汽车电控喷油器开启延迟特性研究_侯肖婷

线圈通电至针阀开启（ 图 5 中 OA 段） 过程中，工 作气 隙 不 变，电 感 不 变，线 圈 电 流 以 一 定 的 指 数 规 律 增长，到达点 A 时电磁吸力与运动阻力相等。AB 段为 针阀 开 启 运 动 阶 段，随 着 针 阀 向 上 运 动，工 作 气 隙 减 小，使 得 线 圈 电 感 增 大，致 使 线 圈 电 流 的 增 长 速 率 开 始变小，在点 B 针阀全开时电流达到极小值。由图 5 所示可见，通电后线圈电流具有如下变化特点： 1） 在 针阀开始运动的瞬间，电流具有极大值； 2） 针阀完全 开启时，电流具有极小值。
图 1 电控喷油器结构示意简图
1． 铁芯 2． 轭铁 3． 电磁线圈 4． 衔铁 5． 针阀 6． 回位弹簧 7． 阀座 8． 喷孔
电控喷油器开始喷油之前，针阀被回位弹簧和燃
* 高等学校博士学科点专项科研基金项目（ 200802520001）
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现代制造工程（ Modern Manufacturing Engineering）
+
1 N
（
U0
－
iAR）
t
（ 12）
将式（ 12） 代入式（ 3） 求出电磁吸力 F 后，再代入
式（ 7） ，可求出针阀的运动轨迹为：
d2 x dt2
=
（
U0 － iAR） 2μ0 mSN2
2
t2
+
φbA（ U0 － iAR） μ0 mSN
t
（ 13）
由初始条件 t = 0 时，·x = 0 和 x = 0，并设针阀行程
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下的实测值与理论计算值具有一致性，这表明本文的 测试方法是可行的，实测结果与理论计算结果之间存 在差异的主要原因是计算模型对实际情况进行了较 多地简化。
图 7 针阀开启延迟时间测试系统结构
脚连 接，在 针 阀 完 全 开 启 时 刻 发 出 中 断 申 请，具 体 操 作如下。
图 4 针阀位移与动作时间的关系
1） 在 OA 阶段，工作气隙不变，可认为磁路的总磁
阻 RM为定值，此时电磁线圈的电压平衡方程为：
U0 = Ri + Ndφb / dt
（ 8）
将磁通定义公式 i = φbRM / N 代入式（ 8） ，令RUR0NM =
φbw ，可得：
φb
=
φbw （
1
－
e
－
）R
L
油压紧在阀座上。当电磁线圈通电后产生的电磁力 大于 弹 簧 力、燃 油 压 力 及 摩 擦 力 之 和 时，针 阀 向 上 开 启，燃油从 喷 油 器 的 喷 孔 喷 出。 电 磁 线 圈 断 电 后，针 阀受 到 的 电 磁 力 迅 速 下 降，在 弹 簧 力 的 作 用 下，针 阀 开始 下 落，直 至 喷 油 器 喷 孔 被 堵 住，从 而 完 成 一 次 喷 油过程。
汽车制造技术

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*
汽车电控喷油器开启延迟特性研究
侯肖婷，张振东，程强 （ 上海理工大学机械工程学院，上海 200093）
摘要： 分析了汽车电控喷油器的组成结构及工作原理，建立了电控喷油器开启延迟时间的计算模型。依据通电后线圈 电流曲线的变化特点设计了一套喷油器针阀开启延迟时间测试系统。实验结果表明，在不同电源电压下，开启延迟时 间的计算值与实测值基本一致，所开发的测试系统是可行的。 关键词： 电控喷油器； 开启延迟特性； 测试系统 中图分类号： TK417． 4 文献标志码： A 文章编号： 1671—3133（ 2012） 06—0047—04
本文通过建立电控喷油器针阀开启过程的数学 模型，从数值仿真和实验研究两个方面对电控喷油器 针阀的开启特性进行了研究，研究结果对于推动我国 电控喷油器的自主开发具有借鉴的作用。
1 电控喷油器的工作原理
电控喷油器本质上是一种电磁阀，其结构示意简
图如图 1 所示，它由电磁线圈、衔铁、针阀、铁芯、轭铁 及回位弹簧等部分组成。图 1 中 d 为铁芯外径； d0 为 铁芯内径； d1 为线圈内径； δ 为工作气隙； δ1 为滑动气 隙； h1 为滑动气隙宽度； b 为电磁线圈的厚度。
t
（ 9）
设 t = t1 时，φb = φbA，i = iA，F = FA，则 由 式 （ 9 ）
可得：
( ) ( ) t1 =
－
LA R
ln
1 － φbA φbw
=
－
LA R
ln
1 － RiA U0
（ 10）
式中： φbA为 φb 在点 A 时的值； iA为点 A 时的电流，iA 可
以由点 A 时的电磁吸力 FA 与针阀闭合时的弹簧反力
数关系式。
2） 在 AB 阶段，电磁线圈的电压平衡方程同 OA
阶段。
在针阀开启过程中，电感的变化使得电磁线圈中 的电流稍有 下 降［3］，但 这 一 变 化 不 大，因 此 可 假 定 此
过程中电流值保持不变，考虑到开启瞬间（ 即 t2 = 0）
磁通 φb = φbA，由式（ 8） 可得：
φb
=
φbA
为 h，可求得 h 与 t2 的函数关系式为：
h
=
（
U0 6
－ μ0
iAR） φbA mSN
t32
+
（
U0 － iAR） 24μ0 mSN2
2
t42
2． 3 针阀开启过程中线圈电流的变化特点
（ 14）
通电后，喷油器线圈电流 i 随时间 t 的变化曲线
如图 5 所示。
图 5 喷油器线圈电流随时间 t 的变化曲线
2． 2 针阀开启过程分析
针阀开启过程中动作时间与针阀位移之间的关
系，如图 4 所示。
OA 段代表线圈中电流和磁通从零增长到使电磁
力等于弹簧反 力 时 所 经 历 的 时 间，称 为 开 启 触 动 时
间，用 t1 表示。 AB 段代表针阀从闭合位置到全开位置的运动过
程，所用的时间称为开启运动时间，用 t2 表示。t1 与 t2 之和为开启延迟时间 td1 。
故可认为在针 阀 运 动 的 过 程 中 弹 簧 力 保 持 不 变，同
时，为 便 于 分 析，忽 略 燃 油 压 力 和 运 动 阻 力 对 针 阀 的
作用，根据牛顿运动定律则针阀的机械运动方程为：
m
d2 x dt2
=
F
－
Ff
（ 7）
式中： m 为针阀和衔铁的质量； x 为针阀位移； Ff 为弹 簧反力。
Study on the open delay characteristics of an automobile electronic gasoline injector
Hou Xiaoting，Zhang Zhendong，Cheng Qiang （ College of Mechanical Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China）
依据线圈电流的这两个特点，通过对电流信号进 行采集并借助微分、比较等电路处理手段，可将点 B 的电流信号处理为脉冲信号，利用单片机记录脉冲时 刻及线圈通电时刻，可实现喷油器开启延迟时间 td1 的 检测。
3 针阀开启延迟时间测试系统
喷油器针阀开启延迟时间检测电路如图 6 所示。 针阀开启延迟时间检测电路由电流-电压转换电路、信 号放 大 电 路、微 分 电 路、电 压 比 较 电 路 和 电 平 转 换 电 路组成。将小阻值电阻 R1 与喷油器线圈串联。信号 放大部分由运算放大器 A1 和电 阻 R2 、R3 组 成； 电 容 C1 、电阻 R5 和运算放大器 A2 构成微分电路，图 5 中电 流曲线斜率在点 B 具有突变，经反向微分后则产生一 负的尖脉冲，此尖脉冲的下降沿出现时刻即为所求的 针阀开启时间； 运算放大器 A3 和电阻 R7 、R8 所组成的 比较电路用于把该尖脉冲转变为方波； 运算放大器 A4 和电阻 R9 、R10 进一步把方波转变为 TTL 电平。
设电磁线圈的线径为 dx； 导线电阻率为 ρx； 线圈 的充填系数为 fc； 高度与厚度比为 β； d1 为线圈内径； d1 = k1 d2 ，k1 为系数，d2 为线圈外径。则根据电磁能量 损耗定律，等效线圈的电阻 R 为：
( 槡 ) R
=
4ρxN d2x
k1 d2 +
πNd2x 4βfc
（ 1）
2 电控喷油器针阀开启过程的运动分析
2． 1 针阀的运动方程 电控喷油器的等效电路和等效磁路如图 2、图 3
所示。图 3 中，iN 为磁动势，N 为线圈匝数，i 为线圈 电流； φb为磁通； RM为磁路总磁阻，它是工作气隙 δ、滑 动气隙 δ1及导磁体的磁阻之和。
图 2 喷油器等效电路
图 3 喷油器的等效磁路
电磁线圈的电压平衡方程为：
U0 = Ri（ t） + dψ / dt
（ 2）
式中： U0 为等效电路的回路电压； ψ 为磁链； t 为线圈
通电时间。
根据 Maxwell 公式，工作气隙为 δ 时的电磁吸力 F
为：
F = φ2b / （ 2μ0 S）
S
=
π 4
（
d2
－
d20 ）
（ 3）
式中： μ0为真空磁导率； S 为气隙截面积。 在不计扩散 磁 通 时，根 据 磁 路 的 欧 姆 定 律，工 作
针阀开启延迟时间测试系统的结构如图 7 所示。 该测试系统以 8098 单片机作为控制器［4］，8098 单片机中的 HSO． 0 引脚输出的喷油脉冲信号经驱动 电路放大后，控制喷油器的开启和关闭。针阀开启延 迟时间检测电路的输出与 8098 单片机中的 HSI． 1 引