王騰飛+歐陽愛國+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)計中的重要意義。本研究測取了CA6DF3共軌柴油機噴油器驅(qū)動波形，并對其電流波形、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，標志著電磁銜鐵開始動作。PWM保持信號占空比，決定其保持電流大小。PWM保持信號結(jié)束時，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：O441.3 文獻標識碼：A 文章編號：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)鍵最復雜的部件，也是設(shè)計、加工難度最大的部件。目前，國內(nèi)電控柴油機共軌燃油系統(tǒng)主要依賴于博世，德爾福，電裝等國外供應商進口。我國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)動波形的研究，將為共軌噴油器的國產(chǎn)化、驅(qū)動電路的合理設(shè)計、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，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，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。磁閥不通電時的氣隙稱作原始氣隙，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，原始氣隙設(shè)計為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。電磁閥長期使用的過程中，球閥與電樞基板等處的磨損將導致工作行程變大，靜態(tài)原始氣隙也變大。導致電閥開啟與關(guān)閉階段的動態(tài)響應特性下降，無效噴油量增加，油量控制精度降低，影響發(fā)動機的工作性能。

2.3 氣隙對電磁線圈磁飽和點的影響

如圖3磁化曲線所示，同一個電磁閥開了氣隙后，B-H曲線斜率降低，電磁線圈磁飽和點右移，增加了磁芯抗直流磁化的能力。可將電磁閥簡化為僅由電阻和電感組成的簡易電路，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，電磁線圈將很快進入磁飽和期。而電磁線圈一但進入飽和期，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)動波形分析

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

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，此時電壓為開路電壓，電流為開路電流，理論上均為0。發(fā)動機實際運行過程中，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)動電流為25A，保持電流為12A。最高驅(qū)動電壓為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)動信號，如圖五所示。電磁閥通電初期能量迅速注入達到峰值電流（如圖五F點所示），提升了電磁閥開啟的響應性。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，同時也提高了電磁閥關(guān)閉時刻的響應性。

3.2.2 如圖5所示，PWM驅(qū)動脈寬由四部分組成：初始脈寬T1，延遲時間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)歷了從靜止到運動，從運動到完全開啟過程。當電流上升到電樞基板開始運動的瞬間，電流波形上會出現(xiàn)一拐點（如圖五圓圈標識所示）。這是因為此時刻氣隙發(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應電流波形上一拐點。在實際故障診斷中，如果沒出現(xiàn)拐點，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)生運動。如果拐點出現(xiàn)時間太遲，則無效噴油時間長，發(fā)動機實際噴油量小于目標噴油量，發(fā)動機無力，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速度。即使是高電壓驅(qū)動，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，太小會影響電磁閥的開啟響應速度。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段對峰值電流的下降幅度有嚴格的要求。降的太多電磁閥將無法可靠吸合。

3.2.2.4 保持脈寬T3。保持脈寬對應電磁閥的保持階段，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幅度，頻率越大，電流波動幅度越小。

3.2.3 D段之后波形。

圖4D段之后波形，代表噴油驅(qū)動信號結(jié)束和電磁閥落座過程。圖五PWM驅(qū)動信號結(jié)束時，特意加個反向的電壓，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，對此電壓變化很多人誤認為是電磁線圈斷電瞬間的感應電壓。實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)動電路設(shè)計時加反向電壓，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，此點表明表示電磁閥已落座。

結(jié)論

（1）氣隙的導入使噴油器電磁閥磁飽和點后移，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，標志噴油器電磁銜鐵開始動作，可作為共軌噴油器國產(chǎn)化的質(zhì)量評判指標。

（3）PWM保持信號占空比，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)動保持信號結(jié)束時的反向電壓脈沖，有助于加速噴油器電磁閥落座。

參考文獻

[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)動電路設(shè)計及試驗分析，汽車工程，2005136.

作者簡介

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

基金項目

國家自然科學基金資助（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段對峰值電流的下降幅度有嚴格的要求。降的太多電磁閥將無法可靠吸合。

3.2.2.4 保持脈寬T3。保持脈寬對應電磁閥的保持階段，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幅度，頻率越大，電流波動幅度越小。

3.2.3 D段之后波形。

圖4D段之后波形，代表噴油驅(qū)動信號結(jié)束和電磁閥落座過程。圖五PWM驅(qū)動信號結(jié)束時，特意加個反向的電壓，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，對此電壓變化很多人誤認為是電磁線圈斷電瞬間的感應電壓。實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)動電路設(shè)計時加反向電壓，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，此點表明表示電磁閥已落座。

結(jié)論

（1）氣隙的導入使噴油器電磁閥磁飽和點后移，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，標志噴油器電磁銜鐵開始動作，可作為共軌噴油器國產(chǎn)化的質(zhì)量評判指標。

（3）PWM保持信號占空比，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)動保持信號結(jié)束時的反向電壓脈沖，有助于加速噴油器電磁閥落座。

參考文獻

[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)動電路設(shè)計及試驗分析，汽車工程，2005136.

作者簡介

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

基金項目

國家自然科學基金資助（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段對峰值電流的下降幅度有嚴格的要求。降的太多電磁閥將無法可靠吸合。

3.2.2.4 保持脈寬T3。保持脈寬對應電磁閥的保持階段，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幅度，頻率越大，電流波動幅度越小。

3.2.3 D段之后波形。

圖4D段之后波形，代表噴油驅(qū)動信號結(jié)束和電磁閥落座過程。圖五PWM驅(qū)動信號結(jié)束時，特意加個反向的電壓，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，對此電壓變化很多人誤認為是電磁線圈斷電瞬間的感應電壓。實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)動電路設(shè)計時加反向電壓，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，此點表明表示電磁閥已落座。

結(jié)論

（1）氣隙的導入使噴油器電磁閥磁飽和點后移，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，標志噴油器電磁銜鐵開始動作，可作為共軌噴油器國產(chǎn)化的質(zhì)量評判指標。

（3）PWM保持信號占空比，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)動保持信號結(jié)束時的反向電壓脈沖，有助于加速噴油器電磁閥落座。

參考文獻

[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)動電路設(shè)計及試驗分析，汽車工程，2005136.

作者簡介

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

基金項目

國家自然科學基金資助（51265015）。endprint