CN107842445B - 天然气发动机ecu喷射装置及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种天然气发动机ECU喷射装置及控制方法，其包括天然气发动机ECU、喷射电磁阀、车载电源和熔断器；每个喷射电磁阀的第一端通过熔断器连接车载电源，第二端连接天然气发动机ECU；所述天然气发动机ECU根据发动机的输入条件，判断是否为冷启动工况；如果判定为冷启动工况，则将喷射电磁阀驱动波形从正常波形模式切换到冷启动波形模式；如果判定为不是冷启动工况，则将喷射电磁阀驱动波形保持正常波形模式；在冷启动波形模式下，通过提升喷射电磁阀驱动波形的峰值电流，提高喷射电磁阀开启性能。当冷启动结束后，喷射电磁阀驱动波形由冷启动波形模式切换回正常波形模式，以保证不会因过大的驱动电流长时间流经喷射电磁阀而降低喷射电磁阀的使用寿命。

Description

天然气发动机ECU喷射装置及控制方法
技术领域
本发明涉及一种天然气发动机ECU喷射装置及控制方法，属于天然气发动机电子控制技术领域。
背景技术
在电控天然气发动机喷射系统中，对喷射电磁阀的驱动和控制是实现天然气发动机燃料喷射精确控制的基础。喷射电磁阀承担着燃气的喷射控制功能，是发动机正常工作最核心的器件。喷射电磁阀的开启和关闭动作是通过控制电磁阀驱动电流波形产生的电磁力实现的。这个过程涉及机、电、磁等因素相互作用的过程，使电磁阀衔铁运动的机械能是由电磁力提供的，电磁力受控于驱动电流，而驱动电流又是由喷射模块控制产生的。喷射电磁阀驱动电流波形分为2个阶段，分别是开启阶段和保持阶段，开启阶段以大电流使喷射电磁阀快速开启，喷射电磁阀的开启电流应保持在一个恒定的范围内；保持阶段以较小的电流保持电磁阀的开度，喷油器电磁阀的保持电流也保持在一个恒定的范围内。
目前，为了实现喷射电磁阀驱动电流波形的靴型结构，国外厂商的天然气发动机ECU喷射装置多数采用专用芯片(简称ASIC)和外围电路构建，例如罗伯特·博世有限公司使用的喷射专用芯片30520，采用硬件斩波方式实现上述驱动波形。国内厂商和高校多采用复杂可编程逻辑器件(简称CPLD，是一种通用的芯片)和外围电路来构建，例如阿尔特拉公司的复杂可编程逻辑器件EPM1270T144A5。
对设计人员而言，两种技术方案都存在一定的优缺点，采用专用芯片和外围电路构建喷射模块的方案其优点是：集成度高、保护功能比较完善，应用简单方便、价格相对比较有优势；其缺点是：这些专用芯片很少对外开放，对外开放的极少数专用芯片也是比较落后的，国外厂商已经应用很少、甚至淘汰的产品，与国外厂商正在量产的产品有较大的技术差距。除此之外，国内厂商在采购此类专用芯片时还会受采购数量的限制，导致国内设计人员不敢轻易使用此类专用芯片。采用复杂可编程逻辑器件和外围电路来构建喷射模块的方案，没有了采购数量和应用条件的限制，但是其集成度低、模块电路比较复杂、硬件设计成本高、电路的可靠性相对较低。
随着天然气发动机电控技术的发展，对天然气发动机ECU喷射装置提出了更高的需求，尤其是通过电控系统可以提升车辆的性能方面。天然气发动机与汽油和柴油发动机相比不同的是：天然气发动机的燃料是天然气，天然气内有水分存在，在天气温度较低时，车辆在停止状态下，未进入气缸的天然气会残留在发动机进气道内，天然气中的水分会在喷射电磁阀内形成冰阻现象，降低了喷射电磁阀开启性能，导致在正常的喷射电磁阀驱动波形情况下，喷射电磁阀开启困难甚至不能打开，具体表现为车辆冷启动困难。所述的冷启动困难是指天然气汽车冷机启动不容易启动，而热机启动正常的现象。
为了提高在车辆冷启动阶段的喷射电磁阀开启性能，需要在冷启动阶段，提升喷射电磁阀驱动波形的峰值电流，提高驱动力，从而提高喷射电磁阀的开启性能。当车辆启动结束后，喷射电磁阀驱动波形的峰值电流恢复到正常值，以保证不会因过大的驱动电流流经喷射电磁阀而降低喷射电磁阀的使用寿命。对于这样的需求，基于专用芯片的喷射模块技术方案，由于专用芯片具有驱动波形电流值可编程功能，所以微控制器可以通过串行外设接口(SPI)与专用芯片通信，调节驱动电流波形的峰值电流值。基于复杂可编程逻辑器件的喷射模块，由于驱动电流比较判断功能通过外部硬件电路实现，且只有一个固定的电路阈值，不具有驱动波形的峰值电流值可编程功能，所以不能实现此功能。
发明内容
本发明目的是提供一种具有低成本、高可靠性的天然气发动机ECU喷射装置及控制方法，能够在车辆冷启动时，将驱动波形从正常波形模式切换到冷启动波形模式，通过提升喷射电磁阀驱动波形的峰值电流，提高喷射电磁阀开启性能，克服喷射电磁阀的冰阻现象，从而提高车辆冷启动特性。
本发明解决技术问题采用如下技术方案：一种天然气发动机ECU喷射装置，其包括天然气发动机ECU、喷射电磁阀、车载电源和熔断器；
每个喷射电磁阀的第一端通过熔断器连接车载电源，第二端连接天然气发动机ECU；
所述天然气发动机ECU根据发动机的输入条件，判断是否为冷启动工况；如果判定为冷启动工况，则将喷射电磁阀驱动波形从正常波形模式切换到冷启动波形模式；如果判定为不是冷启动工况，则将喷射电磁阀驱动波形保持正常波形模式；在冷启动波形模式下，通过提升喷射电磁阀驱动波形的峰值电流，提高喷射电磁阀开启性能。
可选的，所述天然气发动机ECU包括微控制器模块和喷射模块，所述微控制器模块的时间处理单元发出喷射脉宽信号、峰值位置脉宽信号和分值电流选择信号至所述喷射模块，所述喷射模块输出喷射电磁阀的驱动波形，控制喷射电磁阀的喷射量。
可选的，所述喷射模块包括功率开关电路、电流采样调理电路、电流反馈控制电路、续流控制电路和波形参数设定电路；
其中，所述功率开关电路用于通过脉冲宽度调制控制喷射电磁阀的驱动电流，为喷射模块的输出级；
所述电流采样调理电路用于将喷射电磁阀驱动电流调理为脉冲式电压信号；
所述电流反馈控制电路用于根据所述电流采样调理电路输出的电压脉冲信号的下降沿触发输出暂稳态高电平脉冲，作为所述功率开关管的斩波控制信号；
所述续流控制电路用于控制喷射电磁阀工作阶段和结束时刻驱动电流的续流方式；
以及，所述波形参数设定电路用于设定喷射电磁阀正常波形模式和冷启动波形模式下驱动电流波形的峰值电流和保持电流值。
可选的，所述功率开关电路包括限流电阻R1、场效应管Q1、稳压管DZ2和二极管D2；
所述喷射脉宽信号通过限流电阻R1连接到场效应管Q1的栅极；场效应管Q1作为功率开关控制喷射电磁阀的驱动电流；稳压管DZ2的阳极连接场效应管Q1的栅极，阴极连接二极管D2的阴极；二极管D2的阳极连接场效应管Q1的漏极；场效应管Q1的漏极连接喷射电磁阀的一端。
可选的，所述电流采样调理电路包括采样电阻Rs1、电阻R6、电容C1、电压比较器U1、电阻Rf和上拉电阻Rup1；
所述场效应管Q1的源极和地之间通过采样电阻Rs1连接；场效应管Q1的源极通过电阻R6连接于电压比较器U1的反相输入端，而且所述电压比较器U1的反相输入端还通过电容C1接地；电阻Rf连接电压比较器U1的同相输入端和输出端；电压比较器U1的输出端通过上拉电阻Rup1连接到5V的直流供电电源VDD5。
可选的，所述电流反馈控制电路包括单稳态触发器U2、电阻R10、三极管Q4、电阻R11、匹配电阻Rx和匹配电容Cx；
电压比较器U1的输出端连接单稳态触发器U2的输入脚1B；单稳态触发器U2的输出脚1Q输出的控制信号通过电阻R10连接到三极管Q4的基极；三极管Q4的发射极接地，三极管Q4的基极和发射极之间通过接电阻R11连接，三极管Q4的集电极连接所述的场效应管Q1的栅极；所述单稳态触发器U2的1RxCx脚通过匹配电阻Rx连接于VDD5电源，以及通过匹配电容Cx接地；所述单稳态触发器U2的1Cx、1A、2A和GND脚接地。
可选的，所述续流控制电路包括二极管D3、场效应管Q2、稳压管DZ3、电阻R2、稳压管DZ1、二极管D1、电阻R3、三极管Q3、电阻R4和电阻R5；
所述场效应管Q1的漏极连接二极管D3的阳极；二极管D3的阴极连接场效应管Q2的源极；稳压管DZ3的阳极连接场效应管Q2的栅极，阴极连接场效应管Q2的源极；电阻R2连接场效应管Q2的栅极和源极之间；稳压管DZ1的阴极连接场效应管Q2的栅极，阳极连接二极管D1的阳极；二极管D1的阴极连接车载电源VBAT；电阻R3一端连接场效应管Q2的栅极，另一端连接三极管Q3的集电极；电阻R5连接三极管Q3的基极和发射极之间；电阻R4一端连接三极管Q3的基极，另一端连接所述的喷射脉宽信号。
可选的，所述喷射模块和喷射电磁阀均为多个，每一个喷射模块对应一个喷射电磁阀。
本发明解决技术问题还采用如下技术方案：一种天然气发动机ECU喷射装置的控制方法，其包括：
微控制器模块根据发动机的冷却液温度信号，判断是否为冷启动工况；如果判定为冷启动工况，则将喷射电磁阀驱动波形从正常波形模式切换到冷启动波形模式；如果判定为不是冷启动工况，则将喷射电磁阀驱动波形保持正常波形模式；
其中，在所述正常波形模式下，微控制器模块中的时间处理单元发出的喷射脉宽信号、峰值维持脉宽信号和峰值电流选择信号，其中，所述的喷射脉宽信号用于控制喷射电磁阀的开始工作时间和结束时间，所述的峰值维持脉宽信号用于控制喷射电磁阀驱动波形峰值电流的开始工作时间和结束时间；所述的峰值电流选择信号用于控制喷射电磁阀驱动波形的峰值电流，在正常波形模式下，所述峰值电流选择信号为低电平状态。
在冷启动波形模式下，所述的峰值电流选择信号跟随峰值维持时间信号的电平状态。
可选的，当冷启动结束后，喷射电磁阀驱动波形由冷启动波形模式切换回正常波形模式。
本发明具有如下有益效果：1、本发明的驱动波形有正常波形模式和冷启动波形模式，微控制器模块根据发动机的输入条件，判断是否为冷启动工况；如果判定为冷启动工况，则将喷射电磁阀驱动波形从正常波形模式切换到冷启动波形模式；如果判定为不是冷启动工况，则将喷射电磁阀驱动波形保持正常波形模式；在冷启动波形模式下，通过提升喷射电磁阀驱动波形的峰值电流(从8.5A提升到15A)，提高喷射电磁阀开启性能，克服喷射电磁阀的冰阻现象，从而提高车辆冷启动特性。
2、本发明通过驱动波形控制，当冷启动结束后，喷射电磁阀驱动波形由冷启动波形模式切换回正常波形模式，以保证不会因过大的驱动电流长时间流经喷射电磁阀而降低喷射电磁阀的使用寿命。
3、本发明的喷射模块没有采用专用芯片和复杂可编程逻辑器件的技术方案，硬件电路设计成本低。
4、本发明的喷射模块的可配置性较高，通过波形参数设定电路中匹配电阻R7、电阻R8、电阻Rup2、电阻Rd1的阻值，可以实现不同峰值电流和维持电流的设定，匹配不同的喷射电磁阀。
5、本发明的各个喷射模块相互独立，每个喷射模块单独对应一个喷射电磁阀，支持多个喷射电磁阀重叠喷射。
附图说明
图1为本发明的天然气发动机ECU喷射装置的结构示意图；
图2为本发明的喷射模块的结构示意图；
图3为本发明的微控制器模块的结构示意图；
图4为本发明的天然气发动机ECU喷射装置的控制方法的示意图；
图5为本发明冷启动波形模式控制信号和驱动波形图；
图6为本发明正常波形模式控制信号和驱动波形图；
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明的技术方案作进一步阐述。
实施例1
如图1所示，本实施例提供了一种天然气发动机ECU喷射装置，其包括天然气发动机ECU、喷射电磁阀、车载电源和熔断器。
喷射电磁阀安装在节气门体上游，每个喷射电磁阀的第一端通过熔断器连接车载电源，第二端连接天然气发动机ECU。
所述天然气发动机ECU包括微控制器模块和喷射模块，所述微控制器模块的时间处理单元发出喷射脉宽信号、峰值位置脉宽信号和分值电流选择信号至所述喷射模块，所述喷射模块输出喷射电磁阀的驱动波形，控制喷射电磁阀的喷射量。
所述微控制器模块根据发动机的输入条件，判断是否为冷启动工况；如果判定为冷启动工况，则将喷射电磁阀驱动波形从正常波形模式切换到冷启动波形模式；如果判定为不是冷启动工况，则将喷射电磁阀驱动波形保持正常波形模式；在冷启动波形模式下，通过提升喷射电磁阀驱动波形的峰值电流，提高喷射电磁阀开启性能，克服喷射电磁阀的冰阻现象，从而提高车辆冷启动特性。
当车辆冷启动结束后，喷射电磁阀驱动波形由冷启动波形模式切换回正常波形模式。
所述喷射模块为天然气发动机ECU喷射装置的核心部分，其包括功率开关电路、电流采样调理电路、电流反馈控制电路、续流控制电路和波形参数设定电路。
如图2所示，所述功率开关电路包括限流电阻R1、场效应管Q1、稳压管DZ2和二极管D2。
所述喷射脉宽信号“INJ_CMD”通过限流电阻R1连接到场效应管Q1的栅极；场效应管Q1作为功率开关控制喷射电磁阀的驱动电流；稳压管DZ2的阳极连接场效应管Q1的栅极，阴极连接二极管D2的阴极；二极管D2的阳极连接场效应管Q1的漏极；场效应管Q1的漏极连接喷射电磁阀的一端。
喷射脉宽信号“INJ_CMD”用于控制场效应管Q1的导通和关断。当喷射脉宽信号“INJ_CMD”为高电平时，喷射电磁阀开始工作；当喷射脉宽信号“INJ_CMD”为低电平时，喷射电磁阀结束工作。喷射电磁阀工作期间，场效应管Q1的斩波控制过程由硬件电路调节实现。其中，电阻R1＝1KΩ，稳压管DZ2的型号为MMBZ5264BLT1G，场效应管Q1的型号为BUK9226-75A，二极管D2的型号为BAS21LT1。
所述电流采样调理电路包括采样电阻Rs1、电阻R6、电容C1、电压比较器U1、电阻Rf和上拉电阻Rup1。
所述场效应管Q1的源极和地之间通过采样电阻Rs1连接；由电阻R6和电容C1构成的一阶滤波电路连接在场效应管Q1的源极和电压比较器U1的反相输入端，即场效应管Q1的源极通过电阻R6连接于电压比较器U1的反相输入端，而且所述电压比较器U1的反相输入端还通过电容C1接地；电阻Rf连接电压比较器U1的同相输入端和输出端；电压比较器U1的输出端通过上拉电阻Rup1连接到5V的直流供电电源VDD5。其中，采样电阻Rs1＝100mΩ，电阻R6＝2KΩ，电阻Rf＝34.8KΩ，上拉电阻Rup1＝560Ω，电容C1＝1nF，电压比较器U1的型号为LM2901VQPWRQ1。
所述电流反馈控制电路包括单稳态触发器U2、电阻R10、三极管Q4、电阻R11、匹配电阻Rx和匹配电容Cx。
电压比较器U1的输出端连接单稳态触发器U2的输入脚1B；单稳态触发器U2的输出脚1Q输出的控制信号通过电阻R10连接到三极管Q4的基极；三极管Q4的发射极接地，三极管Q4的基极和发射极之间通过接电阻R11连接，三极管Q4的集电极连接所述的场效应管Q1的栅极；所述单稳态触发器U2的1RxCx脚通过匹配电阻Rx连接于VDD5电源，以及通过匹配电容Cx接地；所述单稳态触发器U2的1Cx、1A、2A和GND脚接地。其中，电阻R10＝4.7KΩ，电阻R11＝10KΩ，单稳态触发器U2的型号为CD74HC4538-Q1。
所述续流控制电路包括二极管D3、场效应管Q2、稳压管DZ3、电阻R2、稳压管DZ1、二极管D1、电阻R3、三极管Q3、电阻R4和电阻R5。
所述场效应管Q1的漏极连接二极管D3的阳极；二极管D3的阴极连接场效应管Q2的源极；稳压管DZ3的阳极连接场效应管Q2的栅极，阴极连接场效应管Q2的源极；电阻R2连接场效应管Q2的栅极和源极之间；稳压管DZ1的阴极连接场效应管Q2的栅极，阳极连接二极管D1的阳极；二极管D1的阴极连接车载电源VBAT；电阻R3一端连接场效应管Q2的栅极，另一端连接三极管Q3的集电极；电阻R5连接三极管Q3的基极和发射极之间；电阻R4一端连接三极管Q3的基极，另一端连接所述的喷射脉宽信号“INJ_CMD”。其中，电阻R2＝电阻R4＝4.7KΩ，电阻R3＝3.9KΩ，电阻R5＝10KΩ，二极管D3的型号为VS-12CWQ10FNHM3，二极管D1的型号为BAS21LT1，场效应管Q2的型号为FDD5614P，稳压管DZ1和稳压管DZ3的型号为BZX84C12LT1。
当喷射脉宽信号“INJ_CMD”为高电平时，三极管Q3为饱和导通状态，场效应管Q2的栅极通过电阻R3接低电平。喷射电磁阀续流时即场效应管Q1关断时，由于喷射电磁阀为感性负载，喷射电磁阀断电时，驱动电流不能突变，喷射电磁阀在其两端产生反电动势，其反电动势表达式为：
VINJ_CLAMP＝VD3+RDS(on)·IINJ；
式中，VD3为二极管D3的正向导通压降，RDS(on)为场效应管Q2的导通电阻，IINJ为喷射电磁阀的驱动电流。
此时，场效应管Q2为导通状态，二极管D3和场效应管Q2(可变电阻区，低导通电阻)为喷射电磁阀提供驱动电流泄放回路。此时，驱动电流的泄放速度较慢，存储在喷射电磁阀中的能量不能快速泄放，所以喷射电磁阀不能在较短的时间内关断，表现为驱动波形的电流值缓慢下降。
当喷射脉宽信号“INJ_CMD”为低电平时，三极管Q3为截止状态。场效应管Q1斩波控制结束，喷射电磁阀在其两端产生反电动势，当场效应管Q1的漏极电压过高时，稳压管DZ1被击穿，有电流进入场效应管Q1的栅极，Q1的栅极电位得以抬升，从而使喷射电磁阀在其两端产生的反电动势将被有源电压钳位，其反电动势表达式为：
VINJ_CLAMP＝VD3+VGS(th)+VDZ1+VD1；
式中，VD3为二极管D3的正向导通压降，VGS(th)为场效应管Q2的开启电压，VDZ1为稳压管DZ1的稳压值，VD1为二极管D1的正向导通压降。
此时，所述的场效应管Q2处于恒流区，二极管D3和场效应管Q2(具有较高的导通电阻)为喷射电磁阀提供驱动电流泄放回路。此时，驱动电流的泄放速度较快，存储在喷射电磁阀中的能量快速泄放，所以喷射电磁阀可以在较短的时间内关断，表现为驱动波形的电流值快速下降到0。
所述波形参数设定电路包括电阻R7、电阻R8、电阻Rup2、电阻Rd1和电容C2。
电阻R7、电阻R8、电阻Rup2和电阻Rd1的一端连接在一起，并连接所述的电压比较器U1的同相输入端；电阻R7的另一端连接峰值维持脉宽信号“PEAK_CMD”；电阻R8的另一端连接峰值电流选择信号“PEAK_SEL”；电阻Rup2的另一端连接5V的直流供电电源VDD5；电阻Rd1的另一端接地；电容C2并联在电阻Rd1两端。其中，电阻R7＝5.76KΩ，电阻R8＝5.36KΩ，电阻Rup2＝23.2KΩ，电阻Rd1＝1KΩ，电阻C2＝1nF。
如图3所示，所述微控制器模块包括单片机U10:1，所述单片机可以为32位，且其型号为SPC5634MF0MLUA8，所述单片机U10:1的10脚、12脚、31脚、41脚、55脚、74脚、95脚、110脚、125脚和138脚接5V直流供电电源VDD5；15脚、29脚、43脚、57脚、72脚、90脚、96脚、108脚、115脚、127脚、133脚和140脚接地；电容C37、电容C38、电容C39、电容C40、电容C41、电容C43、电容C44、电容C45和电容C46连接5V直流供电电源VDD5和地，作为单片机10脚、12脚、31脚、41脚、55脚、74脚、95脚、110脚、125脚和138脚的去耦电容；单片机U10:1的13脚、16脚、119脚接3.3V直流供电电源V3.3；电容C20、电容C21、电容C22连接V3.3和地，作为单片机13脚、16脚、119脚的去耦电容；调整管Q20的集电极连接直流供电电源VDD5，基极连接单片机的11脚和电容C27的一端；电容C27另一端接地；Q20的发射极连接单片机的33脚、62脚、103脚和149脚，并输出1.2V的直流供电电源V1.2；直流供电电源V1.2连接单片机的45脚、132脚和176脚；电容C30、电容C31、电容C32、电容C33、电容C34、电容C35和电容C36连接V1.2和地，作为单片机33脚、62脚、103脚、149脚、45脚、132脚和176脚的去耦电容；单片机的92脚和93脚接有匹配晶振Y20和电阻R20，并通过匹配电容C23和匹配电容C24接地；单片机的97脚通过上拉电阻R22连接直流供电电源VDD5，并连接复位信号“MC_RST”；97脚、130脚、123脚、128脚、116脚、131脚和121脚连接程序下载插件P20。
单片机U10:1的61脚、32脚、35脚分别输出喷射电磁阀1的喷射脉宽信号“INJ_CMD1”、峰值维持脉宽信号“PEAK_CMD1”和峰值电流选择信号“PEAK_SEL1”；134脚、124脚、39脚分别输出喷射电磁阀2的喷射脉宽信号“INJ_CMD2”、峰值维持脉宽信号“PEAK_CMD2”和峰值电流选择信号“PEAK_SEL2”；38脚、37脚、36脚分别输出喷射电磁阀3的喷射脉宽信号“INJ_CMD3”、峰值维持脉宽信号“PEAK_CMD3”和峰值电流选择信号“PEAK_SEL3”；47脚、48脚、49脚分别输出喷射电磁阀4的喷射脉宽信号“INJ_CMD4”、峰值维持脉宽信号“PEAK_CMD4”和峰值电流选择信号“PEAK_SEL4”；135脚、136脚、137脚分别输出喷射电磁阀5的喷射脉宽信号“INJ_CMD5”、峰值维持脉宽信号“PEAK_CMD5”和峰值电流选择信号“PEAK_SEL5”；59脚、58脚、34脚分别输出喷射电磁阀6的喷射脉宽信号“INJ_CMD6”、峰值维持脉宽信号“PEAK_CMD6”和峰值电流选择信号“PEAK_SEL6”；126脚、129脚、139脚分别输出喷射电磁阀7的喷射脉宽信号“INJ_CMD7”、峰值维持脉宽信号“PEAK_CMD7”和峰值电流选择信号“PEAK_SEL7”；56脚、50脚、60脚分别输出喷射电磁阀8的喷射脉宽信号“INJ_CMD8”、峰值维持脉宽信号“PEAK_CMD8”和峰值电流选择信号“PEAK_SEL8”。所述的喷射脉宽信号用于控制喷射电磁阀的开始工作时间和结束时间，峰值维持脉宽信号控制波形峰值电流的开始工作时间和结束时间，峰值电流选择信号控制驱动波形的峰值电流。
当峰值维持脉宽信号“PEAK_CMD”和峰值电流选择信号“PEAK_SEL”都为低电平时，电压比较器U1的输出端由高电平变为低电平对应的阈值电压表达式为：
Figure BDA0001422877620000111
其中，R7//R8//Rd1//Rf表示电阻R7、电阻R8、电阻Rd1和电阻Rf并联，R7//R8//Rd1//Rup2表示电阻R7、电阻R8、电阻Rd1和电阻Rup2并联，VOUT表示电压比较器U1的输出电压。当电压比较器U1的输出电压为高电平时VOUT≈5V。根据阈值电压表达式计算，得到阈值电压UTH1+：
UTH1+＝0.25V；
电压比较器U1的反相输入端电压为0.25V，即采样电阻Rs1两端的电压为0.25V，对应喷射电磁阀的驱动波形的电流值为2.5A。
场效应管Q1的斩波控制硬件电路调节过程为：在此条件下，喷射脉宽信号“INJ_CMD”为高电平，当驱动电流达到2.5A时，电压比较器U1的输出端由高电平转变为低电平，产生下降沿，此下降沿作为触发信号连接到单稳态触发器U2的输入脚
Figure BDA0001422877620000112
单稳态触发器U2的输出脚1Q输出暂稳态高电平脉冲，此暂稳态高电平脉冲的维持时间由单稳态电路中的匹配电阻Rx和匹配电容Cx的参数决定，与输入脚
Figure BDA0001422877620000113
的触发脉冲的宽度和幅度无关。
暂稳态高电平脉冲通过电阻R10连接到三极管Q4的基极，三极管Q4由截止状态转变为饱和状态，三极管Q4的集电极电压转变为低电平，所述的三极管Q4的集电极电压即为场效应管Q1的斩波控制信号。此时，场效应管Q1的栅极电压将被强制拉为低电平，场效应管Q1由导通状态变为截止状态。由于喷射电磁阀为感性负载，喷射电磁阀断电时，驱动电流不能突变，喷射电磁阀在其两端产生反电动势，喷射电磁阀的驱动电流将通过续流控制电路中的二极管D3和场效应管Q2进行续流，驱动波形的电流值缓慢下降；当单稳态触发器U2的输出脚1Q输出的暂稳态高电平脉冲的维持时间结束后，单稳态触发器U2的输出脚1Q输出电压由高电平转变为低电平，三极管Q4将由饱和状态转变为截止状态；场效应管Q1的栅极电压将由低电平状态恢复高电平状态，即场效应管Q1将由截止状态变为导通状态；喷射电磁阀的驱动电流将通过场效应管Q1和采样电阻Rs1到地，驱动波形的电流值缓慢上升；当驱动电流再次达到2.5A时，电压比较器U1的输出端再次由高电平转变为低电平，重复上述过程。
当峰值维持脉宽信号“PEAK_CMD”为高电平，峰值电流选择信号“PEAK_SEL”都为低电平时，电压比较器U1的输出端由高电平变为低电平对应的阈值电压表达式为：
Figure BDA0001422877620000121
其中，R8//Rd1//Rf表示电阻R8、电阻Rd1和电阻Rf并联，R7//Rup2表示电阻R7、电阻Rup2并联，R7//R8//Rd1//Rup2表示电阻R7、电阻R8、电阻Rd1和电阻Rup2并联。根据阈值电压表达式计算，得到阈值电压UTH2+：
UTH2+＝0.85V；
电压比较器U1的反相输入端电压为0.85V，即采样电阻Rs1两端的电压为0.85V，对应喷射电磁阀的驱动电流值为8.5A。
场效应管Q1的斩波控制硬件电路调节过程与喷射电磁阀的驱动波形的电流值为2.5A时相同，不同之处在于对应斩波控制的电流阈值变为8.5A，这里不再赘述。
当峰值维持脉宽信号“PEAK_CMD”和峰值电流选择信号“PEAK_SEL”都为高电平时，电压比较器U1的输出端由高电平变为低电平对应的阈值电压表达式为：
Figure BDA0001422877620000122
其中，Rd1//Rf表示电阻Rd1和电阻Rf并联，R7//R8//Rup2表示电阻R7、电阻R8和电阻Rup2并联，R7//R8//Rd1//Rup2表示电阻R7、电阻R8、电阻Rd1和电阻Rup2并联。根据阈值电压表达式计算，得到阈值电压UTH3+：
UTH3+＝1.5V；
电压比较器U1的反相输入端电压为1.5V，即采样电阻Rs1两端的电压为1.5V，对应喷射电磁阀的驱动电流值为15A。
场效应管Q1的斩波控制硬件电路调节过程与喷射电磁阀的驱动波形的电流值为2.5A时相同，不同之处在于对应斩波控制的电流阈值变为15A，这里不再赘述。
与现有技术相比，本发明有以下有益效果：
1、本发明的驱动波形有正常波形模式和冷启动波形模式，微控制器模块根据发动机的输入条件，判断是否为冷启动工况；如果判定为冷启动工况，则将喷射电磁阀驱动波形从正常波形模式切换到冷启动波形模式；如果判定为不是冷启动工况，则将喷射电磁阀驱动波形保持正常波形模式；在冷启动波形模式下，通过提升喷射电磁阀驱动波形的峰值电流(从8.5A提升到15A)，提高喷射电磁阀开启性能，克服喷射电磁阀的冰阻现象，从而提高车辆冷启动特性。
2、本发明通过驱动波形控制，当冷启动结束后，喷射电磁阀驱动波形由冷启动波形模式切换回正常波形模式，以保证不会因过大的驱动电流长时间流经喷射电磁阀而降低喷射电磁阀的使用寿命。
3、本发明的喷射模块没有采用专用芯片和复杂可编程逻辑器件的技术方案，硬件电路设计成本低。
4、本发明的喷射模块的可配置性较高，通过波形参数设定电路中匹配电阻R7、电阻R8、电阻Rup2、电阻Rd1的阻值，可以实现不同峰值电流和维持电流的设定，匹配不同的喷射电磁阀。
5、本发明的各个喷射模块相互独立，每个喷射模块单独对应一个喷射电磁阀，支持多个喷射电磁阀重叠喷射。
实施例2
本实施例提供了一种天然气发动机ECU喷射装置的控制方法，其包括：
微控制器模块根据发动机的冷却液温度信号，判断是否为冷启动工况；如果判定为冷启动工况，则将喷射电磁阀驱动波形从正常波形模式切换到冷启动波形模式；如果判定为不是冷启动工况，则将喷射电磁阀驱动波形保持正常波形模式。
其中，在所述正常波形模式下，微控制器模块中的时间处理单元发出的喷射脉宽信号“INJ_CMD”、峰值维持脉宽信号“PEAK_CMD”和峰值电流选择信号“PEAK_SEL”，其中，所述的喷射脉宽信号“INJ_CMD”用于控制喷射电磁阀的开始工作时间和结束时间，所述的峰值维持脉宽信号“PEAK_CMD”用于控制喷射电磁阀驱动波形峰值电流的开始工作时间和结束时间；所述的峰值电流选择信号“PEAK_SEL”用于控制喷射电磁阀驱动波形的峰值电流，在正常波形模式下，所述峰值电流选择信号为低电平状态，所述的喷射脉宽信号持续时间大于等于峰值维持脉宽信号持续时间。
而且，在冷启动波形模式下，所述的峰值电流选择信号“PEAK_SEL”跟随峰值维持时间信号“PEAK_CMD”的电平状态。
如图5所示，在冷启动波形模式下，微控制器模块中的时间处理单元模块发出的喷射脉宽信号“INJ_CMD”、峰值维持脉宽信号“PEAK_CMD”和峰值电流选择信号“PEAK_SEL”和输出电流波形示意图。
喷射电磁阀驱动波形在正常波形模式下，所述的峰值电流选择信号“PEAK_SEL”一直为低电平状态。
如图6所示，在正常波形模式下，微控制器模块中的时间处理单元模块发出的喷射脉宽信号“INJ_CMD”、峰值维持脉宽信号“PEAK_CMD”和峰值电流选择信号“PEAK_SEL”和输出电流波形示意图。
当车辆冷启动结束后，喷射电磁阀驱动波形由冷启动波形模式切换回正常波形模式。
微控制器模块根据当前车载电源的电压，输出喷射电磁阀驱动波形峰值维持脉宽信号“PEAK_CMD”的持续时间，即喷射电磁阀开启所需的峰值电流持续时间，该持续时间与当前系统的车载电源的电压相关，根据车载电源电压下的喷射电磁阀特性查表确定，如表一所示。
表一 车载电源电压与峰值维持脉宽信号的持续时间表
Figure BDA0001422877620000141
Figure BDA0001422877620000151
所述微控制器模块根据当前发动机的运行工况，计算喷射电磁阀驱动波形喷射脉宽信号“INJ_CMD”的持续时间，即喷射电磁阀每次工作的持续时间；
例如：当天然气发动机全负荷工作时，软件控制模块计算喷射脉宽信号“INJ_CMD”的持续时间为18ms，即通过时间处理单元模块发出的喷射脉宽信号“INJ_CMD”为18ms。
同理，当天然气发动机怠速工作时，软件控制模块计算喷射脉宽信号“INJ_CMD”的持续时间为5ms，即通过时间处理单元模块发出的喷射脉宽信号“INJ_CMD”为5ms。
以上实施例的先后顺序仅为便于描述，不代表实施例的优劣。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种天然气发动机ECU喷射装置，其特征在于，包括天然气发动机ECU、喷射电磁阀、车载电源和熔断器；
每个喷射电磁阀的第一端通过熔断器连接车载电源，第二端连接天然气发动机ECU；
所述天然气发动机ECU根据发动机的输入条件，判断是否为冷启动工况；如果判定为冷启动工况，则将喷射电磁阀驱动波形从正常波形模式切换到冷启动波形模式；如果判定为不是冷启动工况，则将喷射电磁阀驱动波形保持正常波形模式；在冷启动波形模式下，通过提升喷射电磁阀驱动波形的峰值电流，提高喷射电磁阀开启性能；
所述天然气发动机ECU包括微控制器模块和喷射模块，所述微控制器模块的时间处理单元发出喷射脉宽信号、峰值位置脉宽信号和分值电流选择信号至所述喷射模块，所述喷射模块输出喷射电磁阀的驱动波形，控制喷射电磁阀的喷射量；
所述喷射模块包括功率开关电路、电流采样调理电路、电流反馈控制电路、续流控制电路和波形参数设定电路；
其中，所述功率开关电路用于通过脉冲宽度调制控制喷射电磁阀的驱动电流，为喷射模块的输出级；
所述电流采样调理电路用于将喷射电磁阀驱动电流调理为脉冲式电压信号；
所述电流反馈控制电路用于根据所述电流采样调理电路输出的电压脉冲信号的下降沿触发输出暂稳态高电平脉冲，作为所述功率开关电路的斩波控制信号；
所述续流控制电路用于控制喷射电磁阀工作阶段和结束时刻驱动电流的续流方式；
以及，所述波形参数设定电路用于设定喷射电磁阀正常波形模式和冷启动波形模式下驱动电流波形的峰值电流和保持电流值。
2.根据权利要求1所述的天然气发动机ECU喷射装置，其特征在于，所述功率开关电路包括限流电阻R1、场效应管Q1、稳压管DZ2和二极管D2；
所述喷射脉宽信号通过限流电阻R1连接到场效应管Q1的栅极；场效应管Q1作为功率开关控制喷射电磁阀的驱动电流；稳压管DZ2的阳极连接场效应管Q1的栅极，阴极连接二极管D2的阴极；二极管D2的阳极连接场效应管Q1的漏极；场效应管Q1的漏极连接喷射电磁阀的一端。
3.根据权利要求2所述的天然气发动机ECU喷射装置，其特征在于，所述电流采样调理电路包括采样电阻Rs1、电阻R6、电容C1、电压比较器U1、电阻Rf和上拉电阻Rup1；
所述场效应管Q1的源极和地之间通过采样电阻Rs1连接；场效应管Q1的源极通过电阻R6连接于电压比较器U1的反相输入端，而且所述电压比较器U1的反相输入端还通过电容C1接地；电阻Rf连接电压比较器U1的同相输入端和输出端；电压比较器U1的输出端通过上拉电阻Rup1连接到5V的直流供电电源VDD5。
4.根据权利要求3所述的天然气发动机ECU喷射装置，其特征在于，所述电流反馈控制电路包括单稳态触发器U2、电阻R10、三极管Q4、电阻R11、匹配电阻Rx和匹配电容Cx；
电压比较器U1的输出端连接单稳态触发器U2的输入脚1B；单稳态触发器U2的输出脚1Q输出的控制信号通过电阻R10连接到三极管Q4的基极；三极管Q4的发射极接地，三极管Q4的基极和发射极之间通过接电阻R11连接，三极管Q4的集电极连接所述的场效应管Q1的栅极；所述单稳态触发器U2的1RxCx脚通过匹配电阻Rx连接于VDD5电源，以及通过匹配电容Cx接地；所述单稳态触发器U2的1Cx、1A、2A和GND脚接地。
5.根据权利要求4所述的天然气发动机ECU喷射装置，其特征在于，所述续流控制电路包括二极管D3、场效应管Q2、稳压管DZ3、电阻R2、稳压管DZ1、二极管D1、电阻R3、三极管Q3、电阻R4和电阻R5；
所述场效应管Q1的漏极连接二极管D3的阳极；二极管D3的阴极连接场效应管Q2的源极；稳压管DZ3的阳极连接场效应管Q2的栅极，阴极连接场效应管Q2的源极；电阻R2连接场效应管Q2的栅极和源极之间；稳压管DZ1的阴极连接场效应管Q2的栅极，阳极连接二极管D1的阳极；二极管D1的阴极连接车载电源VBAT；电阻R3一端连接场效应管Q2的栅极，另一端连接三极管Q3的集电极；电阻R5连接三极管Q3的基极和发射极之间；电阻R4一端连接三极管Q3的基极，另一端连接所述的喷射脉宽信号。
6.根据权利要求5所述的天然气发动机ECU喷射装置，其特征在于，所述喷射模块和喷射电磁阀均为多个，每一个喷射模块对应一个喷射电磁阀。
7.一种如权利要求1-6之一所述的天然气发动机ECU喷射装置的控制方法，其特征在于，包括：
微控制器模块根据发动机的冷却液温度信号，判断是否为冷启动工况；如果判定为冷启动工况，则将喷射电磁阀驱动波形从正常波形模式切换到冷启动波形模式；如果判定为不是冷启动工况，则将喷射电磁阀驱动波形保持正常波形模式；
其中，在所述正常波形模式下，微控制器模块中的时间处理单元发出的喷射脉宽信号、峰值维持脉宽信号和峰值电流选择信号，其中，所述的喷射脉宽信号用于控制喷射电磁阀的开始工作时间和结束时间，所述的峰值维持脉宽信号用于控制喷射电磁阀驱动波形峰值电流的开始工作时间和结束时间；所述的峰值电流选择信号用于控制喷射电磁阀驱动波形的峰值电流，在正常波形模式下，所述峰值电流选择信号为低电平状态；
而且，在冷启动波形模式下，所述的峰值电流选择信号跟随峰值维持时间信号的电平状态。
8.根据权利要求7所述的天然气发动机ECU喷射装置的控制方法，其特征在于，当冷启动结束后，喷射电磁阀驱动波形由冷启动波形模式切换回正常波形模式。
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