CN108194215B - Gdi发动机喷油器柔性介入控制装置及控制方法 - Google Patents

Gdi发动机喷油器柔性介入控制装置及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及GDI发动机喷油器技术领域，实施例具体公开一种GDI发动机喷油器柔性介入控制装置及控制方法。该控制装置包括喷油脉宽采集模块、介入控制模块、微处理器模块和喷气阀驱动模块，其中，微处理器模块分别与喷油脉宽采集模块、介入控制模块和喷气阀驱动模块连接，喷油脉宽采集模块还与汽油ECU连接，介入控制模块还分别与汽油ECU和喷油器连接，喷气阀驱动模块还与喷气阀连接，该控制装置成功实现GDI发动机汽油和天然气掺烧方案，在不影响GDI发动机正常烧油模式下实现GDI发动机从烧油到油气掺烧模式平稳切换。

Description

GDI发动机喷油器柔性介入控制装置及控制方法
技术领域
本发明涉及GDI发动机喷油器技术领域，具体涉及一种GDI发动机喷油器柔性介入控制装置及控制方法。
背景技术
天然气作为一种清洁能源，在排放性、安全性和经济性上相较于汽油、柴油都有较大的优势，所以很多汽车厂商推出了汽油和天然气两用燃料的车型。可以在烧油和烧气模式下切换，满足用户不同情况下的需求。目前油改气有单烧和掺烧两种主流解决方案，其中油改气单烧主要应用于进气道喷射发动机。而掺烧则是以天然气为主要燃料，利用少量汽油点燃天然气进行燃气做工，同时采用稀薄燃烧技术，主要应用于缸内直喷(GDI)发动机。
凭借能够实现更低燃油消耗和更高动力输出的特性，GDI发动机成为了近年来国内外乘用车的主流配置，但是目前针对于GDI发动机车型因为其缸内直喷的特性，采样单烧方案容易对汽油喷油器损害，只能采用天然气掺烧模式。因此造成了GDI发动机天然气改装难度加大，目前国内外在GDI发动机喷油器介入技术上还没有一个可靠、安全的方案来实现油气掺烧模式改装。
发明内容
有鉴于此，本申请提供一种在GDI发动机上使用天然气能源时喷油器柔性介入控制装置及控制方法，成功实现GDI油气切换，进一步降低燃料成本和排气污染物。
为解决以上技术问题，本发明提供的技术方案是一种GDI发动机喷油器柔性介入控制装置，包括喷油脉宽采集模块、介入控制模块、微处理器模块和喷气阀驱动模块，其中，所述微处理器模块分别与所述喷油脉宽采集模块、所述介入控制模块和所述喷气阀驱动模块连接，所述喷油脉宽采集模块还与汽油ECU连接，所述介入控制模块还分别与汽油ECU和喷油器连接，所述喷气阀驱动模块还与喷气阀连接。
优选地，所述介入控制模块包括第一电阻(R1)和开关器件芯片(K)，所述喷油脉宽采集模块包括比较器芯片(D)；所述比较器芯片(D)的输出端与微处理器模块的喷油脉宽信号输入端连接，所述比较器芯片(D)的负输入端与基准电压连接，所述第一电阻(R1)一端分别与所述比较器芯片(D)的正输入端、汽油ECU的喷油驱动信号输出端和开关器件芯片(K)的第一输出端连接，所述第一电阻(R1)的另一端分别与喷油器的喷嘴线圈(F1)一端和开关器件芯片(K)的第二输出端连接，所述开关器件芯片(K)的输入端与微处理器模块的喷油截断信号输出端连接。
优选地，所述喷气阀驱动模块包括：
低位开关(Q1)：包括第一端子(a)、第二端子(b)和第三端子(c)，第一端子(a)连接低位驱动电源，第二端子(b)与喷气阀的激励线圈(F2)一端连接，第三端子(c)接地；
高位开关(Q2)：包括第四端子(d)、第五端子(e)和第六端子(f)，第四端子(d)与第一二极管(D1)负极连接，第一二极管(D1)正极与低位开关(Q1)的第二端子(b)连接，第五端子(e)连接外接电源，第六端子(f)通过第二电阻(R2)与三极管(T)集电极连接，三极管(T)发射极接地，三极管(T)基集通过第三电阻(R3)与高位驱动电源连接；
续流器：包括并联的第二二极管(D2)和第四电阻(R4)，并联后的一端与第一二极管(D1)的负极连接，另一端与高位开关(Q2)的第六端子(f)连接，其中，第二二极管(D2)的负极与第一二极管(D1)的负极连接。
优选地，所述GDI发动机喷油器柔性介入控制装置集成在燃气ECU内部。
本发明还提供一种GDI发动机喷油器柔性介入控制方法，其特征在于，包括：
介入控制模块接收汽油ECU发出的喷油驱动信号；
介入控制模块监测是否收到微处理器模块输出的喷油截断信号，若否，则介入控制模块输出喷油驱动信号到喷油器；若是，则介入控制模块输出截断后的喷油驱动信号到喷油器。
优选地，所述介入控制模块输出喷油驱动信号到喷油器的方法，包括：
所述介入控制模块的开关器件芯片导通，所述介入控制模块通过所述开关器件芯片输出喷油驱动信号到喷油器。
优选地，所述介入控制模块输出截断后的喷油驱动信号到喷油器的方法，包括：
所述介入控制模块的开关器件芯片关断，所述介入控制模块通过第一电阻输出截断后的喷油驱动信号到喷油器。
优选地，GDI发动机喷油器柔性介入控制方法还包括：喷油脉宽采集模块采集汽油ECU输出的喷油脉宽信号输入到微处理器模块。
优选地，GDI发动机喷油器柔性介入控制方法还包括：微处理器模块输出喷气控制信号到喷气阀驱动模块。
优选地，GDI发动机喷油器柔性介入控制方法还包括：喷气阀驱动模块输出喷气驱动信号到喷气阀。
本申请与现有技术相比，其有益效果详细说明如下：本申请提供了一种GDI发动机喷油器柔性介入控制装置及控制方法，该控制装置包括喷油脉宽采集模块、介入控制模块、微处理器模块和喷气阀驱动模块，微处理器模块分别与喷油脉宽采集模块、介入控制模块和喷气阀驱动模块连接，喷油脉宽采集模块还与汽油ECU连接，介入控制模块还分别与汽油ECU和喷油器连接，喷气阀驱动模块还与喷气阀连接，该控制装置成功实现GDI发动机汽油和天然气掺烧方案，在不影响GDI发动机正常烧油模式下实现GDI发动机从烧油到油气掺烧模式平稳切换。
附图说明
图1为本发明实施例GDI发动机喷油器柔性介入控制装置结构示意图；
图2为本发明实施例介入控制模块和喷油脉宽采集模块电路原理图；
图3为本发明实施例油气掺烧模式下信号时序图；
图4为本发明实施例喷气阀驱动模块电路原理图；
图5为本发明实施例GDI发动机喷油器柔性介入控制方法流程图；
附图标记为：D-比较器芯片，R1-第一电阻，K-开关器件芯片，F1-喷油器的喷嘴线圈，V_RLY-外接电源，F2-喷气阀的激励线圈，Q1-低位开关，Q2-高位开关，M1-第一MOS管，M2-第二MOS管，D1-第一二极管，D2-第二二极管，R2-第二电阻，R3-第三电阻，R4-第四电阻，a-第一端子，b-第二端子，c-第三端子，d-第四端子，e-第五端子，f-第六端子。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，本发明实施例提供一种GDI发动机喷油器柔性介入控制装置，包括喷油脉宽采集模块、介入控制模块、微处理器模块和喷气阀驱动模块，其中，微处理器模块分别与喷油脉宽采集模块、介入控制模块和喷气阀驱动模块连接，喷油脉宽采集模块还与汽油ECU连接，介入控制模块还分别与汽油ECU和喷油器连接，喷气阀驱动模块还与喷气阀连接。
更优地，该GDI发动机喷油器柔性介入控制装置可以集成在燃气ECU内部。
如图2所示，GDI发动机喷油器柔性介入控制装置的介入控制模块包括第一电阻R1和开关器件芯片K，喷油脉宽采集模块包括比较器芯片D；比较器芯片D的输出端与微处理器模块的喷油脉宽信号输入端连接，比较器芯片D的负输入端与基准电压连接，第一电阻R1一端分别与比较器芯片D的正输入端、汽油ECU的喷油驱动信号输出端和开关器件芯片K的第一输出端连接，第一电阻R1的另一端分别与喷油器的喷嘴线圈F1一端和开关器件芯片K的第二输出端连接，开关器件芯片K的输入端与微处理器模块的喷油截断信号输出端连接，喷油器的喷嘴线圈F1的另一端连接外接电源V_RLY。
具体的，GDI发动机在烧油模式下，微处理器模块输出的喷油截断信号关闭，介入控制模块中的开关器件芯片K导通，输入的喷油驱动信号和输出的截断后的喷油驱动信号一致，此时GDI发动机汽油ECU输出的喷油器驱动信号正常驱动喷油器，GDI发动机工作在烧油模式下。同时微处理器模块通过喷油脉宽采集模块实时采集汽油ECU输出的喷油驱动信号的喷油脉宽，监控汽油ECU在不同工况下的喷油量。在该模式下采集喷油信号，记录喷油量，方便标定人员观看，也为掺烧模式下的截断信号做参考，例如如果此前为低脉宽的喷油量，那么在转掺烧模式时截断信号就不能太长。
如图3所示，当切换到掺烧天然气模式下时，微处理器模块给出相应一定量脉宽的喷油截断信号，该喷油截断信号打开脉宽会覆盖一定量的喷油驱动信号，控制介入模块中开关器件芯片K关断，被覆盖一定量后的喷油驱动信号只能通过第一电阻R1(截断电阻)驱动喷油器的汽油喷嘴。因为有第一电阻R1(截断电阻)的存在，使得该路电流变小不足以驱动汽油喷嘴打开，该部分汽油喷嘴关断。并且因为第一电阻R1(截断电阻)上依旧有压降产生，汽油ECU也可以通过反馈采集到完整的喷油信号脉宽，故不会报出故障。未被截断部分的汽油喷嘴驱动信号依旧可以驱动汽油喷嘴工作，只是喷油脉宽减小。
微处理器模块给出的一定量脉宽的喷油截断信号是根据标定数据来的，每个工况下，在既保证经济性(喷气量越多越好，即截断比例越长越好)又保证动力性(参数天然气不能太大)情况下最合适截断信号是多少，通过不断的实车实验记录下来形成一个一一对应的数据库(MAP)，这是时候就可以根据不同工况选取不同截断信号脉宽。多少的汽油燃烧能达到的动力效果，需要多少天然气来代替，这些数据一一对应的记录为一个数据库(MAP)里。
在燃气掺烧模式下，减少的喷油量将通过微处理器模块驱动一定脉宽的天然气代替。在该模式下，因为在喷油截断时间内，喷油驱动信号只是通过第一电阻R1(截断电阻)驱动汽油喷嘴，微处理器模块依旧可以采集汽油ECU给出的完整的喷油驱动脉宽，从而实时的调节截断喷油信号的脉宽，和给出相应的喷气信号，从而实现以天然气为主要燃料，汽油为辅助燃料的油气掺烧模式，提高燃料热效率，减小燃料成本，在经济性和动力性上显著提升。
具体的，该实施例采用的开关器件芯片K响应快，延迟时间小，响应时间，延迟时间都是ns级别的，所以在一个ms级别的喷射脉宽内，能够很容易精确的截断部分喷油信号。
如图4所示，为本发明实施例提供的GDI发动机喷油器柔性介入控制装置的喷气阀驱动模块电路原理图，该喷气阀驱动模块与喷气阀的激励线圈F2一端连接，具体的，喷气阀驱动模块包括：
低位开关Q1：包括第一端子a、第二端子b和第三端子c，第一端子a连接低位驱动电源，第二端子b与喷气阀的激励线圈F2一端连接，第三端子c接地；
高位开关Q2：包括第四端子d、第五端子e和第六端子f，第四端子d与第一二极管D1负极连接，第一二极管D1正极与低位开关Q1的第二端子b连接，第五端子e连接外接电源，第六端子f通过第二电阻R2与三极管T集电极连接，三极管T发射极接地，三极管T基集通过第三电阻R3与高位驱动电源连接；
续流器：包括并联的第二二极管D2和第四电阻R4，并联后的一端与第一二极管D1的负极连接，另一端与高位开关Q2的第六端子f连接，其中，第二二极管D2的负极与第一二极管D1的负极连接。
具体地，低位开关包括第一MOS管M1和第三二极管D3，第一MOS管Q1的栅极为第一端子a，漏极为第二端子b，源极为第三端子c，第三二极管D3的正极与第一MOS管M1的源极连接，负极与第一MOS管M1的漏极连接。
具体地，高位开关Q2包括第二MOS管M2和第四二极管D4，第二MOS管M2的栅极为第六端子f，漏极为第五端子e，源极为第四端子d，第四二极管D4的正极与第二MOS管M2的漏极连接，负极与第二MOS管M2的源极连接。
其中，第二二极管D2、第三二极管D3和第四二极管D4均为瞬间抑制二极管。
喷气阀驱动模块电路在工作时，通过对喷气阀的激励线圈F2供电和断电来驱动喷气阀的开启和关断，具体地，当喷气阀驱动模块得到开启命令，喷气阀驱动模块的输入端得到一个工作电压，喷气阀的激励线圈F2通电，当电流上升到一定值时，喷气阀的阀芯打开，喷气阀开启，当喷气阀驱动模块得到关断命令，喷气阀驱动模块断电，喷气阀的激励线圈F2的电流迅速减小，当电流减小到一定值时，喷气阀的阀芯关闭，喷气阀关断。具体到电路结构，当喷气阀驱动模块的输入端得到一个工作电压，低位开关Q1和高位开关Q2分别在低位驱动电源和高位驱动电源的控制下同时打开，对喷气阀的激励线圈F2进行充电，随着喷气阀的激励线圈F2的电流迅速增加，喷气阀的阀芯迅速打开，这个过程中，低位驱动电源一直保持高电平保证喷气阀的阀芯完全打开后，低位驱动电源转变为PWM闭环控制使喷气阀的激励线圈F2的电流维持在一个较小的额定值，该较小的额定电流可以使阀芯一直处于完全开启状态，这样做的目的在于既能保证喷气阀的阀芯处于开启状态又能通过减少喷气阀的激励线圈F2和驱动电路的发热来减少系统功耗，而且可以在得到关断命令时使喷气阀的激励线圈F2迅速断电，阀芯迅速关闭切断燃气。从喷气阀得到开启命令开始，一直到喷气阀得到关断命令前，这个过程中高位开关Q2一直处于开启状态，当低位开关Q1由高电平转为PWM闭环控制后，低位开关Q1在不断地开启和关断，在低位开关Q1处于关断状态时，高位侧就可以作为能量泄放通道使喷气阀驱动模块电路保持正常工作，当喷气阀的激励线圈F2得到关断命令时，低位开关Q1和高位开关Q2同时关断，此时喷气阀的激励线圈F2电流迅速减小，不管在低位侧还是高位侧，都会产生一个非常高的尖峰电压，因此，在高位侧设置的续流器可以在高位开关Q2关闭时为尖峰电流提供一个回路，防止大电流或大电压损坏电路中的元器件，低位侧的低位驱动需要在尖峰电压超过安全值时打开低位开关Q1，为这部分能量提供泄放通道，防止大电流或大电压损坏电路中的元器件。
如图5所示，本发明实施例还提供一种GDI发动机喷油器柔性介入控制方法，包括：介入控制模块接收汽油ECU发出的喷油驱动信号；介入控制模块监测是否收到微处理器模块输出的喷油截断信号，若否，则介入控制模块输出喷油驱动信号到喷油器；若是，则介入控制模块输出截断后的喷油驱动信号到喷油器。
其中，介入控制模块输出喷油驱动信号到喷油器的方法，包括：介入控制模块的开关器件芯片导通，介入控制模块通过开关器件芯片输出喷油驱动信号到喷油器。
其中，介入控制模块输出截断后的喷油驱动信号到喷油器的方法，包括：介入控制模块的开关器件芯片关断，介入控制模块通过第一电阻输出截断后的喷油驱动信号到喷油器。
具体的，GDI发动机喷油器柔性介入控制方法还包括：喷油脉宽采集模块采集汽油ECU输出的喷油脉宽信号输入到微处理器模块。
具体的，GDI发动机喷油器柔性介入控制方法还包括：微处理器模块输出喷气控制信号到喷气阀驱动模块。
具体的，GDI发动机喷油器柔性介入控制方法还包括：喷气阀驱动模块输出喷气驱动信号到喷气阀。
本申请提供的技术方案特点在于介入控制GDI发动机喷油器工作状态后，不影响GDI发动机正常的油燃烧模式，GDI发动机无任何报故障现象，并且按照不同工况需求，可以精确的截断汽油喷嘴喷油脉宽，通过减小喷油器打开时间来控制喷油量，减少的喷油量将用相对应的天然气代替。在整个过程中无论燃油模式还是掺烧燃气模式下，GDI发动机喷油脉宽采集正常，不会因为在燃气模式下汽油喷嘴被截断而减小，GDI发动机无任何报故障现象。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种GDI发动机喷油器柔性介入控制装置，其特征在于，包括喷油脉宽采集模块、介入控制模块、微处理器模块和喷气阀驱动模块，其中，所述微处理器模块分别与所述喷油脉宽采集模块、所述介入控制模块和所述喷气阀驱动模块连接，所述喷油脉宽采集模块还与汽油ECU连接，所述介入控制模块还分别与汽油ECU和喷油器连接，所述喷气阀驱动模块还与喷气阀连接；
其中，所述介入控制模块包括第一电阻(R1)和开关器件芯片(K)，所述喷油脉宽采集模块包括比较器芯片(D)；所述比较器芯片(D)的输出端与微处理器模块的喷油脉宽信号输入端连接，所述比较器芯片(D)的负输入端与基准电压连接，所述第一电阻(R1)一端分别与所述比较器芯片(D)的正输入端、汽油ECU的喷油驱动信号输出端和开关器件芯片(K)的第一输出端连接，所述第一电阻(R1)的另一端分别与喷油器的喷嘴线圈(F1)一端和开关器件芯片(K)的第二输出端连接，所述开关器件芯片(K)的输入端与微处理器模块的喷油截断信号输出端连接。
2.根据权利要求1所述的GDI发动机喷油器柔性介入控制装置，其特征在于，所述喷气阀驱动模块包括：
低位开关(Q1)：包括第一端子(a)、第二端子(b)和第三端子(c)，第一端子(a)连接低位驱动电源，第二端子(b)与喷气阀的激励线圈(F2)一端连接，第三端子(c)接地；
高位开关(Q2)：包括第四端子(d)、第五端子(e)和第六端子(f)，第四端子(d)与第一二极管(D1)负极连接，第一二极管(D1)正极与低位开关(Q1)的第二端子(b)连接，第五端子(e)连接外接电源，第六端子(f)通过第二电阻(R2)与三极管(T)集电极连接，三极管(T)发射极接地，三极管(T)基集通过第三电阻(R3)与高位驱动电源连接；
续流器：包括并联的第二二极管(D2)和第四电阻(R4)，并联后的一端与第一二极管(D1)的负极连接，另一端与高位开关(Q2)的第六端子(f)连接，其中，第二二极管(D2)的负极与第一二极管(D1)的负极连接。
3.根据权利要求1所述的GDI发动机喷油器柔性介入控制装置，其特征在于，所述GDI发动机喷油器柔性介入控制装置集成在燃气ECU内部。
4.一种基于权利要求1-3中任一项所述GDI发动机喷油器柔性介入控制装置的GDI发动机喷油器柔性介入控制方法，其特征在于，包括：
介入控制模块接收汽油ECU发出的喷油驱动信号；
介入控制模块监测是否收到微处理器模块输出的喷油截断信号，若否，则介入控制模块输出喷油驱动信号到喷油器；若是，则介入控制模块输出截断后的喷油驱动信号到喷油器。
5.根据权利要求4所述的GDI发动机喷油器柔性介入控制方法，其特征在于，所述介入控制模块输出喷油驱动信号到喷油器的方法，包括：
所述介入控制模块的开关器件芯片导通，所述介入控制模块通过所述开关器件芯片输出喷油驱动信号到喷油器。
6.根据权利要求4所述的GDI发动机喷油器柔性介入控制方法，其特征在于，所述介入控制模块输出截断后的喷油驱动信号到喷油器的方法，包括：
所述介入控制模块的开关器件芯片关断，所述介入控制模块通过第一电阻输出截断后的喷油驱动信号到喷油器。
7.根据权利要求4所述的GDI发动机喷油器柔性介入控制方法，其特征在于，还包括：喷油脉宽采集模块采集汽油ECU输出的喷油脉宽信号输入到微处理器模块。
8.根据权利要求4所述的GDI发动机喷油器柔性介入控制方法，其特征在于，还包括：微处理器模块输出喷气控制信号到喷气阀驱动模块。
9.根据权利要求4所述的GDI发动机喷油器柔性介入控制方法，其特征在于，还包括：喷气阀驱动模块输出喷气驱动信号到喷气阀。
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