УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ИНЖЕКТОРОМ
INJECTOR CONTROL DEVICE

Изобретение относится к устройству управления инжектором двигателей внутреннего сгорания, которые используют в качестве топлива бензин и светлые нефтепродукты и может быть использовано в легковых и грузовых автомобилях, строительной и сельскохозяйственной технике, тепловозах и судах промышленного и военного назначения.
Известно устройство управления инжектором (Системы управления дизельными двигателями. Перевод с немецкого ЗАО КЖИ «За рулем», 2004 г., стр. 389, 390, рис. 4, 5), содержащее аккумуляторную батарею, выключатель аккумуляторной батареи, инжектор, выключатель бустерного конденсатора, бустерный конденсатор, диод подзарядки бустерного конденсатора, переключатель выбора цилиндра.
В известном устройстве управления инжектором для резкого увеличения тока используется бустерный конденсатор. Для заряда и последующей перезарядки бустерного конденсатора в момент между впрыскиваниями через закрытый инжектор требуется сформировать ток, достаточный для заряда конденсатора до необходимой величины напряжения, и при этом должно обеспечиваться гарантированное закрытие инжектора.
Известное устройство управления инжектором имеет недостаток, состоящий в использовании бустерного конденсатора, которому требуется схема для его заряда, что делает сложным обеспечение гарантированного управления инжектором.
Известно устройство управления инжектором (патент JP 2008169762, MПК F02D 41/20, F02M 51/06, 24.07.2008), содержащее повышающую схему, первый полевой транзистор, второй полевой транзистор, первый диод, второй диод, третий полевой транзистор, блок управления полевыми транзисторами.
Известное устройство управления инжектором имеет недостаток, состоящий в сложности контроля величины тока протекающего через инжектор. Так, в случае увеличения напряжения источника питания величина тока может превысить верхнюю заданную границу, то есть ток, протекающий через инжектор, больше не может быть отрегулирован в пределах верхней и нижней границ. Тем самым усложняется задача сохранить открытый клапан инжектора в заданном положении.
Известно устройство управления инжектором (патент US 2012194961, МПК Н01Н 47/00, 02.08.2012), выбранное в качестве прототипа, содержащее повышающую схему, три переключающих устройства, три диода, блок управления переключающими устройствами.
Недостатком прототипа является наличие сложной системы переключающих устройств, что повышает вероятность отказа устройства в процессе работы в целом и снижает надежность устройства. Известное устройство требует использования сложного алгоритма управления каждым из переключающих устройств, что понижает скорость отклика инжектора на команду управляющего устройства.
Технической задачей заявляемого изобретения является повышение надежности работы устройства, уменьшение габаритно-массовых характеристик и увеличение быстродействия.
Для решения поставленной задачи предлагается устройство управления инжектором, содержащее схему управления, соединенную с задающей схемой, которая включает в себя источник постоянного напряжения, общую шину, устройство для повышения напряжения, шунтирующий резистор и схему управления полевым транзистором. Задающая схема также содержит полевой транзистор, что повышает надежность работы заявляемого устройства и уменьшает его габаритно-массовые характеристики за счет упрощения задающей схемы. Схема управления полевым транзистором содержит схему измерения тока, дроссель, драйвер тока затвора, формирователь импульсов, генератор, управляемый напряжением, усилитель рассогласования, аналоговый коммутатор, микроконтроллер. Микроконтроллер содержит аналого-цифровой преобразователь, соединенный со схемой управления универсальный асинхронный приемопередатчик, таймер и соединенный с входами аналогового коммутатора цифроаналоговый преобразователь. При этом выход аналогового коммутатора соединен с неинвертирующим входом усилителя рассогласования, на инвертирующий вход которого присоединен выход схемы измерения тока. Выход усилителя рассогласования соединен с входом генератора, управляемого напряжением, выход которого через формирователь импульсов соединен с входом драйвера тока затвора, выход которого соединен с затвором полевого транзистора, сток которого соединен с одним из выводов дросселя, второй вывод которого подключен к источнику постоянного напряжения. Сток полевого транзистора также подключен к устройству для повышения напряжения, подключенному к одному из выводов шунтирующего резистора, соединенного со схемой измерения тока. Выход схемы измерения тока соединен с входом аналого-цифрового преобразователя. Второй вывод шунтирующего резистора соединен с одним из выводов инжектора, второй вывод инжектора соединен с устройством для повышения напряжения, истоком полевого транзистора и общей шиной.
Таймер представляет собой шестнадцатиразрядный счетчик с возможностью выбора источника тактирования.
В качестве устройства для повышения напряжения может быть использован двухзвенный умножитель напряжения. В зависимости от необходимой величины силы тока и для скорости открытия инжектора выбирается необходимая величина напряжения, получаемого от устройства для повышения напряжения, представляющего умножитель напряжения, и определяется его кратность. В случае если требуется повысить напряжение в два раза, может быть использован двухзвенный умножитель напряжения.
Двухзвенный умножитель напряжения содержит два конденсатора и два диода, причем один из выводов второго конденсатора подключен к стоку полевого транзистора, второй вывод второго конденсатора подключен к аноду второго диода и к катоду первого диода, кроме того, катод второго диода подключен к общей шине, анод первого диода подключен к одному из выводов первого конденсатора, второй вывод первого конденсатора подключен к общей шине.
Заявляемое устройство осуществляет управление инжектором за счет применения аппаратных средств, которые работают по более простому алгоритму, что увеличивает быстродействие устройства для управления инжектором.
На фиг. 1 показана структурная схема устройства управления инжектором.
На фиг. 2 показана временная диаграмма, отображающая функционирование устройства управления инжектором.
На фиг. 1 показано:
1 - инжектор;
2 - задающая схема;
3 - шунтирующий резистор;
4 - первый конденсатор;
5 - первый диод;
6 - второй диод;
7 - общая шина;
8 - второй конденсатор;
9 - устройство для повышения напряжения;
10 - источник постоянного напряжения;
11 - полевой транзистор;
12 - дроссель;
13 - схема измерения тока;
14 - генератор, управляемый напряжением (ГУН);
15 - формирователь импульсов;
16 - драйвер тока затвора;
17 - усилитель рассогласования;
18 - аналоговый коммутатор;
19 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
20 - таймер;
21 - цифроаналоговый преобразователь (ЦАП);
22 - универсальный асинхронный приемопередатчик (УАПП);
23 - микроконтроллер;
24 - схема управления полевым транзистором;
25 - схема управления.
Устройство управления инжектором содержит схему управления 25, соединенную с задающей схемой 2, которая включает в себя источник постоянного напряжения 10, общую шину 7, полевой транзистор 11, устройство для повышения напряжения 9, шунтирующий резистор 3 и схему управления полевым транзистором 24.
Схема управления полевым транзистором 24 содержит схему измерения тока 13, дроссель 12, драйвер тока затвора 16, формирователь импульсов 15, генератор, управляемый напряжением, 14, усилитель рассогласования 17, аналоговый коммутатор 18, микроконтроллер 23.
Микроконтроллер 23 содержит аналого-цифровой преобразователь 19, соединенный со схемой управления 25 универсальный асинхронный приемопередатчик 22, таймер 20 и соединенный с входами аналогового коммутатора 18 цифроаналоговый преобразователь 21. При этом выход аналогового коммутатора 18 соединен с неинвертирующим входом усилителя рассогласования 17, на инвертирующий вход которого присоединен выход схемы измерения тока 13.
Выход усилителя рассогласования 17 соединен с входом генератора, управляемого напряжением, 14, выход которого через формирователь импульсов 15 соединен с входом драйвера тока затвора 16, выход которого соединен с затвором полевого транзистора 11, сток которого соединен с одним из выводов дросселя 12, второй вывод которого подключен к источнику постоянного напряжения 10. Сток полевого транзистора 11 также подключен к устройству для повышения напряжения 9, подключенному к одному из выводов шунтирующего резистора 3, соединенного со схемой измерения тока 13. Выход схемы измерения тока 13 соединен с входом аналого-цифрового преобразователя 19. Причем второй вывод шунтирующего резистора 3 соединен с одним из выводов инжектора 1, второй вывод инжектора 1 соединен с устройством для повышения напряжения 9, истоком полевого транзистора 11 и общей шиной 7.
Инжектор 1 представлен в виде эквивалентной схемы, состоящей из дросселя 1L и внутреннего паразитного резистора 1R, обычно имеющего паразитное сопротивление в несколько ом, соединенных последовательно.
Таймер 20 представляет собой шестнадцатиразрядный счетчик с возможностью выбора источника тактирования, что позволяет задать требуемую длительность сигналов 20а, 20b, а также период их следования.
Устройство для повышения напряжения 9 выполнено в виде двухзвенного умножителя напряжения.
Умножитель напряжения содержит два конденсатора 4, 8 и два диода 5, 6, причем один из выводов конденсатора 8 подключен к стоку полевого транзистора 11, второй вывод конденсатора 4 подключен к аноду диода 6 и к катоду диода 5, кроме того, катод диода 6 подключен к общей шине 7, анод диода 5 подключен к одному из выводов конденсатора 8, второй вывод конденсатора 4 подключен к общей шине 7.
Функционирование устройства управления инжектором происходит следующим образом.
Задающая схема 2 контролирует подачу питания на инжектор 1 через команду от схемы управления 25. Схема управления 25 формирует для управления инжектором 1 время начала подачи топлива и ее длительность, передает эти данные в задающую схему 2 по магистральной линии связи 25а.
Микроконтроллер 23 принимает по линии связи 25а сигнал с помощью универсального асинхронного приемопередатчика 22. Таймер 20 микроконтроллера 23 формирует сигнал 20а длительностью, необходимой для фазы открытия инжектора 1, или сигнал 20b длительностью, необходимой для фазы удержания инжектора 1. Цифроаналоговый преобразователь 21 микроконтроллера 23 формирует напряжения 21а, 2lb, которое соответствует заданной величине тока для работы инжектора. Напряжение 21а соответствует величине тока в момент фазы открытия инжектора 1, напряжение 21b соответствует величине тока в момент фазы удержания инжектора 1.
Аналоговый коммутатор 18 в зависимости от сигналов фазы открытия инжектора 20а, фазы удержания инжектора 20b подключает соответствующее напряжение 21а или 21b к неинвертирующему входу усилителя рассогласования 17, на инвертирующий вход которого поступает напряжение сформированное схемой измерения тока 13.
Схема измерения тока 13 определяет величину тока инжектора 1, протекающего через шунтирующий резистор 3, и формирует напряжение.
Усилитель рассогласования 17 формирует напряжение, соответствующее разнице напряжений с выхода аналогового коммутатора 18 и схемы измерения тока 13, которое поступает на вход генератора, управляемого напряжением, 14. Генератор, управляемый напряжением, 14 вырабатывает управляющее напряжение с частотой в зависимости от входного напряжения. Частота с генератора, управляемого напряжением, 14 через формирователь импульса 15 поступает на драйвер тока затвора 16 для открывания полевого транзистора 11.
Устройство для повышения напряжения 9 увеличивает напряжение от источника постоянного напряжения 10. В момент закрытия полевого транзистора 11 заряжается второй конденсатор 8 через дроссель 12 и второй диод 6. В момент открытия полевого транзистора 11 происходит фаза накопления энергии дросселя 12. В этой фазе верхний (по схеме) вывод дросселя 12 скоммутирован к источнику постоянного напряжения 10 полевым транзистором 11. В этот же момент происходит разряд второго конденсатора 8 и заряд первого конденсатора 4. С учетом напряжения, накопленного на втором конденсаторе 8, напряжение на первом конденсаторе 4 получается с удвоенной величиной напряжения источника постоянного напряжения 10. В момент закрытия полевого транзистора 11 происходит фаза передачи энергии дросселя 12 через устройство для повышения напряжения 9 в инжектор 1.
Схема измерения тока 13 преобразует величину тока инжектора 1, протекающего через шунтирующий резистор 3, в напряжение. Усилителем рассогласования 17 это напряжение сравнивается с опорным, формируемым через аналоговый коммутатор 18 цифроаналоговым преобразователем 21. Также сигнал с выхода схемы измерения тока 13 поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 19, что позволяет контролировать величину тока инжектора микроконтроллером 23.
Далее объясняется функционирование устройства управления инжектором согласно временной диаграмме фиг. 2.
На фиг. 2 показано:
(A) - фаза открытия инжектора;
(B) - фаза удержания инжектора;
(C) - ток инжектора;
(D) - напряжение на затворе полевого транзистора;
(E) - напряжение на инжекторе.
Форма кривой тока инжектора включает в себя 5 участков:
Р1 - время открытия инжектора при максимальном токе;
Р2 - время задержки максимального тока;
Р3 - время перехода к фазе удержания;
Р4 - время фазы удержания инжектора;
Р5 - время закрытия инжектора.
Таймер 20 микроконтроллера 23 формирует сигнал фазы открытия инжектора 20а согласно фиг. 2(А) с заданной длительностью импульса (Тимп.1 на фиг. 2), сигнал удержания инжектора 20b выключен. Аналоговый коммутатор 18 прикладывает к неинвертируемому входу усилителя рассогласования 17 напряжение 21а, соответствующее величине максимального тока инжектора 1. Напряжение на входе генератора, управляемого напряжением, 14 максимально, тем самым формируются импульсы в виде меандра с максимальной частотой, длительностью, заданной формирователем импульсов 15, которые через драйвер тока затвора 16 управляют включением полевого транзистора 11. Начинается период открытия инжектора при максимальном токе - участок Р1 фиг. 2 (С). В течение периода Р1 повышенное напряжение, полученное при помощи устройства для повышения напряжения 9, прикладывается к инжектору 1, тем самым резко повышает ток инжектора 1 до заданной цифроаналоговым преобразователем 21 верхней границей максимального тока - сигнал 21а.
Когда ток инжектора 1 достигает заданной верхней границы максимального тока, начинается время задержки максимального тока Р2. На данном участке напряжение на обоих входах усилителя рассогласования 17 примерно равно. Напряжение на входе генератора, управляемого напряжением, 14 минимально, частота управляющих импульсов снижается, время паузы полевого транзистора 11 увеличивается, поддерживая при этом величину максимального тока инжектора 1. Верхняя граница максимального тока (Iр2 на фиг. 2) и нижняя граница максимального тока (Ip1 на фиг. 2) поддерживаются на аппаратном уровне при непрерывном сравнении величины тока, протекающего через инжектор 1, с заданной величиной тока (Ip0 на фиг. 2), формируемой цифроаналоговым преобразователем 21.
После того как инжектор 1 полностью открыт, начинается время перехода к фазе удержания инжектора - участок Р3. Таймер 20 микроконтроллера 23 выключает сигнал фазы открытия инжектора 20а, формирует сигнал удержания инжектора 20b, с заданной длительностью импульса (Тимп.2 на фиг. 2). Аналоговый коммутатор 18 прикладывает к неинвертируемому входу усилителя рассогласования 17 напряжение 21b, соответствующее величине тока удержания инжектора 1. Напряжение на входе генератора, управляемого напряжением, 14 близко к нулю, генератор, управляемый напряжением, 14 выключен до момента выравнивания напряжения на обоих входах усилителя рассогласования 17, соответственно полевой транзистор 11 выключен.
На участке Р4 напряжение на обоих входах усилителя рассогласования 17 примерно равно. Напряжение на входе генератора, управляемого напряжением, 14 минимально, частота управляющих импульсов минимальна, время паузы полевого транзистора 11 максимально, при этом поддерживается величина тока удержания инжектора 1. Верхняя граница тока удержания (If2 на фиг. 2) и нижняя граница тока удержания (If2 на фиг. 2) поддерживаются на аппаратном уровне при непрерывном сравнении величины тока, протекающего через инжектор 1, с заданной величиной тока (If0 на фиг. 2), формируемой цифроаналоговым преобразователем 21.
На участке Р5 происходит закрытие инжектора 1, сигналы фазы открытия инжектора 20а и сигнал фазы удержания инжектора 20b выключены, ток устанавливается в нулевом значении.
Далее цикл управления инжектором 1 повторяется с частотой (1/f таймера на фиг. 2), заданной таймером 20.
В предлагаемом устройстве управления инжектором ток инжектора постоянно контролируется и сравнивается с заданной микроконтроллером величиной, при этом обеспечивается устойчивый контроль на аппаратном уровне.
Таким образом, заявляемое устройство повышает надежность управления инжектором, направлено на уменьшение габаритно-массовых параметров устройства для управления инжектором, а также увеличивает быстродействие управления инжектором.
Повышение надежности работы устройства (уменьшение вероятности отказа устройства в процессе работы), уменьшение габаритно-массовых характеристик обеспечиваются за счет упрощения задающей схемы. Быстродействие управления инжектором обеспечивается за счет упрощения алгоритма управления полевым транзистором и использования аппаратных средств.