1. 研究目的与意义（文献综述）

1 研究的背景

柴油机在工作过程中产生的有害气体 NOx和碳烟排放，是造成大气环境污染的主要原因之一，并且随着日趋严格的排放法规的制定，如何把节能减排技术良好地应用到船舶柴油机上成为了研究的重点。由于 NOx和碳烟的生成机理不同，导致两者之间的控制存在相悖关系（所谓trade-off 关系），即降低碳烟的方法往往会引起 NOx的上升，同时，NOx与油耗之间也存在这种相悖关系，这是通过燃烧改善来降低柴油机排放的难点所在。共轨式电控燃油喷量电磁阀的工作过程，实现喷油规律的柔性调节，如包含预喷、后喷的多次喷射，以及靴型喷射等，抑制预混燃烧以降低 NOx 排放，促进扩散燃烧以降低碳烟排放技术为解决这一技术难题提供了可能。

根据高压共轨喷射系统的发展趋势，喷射系统要能够进行预喷、后喷的多次喷射，以及靴型喷射等喷射方式。为了实现对喷射系统更加柔性地控制，那么就需要设计出更加精确的喷射系统，其中喷射电磁阀作为系统中必不可少的组件，对于其驱动电路的设计和控制软件的开发极为重要。对于船用柴油机来说，喷射系统中所采用的一般是高速大流量电磁阀，如何使得电磁阀快速响应，即电磁阀必须能够快速通断，那么就需要设计出合理的驱动电路和控制软件。

2 电磁阀驱动电路与控制软件的发展

2.1 电磁阀驱动电路的发展

2.1.1 电磁阀驱动电路基本形式

在柴油机电控燃油喷射系统中，有3种控制与驱动方案。这三种控制与驱动方案按照调节电磁阀电磁线圈内电流方式的不同，可以分为可调电阻式控制驱动电路、双电压式控制驱动电路、脉宽调制式控制驱动电路，见图1：

图1 电磁阀驱动电路

（a）可调电阻式控制驱动电路

电路设计思路简单，易于实现。通过改变电磁阀关闭的整个过程中不同阶段的电路回路中的电阻值，来达到改变维持电流大小的目的。维持电流的大小可通过改变电阻值的大小方便地进行调节。但是，此电路在电流维持阶段的功率，很大一部分是由功率电阻消耗的，耗能较大。而且受到功率电阻额定功率与尺寸的限制，在电路板上布置不便，不符合高集成度的要求。

（b）双电压式控制驱动电路

控制驰动电路通过改变电磁阀工作过程中不同阶段的工作电压，达到提供较小维持电流、减少能量消耗的目的。这种电路的设计思路简单明了。因为需要提供两种不同的功率电压，受到储能电池形式的限制，需要进行DC一DC变换，实现起来比较困难，增加了整个电路的复杂性，而且易受电池电压波动的影响，工作的可靠性很难得到保证。

（c）脉宽调制式控制驱动电路

此种控制驱动电路，可以充分发挥单片机的PWM功能，对驱动电路进行控制。在电流维持阶段，可以通过调节高频PWM波的占空比来方便地对电流大小进行调节。如果与电流反馈功能结合起来，可以减少由于电池电压波动对阀工作特性造成的影响，进而达到较高的控制精度。此种电路的缺点是在软件编程上稍显复杂，当然在控制精度要求甚高的今天，已经不是问题。不过最高驱动电压受到电池电压的限制，需要进行进一步优化设计。

2.1.2 电磁阀驱动电路的改进形式

当前的电磁阀驱动电路绝大多是都是在脉宽调制式控制驱动电路的基础上进行改进优化的，有以下几种改进形式：

（1）电磁阀集成式升压驱动电路

该驱动电路以电磁阀线圈作为DC/DC电路电感，将DC/DC升压电路集成到驱动电路中。通过逻辑控制，使集成后的驱动电路在以Peakamp; Hold驱动方式完成电磁阀驱动后能转变为DC/DC升压电路并向高压电源充电，从而不再需要专用的DC/DC升压电路，降低了电路的复杂程度。驱动电路原理如图2所示：

图2 集成式升压驱动电路

（2）双高压源驱动电路

驱动电压对电磁阀的响应特性有着重要的决定作用，电压越高，产生的驱动电流就越大，可以大幅度提高电磁阀的动态响应，缩短电磁阀开启时间。该电路设置了两个储能电容，这两个电容交替切换为电磁阀供电，通过电压检测元件和控制芯片，电路自动选择需充电电容和放电电容，消除由于电容充电而产生的延时。还可以通过芯片和软件控制电容的电压，达到对电磁阀的软控制，即在开启的瞬间提供特高压，维持阶段提供较低电压，不仅可以迅速开启阀门，而且可以降低能耗和发热。原理见图3：

图3 双高压源驱动电路

（3）智能驱动电路

为克服传统电磁阀驱动电路的缺点,对电磁阀驱动模块进行重新设计,其逻辑结构如图4所示：

图4 智能驱动电路

该设计方案采用双电压系统驱动,其中低电压由蓄电池直接提供,高电压通过DC-DC升压变换得到,高低电压之间采用二极管隔离。采用定时器1与双阶段恒流控制器相配合实现对高低电压的控制。控制脉冲触发定时器1产生信号A_H控制高电压的通断,同时触发双阶段恒流控制器产生信号A_L控制低电压通断。

与传统的电磁阀驱动模块相比,该模块具有一些显著的优点:采用双阶段电流维持控制,在提高电磁阀响应时间的同时避免了峰值电流的产生,降低了系统功耗;采用双电压驱动方案,高电压仅工作于电流初始强激阶段,维持阶段的电流完全通过低电压产生,保证了高电压有足够的恢复时间,有利于多次喷射;电压及电流的控制完全通过硬件完成,减少了软件参与度,也大大提高了系统可移植性。

（4）带隔离电源驱动电路

带隔离电源驱动电路在电源和驱动方式上作了改进，通过采用新的隔离电源方案能有效减少干扰，提高供电质量; 采用 PWM 驱动方式能减少功率损耗，实现精确控制。隔离电源电路图如图5所示：

图5 隔离电源电路图

为了实现分段电流启动方式，充分发挥微处理器的 PWM功能对电路进行控制，并且与电流反馈功能结合起来，从而实现对电路中的电流进行精确调节。当电路开始工作时，由 ECU产生一窄脉冲，该脉冲为电磁阀打开初期的开启脉冲。电磁阀经开启脉冲打开后，驱动电路转化为 PWM 运行方式，线圈上的电流也随之降低到维持电流，该电流的大小可以通过反馈电路进入 ECU，并且由 ECU 通过调节 PWM 占空比来控制其大小。电磁阀上需施加的为大电压和电流，由 BTS5215L 驱动电路进行功率放大。D1、Ｒ1构成电感电流泄放电路; Ｒ3、Ｒ4构成分压反馈电路，便于观察线圈中的波形，将电磁阀的信息反馈给ECU; Ｒ5、D2构成电压保护，防止进入 ECU 的电压过高或者过低。驱动电路原理图如图6所示：

图6 电磁阀驱动电路原理图

2.2 电磁阀驱动电路控制软件

高速电磁阀驱动时序模块中重点为时间控制和电流控制。时间控制可以通过单片机中的定时中断功能、倒数计数功能中断完成。电流控制方法有两种，电流波形特征点采样控制、实时电流采样控制。可以结合单片机普通I/O口、单片机AD转换器、PWM功能完成。

电流波形特征点采样控制方法简单，只需要使用一个倒数计数中断即可实现控制时序。但是使用该方法驱动热损耗较大。热损耗的原因在于在高压开启阶段和低压维持阶段使用波形进行电流闭环控制，其中工作频率是中一个重要参数，驱动控制频率越高，控制电流值越稳定，电流波动区间越小，但是驱动频率高会加大的开关损耗。

实时电流采样控制方法相对较为复杂，需要倒数计数中断和中断同时工作才能实现计时功能。但是使用该方法在电流超过限制值或者计时时间到时才开启或者关断，动作频率大为降低，减少了的开关损耗。

相比较可知实时电流采样控制方法优于电流波形特征点采样控制方法，但是控制程序较为复杂。

3 研究的目的和意义

当今的电磁阀驱动电路形式和控制方式多种多样，基本上包括升压模块和驱动模块，采用的都是DC—DC升压电路，通过控制pwm输出脉冲的占空比来控制电磁阀的响应，从而控制喷油过程。随着微处理芯片和集成电路的发展，驱动电路和升压电路更加趋向于集成化和模块化，控制的精度也不断地提高。但是很多电路的设计都是注重于提高电磁阀的开启过程，即提高开启时的响应，而对于关闭时的动态响应很少涉及到，因此在如何提高电磁阀关闭响应特性方面需要进一步研究和优化驱动电路。

极快速的电磁阀开启和关闭的动态响应能够满足各种喷射方式，如预喷射、多次喷射、点喷射等。通过电磁阀来控制喷射的工程，进而间接控制发动机的燃烧，从而提高发动的动力性能、经济性以及降低污染物的排放。

2. 研究的基本内容与方案

2.1研究的基本内容

1. 研究喷射要求与电磁阀响应之间的关系

2. 研究高压升压电路和高压驱动电路的特征

3. 针对高速大流量电磁阀设计驱动电路和控制软件，需要满足电磁阀的快速通断功能，驱动电路和电磁阀的热耗散小。

   剩余内容已隐藏，您需要先支付后才能查看该篇文章全部内容！

   3. 研究计划与安排

   第1周：资料收集和文献检索

   高压共轨电控喷射系统、电磁阀驱动电路、柴油机喷射控制策略

   第2周：初次编写文献综述和翻译英文资料

   剩余内容已隐藏，您需要先支付后才能查看该篇文章全部内容！

   4. 参考文献（12篇以上）

   1. h.p. wang,d. zheng,y. tian. high pressure common rail injection system modeling and control[j]. isa transactions，2016，（63）:256–273.

   2. vitor pinheiro ferreira.acbal rucas andrade achy.iuri muniz pepe.ednildo andrade torres. a new electronic ethanol injection management systemfor diesel engines[j].control autom electr- syst ，2014，（25）:566–575.

   3. paolo lino.guido maione. accurate dynamic modeling of an electronically controlled cng injection system[j/ol].ifac-papersonline，2016，（49–11）：490–496.

      剩余内容已隐藏，您需要先支付 10元 才能查看该篇文章全部内容！立即支付