柴油机高速电磁阀驱动特性仿真分析

收稿日期:2005-01-10;修回日期:2005-09-28

作者简介:宋 军(1976)),男,山东省德州市人,在读博士,主要从事发动机电控方面的研究.

柴油机高速电磁阀驱动特性仿真分析

宋 军,黄建平,李孝禄,李书泽,黄 震

(上海交通大学机械与动力工程学院,上海 200030)

摘要:为了降低电磁阀的功率损耗,确保其长期可靠运转,基于H EU I 喷油器,利用M at lab 软件对电磁阀PWM 控制方式进行了仿真分析。仿真结果表明,提高线圈电压有助于实现电磁阀快速开启,开启脉冲和P WM 占空比决定了不同阶段电流的大小,P WM 脉冲频率影响电流的稳定性,几方面的有机调节,可以实现先高后低理想的电流波形。仿真结果为电磁阀的柔性控制提供了可靠依据。

关键词:柴油机;电子控制;高速电磁阀;驱动电路;电控液压泵喷嘴;脉宽调制

中图分类号:T P211.5 文献标识码:B 文章编号:1001-2222(2005)05-0048-04

随着电子控制技术的发展,高速电磁阀的引入,

发动机燃油喷射系统的喷油量、喷油正时和喷油速率可以实现精确控制。为了使电磁阀快速准确地开启与关闭,除了阀体本身制作精密外,还需要一个高效的驱动方式。

1 高速电磁阀的驱动特性

与汽油机电磁阀驱动方式不同,柴油机高速电磁阀阻值低,线圈上电流大,为了降低其功率损耗,线圈的理想电流波形如图1所示。由于燃油喷射系统每次喷射的时间很短,电磁铁必须能在很短的时间内产生强大的吸力来克服复位弹簧的拉力。电磁吸力与线圈电流成正比,在电磁阀结构参数一定的情况下,为了使电流在短时间内迅速增大,应尽可能提高驱动能量输入,即增大线圈电压,以实现电磁阀的快速开启。但大电流通过线圈必然会造成发热,为了避免电磁阀过热,阀门开启后应迅速将线圈电流下降到一个较小的数值,以维持阀门开启状态,这样既利于减小功耗,又便于及时关闭电磁阀,实现快速断油,此时的电流称为维持电流。

电磁阀线圈中这种先高后低的电流波形,可以大幅度降低功率损耗,保证整个喷油系统长期可靠运行。电磁阀开启阶段消耗的功率占总功耗的比例很大,与使用单一大电流工作方式相比,这种分段工作方式节省功率超过50%,并且随着电流维持阶段所占比例的增大,

功率损耗还会进一步降低。

图1 电磁阀线圈理想电流波形

2 电磁阀驱动方式及仿真分析

2.1 电磁阀驱动电路形式

在电控燃油喷射系统中,为了得到理想的电磁阀控制电流波形,一般采用3种电路形式。2.1.1 可调电阻式

通过改变不同阶段电路回路中的电阻值,来实现对电流波形的控制。该电路维持电流调节方便,但在电流维持阶段的功率很大一部分消耗在分压电阻上,造成了功率的无效损耗,而且电阻受额定功率和尺寸的限制,在电路板上布置不便,不符合高集成度的要求。2.1.2 双电压式

控制电路通过改变工作过程不同阶段的工作电压幅值,达到提供较小维持电流,减小能量消耗的目的。因为要提供两种电压,受到电源形式限制,需要进行DC )DC 变换,增加了整个电路的复杂性;而且

第5期(总第159期)2005年10月车 用 发 动 机V EH ICL E EN GIN E N o.5(Serial N o.159)

O ct.2005

电路易受到电源波动的影响,工作可靠性难以保证。2.1.3 脉宽调制式(PWM )

在该电路中,可以充分发挥微处理器的PWM 功能,对驱动电路进行控制。ECU 首先发出电磁阀打开初期的开启脉冲,线圈电流迅速增大;电磁阀开启后,电路立即转为PWM 运转方式,由于PWM 脉冲波的频率远远大于电磁阀响应频率,因此线圈上得到的脉冲流的时间平均就形成了维持电流,并可以通过调节PWM 占空比进行控制,PWM

驱动控制波形图2 PWM 驱动控制波形

如图2所示。与前两种电路相比,它可以达到很高的控制精度,是一种可以满足柔性控制要求的理想驱动方式。

2.2 PWM 驱动方式仿真数学模型

本文基于H EU I )A 喷油器(见图3)

对高速电

图3 H EU I )A 喷油器

磁阀的PWM 驱动方式进行了仿真分析。H EUI )A 喷油器为Cater pillar 公司用于电控中压共轨系统的关键部件,控制器ECU 通过打开和关闭喷油器中的高速电磁阀直接实现喷油控制。

当ECU 发出控制信号打开电磁阀时,高压共轨油便进入增压活塞的上腔;随着活塞的下移,活塞下腔

的燃油压力升高,喷油器针阀打开,喷油开始;燃油喷射一直持续到喷油控制脉冲结束。高速电磁阀的驱动性能直接影响着燃油喷射品质。

电磁阀的数学方程包括电路方程、磁路方程和运动方程。当施加电压U 时,线圈电流满足方程

U =iR +L d i/d t ,式中,R 为线圈电阻,L 为线圈电感量。

线圈电流的变化引起磁通的变化,根据基尔霍夫磁压定律可以得出磁路计算模型,即

N K I =

E R

m

),

式中,N K =N /K ,N 为线圈匝数,K 为线圈绕组个数;I 为线圈电流;

利用得到的磁通,根据麦克斯韦电磁吸力公式,可以计算出电磁阀吸力

F mag =k K <2

/L 0A ,

式中,K 为修正系数,<为单线圈磁通。

电磁阀的运动方程为

m d 2

x d t

2=F mag -K s (x +x 0)-C v

d x d t ,式中,m 为电磁阀运动部件的质量;K s 为电磁阀弹簧的刚度;x 0为电磁阀弹簧的预紧长度;C v 为电磁阀运动过程中的速度阻尼系数。

对上述方程进行求解,就可以获得电磁阀的动态响应特性。本文利用M atlab Sim ulink 软件对电磁阀PWM 驱动方式的线圈电流特性进行了仿真分析,仿真结构如图4

所示。

图4 电磁阀P WM 驱动方式仿真结构

为了得到如图2所示的PWM 控制脉冲波形,仿真中利用了4个方波信号源进行了组合,并对整个系统进行了封装,这样可以对影响电流波形的参数方便地进行调节,利用显示模块对仿真结果进行

可视化分析。

2.3 仿真结果分析

以H EU I )A 喷油器参数为基础,仿真了发动机转速为600r/min,喷油持续期为4m s 时,一个喷

#49#2005年10月 宋 军,等:柴油机高速电磁阀驱动特性仿真分析