电控喷油器开启和落座滞后时间的研究

1、电控喷油器开启和落座滞后时间的研究 本文从电磁喷油器的结构和工作原理出发，分析了电磁喷油器的喷射过程，详细推导了喷油器针阀开启及落座滞后时间的数学表达式，并利用80C196单片机开发了电磁喷油器开启及落座滞后时间测试系统。在汽车发动机电控汽油喷射系统中，电磁喷油器是一个重要部件，其作用是接收微控制器发出的喷油脉冲来精确计量燃油并形成喷雾。目前，国内汽车用电磁喷油器完全依赖进口，国内对电磁喷油器的研究还处于起步阶段，一些企业正在对电磁喷油器进行技术攻关。由于缺少系统的理论作为指导，同时缺乏电磁喷油器关键性能的测试手段，严重阻碍了国内电磁喷油器的自主研发进程。本论文从电磁喷油器的工作原理出发，系统

2、分析了电磁喷油器工作过程的各个阶段，推导了喷油器开启及落座滞后时间的数学表达式，并基于喷油器线圈电流的变化特点开发了一种电磁喷油器动态时间参数测试系统。本论文的研究工作对指导电磁喷油器的设计，加快电磁喷油器的国产化进程具有积极的促进作用。电磁喷油器喷射过程分析喷油器主要有轴针式、球阀式和片阀式3种。它们的工作原理基本上相同，只是在结构上有些差别。喷油器的喷射过程可分为针阀开启、全开和关闭三个过程：开启过程是指从接通驱动脉；中起到针阀全开的过程；全开过程是指针阀升程为最大值的过程；关闭过程是指从切断驱动脉冲起到针阀由弹簧推回而落座的过程。1.磁路分析如图1，在电磁喷油器的等效磁路中，若忽略磁漏时

3、，有：其中，b为磁通，i为线圈电流，N为线圈匝数，RM为磁路总磁阻。由麦克斯韦尔定理可知，工作气隙为时衔铁组件所受的电磁力F为：其中，0为真空磁导率，S为工作气隙截面积。2.电路分析电磁喷油器线圈通电时的等效电路如图2所示，R和L分别为喷油器电磁线圈的等效电阻和电感，电路的电压平衡方程为：线圈断电时的等效电路如图3所示，其中，R0为建立喷油器保护电路而引入的电阻，电路的电压平衡方程为：3.针阀的机械运动过程分析一般来说针阀行程不超过0.1mm，相对弹簧的预变形量来说是很小的，可粗略认为弹簧反力不随针阀的位置而改变。另外，为便于分析，也忽略燃油压力对针阀的作用力及针阀运动过程中燃油的粘性阻力和机

4、械摩擦力，则针阀的机械运动方程为：式中：m为针阀和衔铁的质量；x为针阀位移；F、Ff分别为电磁吸力和弹簧反力。电磁喷油器喷油过程的时间计算喷油器动态过程可分为：电磁线圈通电开始到针阀达到最大行程的开启过程；针阀持续保持开启的全开过程；线圈断电到针阀完全回落的关闭过程。线圈电流变化曲线如图4所示。开启迟滞（OA阶段）OA阶段代表线圈中电流和磁通从零增长到使电磁吸力等于弹簧反力所经历的过程，在此过程中针阀不动。由微分方程U0=iR+Ldi/dt解得：其中，LOA表示在OA阶段的线圈电感。在A点，联立方程式（1）、式（2）、式（5）、式（6），可求出OA阶段的持续时间t1。针阀开启向上运动（AB阶段

5、）在AB阶段，电磁吸力开始克服弹簧力，针阀向上运动，由于工作气隙减小，线圈电感增加，电流逐渐下降，在针阀完全开启时，线圈电流降为一个最低值。由于针阀向上运动阶段，线圈电流变化较小，为求解方便，假设电流不变（lA=lB）。由微分方程（3）并联立方程式（1）、（2）、（5），并结合t2=0时的初女台条件（b=bA，dx/dt=0及x=0）可得：将针阀组件的最大升程h代入式（7）便可求出t2，即AB阶段的持续时间。关闭迟滞（CD阶段）CD段代表切断线圈电源至电磁吸力不足以克服弹簧反力使针阀开始运动所需的时间。在C点，控制电压降为0，由于电感的存在，使得电流逐渐减小，针阀组件受电磁力也减小。依据方程式

6、（4），可解得：针阀回位向下运动（DE阶段）在DE阶段，由于线圈电感减小，线圈中的电流稍有增加。为了简化起见，假定此过程中电流保持不变，利用与导出t2类似的方法，可求出针阀落座运动时间的方程式如下：则可知，针阀的开启滞后时间td1=t1+t2；针阀的落座滞后时间td2=t3+t4。动态参数td1/td2的测量系统喷油器开启终了时刻的检测原理在针阀开启的过程中，由于气隙磁阻的变化，会使线圈的电感增大，导致按指数规律增加的电流稍有下降，当达到完全开启位置针阀停止移动时，电流降低到最低值B点（图4），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

7、，就可确定喷油器的开启终了时刻。此时刻与发出驱动脉冲时刻的时间差，即针阀开启滞后时间td1。喷油器开启滞后时间检测电路如图5所示。电路由电流检测电路、信号放大电路、微分电路、电压比较电路及电平转换电路等几部分组成。其中电流检测电路的目的是把电磁线圈中的电流转换成电压信号；信号放大电路主要是用来放大电压信号；微分电路是把接受的信号微分；电压比较电路是用来把前面微分后的尖脉冲信号转变为方波；最后由电平转换电路把前面的方波变换为单片机可接受的负脉冲信号。该脉：中的下降沿即为喷油器的开启终了时刻。喷油器落座终了时刻的检测原理当切断电磁线圈电源时，会在线圈两端产生感应电动势U并很快衰减。在针阀落座的过程

8、中，由于气隙磁阻的变化，使得磁路中的磁通量减少。根据法拉第电磁感应定律，势必在电磁线圈中产生感应电动势，使电磁线圈两端迅速下降的电动势突然增加，在针阀落座终了时刻达到最大值。此后，由于气隙不再改变，因此该电动势又很快衰减，如图6所示。因此，只要检测到峰值点E出现的时刻，就可得到了针阀落座终了时刻。该时刻与喷油器断电时刻之间的时间差即为喷油器落座滞后时间td2。喷油器落座滞后时间检测电路如图7所示，由信号放大电路、微分电路、比较电路和电平转换电路组成。各电路和喷油器开启时刻中电路的作用一样。喷油器开启/落座滞后时间的测量系统喷油器开启/落座滞后时间测量系统由80C196单片机、喷油器驱动电路、电

9、喷发动机供油系统（包括喷油器、电动汽油泵、汽油滤清器、燃油分配管、油压调节器及燃油管路等）、喷油器开启/落座滞后时间检测电路及示波器等部分组成，如图8所示。其中，喷油器驱动电路同80C196单片机的高速输出端口HSO.0连接，用以控制喷油器的开启和关闭；喷油器开启/落座滞后时间检测电路同80C196单片机的高速输入引脚HSI.1连接，并在开启/落座终了时刻发出中断申请。另外，我们设定80C196单片机的高速输入模块以下降沿触发方式工作。当喷油器针阀完全开启或完全落座时，出现在HSI.1引脚上的脉冲信号下降沿可以触发HSI数据有效中断。在HSI中断处理程序中所记录的脉冲到来时刻即为喷油器针阀完全

10、开启或完全落座时刻。喷油器开启/落座滞后时间的测量过程如下：80C196单片机的HSO.0引脚向喷油器驱动电路发出喷油器开启命令的同时清零定时器T0，当喷油器完全开启（图4中的B点出现）时，单片机的HSI.1脚出现一个负脉冲，该脉冲的下降沿触发HSI数据有效中断，在中断服务程序中可读取脉冲到来的时刻，该时刻就是喷油器完全开启时刻top；当喷油器完全落座时，单片机的HSI.1脚也会出现一个负脉冲，同样会触发HSI数据有效中断，在中断服务程序中可读取喷油器完全落座时刻tcl。喷油脉；中信号与喷油器完全开启及落座信号之间的关系。喷油器刚通电时对应的定时器T0的时刻为t0，针阀完全开启对应的时刻为to

11、p，针阀完全落座对应的时刻为tcl。假定喷油器驱动信号持续的时间为tp，则可得到下列关系式：td1=top-totd2=tcl-tp通过上述方法可方便地检测喷油器完全开启及完全落座时刻。测试结果分析采用图8所示的测试系统对桑塔纳AFE型电控喷油器的开启及落座滞后时间进行了实际测试。测试结果为：td1=1.3ms；td2=O.55ms。影响测量精度的因素有：（1）测量系统的引入引起的td1、td2的变化；（2）运算放大器的瞬态效应；（3）定时器的定时精度；（4）软件处理过程中产生的误差。在喷油器开启滞后时间检测电路中，为了把线圈的电流信号转变成电压信号，在线圈电路中串入了电阻R1，电阻R1的引入将使td1略有增加。在本系统中，选定R1为10m，由此产生的误差不超过5s；运算放大器响应产生的时间