共轨喷油器驱动电路的试验研究*

李 克，牟连嵩，张宏超，崔国旭

(中国汽车技术研究中心，天津 300300)

前言

高压共轨燃油系统的最大特点是可在不同轨压下实现燃油喷射速率的灵活控制和多次喷射。利用超高喷射压力和多次喷射技术，NOx与PM排放和燃烧噪声都能得到抑制［1-3］。在有小油量预喷射和后喷射的情况下，喷射系统的稳定性和可重复性是影响燃烧过程和排放结果的关键因素［4-5］。它在很大程度上都依赖于共轨燃油喷射系统自身的性能，同时要兼顾它和控制系统的合理匹配，这正是当前我国自主开发共轨燃油喷射系统所要突破的关键技术瓶颈。

共轨电磁式喷油器的共同特点是喷油器体上都有控制腔和盛油槽，它们分别位于针阀座的上、下方，盛油槽在针阀座下方，针阀的运动主要是通过控制腔和盛油槽由衔铁的开合间接控制，而衔铁的开合则依赖于喷油器电磁阀电流激励的直接作用［6-8］。文献［8］和文献［9］中的研究表明，喷油器中运动件的动态响应对喷油的特性有显著影响，尤其是衔铁在吸合和回位终了时刻总产生一定的惯性冲击。它是衔铁动能和弹簧弹性势能不断转换和衰减的过程，此过程中部分能量转化为高压燃油的动能和势能，主要表现为控制腔和盛油槽内的油压波动，这对喷油器的瞬态响应、稳定性和可重复性具有严重的影响。

针对以上问题，本文中通过调整电磁喷油器驱动过程中不同阶段的电磁力，试验研究衔铁不同动态响应条件下共轨式燃油喷射系统的瞬态响应、最小油量控制和多次喷射等特性，从而找出最优的驱动电路参数，同时也为电磁喷油器硬件驱动电路探索其标定方法。

1 驱动电路介绍和理论分析

本文中所用的喷油器驱动电路是采用3阶段电流控制来实现对衔铁的动态管理，如图1所示。

这3个阶段分别涉及Dp(开启速率)、Ih(保持电流)和Dc(关闭速率)这3个特征参数。其中Dp主要由电路中的Vh(升压电压)和c喷油器自身的特性决定，也和M1(高压驱动功率管)与M2(低压驱动功率管)的开关状态有关，它们分别由高压驱动信号a和低压驱动信号b控制。在第1阶段中，M1和M2同时打开，Vh作为喷油器驱动电源，D1(整流二极管)这时用于隔离Vh和Vl;其中Ih主要由电路中的低压驱动信号b的保持脉冲占宽比控制;在第2阶段中，M1关闭和M2打开，Vl作为喷油器驱动电源;其中Dc主要由D2(反向抑制二极管)的抑制电压决定，D2用来控制电磁线圈电流回落的速率;在第3阶段中，M1关闭和M2打开。

在第1阶段，根据基尔霍夫电压定律分析可得到开启电流速率的数学方程为

式中:R为回路电阻;L为回路电感;i(t)为某一时刻喷油器电磁线圈内的电流值，其指数项与RL电路的自由响应方程的指数项相同，为负指数函数，它将随着时间而渐趋于零，时间常数为L/R，这时回路达到最大电流Vh/R。从式(1)和式(2)中也可看出，Vh越大，Dp就越大。

在第3 阶段M1 关断后，D1、D2、R、L 和Vl形成放电回路，此时喷油器电磁线圈内的电流响应方程为

其中第2阶段中的保持电流Ih成为本阶段的初始电流，同时图1中e点感生电动势和Dc的关系为

由于反向抑制二极管D2的存在，当εe不超过D2所抑制的电压Vd2时，相当于式(3)中R趋于无穷大，Dc也很大，电流快速回落，εe上升很快。当εe超过Vd2时，D2导通，R趋于无穷小，Dc不变，电流等速回落。从式(4)中可看出，εe-Vl的差值和Dc成正比关系，即Vd2直接决定着Dc的大小。

第2阶段的主要目的是保持衔铁的吸合状态，它通过低压驱动信号b的保持脉冲占宽比不断在阶段1(以Vl为电源)和阶段3两个状态下切换工作，维持稳定的保持电流Ih，但Ih的大小会对衔铁回落时的动态响应产生影响。

各阶段的电流变化直接影响着喷油器衔铁的动态响应特性，从而影响着燃油喷射的稳定性和可重复性，即喷油器的瞬态响应、最小油量控制和多次喷射特性。

2 试验测试设备和设计

试验所用燃油喷射系统为博世共轨系统，采用CP3.3型高压油泵和CRIN2型喷油器。所用的主要测试设备有法国EFS公司的EFS8246型燃油喷射规律仪、横河的96033型电流钳和泰安的共轨油泵试验台。其具体的技术参数见表1。

表1 试验测试台架技术参数

基于对燃烧过程优化和排放控制的考虑，要求共轨燃油喷射系统在快速响应的同时可实现小油量喷射和多次喷射，并具有较高的精度和较好的重复性，这要求驱动电路和喷油器的特性得到良好的匹配。为此，通过特定的试验对驱动电路的特性和燃油喷射的特性进行了研究，具体的试验条件和测试指标见表2。其中Dp和Dc分别由升压电压和抑制电压决定，特定的电压对应着特定的电流速率。试验油泵转速为定值750r/min，油温为40℃，循环变动的累积次数为100。

表2 试验条件及测试指标

3 试验结果和分析

当Ih=8.7A，Dc=597A/ms(抑制电压为90V)时，不同喷射油量下轨压对喷油器响应特性的影响如图2所示。

从图2中可看出，多数情况随轨压的升高喷油器开启和关闭响应变快，喷射油量大小对其影响不大。只有在2.5mg喷射油量时，随着轨压升高，喷油器关闭响应变慢，这是由于针阀没有完全打开。当喷油关闭时，针阀处于运动中，轨压高则动能大，落座的时间增加。而大油量时由于针阀完全打开，针阀的动能快速转化为弹簧的势能和油压波动，喷油关闭时动能为零，所以关闭响应时间较小油量时整体较低。图3示出升压电压对喷油器开启响应的影响，随着升压电压的升高，喷油器开启速率加快，开启时间变短;但关闭时间基本保持不变，其对关闭响应不产生作用。

升压电压对油量循环变动的影响如图4所示。从图4可看出，随升压电压的升高，喷射油量的循环变动变小，当升压电压达到一定程度，喷射油量的循环变动保持在一定范围。但在较低升压电压(40V)时，轨压的大小对喷射油量的循环变动影响较大，随轨压升高喷射油量的循环变动变小。由此可见，提高喷油器的开启响应速率可在一定程度上控制喷射油量的循环变动。

当Vh=50V、Ih=8.7A时，抑制电压对喷油器响应特性的影响如图5所示。从图5可看出，抑制电压对喷油器的开启响应几乎没有影响，对于关闭响应随着抑制电压的升高关闭响应加快。这和喷油器关闭时电磁线圈的电流回落速率有关，电流回落速率越快，电磁关闭越早，针阀响应就越快。抑制电压对油量循环变动的影响如图6所示。由图可见，随着抑制电压的升高，喷射油量的循环变动变小，尤其小油量表现的更为突出。这表明电磁阀关闭响应越快，小喷射油量的稳定性就越好。

当Vh=50V、抑制电压为90V时，保持电流对喷油器响应特性的影响如图7所示。

保持电流对喷油器的开启响应也都没有影响，对于关闭响应随着保持电流的增大响应变快，这主要由于保持电流的增大意味着电磁线圈的储能增大，关断后抑制电压的保持时间增加，电流回落速率变快。保持电流对油量循环变动的影响如图8所示。

随着保持电流的增加，在大喷射油量时对循环变动变化不大，在小喷射油量时，则循环变动变小，并且趋于稳定。由此可见，适当地提高保持电流也可以提高小油量的喷射稳定性。

当主喷射油量为50mg、预喷射油量为2.5mg，升压电压Vh=50V、Ih=9.7A、抑制电压为120V时，预主喷间隔对主喷循环变动的影响如图9所示。

预主喷间隔(0.2～1.4ms)在较低轨压下对主喷的循环变动影响不大，但随着轨压的升高，主喷的循环变动伴随预主喷间隔的增加不断震荡，没有一定的规律，这可能和高压油管的波动有关，但其间一些间隔下可以控制主喷的循环变动在理想的水平。主后喷间隔对后喷循环变动的影响也是研究的一个重点，但受限于EFS8246的测试性能，对于较小的后喷射该设备计算处理精度不够，分辨不出来，但从喷油速率曲线上可以明显观测到后喷射的存在，如图10所示。

所以这里以总喷油量的循环变动来评估主后喷间隔。主后喷间隔对总油量循环变动的影响如图11所示。

总体上看，随着主后喷间隔的增加，总喷射循环变动是变小的，但间隔为0.5ms点除外。因为在间隔为0.5ms时，主喷和后喷完全合为一次喷射，喷射油量变大，如图12所示，所以循环变动要低。另外，在间隔为0.9ms以上时随轨压的升高总喷射油量循环变动增大。

4 结论

(1)通过以上开发和试验研究可知，为了最大程度提升共轨燃油喷射系统的性能，采用灵活的共轨喷油器驱动技术，并对电路驱动参数进行合理标定是必然的途径。

(2)提高升压电压可明显改进喷油器开启响应，提高保持电流和关闭抑制电压明显改进关闭响应，而轨压的升高有利于加快开启响应，但一定程度减缓了关闭速率;适当提高升压电压、保持电流和关闭抑制电压可降低燃油喷射的循环变动，其中保持电流和关闭抑制电压对控制小油量的循环变动有明显效果。

(3)轨压过高不利于获得理想的多次喷射一致性和稳定性，在高轨压下通过合理选定预主喷间隔可以有效控制预喷对主喷的干扰。主后喷间隔直接影响总喷射油量的稳定性和一致性。

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