電控汽油噴射器參數(shù)優(yōu)化及性能測(cè)試研究

郭 輝 張振東 孫躍東 高 蔚

1.上海理工大學(xué)，上海，200093 2.上海工程技術(shù)大學(xué)，上海，201620

0 引言

目前，國(guó)外已開(kāi)發(fā)出缸內(nèi)直噴的汽油噴射器，并已配車使用［1］。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)柴油機(jī)噴油器的設(shè)計(jì)改進(jìn)已取得一定成果［2］，就對(duì)汽油噴射器的研究而言，已掌握電控汽油多點(diǎn)噴射器的動(dòng)態(tài)工作過(guò)程，進(jìn)行了部分的改進(jìn)設(shè)計(jì)工作［3－4］。國(guó)內(nèi)某公司基于BOSCH公司的某型噴射器改進(jìn)試制了一批樣品，樣品性能，尤其在動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間方面還稍有欠缺。理論分析表明，電控汽油噴射器的電磁參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)直接影響電磁力的大小及電磁力的上升速率，以至影響噴射器球閥開(kāi)啟與落座的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間［5－7］。在這種情況下，筆者針對(duì)電控汽油噴射器線圈匝數(shù)、噴射器電磁場(chǎng)分布、噴射器工作氣隙厚度及其位置等電磁參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并利用開(kāi)發(fā)的電控汽油噴射器動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及數(shù)學(xué)模型

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電控汽油噴射器如圖1所示，主要由噴管進(jìn)口、導(dǎo)磁體、彈簧頂頭、線圈、鐵芯、銜鐵、噴管主體、球閥、定位環(huán)、閥座、噴孔網(wǎng)、防積碳板等組成。噴射器的球閥和閥座相配合起到閥門的作用，該閥門在電磁力、彈簧力、銜鐵－閥芯重力以及內(nèi)部燃油壓力的共同作用下，打開(kāi)或關(guān)閉燃油通路。定位環(huán)裝在閥座內(nèi)，起導(dǎo)向作用。

圖1 噴射器結(jié)構(gòu)圖

1.2 數(shù)學(xué)模型

電控汽油噴射器電磁線圈的等效電路和等效磁路如圖2所示，其中的球閥受力如圖3所示。根據(jù)電路平衡方程、麥克斯韋爾磁路方程、達(dá)朗貝爾運(yùn)動(dòng)方程（忽略噴射器內(nèi)部流體對(duì)銜鐵、鐵芯等的作用力）可以導(dǎo)出下列描述電控汽油噴射器動(dòng)態(tài)過(guò)程的解析方程組［7－8］：

圖2 等效磁路和等效電路

式中，U0、R、i、ψ分別為等效電路中線圈電壓、線圈電阻、線圈電流、磁鏈；Φδ、μ0、A 分別為等效磁路中磁通（工作氣隙為δ時(shí)）、真空磁導(dǎo)率、氣隙 截 面 積；Fmag、Fsp、Fpres、m、x 分 別為電磁力、彈簧力、燃油壓力、運(yùn)動(dòng)件質(zhì)量、銜鐵—球閥的位移。

圖3 球閥受力示意圖

線圈電阻R與線圈匝數(shù)N、線徑、導(dǎo)線的電阻率有關(guān)。

從式（1）～式（3）可以看出，影響噴射器動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性、銜鐵—閥芯位移x運(yùn)動(dòng)規(guī)律的因素眾多。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，線圈匝數(shù)和線圈電壓對(duì)噴射器的開(kāi)啟時(shí)間影響最大［7］，而當(dāng)噴射器的回位彈簧預(yù)緊力、噴射壓力等參數(shù)不變時(shí)，電磁力及運(yùn)動(dòng)件質(zhì)量直接影響銜鐵—閥芯的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。因此，本文對(duì)線圈匝數(shù)、電磁場(chǎng)分布、工作氣隙厚度及其位置等幾項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以期縮短噴射器開(kāi)啟與關(guān)閉的響應(yīng)時(shí)間。

2 關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化

2.1 線圈匝數(shù)優(yōu)化

電控汽油噴射器本質(zhì)上是一電磁閥，線圈匝數(shù)的多少影響著電磁力的大小和電磁力的上升速率，進(jìn)而影響噴射器閥開(kāi)啟和上升的時(shí)間，即噴射器開(kāi)啟動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。因此，對(duì)噴射器線圈匝數(shù)的優(yōu)化是提高其動(dòng)態(tài)特性的重要手段。

圖4所示為電控汽油噴射器的不同線圈匝數(shù)下電磁力變化曲線。在線圈線徑及所施加電壓不變的前提下，由于電磁線圈匝數(shù)的增加將導(dǎo)致線圈電阻增大，回路中電流降低，使得最終總的電磁力相同，因此，線圈匝數(shù)對(duì)飽和電磁力幾乎沒(méi)有影響。但是，減少線圈匝數(shù)可減小線圈的反電動(dòng)勢(shì)所產(chǎn)生的力，提高電磁力的上升速率，從而改善噴射器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。BOSCH某型噴射器的線圈匝數(shù)為480，本文綜合考慮電磁線圈的響應(yīng)性能及能耗，最終匝數(shù)定為420。

圖4 不同匝數(shù)的線圈電磁力曲線

2.2 電磁場(chǎng)分布優(yōu)化

電控汽油噴射器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)品質(zhì)受電磁力及其上升速率的大小的影響，而電磁場(chǎng)的分布優(yōu)化可以增強(qiáng)電磁效應(yīng)，進(jìn)而提高電磁力的上升速率，以縮短球閥組件開(kāi)啟時(shí)間，提高噴射器的動(dòng)態(tài)特性。

基于噴射器的電磁結(jié)構(gòu)，通過(guò)軟件分析，獲得噴射器的軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度分布，如圖5所示。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，材料的相對(duì)磁導(dǎo)率μ為220時(shí)，整個(gè)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，其中鐵芯和銜鐵處磁感應(yīng)強(qiáng)度最大，在工作氣隙處磁感應(yīng)強(qiáng)度有所減弱。此時(shí)，鐵芯內(nèi)徑與磁感應(yīng)強(qiáng)度變化曲線如圖6所示，工作氣隙間的磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值為0.22T。由圖6中曲線可知，隨著內(nèi)徑的增大，磁感應(yīng)強(qiáng)度

圖5 磁感應(yīng)強(qiáng)度分布

先增后減，中間出現(xiàn)峰值，此處的內(nèi)徑是噴射器鐵芯和銜鐵內(nèi)徑的理想值。

圖6 鐵芯內(nèi)徑與磁感應(yīng)強(qiáng)度變化曲線（μ＝220）

綜上，本文在試制噴射器時(shí)，鐵芯與銜鐵的相對(duì)磁導(dǎo)率選為220，鐵芯內(nèi)徑選為2.7mm（BOSCH噴射器鐵芯內(nèi)徑為3.0mm），以優(yōu)化噴射器的電磁場(chǎng)分布。

2.3 工作氣隙位置及其厚度優(yōu)化

銜鐵與鐵芯之間為工作氣隙，其厚度及位置與噴射器的電磁場(chǎng)性能有著密切的關(guān)系，圖7所示為工作氣隙厚度和磁感應(yīng)強(qiáng)度之間的變化關(guān)系，隨著工作氣隙厚度的增加，磁感應(yīng)強(qiáng)度不斷減小。同時(shí)，若工作氣隙厚度不變，隨著工作氣隙位置向上移動(dòng)，銜鐵增大而鐵芯隨之縮短。這使得銜鐵的質(zhì)量增加，也使得氣隙內(nèi)的電磁力增大。這樣就需要綜合考慮兩者的變化趨勢(shì)，圖8所示為電磁力與銜鐵質(zhì)量的比值隨工作氣隙位置的變化曲線，橫坐標(biāo)0處表示BOSCH某型噴射器工作氣隙位置。在某一位置處，電磁力與銜鐵質(zhì)量的比值達(dá)到最大值，這便是本文試制噴油器時(shí)所選工作氣隙的位置。

圖7 磁感應(yīng)強(qiáng)度隨氣隙厚度的變化關(guān)系

3 動(dòng)態(tài)性能測(cè)試

為驗(yàn)證經(jīng)優(yōu)化改進(jìn)的電控汽油噴射器的動(dòng)態(tài)性能，利用開(kāi)發(fā)的測(cè)試系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行了開(kāi)啟時(shí)間與關(guān)閉時(shí)間的測(cè)試。噴射器動(dòng)態(tài)工作過(guò)程可分為電磁線圈接到驅(qū)動(dòng)脈沖開(kāi)始到球閥達(dá)到最大行程時(shí)的開(kāi)啟過(guò)程、球閥持續(xù)保持開(kāi)啟的全開(kāi)過(guò)程以及從切斷驅(qū)動(dòng)脈沖起到球閥完全回落的關(guān)閉過(guò)程，其電流變化曲線如圖9所示。

圖8 電磁力與銜鐵質(zhì)量比值隨氣隙位置的變化關(guān)系

圖9 電控噴油器工作過(guò)程中電流變化曲線

在O點(diǎn)線圈收到電壓控制信號(hào)，隨后線圈電流按指數(shù)規(guī)律增大，線圈內(nèi)磁通量逐漸增大。當(dāng)電磁力增大到可克服球閥及銜鐵的各阻力之和時(shí)，球閥開(kāi)始脫離閥座，向上運(yùn)動(dòng)。球閥向上開(kāi)啟過(guò)程中，工作氣隙變小使得線圈的電感增大，導(dǎo)致線圈電流增大到一定值（A點(diǎn)）后開(kāi)始出現(xiàn)微量下降。當(dāng)球閥達(dá)到完全開(kāi)啟位置停止移動(dòng)時(shí)，電流降低到一較小值（B點(diǎn)），隨后電流又以新的時(shí)間常數(shù)按指數(shù)規(guī)律增長(zhǎng)，直至達(dá)到穩(wěn)態(tài)值。因此，只要檢測(cè)出電流變化曲線上B點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)刻，就得到了噴射器開(kāi)啟終了時(shí)刻，此時(shí)刻與驅(qū)動(dòng)脈沖發(fā)出時(shí)刻的時(shí)間差，即球閥開(kāi)啟滯后時(shí)間td1。

在D點(diǎn)，控制電壓降為0，電感的存在使得電流逐漸減小，球閥組件受到的電磁力也減小。當(dāng)電磁力不能克服外力時(shí)，球閥組件開(kāi)始向下運(yùn)動(dòng)，這時(shí)電感的變化使線圈中的電流稍有增大（E點(diǎn)），隨后復(fù)又減小，球閥組件迅速回落直至完全關(guān)閉（F點(diǎn)）。這樣分別檢測(cè)到D、E兩點(diǎn)的時(shí)刻，其差便是關(guān)閉滯后時(shí)間td2。

球閥開(kāi)啟、關(guān)閉滯后時(shí)間的檢測(cè)系統(tǒng)如圖10所示，單片機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路控制電控噴射器工作，電流檢測(cè)電路將噴射器線圈電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)信號(hào)放大電路、微分電路、電壓比較電路及電平轉(zhuǎn)換電路處理后進(jìn)入單片機(jī)，記錄下噴射器動(dòng)態(tài)工作過(guò)程中的B、D、E點(diǎn)的時(shí)刻，經(jīng)RS232傳送到PC機(jī)以便后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。檢測(cè)結(jié)果如圖11所示，新設(shè)計(jì)的噴射器開(kāi)啟滯后時(shí)間為1.65ms，比原噴油器的滯后時(shí)間縮短了8%；關(guān)閉滯后時(shí)間為0.5ms，縮短了9%。

圖10 球閥開(kāi)啟與關(guān)閉滯后時(shí)間檢測(cè)系統(tǒng)框圖

圖11 噴射器開(kāi)啟與關(guān)閉滯后時(shí)間對(duì)比曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在理論分析及仿真計(jì)算的基礎(chǔ)上，對(duì)電控汽油噴射器電磁結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了改進(jìn)與優(yōu)化設(shè)計(jì)，所試制的噴射器的電磁力的上升速率得到提高，尤其使得動(dòng)態(tài)特性時(shí)間參數(shù)，即球閥開(kāi)啟滯后時(shí)間與關(guān)閉滯后時(shí)間，與BOSCH某型電控汽油噴射器相比分別縮短了8%和9%。

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