CN103711629A - 汽油机喷油器模拟控制通讯电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及汽油机喷油器模拟控制通讯电路。本发明目的在于提供一个上位机与ECU之间进行通讯的汽油机喷油器模拟控制通讯电路。通讯电路，包括：ECU，与ECU的引脚7相连的+5V电源，电平转换芯片，电容C1，电容C2，电容C3，电容C4，电容C5，+5V电源，与电平转换芯片的引脚16连接。本发明相对于现有技术的优点在于：可以确保PC机与ECU之间通讯稳定、可靠，进而实现喷油器控制参数的任意可调，确保模拟控制的全工况。

Description

汽油机喷油器模拟控制通讯电路

技术领域：

本发明涉及汽油发动机燃料喷射装置，进一步涉及汽油机喷油器模拟控制通讯电路。

背景技术：

喷油器是按规定的喷油时刻、喷油规律及喷油量将燃油在一定温度和压力下喷入燃烧室的装置，其工作性能的优劣直接影响到燃油的雾化燃烧情况，进而影响发动机包括排放性、动力性、经济性在内的多种性能指标。在GDI发动机的实际应用中发现，喷油器的工作性能会随着时间延长而恶化，需要对单个喷油器进行工作性能和雾化特性的研究。因此，开发一套简单高效、控制精确的喷雾实验用的喷油器控制系统必不可少。

电控喷油器的核心部件是电磁阀，对喷油器的控制实际上就是通过控制喷油器内部的电磁阀来实现。喷油器通电瞬间，其内部的电磁线圈有电流通过，在电磁感应的作用下产生磁场，喷油器内部衔铁受到磁场力的作用。当衔铁受到的磁场力大于预紧弹簧的预紧力时，就会带动针阀上移，此时喷油嘴打开将燃油喷出；当喷油器断电后，针阀失去电磁力的作用，或者喷油器内部电磁线圈通过的电流减小到产生的磁场力不足以克服预紧弹簧的预紧力时，针阀在预紧力的作用下下移，喷油嘴关闭，喷油停止。

喷油器工作过程中电磁阀高速开闭，为满足其动态响应特性，理想的喷油器驱动电路采用Peak＆Hold驱动方式。Peak＆Hold驱动方式可以通过不同的驱动电路来实现。图1所示为Peak＆Hold驱动方式的驱动电流随时间变化的示意图，由图可见，喷油器工作过程可分为三个阶段，依次为：开启阶段、保持阶段、关闭阶段。

开启阶段：采用较高的驱动电压使电磁线圈有较大的电流通过，从而产生较大的电磁力保证电磁阀快速开启。

保持阶段：当喷油器电磁阀完全打开后，磁路气隙减小，磁阻降低，较小的电流就可以维持打开状态，过高的电流会导致发热并烧毁喷油器。因此，需要将驱动电压降低，以减小驱动电流。在保持阶段应尽量保证电流平稳，电流的较大波动可能会使电磁阀关闭。

关闭阶段：此阶段应该迅速释放电磁线圈内的电势能，从而将电磁线圈内电流降为0，使得电磁阀快速关闭，达到精确控制喷油器的目的。

值得注意的是，在开启阶段向保持阶段过渡中，电流变化应尽量缓慢，否则有可能关闭电磁阀；在关闭阶段，电磁线圈内电流下降越快越好，以保证电磁阀迅速关闭，提高喷油器控制精度。

喷油器开启和关闭时间与喷油器本身设计和驱动原理密切相关，因喷油器类型不同而不同，大致在0.5～1.5ms之间。

对喷油器进行模拟控制时，需要人为地给定运行参数，因此，需要外部的上位机和ECU之间进行通讯，通过通讯，可以将上位机控制界面的信息传递给ECU，再由ECU发出指令控制喷油器的状态。汽油机喷油器模拟控制通讯电路就变得非常重要。

发明内容：

本发明目的在于提供一个上位机与ECU之间进行通讯的汽油机喷油器模拟控制通讯电路。

汽油机喷油器模拟控制通讯电路，包括：

ECU，其引脚8接地，其引脚5、引脚12发出信号控制喷油器的驱动电压和驱动电流；

与ECU的引脚7相连的+5V电源，

电平转换芯片，其引脚7、引脚8通过9针串口与电脑连接，引脚15接地，引脚9与ECU的RXD端口连接，引脚10与ECU的TXD端口连接；

电容C1，两端分别连接电平转换芯片的引脚1和引脚3；

电容C2，两端分别连接电平转换芯片的引脚2和引脚16；

电容C3，两端分别连接电平转换芯片的引脚15和引脚16；

电容C4，两端分别连接电平转换芯片的引脚4和引脚5；

电容C5，两端分别连接电平转换芯片的引脚6和引脚15；

+5V电源，与电平转换芯片的引脚16连接。

作为优选方案，所述ECU的引脚13连接高速摄像机。

作为进一步优选方案，所述电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5的容量为10uF。

ECU的控制程序在ICC AVR（Instruction Code Compiler AVR，AVR单片机指令编码器）软件里面编写，并利用双龙下载软件下载到ECU内部。ECU采用半双工方式UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发传输器）通信实现信息的发送与接收。

系统控制界面利用VB6.0软件编写，其中串口通信采用MSComm控件的事件驱动方式实现。当串口发生事件时，该控件会产生OnComm事件，程序可以捕捉该事件并进行处理。

整个控制电路板利用Altium Designer软件绘制，包括原理图的绘制和PCB（Printed Circuit Board，印刷电路板）电路板的制作，其中电子元器件的布局和布线对于整块电路板的工作性能有很大影响。

本发明相对于现有技术的优点在于：可以确保PC机与ECU之间通讯稳定、可靠，进而实现喷油器控制参数的任意可调，确保模拟控制的全工况。

附图说明：

图1代表喷油器驱动方式示意图；图中，横坐标代表时间，从左至右依次是开启阶段、保持阶段、关闭阶段；纵坐标代表喷油器驱动电流。

图2代表实施例整体结构示意图；图中，1001代表通讯电路，101代表PC机，102代表电平转换电路，103代表ECU，104代表升压电路，105代表喷油器驱动电路，106代表喷油器，107代表高速摄像机。

图3代表实施例中通讯电路结构图；图中，101代表PC机，102代表电平转换电路，103代表ECU；电平转换电路的引脚1对应C1+引脚，引脚2对应V+引脚，引脚3对应C1-引脚，引脚4对应C2+引脚，引脚5对应C2-引脚，引脚6对应V-引脚，引脚7对应T2OUT引脚，引脚8对应R2IN引脚，引脚9对应R2OUT引脚，引脚10对应T2IN引脚，引脚15对应GND引脚，引脚16对应Vcc引脚；ECU的引脚2对应RXD引脚，ECU的引脚3对应TXD引脚，ECU的引脚7对应Vcc引脚，ECU的引脚8对应GND引脚，ECU的引脚5对应信号1引脚，ECU的引脚12对应信号2引脚，ECU的引脚13对应信号3引脚。

图4代表实施例中升压电路结构图；图中，108代表TL3843芯片；TL3843芯片的引脚1对应COMP引脚，引脚2对应VFB引脚，引脚3对应ISENSE引脚，引脚4对应RT/CT引脚，引脚5对应GND引脚，引脚6对应OUTPUT引脚，引脚7对应Vcc引脚，引脚8对应REF引脚。

图5代表实施例中汽油机喷油器驱动电路；图中，106代表喷油器，107代表高速摄像机，601代表第一光电耦合器，602代表第二光电耦合器，701代表IR2101型驱动芯片；IR2101型驱动芯片的引脚1对应Vcc引脚，引脚2对应HIN引脚，引脚4对应COM引脚，引脚6对应VS引脚，引脚7对应HO引脚，引脚8对应VB引脚。

图6代表实施例中喷油器驱动电压随时间变化规律；横坐标代表时间，单位为毫秒；纵坐标代表喷油器驱动电压，单位为伏特。

图7代表实施例中喷油器驱动电流随时间变化规律；横坐标代表时间，单位为毫秒；纵坐标代表喷油器驱动电流电压，单位为安培。

图8代表实施例中升压电路输出端电压随时间的变化规律；横坐标代表时间，单位为毫秒；纵坐标代表升压电路输出端电压，单位为伏特。

图9代表实施例中升压电路在单次喷油中输出端电压随时间的变化规律；横坐标代表时间，单位为毫秒；纵坐标代表升压电路输出端电压，单位为伏特。

图10代表实施例中升压电路输出端电压随电阻值的变化规律；横坐标代表时间，单位为毫秒；纵坐标代表升压电路输出端电压，单位为伏特。

具体实施方式：

实施例：

如图2所示，发动机喷油器模拟控制系统，包括：PC机101，与PC机串接的电平转换电路102，将PC机RS232串行通信的电平信号转化为单片机的TTL电平信号；与电平转换芯片串接的ECU电子控制单元103；与ECU电子控制单元串接的喷油器驱动电路105，分别与驱动电路连接的升压电路104、喷油器106；与ECU电子控制单元串接的高速摄像机107。

如图5所示，所述汽油机喷油器驱动电路105包括：IR2101型驱动芯片，所述IR2101型驱动芯片引脚1与+12V电源连接、引脚2与第一光电耦合的器引脚4连接，引脚4接地；

第一光电耦合器，其引脚2接地；

第二光电耦合器，其引脚2接地；

第二场效应管，采用IFR640，第二场效应管的DQ2端与高电压输入端连接、SQ2端与IR2101型驱动芯片的引脚6连接；

第三场效应管，采用IFR640，第三场效应管的SQ3端接地；

二极管D2，其两端分别与IR2101型驱动芯片引脚8和+12V电源连接；

二极管D3；

第一肖特基二极管M1，其引脚1接地，引脚2与二极管D3正极连接，引脚3与+12V电源连接；

第二肖特基二极管M2，其引脚1与第二场效应管的SQ2端连接、引脚2与二极管D3正极连接、引脚3与第二场效应管的SQ2端连接；

电阻R9，两端分别与ECU的引脚5和第一光电耦合器的引脚1连接；

电阻R10，两端分别与ECU的引脚12和第二光电耦合器的引脚1连接；

电阻R11，两端分别与第一光电耦合器的引脚5和+12V电源连接；

电阻R12，一端与第一光电耦合器的引脚4连接，另一端接地；

电阻R13，两端分别与第二光电耦合器的引脚5和+12V电源连接；

电阻R14，两端分别与第一光电耦合器的引脚4和第三场效应管的GQ3端连接；

电阻R15，一端与第二光电耦合器的引脚4连接，另一端接地；

电阻R16，两端分别与IR2101型驱动芯片引脚7和第二场效应管的GQ2端连接；

电阻R17，两端分别与第三场效应管的DQ3端和二极管D3的负极连接；

电容C12，一端与+12V电源连接，另一端接地；

电容C13，两端分别与IR2101型驱动芯片引脚8和第二场效应管的SQ2端连接；

电容C14，两端分别与第二场效应管的SQ2端和高电压输入端连接；

所述喷油器的接线端分别与第一肖特基二极管M1的引脚2和第三场效应管的DQ3端连接。

上述汽油机喷油器驱动电路电容C12的容量为10uF，电容C13的容量为10uF，电容C14的容量为470uF，电阻R9的阻值为150欧，电阻R10的阻值为150欧，电阻R10的阻值为150欧，电阻R11的阻值为5千欧，电阻R12的阻值为10千欧，电阻R13的阻值为5千欧，电阻R13的阻值为10千欧，电阻R15的阻值为150欧，电阻R16的阻值为150欧，电阻R17的阻值为1千欧。

如图4所示，所述升压电路包括：

TL3843芯片，TL3843芯片的引脚5接地，TL3843芯片的引脚7与+12V电源连接；

第一场效应管，采用IFR640；

在TL3843芯片引脚1和引脚2之间并联连接的电阻R7、电容C10；

电阻R6，一端与TL3843芯片引脚2相连，另一端接地；

电阻R5，一端与TL3843芯片的引脚3连接，另一端连接第一场效应管的SQ1端连接；

电容C9，一端与TL3843芯片的引脚3连接，另一端接地；

电容C8，一端与TL3843芯片的引脚4连接，另一端接地；

电阻R4，一端与TL3843芯片的引脚4连接，和引脚8连接；

电阻R1，一端接地，另一端与第一场效应管的GQ1端连接；

电阻R2，一端与TL3843芯片的引脚6连接，另一端与第一场效应管的GQ1端连接；

电容C6，两端分别与TL3843芯片的引脚5和引脚7连接；

电容C7，一端与TL3843芯片的引脚8连接，另一端接地；

电阻R3，一端与第一场效应管的SQ1端连接，另一端接地；

电感L，两端分别与+12V电源和第一场效应管的DQ1端连接；

二极管D1，两端分别与第一场效应管的DQ1端和高电压输出端连接；

电容C11，一端接地，另一端与高电压输出端连接；

可变电阻R8，两端分别与高电压输出端和TL3843芯片的引脚2连接。

上述升压电路电感L的数值为300uH，电容C6的容量为10uF，电容C7的容量为0.01uF，电容C8的容量为3300pF，电容C9的容量为3300pF，电容C10的容量为0.01uF，电容C11的容量为470uF，电阻R1的阻值为10千欧，电阻R2的阻值为100欧，电阻R3的阻值为0.25欧，电阻R4的阻值为10千欧，电阻R5的阻值为100欧，电阻R6的阻值为10千欧，电阻R7的阻值为150千欧。

如图3所示，所述电平转换芯片采用MAX232芯片，ECU采用ATMEGA8芯片，电平转换电路的引脚7、引脚8通过9针串口与电脑连接，引脚15接地，引脚9与ECU的RXD端口连接，引脚10与ECU的TXD端口连接；

电容C1，两端分别连接电平转换芯片的引脚1和引脚3；

电容C2，两端分别连接电平转换芯片的引脚2和引脚16；

电容C3，两端分别连接电平转换芯片的引脚15和引脚16；

电容C4，两端分别连接电平转换芯片的引脚4和引脚5；

电容C5，两端分别连接电平转换芯片的引脚6和引脚15；

+5V电源，与电平转换芯片的引脚16连接。

上述述电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5的容量为10uF。

工作过程如下：

用9针串口线连接电路板和电脑，接通电路板和高速摄像机之间的触发信号线，打开电脑上用VB编写的控制界面并针对不同喷油器按照要求调节电控参数，给电路板上+12V和+5V电源接线端子分别接通+12V和+5V电源。

电路板接通+12V电源后升压电路开始工作，将+12V的直流电源电压升高到喷油器开启阶段所需要的电压值。TL3843芯片输出PWM波来快速开闭第一场效应管，其频率由电阻R4和C8决定。当第一场效应管导通时，+12V电源电流经过电感L、第一场效应管和电阻R3回到地；当第一场效应管不导通时，此路断开；在断开的瞬间，电感L产生高电压的感应电动势，经过二极管D1给电容C11充电；电容C11电压由可变电阻R8阻值决定，通过调节可变电阻R8可以获得所需的高电压，当电容C11中电压达到要求值时，通过反馈，TL3843芯片停止PWM波输出，充电结束；当电容C11中电压低于要求值时，TL3843芯片输出PWM波继续给电容C11充电，如此反复，达到升压的目的。

以单次喷射为例，介绍喷油器驱动电路的工作过程。当设置好VB编写的控制界面的电控参数之后，点击“开始”按钮，VB程序电脑通过9针串口将控制参数信号发出，之后通过电压转换芯片将电脑上RS232电平转换为电路板上ECU的TTL电平，将控制信号发送给ECU；ECU接收到信号之后，经过内部编写的C语言程序处理，输出信号1、信号2、信号3；

如图5，在喷油器开启之前，t1时刻之前，信号1、信号2、信号3均为低电平，此时喷油器驱动电路和高速摄像机不工作；在喷油器开启阶段，t2时刻，ECU发出高电平信号，信号1、信号2、信号3均为高电平；信号1高电平经过第一光电耦合器控制IR2101型驱动芯片来导通第二场效应管；同时信号2高电平经过第二光电耦合器来导通第三场效应管；此时，高电压输入端的电流经过第二场效应管、第二肖特基二极管M2、喷油器内部电磁线圈、第三场效应管回到地；高电压提供的瞬间大电流可以加速喷油器的开启并喷油，同时信号3的电平上升沿触发高速摄像机开始拍照，在喷油器开启之后进入保持阶段。

在喷油器保持阶段，从t2时刻开始，信号1为低电平，第二场效应管不导通，高电压不参与喷油器保持阶段的控制；从t2时刻开始，信号2为PWM波信号，信号2开始的一段低电平使第三场效应管不导通，促使喷油器电磁线圈内大电流下降，当下降到一定值时信号2的高电平导通第三场效应管，此时+12V电源的电流经过第一肖特基二极管M1、喷油器内部电磁线圈、第三场效应管回到地，在此期间喷油器电磁线圈内电流瞬间增大，当增大到一定值时，信号2的一段低电平使第三场效应管不导通，如此反复，利用PWM波控制+12V电源给喷油器电磁线圈供电来保持喷油器的开启，PWM波的占空比（即a2、a3的长度）通过调节控制界面的电控参数来控制。

在喷油器关闭阶段，t3时刻开始，信号1、信号2、信号3均为低电平，第二场效应管、第三场效应管均不导通，高电压和+12V电压均未导通；在第三场效应管关闭瞬间，喷油器内部电磁线圈产生感应电动势阻止喷油器关闭，此时，感应电动势电流经过喷油器内部电磁线圈、电阻R17、二极管D2组成的闭合回路瞬间消耗能量，确保喷油器瞬间关闭。

如图5中，a1和a4分别为高电压工作时间长度和喷油器喷油脉宽，通过调节控制界面电控参数来控制。

Claims (3)

1.汽油机喷油器模拟控制通讯电路，其特征在于，包括：

ECU，其引脚8接地，其引脚5、引脚12发出信号控制喷油器的驱动电压和驱动电流；

与ECU的引脚7相连的+5V电源；

电平转换芯片，其引脚7、引脚8通过9针串口与电脑连接，引脚15接地，引脚9与ECU的RXD端口连接，引脚10与ECU的TXD端口连接；

电容C1，两端分别连接电平转换芯片的引脚1和引脚3；

电容C2，两端分别连接电平转换芯片的引脚2和引脚16；

电容C3，两端分别连接电平转换芯片的引脚15和引脚16；

电容C4，两端分别连接电平转换芯片的引脚4和引脚5；

电容C5，两端分别连接电平转换芯片的引脚6和引脚15；

+5V电源，与电平转换芯片的引脚16连接。

2.根据权利要求1所述汽油机喷油器模拟控制通讯电路，其特征在于，所述ECU的引脚13连接高速摄像机。

3.根据权利要求1所述汽油机喷油器模拟控制通讯电路，其特征在于，所述电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5的容量为10uF。

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