電控噴油器油量精確控制研究

常 誠，魏民祥，劉景陽，季昊成

（南京航空航天大學(xué) 能源與動力學(xué)院，南京 210016）

電控噴油器油量精確控制研究

常 誠，魏民祥，劉景陽，季昊成

（南京航空航天大學(xué) 能源與動力學(xué)院，南京 210016）

0 引言

發(fā)動機(jī)在工作過程中，在不同工況下獲得所需的精確噴油量是發(fā)動機(jī)擁有良好的動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性的基礎(chǔ)。電控噴油器作為發(fā)動機(jī)供油系統(tǒng)的核心部件之一，其性能直接影響了發(fā)動機(jī)的工作狀態(tài)。實際應(yīng)用中對于噴油器通常認(rèn)為其流量與噴油脈寬為線性關(guān)系，但由于小噴油脈寬段存在較為明顯的非線性特征，導(dǎo)致在該段內(nèi)的實際噴油量與設(shè)計值有較大誤差[1,2]。此外，由于供電電源、油壓等外部因素的影響，噴油器的流量特性亦會發(fā)生相應(yīng)的變化。這些因素都將嚴(yán)重影響電控噴油器噴油量的精確控制。本文為了能夠精確控制噴油量，提出了一種雙通道智能噴油器的設(shè)計方法。

1 噴油器流量特性試驗

1.1 噴油器流量試驗臺搭建

圖1 噴油器流量特性試驗臺原理圖

本文設(shè)計并搭建了噴油器流量特性試驗臺，其工作原理如圖1所示。燃油從油箱經(jīng)過油泵和油壓調(diào)節(jié)器流入燃油分配軌，然后通過調(diào)節(jié)器的回油管回到油箱，這時燃油分配軌中的燃油是有一定的油壓的。噴油器的噴油周期、脈寬以及噴油次數(shù)通過上位機(jī)給定，上位機(jī)與控制器之間利用串口通訊，控制器的MCU發(fā)出控制信號使驅(qū)動模塊控制噴油器的噴油，量筒用來接收噴油器噴出的油，電子稱用來稱量燃油的質(zhì)量。

控制器的核心MCU為MC9S08DZ60，利用其片上資源的SCI通訊模塊、定時計數(shù)器模塊和PWM模塊可以比較簡單的實現(xiàn)上下位機(jī)的通訊以及一定占空比和一定數(shù)量的PWM波的輸出的功能，將噴油脈寬增量最小設(shè)置為50us，方便對噴油器小脈寬非線性段的測量。

1.2 噴油器流量特性測量試驗

試驗所選噴油器的電磁線圈電阻值為13.07Ω，為高阻噴油器。基礎(chǔ)實驗的條件參數(shù)為：密度為0.78g/cm3的煤油，燃油壓力300kPa、噴油器驅(qū)動電壓12V，設(shè)定噴油器周期為10ms，噴油脈寬范圍為0～10ms，其中在噴油脈寬0～2ms之間選取的脈寬增量為100us，噴油脈寬在2ms～9ms之間選取脈寬增量為1ms，噴油脈寬在9ms～10ms之間選取的脈寬增量為200us，噴油次數(shù)均為2000次。

圖2為某噴油器的基礎(chǔ)條件下的流量特性曲線，由流量特性圖可以看出該噴油器在噴油脈寬小于1.3ms時不能噴油，而在1.3ms～2ms左右的階段為非線性噴射階段，在2ms～9ms的范圍噴油器為線性噴射階段，當(dāng)噴油脈寬大于9.4ms后噴油器每循環(huán)的噴油量不再發(fā)生變化。

圖2 噴油器流量特性曲線

圖3 不同驅(qū)動電壓下的流量特性曲線

調(diào)整噴油器的驅(qū)動電壓分別為14V、12V、10V，得到如圖3所示的不同流量曲線。由圖可以看出隨著電壓的減小，噴油器的流量特性曲線呈整體向右平移的趨勢，說明電壓降低時，各脈寬所對應(yīng)的噴油量減小。此外，隨著驅(qū)動電壓電壓降低，平移的幅度增大，說明隨著電壓的降低，同脈寬所對應(yīng)的噴油量的減幅變大。

調(diào)整噴油器的供油油壓分別為300kPa、280kPa、250kPa得到如圖4所示的。由圖可以看出隨著壓力的減小，流量特性曲線線性段的斜率明顯變小，說明同脈寬的情況下燃油壓力減小造成噴油量變小。

圖4 不同油壓下的流量特性曲線

2 噴油器電磁閥理論建模與分析

使得噴油流量特性呈現(xiàn)試驗中規(guī)律的原因在于噴油器電磁閥的響應(yīng)特性。噴油器電磁閥是個由電路、磁路、機(jī)械和流體組成的復(fù)雜的耦合系統(tǒng)，各個子系統(tǒng)之間相互關(guān)聯(lián)和影響，其關(guān)系可以由圖5中的示意關(guān)系表述[3]。

圖5 噴油器電磁閥子系統(tǒng)關(guān)系圖

2.1 噴油器電磁部分?jǐn)?shù)學(xué)模型

假設(shè)磁通在所有媒介中分布皆為均勻并且忽略磁路中的漏磁，根據(jù)基爾霍夫磁壓定律可以得到：

式中：N為線圈匝數(shù)，i代表線圈中電流的大小，Hc是磁芯的磁場強(qiáng)度，Hg是氣隙的磁場強(qiáng)度，lc和lg是磁電路通過磁芯和氣隙長度。leq表示磁電路的等效長度。該等效長度可以由下式表達(dá)：

式中：μc、μ0分別是磁芯和空氣的磁導(dǎo)率，lg=xt?x；定義μr為磁芯的相對磁導(dǎo)率，即μr=μc/μ0；xt是總的空氣間隙，其中包括閥芯和磁極之間的行程形成的主氣隙。當(dāng)閥芯在其初始位置x=xmin時，lg達(dá)到最大值，而當(dāng)閥芯達(dá)到其最大行程x=xmax，lg達(dá)到最小值。

在磁電路中有如下基本關(guān)系：

式中：?為磁通量，B為磁通密度，Ae為磁通路徑的有效橫截面積。

聯(lián)立上述方程，可以得到回路中的電感的表達(dá)式：

根據(jù)電感的表達(dá)式，可以看出其大小并非固定參數(shù)，而是由閥芯的運(yùn)動影響的[4～6]。

圖6 電磁閥等效電路圖

電磁閥的等效電路如圖6所示，根據(jù)基爾霍夫點(diǎn)壓定律可以得到電路的微分方程為：

式中：V(t)為輸入電壓，iL(t)為電流。又根據(jù)式(4)可得L(t)的微分為：

將式(6)帶入式(5)，可以得到計算電流的非線性微分方程：

2.2 噴油器針閥運(yùn)動數(shù)學(xué)模型

根據(jù)針閥-銜鐵偶件在噴油器中的受力關(guān)系可以得到其運(yùn)動微分方程如下：

式中：ms是針閥-銜鐵偶件質(zhì)量，b和k分別為阻尼和彈簧系數(shù)， 是彈簧在閥芯關(guān)閉時的壓縮量，F(xiàn)hydraulic是油壓和背壓在偶件上的合力。

式(8)中，電磁力可根據(jù)公式計算如下：

而Fhydraulic可以由腔內(nèi)壓力與環(huán)境壓力差來表示，即：

式中：Psup和A1表示腔內(nèi)油壓和受其作用的受力面積，Pout和A2表示背壓和受其作用的受力面積。

2.3 電流變化與閥芯位移間的關(guān)系

根據(jù)上述電磁閥各部分的微分方程，進(jìn)行計算分析，其結(jié)果如圖7所示，描述了控制信號、電流和閥芯位移之間的關(guān)系。

圖7 電流變化與閥芯位移關(guān)系圖

從圖中可以看出，電磁閥在開啟之前電流持續(xù)增大，直至達(dá)到閥芯的電磁力可以克服外合力而達(dá)到將要開啟狀態(tài)。開啟電磁閥開啟時，由于間隙在減小，使得電磁閥的電感發(fā)生變化，電流會產(chǎn)生突變。閥芯運(yùn)動會造成電感的持續(xù)增大，所以電流會持續(xù)減小。當(dāng)閥芯運(yùn)動完成時，電感不再變化，由于外界電壓持續(xù)存在，電感中的電流將再次增大。因此，在突變點(diǎn)之后的電流最小點(diǎn)是閥芯開啟完結(jié)的時刻。在電磁閥關(guān)閉時，電流變化也存在類似的響應(yīng)。根據(jù)上述的推導(dǎo)和分析，電流可以作為計算電磁閥開關(guān)時間的核心。

2.4 試驗現(xiàn)象的理論分析

上文中的試驗現(xiàn)象可以由以下的理論分析解釋：

1）小噴油脈寬階段，電磁線圈內(nèi)電流從零增大到開啟電流，電磁力增大至可以開啟針閥，但是由于電磁力與外力的差別不大，針閥不能夠比較穩(wěn)定的全部打開，此外噴油器打開前后，噴嘴附近的燃油流動的不穩(wěn)定性也會對噴油器的流量造成一定影響[7]，這些因素共同導(dǎo)致了噴油量的不確定性，因此該階段的噴油器的流量特性呈非線性。

2）大噴油脈寬階段（噴油脈寬接近噴油周期）兩次噴油之間的時間間隔很短，導(dǎo)致線圈中的電流尚未減小到使針閥完全關(guān)閉而下次噴油信號就已經(jīng)到來，電流再次升高，使針閥升起，所以試驗中大脈寬時的流量呈增長趨勢，直到最后針閥打開后無法關(guān)閉，流量不再增加。

3）當(dāng)噴油器的驅(qū)動電壓增大時，其電流響應(yīng)加快，而且達(dá)到的穩(wěn)態(tài)電流也更大。電流上升速度變快，達(dá)到開啟電流的時間隨之減少，縮短了閥芯的開啟滯后時間，又由于穩(wěn)態(tài)電流大，在關(guān)閉過程中電流的釋放時間也會加長，增大了電磁閥關(guān)閉時間的滯后，電磁閥打開的實際時間增大，因此噴油器流量在大電壓時明顯增大，非線性段提前。

4）理論上由于燃油壓力的增大，所對應(yīng)的開啟電流增大，開啟滯后時間應(yīng)該相應(yīng)的增大，關(guān)閉過程中由于油壓變大也會導(dǎo)致滯后時間的縮短，兩者都將導(dǎo)致電磁閥總開啟時間縮短。但同時由于油壓的變大，電磁閥開啟后的在相同的時間內(nèi)流量增大。實驗中的燃油壓力變化量比較小，所以噴油量由于油壓增大而變大的效果更為明顯，故隨著油壓的減小流量特性曲線呈現(xiàn)出斜率減小的趨勢。

3 雙通道智能噴油器設(shè)計思想

在使用過程中，理想噴油器能夠完全按照使用者的所期望的工作狀態(tài)進(jìn)行工作，而實際噴油器小脈寬的非線性段以及油壓、電壓的波動很大程度上影響了噴油器的控制精度，因此本文提出一種噴油器結(jié)構(gòu)和控制策略以期達(dá)到噴油器的高精度控制。其原理圖如圖8所示。

圖8 雙通道噴油器原理示意圖

3.1 雙通道智能噴油器電磁閥設(shè)計

圖9為雙通道噴油器的結(jié)構(gòu)示意圖。

雙通道噴油器的結(jié)構(gòu)設(shè)計其核心是雙通道電磁閥的設(shè)計，很多學(xué)者對電磁閥響應(yīng)快慢的影響因素進(jìn)行了分析[8,9]，研究表明軟磁材料的選取、載荷的大小、線圈的匝數(shù)等因素對電磁閥的動作時間均有很大的影響。

圖9 雙通道噴油器結(jié)構(gòu)示意圖

首先噴油器電磁閥的制造選用高飽和磁通密度以及高電阻率的材料，這是因為高飽和磁通密度意味著材料能將更多的電能轉(zhuǎn)化為磁能，而高電阻率則意味著渦流損失更小，磁場滲透速度更快，從而提高電磁閥的響應(yīng)速度。

其次，本文提出的雙通道式結(jié)構(gòu)為：噴油器內(nèi)部分為橫截面積較大主通道和橫截面積較小的輔通道，相應(yīng)的，在主通道中的銜鐵體積與針閥的橫截面積均大于輔通道中的銜鐵體積與針閥橫截面積。如此設(shè)計的原因在于橫截面積大的主通道可以保證噴油器流量足夠，而慣性載荷小的輔通道電磁閥有更快的響應(yīng)速度，二者之間相互配合以達(dá)到互補(bǔ)的效果。

此外，為了與各自的針閥-銜鐵偶件相匹配，設(shè)計主通道電磁閥線圈匝數(shù)多于輔通道電磁閥線圈，這是由于線圈的匝數(shù)多使得線圈的電感增大，能夠提高磁勢并促進(jìn)電能轉(zhuǎn)換為磁能，從而使電磁力增大，故使得主通道電磁閥獲得更大的電磁力；但是線圈匝數(shù)的增多同時也使得電流響應(yīng)過程的時間常數(shù)，導(dǎo)致電流響應(yīng)較慢，故輔通道電磁閥選用更少匝數(shù)的線圈以獲得更快的響應(yīng)速度。

3.2 雙通道智能噴油器控制器設(shè)計

噴油器本身自帶一個嵌入式控制器，控制器主要由核心MCU和外圍驅(qū)動電路組成[10]，其主要作用是接收發(fā)動機(jī)ECU發(fā)出的噴油脈寬信號，然后進(jìn)行進(jìn)一步的計算處理，根據(jù)當(dāng)前工況調(diào)整并分配兩個通道的噴油脈寬，對噴油脈寬進(jìn)行補(bǔ)償或修正，以達(dá)到精確控制的目的。

控制器的控制策略流程圖如圖10所示。

圖10 控制策略流程圖

當(dāng)噴油器的控制器接收到ECU的噴油脈寬信號之后，控制器首先判斷當(dāng)前所需油量是否在主通道的非線性噴射段內(nèi)，來選擇主通道或輔通道進(jìn)行噴射。另外，通過試驗標(biāo)定可以得到兩個通道在不同電壓和油壓下的脈寬修正量，將該修正量MAP可以預(yù)存在控制器中，發(fā)動機(jī)工作過程中利用該MAP來修正噴油量，以提高控制精度。

3.3 雙通道噴油器半物理仿真試驗

試驗選用流量特性不同的噴油器A和噴油器B分別模擬雙通道噴油器的兩個通道。兩個噴油器在驅(qū)動電壓12V、燃油油壓300kPa的條件下流量特性如圖11所示。

圖11 A、B噴油器流量特性曲線

噴油器A的非線性噴射段為0～1.1ms，其中無效噴射段為0～0.7ms；噴油器B的非線性噴射段為0～2ms，其中無效噴射段為0～1.3ms。同脈寬下噴油器A的流量明顯小于噴油器B。這與上文中提出的雙通道噴油器兩個通道的不同特性相符合，所以試驗中可以用噴油器A模擬輔通道，噴油器B模擬主通道。

使用自主開發(fā)的雙通道噴油器控制器與噴油器A和噴油器B相結(jié)合，進(jìn)行噴油器流量特性試驗，試驗結(jié)果如圖12所示，可以看出在噴油器工作段內(nèi)其流量特性有比較好的線性度。試驗說明，利用本文提出的噴油器設(shè)計思想可以有效的提高噴油器噴油量的控制精度。

圖12 半物理仿真試驗流量特性曲線

4 結(jié)束語

1）在搭建的噴油器流量特性試驗臺上進(jìn)行了電控噴油器流量特性試驗，從試驗結(jié)果中看出噴油器在小脈寬段會有明顯的非線性段，且噴油器的流量會隨著電壓和油壓的增大而變大。

2）建立了噴油器電磁的數(shù)學(xué)模型，從電流響應(yīng)的角度解釋了電磁閥的開啟過程，對試驗結(jié)果進(jìn)行了理論上的分析。

3）根據(jù)試驗和理論分析，提出了一種雙通道智能噴油器的設(shè)計思路，以期通過結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化和控制策略的優(yōu)化使得噴油器的噴油量得到精確的控制。通過半物理仿真試驗的模擬，可以看出利用本文提出的噴油器設(shè)計思想可以有效的提高噴油器噴油量的控制精度。

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A study on injection quantity accurate control of electronic-control injector

CHANG Cheng, WEI Min-xiang, LIU Jing-yang, JI Hao-cheng

在搭建的電控噴油器流量試驗臺上進(jìn)行了噴油器流量特性試驗，獲得了不同條件下噴油器的流量特性，得到了影響噴油器噴油量的關(guān)鍵因素。通過建立噴油器電磁閥的數(shù)學(xué)模型，從電流響應(yīng)的角度對試驗現(xiàn)象進(jìn)行了解釋說明。在理論指導(dǎo)的基礎(chǔ)上提出了雙通道智能噴油器的設(shè)計方法，通過半物理仿真實驗驗證了設(shè)計思想的正確性，為解決噴油量精確控制的問題提出了一種新的思路。

電控噴油器；流量特性；雙通道噴油器；精確控制

常誠（1992 -），男，河南安陽人，博士研究生，研究方向為內(nèi)燃機(jī)仿真與控制。

U464

A

1009-0134(2015)12(上)-0130-05

10.3969/j.issn.1009-0134.2015.23.39

2015-09-17

南京航空航天大學(xué)研究生創(chuàng)新基地（實驗室）開放基金（kfjj201406）