电控汽油喷射器参数优化及性能测试研究

郭 辉 张振东 孙跃东 高 蔚

1.上海理工大学，上海，200093 2.上海工程技术大学，上海，201620

0 引言

目前，国外已开发出缸内直喷的汽油喷射器，并已配车使用［1］。国内学者对柴油机喷油器的设计改进已取得一定成果［2］，就对汽油喷射器的研究而言，已掌握电控汽油多点喷射器的动态工作过程，进行了部分的改进设计工作［3－4］。国内某公司基于BOSCH公司的某型喷射器改进试制了一批样品，样品性能，尤其在动态响应时间方面还稍有欠缺。理论分析表明，电控汽油喷射器的电磁参数、结构参数直接影响电磁力的大小及电磁力的上升速率，以至影响喷射器球阀开启与落座的动态响应时间［5－7］。在这种情况下，笔者针对电控汽油喷射器线圈匝数、喷射器电磁场分布、喷射器工作气隙厚度及其位置等电磁参数及结构参数进行了优化设计，并利用开发的电控汽油喷射器动态响应时间参数测试系统进行了实际测量。

1 系统结构及数学模型

1.1 系统结构

电控汽油喷射器如图1所示，主要由喷管进口、导磁体、弹簧顶头、线圈、铁芯、衔铁、喷管主体、球阀、定位环、阀座、喷孔网、防积碳板等组成。喷射器的球阀和阀座相配合起到阀门的作用，该阀门在电磁力、弹簧力、衔铁－阀芯重力以及内部燃油压力的共同作用下，打开或关闭燃油通路。定位环装在阀座内，起导向作用。

图1 喷射器结构图

1.2 数学模型

电控汽油喷射器电磁线圈的等效电路和等效磁路如图2所示，其中的球阀受力如图3所示。根据电路平衡方程、麦克斯韦尔磁路方程、达朗贝尔运动方程（忽略喷射器内部流体对衔铁、铁芯等的作用力）可以导出下列描述电控汽油喷射器动态过程的解析方程组［7－8］：

图2 等效磁路和等效电路

式中，U0、R、i、ψ分别为等效电路中线圈电压、线圈电阻、线圈电流、磁链；Φδ、μ0、A 分别为等效磁路中磁通（工作气隙为δ时）、真空磁导率、气隙 截 面 积；Fmag、Fsp、Fpres、m、x 分 别为电磁力、弹簧力、燃油压力、运动件质量、衔铁—球阀的位移。

图3 球阀受力示意图

线圈电阻R与线圈匝数N、线径、导线的电阻率有关。

从式（1）～式（3）可以看出，影响喷射器动态响应特性、衔铁—阀芯位移x运动规律的因素众多。根据计算结果，线圈匝数和线圈电压对喷射器的开启时间影响最大［7］，而当喷射器的回位弹簧预紧力、喷射压力等参数不变时，电磁力及运动件质量直接影响衔铁—阀芯的运动规律。因此，本文对线圈匝数、电磁场分布、工作气隙厚度及其位置等几项参数进行优化设计，以期缩短喷射器开启与关闭的响应时间。

2 关键参数优化

2.1 线圈匝数优化

电控汽油喷射器本质上是一电磁阀，线圈匝数的多少影响着电磁力的大小和电磁力的上升速率，进而影响喷射器阀开启和上升的时间，即喷射器开启动态响应性能。因此，对喷射器线圈匝数的优化是提高其动态特性的重要手段。

图4所示为电控汽油喷射器的不同线圈匝数下电磁力变化曲线。在线圈线径及所施加电压不变的前提下，由于电磁线圈匝数的增加将导致线圈电阻增大，回路中电流降低，使得最终总的电磁力相同，因此，线圈匝数对饱和电磁力几乎没有影响。但是，减少线圈匝数可减小线圈的反电动势所产生的力，提高电磁力的上升速率，从而改善喷射器的动态响应性能。BOSCH某型喷射器的线圈匝数为480，本文综合考虑电磁线圈的响应性能及能耗，最终匝数定为420。

图4 不同匝数的线圈电磁力曲线

2.2 电磁场分布优化

电控汽油喷射器的动态响应品质受电磁力及其上升速率的大小的影响，而电磁场的分布优化可以增强电磁效应，进而提高电磁力的上升速率，以缩短球阀组件开启时间，提高喷射器的动态特性。

基于喷射器的电磁结构，通过软件分析，获得喷射器的轴向磁感应强度分布，如图5所示。对比发现，材料的相对磁导率μ为220时，整个磁场的磁感应强度明显增强，其中铁芯和衔铁处磁感应强度最大，在工作气隙处磁感应强度有所减弱。此时，铁芯内径与磁感应强度变化曲线如图6所示，工作气隙间的磁感应强度最大值为0.22T。由图6中曲线可知，随着内径的增大，磁感应强度

图5 磁感应强度分布

先增后减，中间出现峰值，此处的内径是喷射器铁芯和衔铁内径的理想值。

图6 铁芯内径与磁感应强度变化曲线（μ＝220）

综上，本文在试制喷射器时，铁芯与衔铁的相对磁导率选为220，铁芯内径选为2.7mm（BOSCH喷射器铁芯内径为3.0mm），以优化喷射器的电磁场分布。

2.3 工作气隙位置及其厚度优化

衔铁与铁芯之间为工作气隙，其厚度及位置与喷射器的电磁场性能有着密切的关系，图7所示为工作气隙厚度和磁感应强度之间的变化关系，随着工作气隙厚度的增加，磁感应强度不断减小。同时，若工作气隙厚度不变，随着工作气隙位置向上移动，衔铁增大而铁芯随之缩短。这使得衔铁的质量增加，也使得气隙内的电磁力增大。这样就需要综合考虑两者的变化趋势，图8所示为电磁力与衔铁质量的比值随工作气隙位置的变化曲线，横坐标0处表示BOSCH某型喷射器工作气隙位置。在某一位置处，电磁力与衔铁质量的比值达到最大值，这便是本文试制喷油器时所选工作气隙的位置。

图7 磁感应强度随气隙厚度的变化关系

3 动态性能测试

为验证经优化改进的电控汽油喷射器的动态性能，利用开发的测试系统对其进行了开启时间与关闭时间的测试。喷射器动态工作过程可分为电磁线圈接到驱动脉冲开始到球阀达到最大行程时的开启过程、球阀持续保持开启的全开过程以及从切断驱动脉冲起到球阀完全回落的关闭过程，其电流变化曲线如图9所示。

图8 电磁力与衔铁质量比值随气隙位置的变化关系

图9 电控喷油器工作过程中电流变化曲线

在O点线圈收到电压控制信号，随后线圈电流按指数规律增大，线圈内磁通量逐渐增大。当电磁力增大到可克服球阀及衔铁的各阻力之和时，球阀开始脱离阀座，向上运动。球阀向上开启过程中，工作气隙变小使得线圈的电感增大，导致线圈电流增大到一定值（A点）后开始出现微量下降。当球阀达到完全开启位置停止移动时，电流降低到一较小值（B点），随后电流又以新的时间常数按指数规律增长，直至达到稳态值。因此，只要检测出电流变化曲线上B点出现的时刻，就得到了喷射器开启终了时刻，此时刻与驱动脉冲发出时刻的时间差，即球阀开启滞后时间td1。

在D点，控制电压降为0，电感的存在使得电流逐渐减小，球阀组件受到的电磁力也减小。当电磁力不能克服外力时，球阀组件开始向下运动，这时电感的变化使线圈中的电流稍有增大（E点），随后复又减小，球阀组件迅速回落直至完全关闭（F点）。这样分别检测到D、E两点的时刻，其差便是关闭滞后时间td2。

球阀开启、关闭滞后时间的检测系统如图10所示，单片机发出的控制信号经驱动电路控制电控喷射器工作，电流检测电路将喷射器线圈电流转换为电压信号，经信号放大电路、微分电路、电压比较电路及电平转换电路处理后进入单片机，记录下喷射器动态工作过程中的B、D、E点的时刻，经RS232传送到PC机以便后续的数据处理。检测结果如图11所示，新设计的喷射器开启滞后时间为1.65ms，比原喷油器的滞后时间缩短了8%；关闭滞后时间为0.5ms，缩短了9%。

图10 球阀开启与关闭滞后时间检测系统框图

图11 喷射器开启与关闭滞后时间对比曲线

4 结束语

本文在理论分析及仿真计算的基础上，对电控汽油喷射器电磁结构参数进行了改进与优化设计，所试制的喷射器的电磁力的上升速率得到提高，尤其使得动态特性时间参数，即球阀开启滞后时间与关闭滞后时间，与BOSCH某型电控汽油喷射器相比分别缩短了8%和9%。

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