ,该芯片内嵌光电隔离器 ,能保证输入信号 图 6 　MOSFET 驱动电路输入输出电压波形 2 2 　限流蓄能参数的确定 该驱动电路添加了由 R1 和 C1 组成的限流蓄 能电路 。当喷油器无动作时 ,电源通过 R1 给 C1 充 电 ,当喷油器电磁阀 驱动信 号 inj _ ct rl 驱 动功 率 MOSF ET 导通时 ,存储于电容 C1 内的能量释放出 来 ,使流过喷油器电磁阀线圈上的电流迅速由 0 A 上升到接近 20 A ,同时 R1 限制了电源电流的突变 , 将电源提供的电流限制在较小的范围内 ;当电磁阀 驱动信号 inj _ ct rl 为低电平时 , 功率 MOSF E T 截 止 ,电源又通过 R1 给 C1 充电 ,为下一次驱动作准 备 。因此 , R1 和 C1 对驱动电路的性能有很大的影 响[ 3 ] 。本 研 究 使 用专业电路仿真 软件 Mult sim 建 立了电路模型 (见 图 7) 。对 R1 和 C1 进 行 仿 真 , 仿 真 结 果 见 图 8 。 经 过 计 算 R1 上 消耗的能量和电 压降 , 并 考 虑 C1 的 体 积 , 选 择 R1 = 5 Ω , C1 = 1 500μF 。 图 7 　仿真电路 

2 2 2 2 2 2 ·3· 2009 年 2 月 　　　　　　　　刘振明 , 等 : 电控喷油器电磁阀驱动电路的改进设计及试验研究 　　　　　　　　　　 　　 　　进行预喷脉冲控制后 ,设置喷油器的预喷脉冲 宽度为 0. 57 ms ,预喷脉冲与主喷脉冲之间间隔时 间为 0. 82 ms ,主喷射脉冲宽度为 1. 07 ms ,控制脉 冲 、电磁阀驱动电流 、长管法测得的喷油规律波形见 图 10 。根据试验波形 ,带预喷的供油延时与不带预 喷的供油延时基本一致 ,可以满足多次喷射要求 。 图 8 　仿真的电源电流波形图 3 　试验 针对自行研制的喷油器和电磁阀 ,进行了驱动电 路的性能试验。驱动电压为 130 V ,电磁阀线圈内阻为 2. 7 Ω,电感为 4. 7 mH ,最小开启电流为15 A ,最小保 持电流为 4 A。未采取预喷控制时 ,设置喷油脉宽为 1. 83 ms , 轨 腔 压 力 为 150 MPa , 单 循 环 供 油 量 为 183 mm3 。控制脉冲、电磁阀驱动电流、长管法测得的 喷油规律波形见图 9。由图 9 中喷油器驱动电流的波 形可知 ,喷油器驱动电路工作正常 ,开启电流和保持电 流波形符合设计要求 ,经测量 ,电流关断时间为0. 12 ms , 基本满足控制要求。多次测量后比较发现 ,在驱动电压、 共轨腔压力不变的情况下 ,系统启喷延迟稳定在 1. 38 ms ,说明驱动电路与喷油器之间匹配良好。 图 9 　无预喷时喷油器响应试验 图 10 　有预喷时喷油器响应试验 4 　结束语 设计的单电源双开关驱动电路省去低位开关 MOSF ET 的吸收电路 ,大大降低了电路的复杂程 度 ,提高了可靠性 ;电磁阀闭合过程的电流峰值限制 到 30 A 以下 ,系统功耗大大降低 ;该电磁阀驱动电 路响应满足包括预喷射 、后喷射在内的复杂喷射要 求 ,为共轨系统的进一步开发奠定了基础 。 参考文献 : [1 ] 　邹开凤 ,李育学. 共轨喷油器高速电磁阀的材料选择研 究[J ]. 武汉理工大学学报 (交通科学与工程版) ,2005 , 29 (5) :721 723. [2 ] 　张 　奇 ,张科勋. 电控柴油机电磁阀驱动电路优化设计 [J ]. 内燃机工程 ,2005 ,26 (2) :1 4. [ 3 ] 　李 　珩. 高压共轨系统控制器设计研究 [ D ]. 武汉 :海 军工程大学 ,2005. [ 4 ] 　John D Mooney. Drive circuit modeling and analysis of electronically controlled f uel injectors for diesel engines [J ]. SA E ,2003 ,20 (2) :371 382. Improved Design and Experimental Study on Solenoid Valve Drive Circuit for Electronically Controlled Injector L IU Zhen ming , L I Heng , OU YAN G Guang yao (College of Naval Architecture & Power Engineering , Naval University of Engineering , Wuhan 　430033 , China) Abstract : Two kinds of existed solenoid valve drive circuit were analyzed. Based on the research of existed common rail sys tem drive circuit , an imp roved drive circuit was designed. The experiment results show that the imp roved drive circuit has sim ple structure , good dynamic response and low system power and can satisfy the multi Key words : diesel engine ; injector ; solenoid valve ; drive circuit ; common rail injection. [编辑 : 袁晓燕 ]