电控喷油器油量精确控制研究

常 诚，魏民祥，刘景阳，季昊成

（南京航空航天大学 能源与动力学院，南京 210016）

电控喷油器油量精确控制研究

常 诚，魏民祥，刘景阳，季昊成

（南京航空航天大学 能源与动力学院，南京 210016）

0 引言

发动机在工作过程中，在不同工况下获得所需的精确喷油量是发动机拥有良好的动力性、经济性和排放性的基础。电控喷油器作为发动机供油系统的核心部件之一，其性能直接影响了发动机的工作状态。实际应用中对于喷油器通常认为其流量与喷油脉宽为线性关系，但由于小喷油脉宽段存在较为明显的非线性特征，导致在该段内的实际喷油量与设计值有较大误差[1,2]。此外，由于供电电源、油压等外部因素的影响，喷油器的流量特性亦会发生相应的变化。这些因素都将严重影响电控喷油器喷油量的精确控制。本文为了能够精确控制喷油量，提出了一种双通道智能喷油器的设计方法。

1 喷油器流量特性试验

1.1 喷油器流量试验台搭建

图1 喷油器流量特性试验台原理图

本文设计并搭建了喷油器流量特性试验台，其工作原理如图1所示。燃油从油箱经过油泵和油压调节器流入燃油分配轨，然后通过调节器的回油管回到油箱，这时燃油分配轨中的燃油是有一定的油压的。喷油器的喷油周期、脉宽以及喷油次数通过上位机给定，上位机与控制器之间利用串口通讯，控制器的MCU发出控制信号使驱动模块控制喷油器的喷油，量筒用来接收喷油器喷出的油，电子称用来称量燃油的质量。

控制器的核心MCU为MC9S08DZ60，利用其片上资源的SCI通讯模块、定时计数器模块和PWM模块可以比较简单的实现上下位机的通讯以及一定占空比和一定数量的PWM波的输出的功能，将喷油脉宽增量最小设置为50us，方便对喷油器小脉宽非线性段的测量。

1.2 喷油器流量特性测量试验

试验所选喷油器的电磁线圈电阻值为13.07Ω，为高阻喷油器。基础实验的条件参数为：密度为0.78g/cm3的煤油，燃油压力300kPa、喷油器驱动电压12V，设定喷油器周期为10ms，喷油脉宽范围为0～10ms，其中在喷油脉宽0～2ms之间选取的脉宽增量为100us，喷油脉宽在2ms～9ms之间选取脉宽增量为1ms，喷油脉宽在9ms～10ms之间选取的脉宽增量为200us，喷油次数均为2000次。

图2为某喷油器的基础条件下的流量特性曲线，由流量特性图可以看出该喷油器在喷油脉宽小于1.3ms时不能喷油，而在1.3ms～2ms左右的阶段为非线性喷射阶段，在2ms～9ms的范围喷油器为线性喷射阶段，当喷油脉宽大于9.4ms后喷油器每循环的喷油量不再发生变化。

图2 喷油器流量特性曲线

图3 不同驱动电压下的流量特性曲线

调整喷油器的驱动电压分别为14V、12V、10V，得到如图3所示的不同流量曲线。由图可以看出随着电压的减小，喷油器的流量特性曲线呈整体向右平移的趋势，说明电压降低时，各脉宽所对应的喷油量减小。此外，随着驱动电压电压降低，平移的幅度增大，说明随着电压的降低，同脉宽所对应的喷油量的减幅变大。

调整喷油器的供油油压分别为300kPa、280kPa、250kPa得到如图4所示的。由图可以看出随着压力的减小，流量特性曲线线性段的斜率明显变小，说明同脉宽的情况下燃油压力减小造成喷油量变小。

图4 不同油压下的流量特性曲线

2 喷油器电磁阀理论建模与分析

使得喷油流量特性呈现试验中规律的原因在于喷油器电磁阀的响应特性。喷油器电磁阀是个由电路、磁路、机械和流体组成的复杂的耦合系统，各个子系统之间相互关联和影响，其关系可以由图5中的示意关系表述[3]。

图5 喷油器电磁阀子系统关系图

2.1 喷油器电磁部分数学模型

假设磁通在所有媒介中分布皆为均匀并且忽略磁路中的漏磁，根据基尔霍夫磁压定律可以得到：

式中：N为线圈匝数，i代表线圈中电流的大小，Hc是磁芯的磁场强度，Hg是气隙的磁场强度，lc和lg是磁电路通过磁芯和气隙长度。leq表示磁电路的等效长度。该等效长度可以由下式表达：

式中：µc、µ0分别是磁芯和空气的磁导率，lg=xt−x；定义µr为磁芯的相对磁导率，即µr=µc/µ0；xt是总的空气间隙，其中包括阀芯和磁极之间的行程形成的主气隙。当阀芯在其初始位置x=xmin时，lg达到最大值，而当阀芯达到其最大行程x=xmax，lg达到最小值。

在磁电路中有如下基本关系：

式中：ϕ为磁通量，B为磁通密度，Ae为磁通路径的有效横截面积。

联立上述方程，可以得到回路中的电感的表达式：

根据电感的表达式，可以看出其大小并非固定参数，而是由阀芯的运动影响的[4～6]。

图6 电磁阀等效电路图

电磁阀的等效电路如图6所示，根据基尔霍夫点压定律可以得到电路的微分方程为：

式中：V(t)为输入电压，iL(t)为电流。又根据式(4)可得L(t)的微分为：

将式(6)带入式(5)，可以得到计算电流的非线性微分方程：

2.2 喷油器针阀运动数学模型

根据针阀-衔铁偶件在喷油器中的受力关系可以得到其运动微分方程如下：

式中：ms是针阀-衔铁偶件质量，b和k分别为阻尼和弹簧系数， 是弹簧在阀芯关闭时的压缩量，Fhydraulic是油压和背压在偶件上的合力。

式(8)中，电磁力可根据公式计算如下：

而Fhydraulic可以由腔内压力与环境压力差来表示，即：

式中：Psup和A1表示腔内油压和受其作用的受力面积，Pout和A2表示背压和受其作用的受力面积。

2.3 电流变化与阀芯位移间的关系

根据上述电磁阀各部分的微分方程，进行计算分析，其结果如图7所示，描述了控制信号、电流和阀芯位移之间的关系。

图7 电流变化与阀芯位移关系图

从图中可以看出，电磁阀在开启之前电流持续增大，直至达到阀芯的电磁力可以克服外合力而达到将要开启状态。开启电磁阀开启时，由于间隙在减小，使得电磁阀的电感发生变化，电流会产生突变。阀芯运动会造成电感的持续增大，所以电流会持续减小。当阀芯运动完成时，电感不再变化，由于外界电压持续存在，电感中的电流将再次增大。因此，在突变点之后的电流最小点是阀芯开启完结的时刻。在电磁阀关闭时，电流变化也存在类似的响应。根据上述的推导和分析，电流可以作为计算电磁阀开关时间的核心。

2.4 试验现象的理论分析

上文中的试验现象可以由以下的理论分析解释：

1）小喷油脉宽阶段，电磁线圈内电流从零增大到开启电流，电磁力增大至可以开启针阀，但是由于电磁力与外力的差别不大，针阀不能够比较稳定的全部打开，此外喷油器打开前后，喷嘴附近的燃油流动的不稳定性也会对喷油器的流量造成一定影响[7]，这些因素共同导致了喷油量的不确定性，因此该阶段的喷油器的流量特性呈非线性。

2）大喷油脉宽阶段（喷油脉宽接近喷油周期）两次喷油之间的时间间隔很短，导致线圈中的电流尚未减小到使针阀完全关闭而下次喷油信号就已经到来，电流再次升高，使针阀升起，所以试验中大脉宽时的流量呈增长趋势，直到最后针阀打开后无法关闭，流量不再增加。

3）当喷油器的驱动电压增大时，其电流响应加快，而且达到的稳态电流也更大。电流上升速度变快，达到开启电流的时间随之减少，缩短了阀芯的开启滞后时间，又由于稳态电流大，在关闭过程中电流的释放时间也会加长，增大了电磁阀关闭时间的滞后，电磁阀打开的实际时间增大，因此喷油器流量在大电压时明显增大，非线性段提前。

4）理论上由于燃油压力的增大，所对应的开启电流增大，开启滞后时间应该相应的增大，关闭过程中由于油压变大也会导致滞后时间的缩短，两者都将导致电磁阀总开启时间缩短。但同时由于油压的变大，电磁阀开启后的在相同的时间内流量增大。实验中的燃油压力变化量比较小，所以喷油量由于油压增大而变大的效果更为明显，故随着油压的减小流量特性曲线呈现出斜率减小的趋势。

3 双通道智能喷油器设计思想

在使用过程中，理想喷油器能够完全按照使用者的所期望的工作状态进行工作，而实际喷油器小脉宽的非线性段以及油压、电压的波动很大程度上影响了喷油器的控制精度，因此本文提出一种喷油器结构和控制策略以期达到喷油器的高精度控制。其原理图如图8所示。

图8 双通道喷油器原理示意图

3.1 双通道智能喷油器电磁阀设计

图9为双通道喷油器的结构示意图。

双通道喷油器的结构设计其核心是双通道电磁阀的设计，很多学者对电磁阀响应快慢的影响因素进行了分析[8,9]，研究表明软磁材料的选取、载荷的大小、线圈的匝数等因素对电磁阀的动作时间均有很大的影响。

图9 双通道喷油器结构示意图

首先喷油器电磁阀的制造选用高饱和磁通密度以及高电阻率的材料，这是因为高饱和磁通密度意味着材料能将更多的电能转化为磁能，而高电阻率则意味着涡流损失更小，磁场渗透速度更快，从而提高电磁阀的响应速度。

其次，本文提出的双通道式结构为：喷油器内部分为横截面积较大主通道和横截面积较小的辅通道，相应的，在主通道中的衔铁体积与针阀的横截面积均大于辅通道中的衔铁体积与针阀横截面积。如此设计的原因在于横截面积大的主通道可以保证喷油器流量足够，而惯性载荷小的辅通道电磁阀有更快的响应速度，二者之间相互配合以达到互补的效果。

此外，为了与各自的针阀-衔铁偶件相匹配，设计主通道电磁阀线圈匝数多于辅通道电磁阀线圈，这是由于线圈的匝数多使得线圈的电感增大，能够提高磁势并促进电能转换为磁能，从而使电磁力增大，故使得主通道电磁阀获得更大的电磁力；但是线圈匝数的增多同时也使得电流响应过程的时间常数，导致电流响应较慢，故辅通道电磁阀选用更少匝数的线圈以获得更快的响应速度。

3.2 双通道智能喷油器控制器设计

喷油器本身自带一个嵌入式控制器，控制器主要由核心MCU和外围驱动电路组成[10]，其主要作用是接收发动机ECU发出的喷油脉宽信号，然后进行进一步的计算处理，根据当前工况调整并分配两个通道的喷油脉宽，对喷油脉宽进行补偿或修正，以达到精确控制的目的。

控制器的控制策略流程图如图10所示。

图10 控制策略流程图

当喷油器的控制器接收到ECU的喷油脉宽信号之后，控制器首先判断当前所需油量是否在主通道的非线性喷射段内，来选择主通道或辅通道进行喷射。另外，通过试验标定可以得到两个通道在不同电压和油压下的脉宽修正量，将该修正量MAP可以预存在控制器中，发动机工作过程中利用该MAP来修正喷油量，以提高控制精度。

3.3 双通道喷油器半物理仿真试验

试验选用流量特性不同的喷油器A和喷油器B分别模拟双通道喷油器的两个通道。两个喷油器在驱动电压12V、燃油油压300kPa的条件下流量特性如图11所示。

图11 A、B喷油器流量特性曲线

喷油器A的非线性喷射段为0～1.1ms，其中无效喷射段为0～0.7ms；喷油器B的非线性喷射段为0～2ms，其中无效喷射段为0～1.3ms。同脉宽下喷油器A的流量明显小于喷油器B。这与上文中提出的双通道喷油器两个通道的不同特性相符合，所以试验中可以用喷油器A模拟辅通道，喷油器B模拟主通道。

使用自主开发的双通道喷油器控制器与喷油器A和喷油器B相结合，进行喷油器流量特性试验，试验结果如图12所示，可以看出在喷油器工作段内其流量特性有比较好的线性度。试验说明，利用本文提出的喷油器设计思想可以有效的提高喷油器喷油量的控制精度。

图12 半物理仿真试验流量特性曲线

4 结束语

1）在搭建的喷油器流量特性试验台上进行了电控喷油器流量特性试验，从试验结果中看出喷油器在小脉宽段会有明显的非线性段，且喷油器的流量会随着电压和油压的增大而变大。

2）建立了喷油器电磁的数学模型，从电流响应的角度解释了电磁阀的开启过程，对试验结果进行了理论上的分析。

3）根据试验和理论分析，提出了一种双通道智能喷油器的设计思路，以期通过结构上的优化和控制策略的优化使得喷油器的喷油量得到精确的控制。通过半物理仿真试验的模拟，可以看出利用本文提出的喷油器设计思想可以有效的提高喷油器喷油量的控制精度。

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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

在搭建的电控喷油器流量试验台上进行了喷油器流量特性试验，获得了不同条件下喷油器的流量特性，得到了影响喷油器喷油量的关键因素。通过建立喷油器电磁阀的数学模型，从电流响应的角度对试验现象进行了解释说明。在理论指导的基础上提出了双通道智能喷油器的设计方法，通过半物理仿真实验验证了设计思想的正确性，为解决喷油量精确控制的问题提出了一种新的思路。

电控喷油器；流量特性；双通道喷油器；精确控制

常诚（1992 -），男，河南安阳人，博士研究生，研究方向为内燃机仿真与控制。

U464

A

1009-0134(2015)12(上)-0130-05

10.3969/j.issn.1009-0134.2015.23.39

2015-09-17

南京航空航天大学研究生创新基地（实验室）开放基金（kfjj201406）