图1  柱塞式高压油泵结构

汽车工业的高速发展存在两个问题：能源危机和环境污染。缸内直喷汽油机的稀薄燃烧是解决上述问题的有效手段，而对直喷汽油机供油系统中的高压油泵的精确控制则是实现汽油缸内直接喷射的关键。

燃油喷射压力是汽油直喷发动机缸内混合气进行控制的重要因素。汽油机缸内直喷方式需要有两个以上的工作模式为发动机在整个运行工况范围内提供雾化良好的可燃混合气。全负荷工况时，期望燃油扩散充分以保证在最大油量时形成油、气的均匀预混合，这一般通过在进气冲程内进行燃油喷射来实现；部分负荷时，期望在压缩行程后期，即活塞接近上止点时进行快速喷射，并形成紧凑的、雾化良好的混合气分层，由于要克服此时缸内高达0.6～1.8 MPa左右的压力，喷射压力必然要比进气道喷射方式高得多。同时，缸内直接喷射技术要实现混合气的分层控制，就要保证燃油喷射时刻与缸内气流运动的精确配合，在相对较小的时间窗口内以较高的压力完成喷油，并保证精确的供油量控制，这些都建立在对直喷汽油机的轨压控制的基础上。

图2  高压油泵电磁阀驱动控制波形

要满足轨压控制的要求，目前常见的系统包括能够建立高压的机构以及具有较好的受控特性的电磁阀，其核心就是要结合控制算法对该电磁阀进行控制。

高压泵驱动控制仿真研究

1. 柱塞式高压油泵的工作原理

柱塞式高压油泵的结构如图1所示，不需要高压油泵供油时，电磁阀线圈不通电，电磁阀体处于打开状态，泵腔与低压油腔联通，使得泵腔内燃油始终保持低压状态，此时柱塞的运动不影响泵腔内的燃油压力，单向阀无法打开。高压油泵只有在柱塞上行时才能泵油，柱塞受驱动凸轮的作用向上运动，电磁阀线圈通电，电磁阀体受到电磁力的作用向左运动，隔断低压油腔和泵腔。由于柱塞上行，泵腔容积减小，燃油压力升高，单向阀被高压燃油打开，燃油流入高压油腔。

图3  高压油泵电磁阀及其驱动模块模型

通过这样的工作方式，高压油泵就可以将低压燃油腔内的燃油提高压力，并送入高压油腔，结合适当的控制方式，就可以获得燃油缸内直接喷射所需的油压。

2. 柱塞式高压油泵控制信号

高压油泵电磁阀的物理特性为：内阻1 Ω，电感895 μH。其控制信号如图2所示，共分为4个阶段。

图4  控制模块子模型

（1）A-B段 A-B段电压通常称作开路电压，其值相当于提供给电磁阀的系统电压，在发动机正常运转时，系统电压可视为12 V。A-B段电压值非常重要，若该值偏低，电磁阀将得不到足够的电流使电磁线圈达到磁饱和，致使开阀时间延长，性能变差，该段时间为480 μm。

（2）B-C段 B-C段为一段PWM信号，用于维持电磁阀的开启状态。PWM维持脉冲电压为12 V，PWM电压脉冲的占空比影响维持电流的大小，电流太大不利于电磁阀快速释放且导致油泵温升，电流太小可能维持不了电磁阀开启。PWM电压脉冲产生的维持电流的数值在满足电磁阀维持开启的条件下应尽可能小，以加快电磁阀的释放速度和降低油泵温升。PWM电压脉冲的频率影响维持电流稳定值的波动范围，维持电流波动范围大则使电磁阀不能维持开启或持续发生跳动，但要使维持电流波动范围小须采用较高的PWM脉冲频率。该段原机PWM信号周期为260 μm，占空比约为50%，共经历24个周期，时间为6.24 ms。

图5  电磁阀线圈模块子模型

（3）C-D段 C-D段电磁阀线圈自由释放能量，但此时电磁阀应仍旧保持开启状态，该段时间为550 μm。

（4）D-E段 D-E段对应驱动电路的截止(即电磁阀关闭)时刻，该段驱动电路截止时电磁阀线圈会产生反向感应电动势，应施加反向驱动电压使电磁阀迅速关闭，相应的线圈电流平均值为3 A。

图6  线圈电流仿真结果

3. 电磁阀的Simulink模型建立

基于以上参数，应用MATLAB/ Simulink建立高压油泵电磁阀及其驱动模块模型如图3所示。

该模型包含子模型控制模块（见图4）和电磁阀线圈模块（见图5）。

图7  高压油泵驱动电路

应用上述模型对高压油泵电磁阀驱动模块进行仿真，控制电压信号与原机相同，获得的线圈电流如图6所示。

该电流结果符合电磁阀的驱动要求，可应用于高压油泵的电磁阀控制。

图8  高压油泵驱动电路器件

控制系统硬件电路设计

根据高压油泵电磁阀的驱动要求，可将控制信号分为三部分：第一部分对应控制信号A-B段，为一段高电平控制信号，历时480 μm；第二段对应PWM信号部分，该部分信号周期为260 μm，占空比约为50%；第三部分为反向控制信号，用于快速关闭电磁阀。

图9  H桥驱动电路原理图

在驱动电路硬件设计过程中，考虑到对电路的保护，必须增加吸收反向电动势的器件部分，而该部分电路会导致驱动信号第三部分的失效；而吸收反向电动势的器件部分恰好可以吸收电磁阀线圈内部能量，起到了第三部分反向控制信号的作用，并可简化硬件电路的设计，基于以上考虑，取消第三部分反向控制信号，仅保留前两部分。

电磁阀驱动电路应能够将微处理器的两个弱控制信号转为12 V控制信号，且控制电流应保证能够维持在3 A左右。基于以上考虑，设计高压油泵驱动电路如图7所示。

图10  L298响应特性曲线

该驱动电路可分为三个部分：其中，第一部分的主要器件为一组串联反相器，这部分如图8（a）所示，可视为电路的第一级驱动，主要任务是将微处理器的弱控制信号进行第一步放大，并送入第二级驱动电路。

第二部分如图8（b）所示，主要器件为一组H桥驱动电路。该部分的任务是将第一级驱动的信号再次放大，以便达到高压油泵电磁阀的驱动要求。为保证信号质量，在供电段增加了抗干扰处理。其原理如图9所示，其中逻辑门电路由Vss供电，电压为5 V，驱动电路由Vs供电，电压为12 V。以通路1为例，当使能信号送至EnA端口（EnA端口高电平状态），同时将控制信号送至In1端口时（In1端口高电平状态），通路1上侧MOS管导通，而下侧MOS管为高阻抗状态，Out1端口为12 V供电状态；当撤销In1端口的控制信号（In1端口低电平状态），通路1上侧MOS管为高阻抗状态，而下侧MOS管导通，Out1端口接地。当撤销使能信号（EnA端口低电平状态）时，Out1端口不使能。

图11  各缸喷油控制信号以及高压油泵控制信号及其时序

该器件工作电压可达50 V，额定工作电流3 A。其响应特性如图10所示，当使能端施加4 V电压，工作电流2 A时，响应延迟如表所示。

基于以上参数，该器件能够满足驱动电路要求。

图12  发动机起动转速曲线

第三部分如图8（c）所示，这部分电路仅有两个器件，分别为限流电阻和反向串联的快速恢复二极管。这部分电路对驱动电路的可靠性至关重要。若没有这部分电路，当驱动信号由高电平向低电平变化时，相当于将回路断开，此时电磁阀线圈将产生一个反向电动势，且这部分能量不能快速释放，并不断累积，最终将导致器件损坏，甚至损坏电磁阀线圈。

系统实验研究

本文将该高压油泵控制系统应用于EA888直喷汽油机，并结合起动控制试验验证了该系统的有效性。在试验过程中，各缸喷油控制信号以及高压油泵控制信号及其时序如图11所示，节气门开度设置为6°。

基于以上参数，并结合适当的控制算法，获得发动机起动过程转速曲线如图12所示。

由图12可见，结合该高压油泵控制系统，发动机起动过程迅速、平顺，进入怠速后转速稳定，结果较为理想。

结论

本文针对直喷汽油机供油系统中的高压油泵进行了工作特性分析及仿真，结合其电磁阀的特点设计了硬件驱动电路，并结合发动机的起动过程试验进行了该系统有效性的验证，实验结果满足要求，该系统能够满足直喷汽油发动机的控制要求，为直喷汽油轨压控制提供了一个有效的工具。