柴油機燃油噴射系統高速電磁鐵驅動特性研究

蔡勝年，劉京，龐寶麟，徐承韜

(沈陽化工大學信息工程學院，遼寧沈陽 110142)

0 引言

隨著地球溫暖化及環境污染問題的日益加重，各國對汽車尾氣，特別是柴油車的尾氣處理要求日益增高。在歐洲，從2011年11月1日開始，歐盟就要求新車型需滿足歐5+排放要求；2014年9月1日開始，新車型需滿足歐6排放要求。在國內，據悉近期國家將出臺實行國5排放標準的相關政策。面對這種情況，各國都在尋求綠色能源和研發高效率燃油系統。采用高壓共軌系統不僅能顯著提高效率、低油耗，還能大大減輕柴油發動機的排污，對節能及環保具有重大意義。根據研究，一個周期內噴油次數和軌壓的提高，能明顯減少有害物質的排放。自從第一代高壓共軌系統問世以來，高壓共軌系統的軌壓和噴油器的工作頻率都在不斷地提高，目前軌壓已經達到250 MPa，電磁驅動方式的驅動頻率達到了2 000 Hz。系統軌壓的提高在一定程度上滿足了噴油器多次噴射的要求，提高了噴油器的噴射效率，有效地減少有害物質的排放，從而實現節能減排[1]。要想進一步提高噴油器的性能，必須要將高速電磁鐵的快速驅動特性與噴油器驅動特性有效地配合。目前在國內對噴油器的研究仍處在引進國外技術和引進技術的消化階段。所以，對高速電磁鐵的快速驅動控制電路的研究有利于提高我國在電控柴油機高壓共軌系統噴油技術方面的自主研發能力。

文中在對高速電磁鐵工作原理進行分析的基礎上，設計了以減小閉合時間和降低系統能耗為優化目的的一種高速電磁鐵的驅動方案。仿真和實驗結果表明：該方案可行，具有實用價值。

1 高速電磁鐵的驅動特性分析

1.1 高速電磁閥工作原理

圖1所示為高速電磁閥的電磁執行器簡化結構圖。

在電磁閥沒通電之前，銜鐵在彈簧和重力的作用下保持不動，其下接觸面與環形鐵芯上接觸面緊靠在一起。電磁閥通電以后，在銜鐵和連桿運動之前，電磁閥中的電流以一定的斜率上升，產生的電磁力逐漸增大。當電磁吸力大于起始運動的靜摩擦力、銜鐵和連桿重力和回位彈簧阻力時，銜鐵帶動連桿一起開始向上運動，噴射過程開始。此后，隨著電磁閥中電流繼續增大、磁阻的不斷減小，銜鐵和連桿一起做變加速運動，直到電磁閥完全開通。噴射過程結束后，電磁閥斷電，高速電磁閥中電流減小，電磁力減小，當電磁力和機械摩擦力之和小于彈簧的彈力以及銜鐵和連桿重力時，銜鐵和連桿在合力的作用下向下運動直到銜鐵回到原位，此時噴射過程結束。

1.2 影響高速電磁鐵驅動特性的主要因素

噴油器的快速響應特性是實現多次噴射的前提，影響噴油器的高速驅動性能主要因素有3方面：(1)高速電磁鐵本身的特性參數，例如電磁時間常數、機械的時間常數等；(2)驅動電路的驅動特性，例如開關導通和關斷時間及能量回收等；(3)驅動系統控制算法[2]。文中主要從驅動電路驅動特性方面進行研究，研究目的是使驅動電流能夠快速達到峰值電流，保證高速電磁鐵在最短的時間內開通并保持一段時間使其閥芯可靠開通，然后使驅動電流迅速降到最小維持電流值，這樣既可以實現節能，又能夠減小磁退飽和時間，實現高速電磁鐵的快速關斷，實現對高速電磁閥的最優驅動控制，進而為實現對柴油機預噴油量、主噴油量、預噴間隔、噴油正時和噴油速率的柔性控制奠定了基礎。

噴油器高速電磁閥的驅動線圈實質上是有一定內阻的電感。當給高速電磁閥通電時，閥芯在某一個固定位置上時，線圈兩端的電壓與電流的關系為：

(1)

式中：i為電磁閥流經電流(A)；L為電磁閥的等效電感(H);x為銜鐵和連桿的行程(m)。高速電磁閥中的電磁力可以通過麥克斯韋電磁方程求得，相關公式如式(2)—(6)所示，由驅動電流在磁路產生電磁場，進而磁場儲能，通過磁場儲能的變化產生電磁力完成電-機能量轉換[3]。

(2)

B=μ·H

(3)

式中：H為磁感強度矢量(A/m)；J為傳導電流密度矢量(A/m2)；D為電通密度(C/m2)；B為磁感應強度(T)；μ為介質磁導率。

由此建立磁場的儲能為：

(4)

(5)

式中：N為電磁閥線圈匝數；μ0為真空磁導率；δ為工作氣隙長度(m)。

在電流i建立的磁場中，由經典虛位移法，得電磁力公式：

(6)

銜鐵和連桿的運動過程中，它們受力情況隨工作時間和位置的變化而變化，由牛頓第二運動定律得:

(7)

式中：m為銜鐵和連桿的總質量(kg)；C為銜鐵和連桿運動速度阻尼系數(m·N/s)；K為回位彈簧系數(N/m)；G為銜鐵和連桿的總重力(kg)；f為機械摩擦力(N)，開啟過程為“+”，關閉過程為“-”。

在整個噴射的過程中，高速電磁鐵的動態特性主要涉及兩個方面：高速電磁鐵的開啟和關斷。為了讓高速電磁閥能夠快速開啟，需要大電流產生起始的電磁力克服彈簧力、銜鐵和連桿的重力、摩擦力等阻力，使電磁閥在最短的時間內開通。噴油結束后，由于電磁鐵的磁通由最大減小到最小，維持電磁鐵導通狀態的電流值遠遠小于峰值電流，所以采用PWM調制方式使電流維持在一個較小的值保持噴射即可，達到了減少能量損耗和因減少磁退飽和時間而提高關斷速度的效果。理想中的驅動波形如圖2所示。

如圖3所示，高速電磁鐵常用的驅動電路有以下幾種[4]：

可調電阻式驅動電路利用單電源電路設計思路簡單,易于實現，通過改變電阻值來達到改變維持電流大小的目的。但是,電路中電阻耗能較大。 而且受到功率電阻額定功率與尺寸的限制,在電路板上布置不便,不符合高集成度的要求。

脈寬調制式控制驅動電路可以結構簡單，可以降低能耗。可以通過調節高頻PWM波的占空比來方便地對電流大小進行調節。不過最高驅動電壓受到電池電壓的限制。

雙電壓式驅動電路通過改變電磁閥工作過程中的工作電壓,達到了提高快速啟動、快速關斷和減少能量消耗的目的。外設電源增加電路了的復雜性和成本。

2 高速電磁鐵驅動電路設計

前面介紹的常用的電磁閥驅動電路形式都存在不同的缺點，在快速性和節能方面還有一定的提升空間。目前，在雙電源的情況下，對S1采用PWM驅動的方式為現在主要的使用方式[5]。作者在雙電源的基礎上進行了改進，綜合了以上的電路優勢，設計了一個改進驅動電路。試驗用閥的具體參數：R=340 mΩ，L=140 μH，如圖4所示。

圖4為高速電磁鐵的改進驅動電路，與常用驅動方式相比多了兩個二極管和一個Mos驅動開關S2。在此驅動方式下,一個開關過程的驅動電流變化如圖5所示。開關過程包括4個階段:第一階段為峰值電流的上升階段,t1時刻關閉S2同時開通S1和S3，此時48 V高電壓直接作用于電磁閥線圈,加快驅動電流上升速度,t2時達峰值電流，快速建立了電磁力，縮短了電磁鐵閉合時間；第二階段為峰值電流保持階段，當電流達到峰值電流時關閉S1同時開通S2，對S3用PWM調制方式進行控制，讓電流在峰值電流處保持一定時間，保證電磁閥的可靠閉合直到t3時刻； 第三階段為維持電流保持階段，當電磁閥完全可靠閉合之后，電磁鐵磁阻達最小值，需要較小的電磁力就可以維持電磁鐵的閉合狀態，即需要較小的電流就可以維持電磁鐵的閉合狀態，所以在t3時刻關斷S3,電磁閥中的電流通過D2、S2續流，在t4時刻電流下降到維持電流并對S3運用PWM調制方式進行控制。利用較小的電流既可保證噴油器開通狀態,降低了電能消耗也有利于電磁鐵關閉時電流的迅速減小為0；第四階段為電磁鐵關閉階段，t5時刻S2和S3同時關斷，電磁閥能量通過D3、電磁閥和D4回流給電源VH，由于電源電壓的反相作用，電流能快速減小為0。

通過MATLAB Simulink仿真軟件對圖4電路進行仿真，得到仿真電流波形如圖5所示。

由于實際條件限制，實驗中暫定驅動峰值電流為14 A，維持電流為7 A。改進驅動電路與原驅動方式電流波形如圖5所示：紅線為改進驅動電路的電流波形，藍線為原驅動電路電流波形，仿真時間為2 ms左右，峰值電流14 A，保持電流7 A。通過高壓啟動，電流在t=45 μs左右達到峰值電流，維持60 μs左右后降為保持電流，在保持電流維持500 μs左右后S2和S3同時斷開，電流開始減小。通過仿真數據可知：改進前關閉時間為580 μs，而改進后關閉時間可減少為20 μs左右。下降時間減少95.5%，改進效果顯而易見，以上仿真數據完全滿足工業設計要求。

3 實驗驗證

在理論分析和仿真的基礎上，進行實際的電路搭建，對設計的可行性進行驗證。

實際實驗中高電壓選用48 V，低電壓選用24 V，開啟時電流保持在14 A左右，有利于電磁鐵的快速動作，當完全開啟之后，電流保持在7 A左右。具體的實驗結果如圖7所示。

如圖7所示，試驗時間3 ms左右。藍線波形為常用驅動方式電流曲線圖，開始在高電壓的驅動下，45 μs達到14 A左右，高速電磁鐵在80 μs左右完全閉合，隨后調節驅動信號保持電流在7 A，最后關閉驅動，電流經過1.6 ms左右減小到0；紅線波形為改進驅動方式電流曲線圖，關斷時電流由7 A減小到0用時74 μs，下降時間減少了95.3%。通過比較，顯然能看出在最后關閉電磁閥部分，改進驅動方式能實現非常快的關斷效果。

對比仿真與實際電路波形，實際波形較仿真波形在電流下降部分緩慢很多，主要是由實際高速電磁鐵在閉合后線圈電感值有較大幅度的增大、實驗線路及接觸電阻等影響導致。

通過計算一個周期能夠回收能量大約為：

4 結論

綜上所得結果，表明文中設計的整個硬件驅動電路基本能夠實現預期目標，達到了優化驅動電路、實現提高電磁鐵快速開啟快速關斷、降低驅動功耗和能量回收的研究目的。

【1】 郭建棟.柴油發動機高壓共軌電控系統原理與故障檢修[M].北京：機械工業出版社，2012.

【2】 鄒開鳳，陳友龍.高速電磁閥響應特性的研究[J].海軍航空工程學院學報，2005，20(6)：672-675.

【3】 趙博，張洪亮.Ansoft12在工程電磁場中的應用[M].北京：中國水利水電出版社，2010.

【4】 宋軍，李樹澤，李孝祿，等．高速電磁閥驅動電路設計及實驗分析[J]．汽車工程，2005(5)：546-549.

【5】 連長震，李建秋，周明，等.電控燃油噴射用高速電磁閥驅動方式研究[J].汽車工程，2002(4)：310-313.