高壓共軌噴油器電磁閥及其驅(qū)動(dòng)波形的研究

王騰飛+歐陽(yáng)愛國(guó)+鄒季燦+郭華鋒

[摘 要]本文介紹了BOSCH電磁閥式高壓共軌噴油器結(jié)構(gòu)及工作原理，闡述氣隙在電磁閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要意義。本研究測(cè)取了CA6DF3共軌柴油機(jī)噴油器驅(qū)動(dòng)波形，并對(duì)其電流波形、電壓波形及PWM控制原理作深度解析。研究表明，電磁閥氣隙保證了電路安全與電磁閥性能的可靠性。電流波形開啟上升段拐點(diǎn)，標(biāo)志著電磁銜鐵開始動(dòng)作。PWM保持信號(hào)占空比，決定其保持電流大小。PWM保持信號(hào)結(jié)束時(shí)，反向電壓脈沖有助于加速電磁閥落座。

[關(guān)鍵詞]高壓共軌；噴油器；電磁閥；氣隙；波形

中圖分類號(hào)：O441.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2014）36-0009-02

引言：高壓共軌噴油器是共軌系統(tǒng)中最關(guān)鍵最復(fù)雜的部件，也是設(shè)計(jì)、加工難度最大的部件。目前，國(guó)內(nèi)電控柴油機(jī)共軌燃油系統(tǒng)主要依賴于博世，德爾福，電裝等國(guó)外供應(yīng)商進(jìn)口。我國(guó)尚未完全掌握共軌燃油系統(tǒng)的開發(fā)及生產(chǎn)技術(shù)。共軌噴油器驅(qū)動(dòng)波形的研究，將為共軌噴油器的國(guó)產(chǎn)化、驅(qū)動(dòng)電路的合理設(shè)計(jì)、故障診斷等提供一定理論依據(jù)。

一.BOSCH電磁閥噴油器結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 電磁閥式噴油器結(jié)構(gòu)示意圖（圖1）

1.2 電磁閥式噴油器工作原理

如圖1，電磁閥主要由磁體總成、閥彈簧、電磁銜鐵（由電樞基板組成），夾鐵，安裝環(huán)，O型密封圈等部分組成。電磁閥不通電時(shí)，電磁銜鐵在閥彈簧的作用下產(chǎn)生工作行程，將球閥壓緊在閥座控制室的泄油孔上?？刂剖倚褂涂钻P(guān)閉，作用于針閥頂部的液壓力大于針閥下部承壓面處的有效作用力（包括回位彈簧彈力和油壓），針閥關(guān)閉，噴油器不噴油。當(dāng)電磁閥被觸發(fā)后，電磁銜鐵被提起，球閥升起，泄油孔打開泄壓，控制室壓力下降。當(dāng)作用于針閥頂部的液壓力小于針閥承壓面上的有效作用力時(shí)，針閥升起噴油器開始噴油。

二、氣隙在電磁閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要意義

2.1 電磁閥氣隙

電磁閥氣隙為電樞基板頂部與磁體總成底部之間的距離，如圖2[3]示“δ”所示。磁閥不通電時(shí)的氣隙稱作原始?xì)庀?，由電磁銜鐵工作行程與磁路剩余氣隙兩部分組成。工作行程即電磁銜鐵的升程，磁路剩余氣隙即電磁銜鐵上升到最大位置時(shí)電樞基板頂部與磁體總成底部之間的距離；電磁閥通電后，氣隙僅為磁路剩余氣隙。其中球閥升程包含在工作行程內(nèi)。BOSCH電磁閥式共軌噴油器，原始?xì)庀对O(shè)計(jì)為1.2mm，電磁銜鐵工作行程為0.8mm，球閥升程為0.05mm。

2.2 氣隙與電磁力

根據(jù)公式[4]：F=K（IM）2S/δ2*9.8*10-8 （F電磁吸力；K為常數(shù)；I為線圈電流；M為線圈匝數(shù)；S為鐵芯截面積；δ為氣隙大?。┛芍?，電磁閥電磁力與電磁閥線圈通電電流的平方成正比，與氣隙的平方成反比。在電磁閥工作過程中，隨著氣隙的減小，電磁力將逐漸增大。電磁閥長(zhǎng)期使用的過程中，球閥與電樞基板等處的磨損將導(dǎo)致工作行程變大，靜態(tài)原始?xì)庀兑沧兇?。?dǎo)致電閥開啟與關(guān)閉階段的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性下降，無效噴油量增加，油量控制精度降低，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能。

2.3 氣隙對(duì)電磁線圈磁飽和點(diǎn)的影響

如圖3磁化曲線所示，同一個(gè)電磁閥開了氣隙后，B-H曲線斜率降低，電磁線圈磁飽和點(diǎn)右移，增加了磁芯抗直流磁化的能力。可將電磁閥簡(jiǎn)化為僅由電阻和電感組成的簡(jiǎn)易電路，電磁閥接收到ECU發(fā)出的噴油脈沖后，電流迅速駐入線圈，此過程也伴隨著電磁線圈被磁化。假若電磁閥不開氣隙，電磁線圈將很快進(jìn)入磁飽和期。而電磁線圈一但進(jìn)入飽和期，電路的等效電感瞬間變?yōu)?。根據(jù)歐姆定律I=U/R，噴油器電阻取0.3Ω，電壓取24V，得到電流為80A，如此大的電流將在瞬間燒毀電磁閥。

三、電磁閥式噴油器驅(qū)動(dòng)波形分析

作者采用德國(guó)BOSCH公司FSA740綜合分析儀，對(duì)CA6DF3發(fā)動(dòng)機(jī)共軌噴油器進(jìn)行波形采集得到下圖四波形，上面為電磁閥驅(qū)動(dòng)電壓波形，下圖為驅(qū)動(dòng)電流波形。

3.1 A段之前波形

如圖1所示，A段之前電磁閥尚未接收到ECU的觸發(fā)信號(hào)，此時(shí)電壓為開路電壓，電流為開路電流，理論上均為0。發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行過程中，受其它電路影響，此數(shù)值只能趨近于0。

3.2 A與D段之間波形

3.2.1 圖4所示，A至D段波形可得知，此噴油器采用脈寬調(diào)制式電磁閥。電磁閥驅(qū)動(dòng)電流為25A，保持電流為12A。最高驅(qū)動(dòng)電壓為50V，維持電壓為約3.6V。為便于分析，列出電磁閥電流波形及其PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，如圖五所示。電磁閥通電初期能量迅速注入達(dá)到峰值電流（如圖五F點(diǎn)所示），提升了電磁閥開啟的響應(yīng)性。電磁閥吸合后只需提供較小的保持電流即可，這樣不僅降低能量消耗，減少電磁閥發(fā)熱量，同時(shí)也提高了電磁閥關(guān)閉時(shí)刻的響應(yīng)性。

3.2.2 如圖5所示，PWM驅(qū)動(dòng)脈寬由四部分組成：初始脈寬T1，延遲時(shí)間T2，保持脈寬T3。

3.2.2.1 初始脈寬T1。

T1脈寬給電磁閥提供快速提升電流，使電磁銜鐵迅速提升，如圖五的電流波形所示。此階段，電磁閥內(nèi)電樞基板經(jīng)歷了從靜止到運(yùn)動(dòng)，從運(yùn)動(dòng)到完全開啟過程。當(dāng)電流上升到電樞基板開始運(yùn)動(dòng)的瞬間，電流波形上會(huì)出現(xiàn)一拐點(diǎn)（如圖五圓圈標(biāo)識(shí)所示）。這是因?yàn)榇藭r(shí)刻氣隙發(fā)生突變，造成線圈有效電感量突然減小，電流上升的速度突然變大，即電磁閥開啟瞬間對(duì)應(yīng)電流波形上一拐點(diǎn)。在實(shí)際故障診斷中，如果沒出現(xiàn)拐點(diǎn)，則說明電磁閥由于卡死，線圈燒毀，短路等原因根本沒有產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。如果拐點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)間太遲，則無效噴油時(shí)間長(zhǎng)，發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際噴油量小于目標(biāo)噴油量，發(fā)動(dòng)機(jī)無力，性能下降。

3.3.2.2 初始脈寬T1。如圖4電壓波形所示，峰值電壓為50V，脈寬為0.25ms，采用升壓電路控制，提高噴油器打開響應(yīng)速度。即使是高電壓驅(qū)動(dòng)，電壓波形并非垂直上升而是有一定的斜率，這是由于電磁閥線圈本身的電感所致。斜率不能太小，太小會(huì)影響電磁閥的開啟響應(yīng)速度。峰值電壓在T1內(nèi)并非保持恒定，而是有一定的電壓降，采用電容放電電路所致。endprint

3.3.2.3 延遲脈寬T2。T2給保持階段提供初始保持電流。如圖五所示，延遲階段PWM信號(hào)保持低電平。切斷向電磁閥通電，讓T1階段形成的峰值電流自然下降，直到與 T3階段形成的保持電流相等為止。T2段對(duì)峰值電流的下降幅度有嚴(yán)格的要求。降的太多電磁閥將無法可靠吸合。

3.2.2.4 保持脈寬T3。保持脈寬對(duì)應(yīng)電磁閥的保持階段，即噴油器噴油的主要階段。因工作氣隙小，磁路磁阻低，較小的通電電流12A便可產(chǎn)生較大的電磁作用力以保證電磁閥的可靠開啟。電磁線圈保持電流大小，由圖五PWM占空比信號(hào)控制。占空比越大保持電流越大，占空比越小保持電流越小。PWM頻率影響保持電流的波動(dòng)幅度，頻率越大，電流波動(dòng)幅度越小。

3.2.3 D段之后波形。

圖4D段之后波形，代表噴油驅(qū)動(dòng)信號(hào)結(jié)束和電磁閥落座過程。圖五PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)結(jié)束時(shí)，特意加個(gè)反向的電壓，引起圖四電壓波形大幅突變。此反向電壓大小與峰值電壓相當(dāng)，對(duì)此電壓變化很多人誤認(rèn)為是電磁線圈斷電瞬間的感應(yīng)電壓。實(shí)際是由于電樞基板在工作過程中被磁化。在PWM斷電瞬間電磁鐵和電樞基板磁性不會(huì)瞬間消失，殘留電磁吸力影響電樞基板的落座，造成噴油器斷油不干脆，也限制了噴油器多次噴射功能。為消除此影響，驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)時(shí)加反向電壓，使噴油器極性瞬間改變，加速電樞基板落座。隨著電流衰減，電流波形出現(xiàn)圖四末端較大凸起點(diǎn)，此點(diǎn)表明表示電磁閥已落座。

結(jié)論

（1）氣隙的導(dǎo)入使噴油器電磁閥磁飽和點(diǎn)后移，保證了電路安全與電磁閥性能的可靠性。

（2）電流波形開啟上升段的拐點(diǎn)，標(biāo)志噴油器電磁銜鐵開始動(dòng)作，可作為共軌噴油器國(guó)產(chǎn)化的質(zhì)量評(píng)判指標(biāo)。

（3）PWM保持信號(hào)占空比，決定噴油器保持電流大小，頻率決定其波形震蕩幅度。

（4）PWM驅(qū)動(dòng)保持信號(hào)結(jié)束時(shí)的反向電壓脈沖，有助于加速噴油器電磁閥落座。

參考文獻(xiàn)

[1] 蘇嶺，柳泉冰，汪 映，周龍保，潘克煜.脈寬調(diào)制保持電磁閥驅(qū)動(dòng)參數(shù)的研究，2005，39（7）.

[2] 張禮林，胡林峰，馮源.電控共軌燃油系統(tǒng)高速電磁閥的研制，現(xiàn)代車用動(dòng)力，2006，124（4）.

[3]宋 軍，李書澤，李孝祿，喬信起，黃震。高速電磁閥驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)及試驗(yàn)分析，汽車工程，2005136.

作者簡(jiǎn)介

王騰飛（1989-），男，江蘇沭陽(yáng)人，碩士，主要從事電控柴油機(jī)性能標(biāo)定與排放控制研究。

基金項(xiàng)目

國(guó)家自然科學(xué)基金資助（51265015）。endprint

3.3.2.3 延遲脈寬T2。T2給保持階段提供初始保持電流。如圖五所示，延遲階段PWM信號(hào)保持低電平。切斷向電磁閥通電，讓T1階段形成的峰值電流自然下降，直到與 T3階段形成的保持電流相等為止。T2段對(duì)峰值電流的下降幅度有嚴(yán)格的要求。降的太多電磁閥將無法可靠吸合。

3.2.2.4 保持脈寬T3。保持脈寬對(duì)應(yīng)電磁閥的保持階段，即噴油器噴油的主要階段。因工作氣隙小，磁路磁阻低，較小的通電電流12A便可產(chǎn)生較大的電磁作用力以保證電磁閥的可靠開啟。電磁線圈保持電流大小，由圖五PWM占空比信號(hào)控制。占空比越大保持電流越大，占空比越小保持電流越小。PWM頻率影響保持電流的波動(dòng)幅度，頻率越大，電流波動(dòng)幅度越小。

3.2.3 D段之后波形。

圖4D段之后波形，代表噴油驅(qū)動(dòng)信號(hào)結(jié)束和電磁閥落座過程。圖五PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)結(jié)束時(shí)，特意加個(gè)反向的電壓，引起圖四電壓波形大幅突變。此反向電壓大小與峰值電壓相當(dāng)，對(duì)此電壓變化很多人誤認(rèn)為是電磁線圈斷電瞬間的感應(yīng)電壓。實(shí)際是由于電樞基板在工作過程中被磁化。在PWM斷電瞬間電磁鐵和電樞基板磁性不會(huì)瞬間消失，殘留電磁吸力影響電樞基板的落座，造成噴油器斷油不干脆，也限制了噴油器多次噴射功能。為消除此影響，驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)時(shí)加反向電壓，使噴油器極性瞬間改變，加速電樞基板落座。隨著電流衰減，電流波形出現(xiàn)圖四末端較大凸起點(diǎn)，此點(diǎn)表明表示電磁閥已落座。

結(jié)論

（1）氣隙的導(dǎo)入使噴油器電磁閥磁飽和點(diǎn)后移，保證了電路安全與電磁閥性能的可靠性。

（2）電流波形開啟上升段的拐點(diǎn)，標(biāo)志噴油器電磁銜鐵開始動(dòng)作，可作為共軌噴油器國(guó)產(chǎn)化的質(zhì)量評(píng)判指標(biāo)。

（3）PWM保持信號(hào)占空比，決定噴油器保持電流大小，頻率決定其波形震蕩幅度。

（4）PWM驅(qū)動(dòng)保持信號(hào)結(jié)束時(shí)的反向電壓脈沖，有助于加速噴油器電磁閥落座。

參考文獻(xiàn)

[1] 蘇嶺，柳泉冰，汪 映，周龍保，潘克煜.脈寬調(diào)制保持電磁閥驅(qū)動(dòng)參數(shù)的研究，2005，39（7）.

[2] 張禮林，胡林峰，馮源.電控共軌燃油系統(tǒng)高速電磁閥的研制，現(xiàn)代車用動(dòng)力，2006，124（4）.

[3]宋 軍，李書澤，李孝祿，喬信起，黃震。高速電磁閥驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)及試驗(yàn)分析，汽車工程，2005136.

作者簡(jiǎn)介

王騰飛（1989-），男，江蘇沭陽(yáng)人，碩士，主要從事電控柴油機(jī)性能標(biāo)定與排放控制研究。

基金項(xiàng)目

國(guó)家自然科學(xué)基金資助（51265015）。endprint

3.3.2.3 延遲脈寬T2。T2給保持階段提供初始保持電流。如圖五所示，延遲階段PWM信號(hào)保持低電平。切斷向電磁閥通電，讓T1階段形成的峰值電流自然下降，直到與 T3階段形成的保持電流相等為止。T2段對(duì)峰值電流的下降幅度有嚴(yán)格的要求。降的太多電磁閥將無法可靠吸合。

3.2.2.4 保持脈寬T3。保持脈寬對(duì)應(yīng)電磁閥的保持階段，即噴油器噴油的主要階段。因工作氣隙小，磁路磁阻低，較小的通電電流12A便可產(chǎn)生較大的電磁作用力以保證電磁閥的可靠開啟。電磁線圈保持電流大小，由圖五PWM占空比信號(hào)控制。占空比越大保持電流越大，占空比越小保持電流越小。PWM頻率影響保持電流的波動(dòng)幅度，頻率越大，電流波動(dòng)幅度越小。

3.2.3 D段之后波形。

圖4D段之后波形，代表噴油驅(qū)動(dòng)信號(hào)結(jié)束和電磁閥落座過程。圖五PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)結(jié)束時(shí)，特意加個(gè)反向的電壓，引起圖四電壓波形大幅突變。此反向電壓大小與峰值電壓相當(dāng)，對(duì)此電壓變化很多人誤認(rèn)為是電磁線圈斷電瞬間的感應(yīng)電壓。實(shí)際是由于電樞基板在工作過程中被磁化。在PWM斷電瞬間電磁鐵和電樞基板磁性不會(huì)瞬間消失，殘留電磁吸力影響電樞基板的落座，造成噴油器斷油不干脆，也限制了噴油器多次噴射功能。為消除此影響，驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)時(shí)加反向電壓，使噴油器極性瞬間改變，加速電樞基板落座。隨著電流衰減，電流波形出現(xiàn)圖四末端較大凸起點(diǎn)，此點(diǎn)表明表示電磁閥已落座。

結(jié)論

（1）氣隙的導(dǎo)入使噴油器電磁閥磁飽和點(diǎn)后移，保證了電路安全與電磁閥性能的可靠性。

（2）電流波形開啟上升段的拐點(diǎn)，標(biāo)志噴油器電磁銜鐵開始動(dòng)作，可作為共軌噴油器國(guó)產(chǎn)化的質(zhì)量評(píng)判指標(biāo)。

（3）PWM保持信號(hào)占空比，決定噴油器保持電流大小，頻率決定其波形震蕩幅度。

（4）PWM驅(qū)動(dòng)保持信號(hào)結(jié)束時(shí)的反向電壓脈沖，有助于加速噴油器電磁閥落座。

參考文獻(xiàn)

[1] 蘇嶺，柳泉冰，汪 映，周龍保，潘克煜.脈寬調(diào)制保持電磁閥驅(qū)動(dòng)參數(shù)的研究，2005，39（7）.

[2] 張禮林，胡林峰，馮源.電控共軌燃油系統(tǒng)高速電磁閥的研制，現(xiàn)代車用動(dòng)力，2006，124（4）.

[3]宋 軍，李書澤，李孝祿，喬信起，黃震。高速電磁閥驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)及試驗(yàn)分析，汽車工程，2005136.

作者簡(jiǎn)介

王騰飛（1989-），男，江蘇沭陽(yáng)人，碩士，主要從事電控柴油機(jī)性能標(biāo)定與排放控制研究。

基金項(xiàng)目

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