引言：高压共轨喷油器是共轨系统中最关键最复杂的部件，也是设计、加工难度最大的部件。目前，国内电控柴油机共轨燃油系统主要依赖于博世，德尔福，电装等国外供应商进口。我国尚未完全掌握共轨燃油系统的开发及生产技术。共轨喷油器驱动波形的研究，将为共轨喷油器的国产化、驱动电路的合理设计、故障诊断等提供一定理论依据。
[摘 要]本文介绍了BOSCH电磁阀式高压共轨喷油器结构及工作原理，阐述气隙在电磁阀结构设计中的重要意义。本研究测取了CA6DF3共轨柴油机喷油器驱动波形，并对其电流波形、电压波形及PWM控制原理作深度解析。研究表明，电磁阀气隙保证了电路安全与电磁阀性能的可靠性。电流波形开启上升段拐点，标志着电磁衔铁开始动作。PWM保持信号占空比，决定其保持电流大小。PWM保持信号结束时，反向电压脉冲有助于加速电磁阀落座。
[关键词]机电工程论文,高压共轨,喷油器,电磁阀,气隙,波形
一.BOSCH电磁阀喷油器结构及工作原理
1.1 电磁阀式喷油器结构示意图(图1)
1.2 电磁阀式喷油器工作原理
如图1，电磁阀主要由磁体总成、阀弹簧、电磁衔铁(由电枢基板组成)，夹铁，安装环，O型密封圈等部分组成。电磁阀不通电时，电磁衔铁在阀弹簧的作用下产生工作行程，将球阀压紧在阀座控制室的泄油孔上。控制室泄油孔关闭，作用于针阀顶部的液压力大于针阀下部承压面处的有效作用力(包括回位弹簧弹力和油压)，针阀关闭，喷油器不喷油。当电磁阀被触发后，电磁衔铁被提起，球阀升起，泄油孔打开泄压，控制室压力下降。当作用于针阀顶部的液压力小于针阀承压面上的有效作用力时，针阀升起喷油器开始喷油。
二、气隙在电磁阀结构设计中的重要意义
2.1 电磁阀气隙
电磁阀气隙为电枢基板顶部与磁体总成底部之间的距离，如图2[3]示“δ”所示。磁阀不通电时的气隙称作原始气隙，由电磁衔铁工作行程与磁路剩余气隙两部分组成。工作行程即电磁衔铁的升程，磁路剩余气隙即电磁衔铁上升到最大位置时电枢基板顶部与磁体总成底部之间的距离;电磁阀通电后，气隙仅为磁路剩余气隙。其中球阀升程包含在工作行程内。BOSCH电磁阀式共轨喷油器，原始气隙设计为1.2mm，电磁衔铁工作行程为0.8mm，球阀升程为0.05mm。
2.2 气隙与电磁力
根据公式[4]：F=K(IM)2S/δ2*9.8*10-8 (F电磁吸力;K为常数;I为线圈电流;M为线圈匝数;S为铁芯截面积;δ为气隙大小)可知，电磁阀电磁力与电磁阀线圈通电电流的平方成正比，与气隙的平方成反比。在电磁阀工作过程中，随着气隙的减小，电磁力将逐渐增大。电磁阀长期使用的过程中，球阀与电枢基板等处的磨损将导致工作行程变大，静态原始气隙也变大。导致电阀开启与关闭阶段的动态响应特性下降，无效喷油量增加，油量控制精度降低，影响发动机的工作性能。
2.3 气隙对电磁线圈磁饱和点的影响
如图3磁化曲线所示，同一个电磁阀开了气隙后，B-H曲线斜率降低，电磁线圈磁饱和点右移，增加了磁芯抗直流磁化的能力。可将电磁阀简化为仅由电阻和电感组成的简易电路，电磁阀接收到ECU发出的喷油脉冲后，电流迅速驻入线圈，此过程也伴随着电磁线圈被磁化。假若电磁阀不开气隙，电磁线圈将很快进入磁饱和期。而电磁线圈一但进入饱和期，电路的等效电感瞬间变为0。根据欧姆定律I=U/R，喷油器电阻取0.3Ω，电压取24V，得到电流为80A，如此大的电流将在瞬间烧毁电磁阀。
三、电磁阀式喷油器驱动波形分析
作者采用德国BOSCH公司FSA740综合分析仪，对CA6DF3发动机共轨喷油器进行波形采集得到下图四波形，上面为电磁阀驱动电压波形，下图为驱动电流波形。
3.1 A段之前波形
如图1所示，A段之前电磁阀尚未接收到ECU的触发信号，此时电压为开路电压，电流为开路电流，理论上均为0。发动机实际运行过程中，受其它电路影响，此数值只能趋近于0。
3.2 A与D段之间波形
3.2.1 图4所示，A至D段波形可得知，此喷油器采用脉宽调制式电磁阀。电磁阀驱动电流为25A，保持电流为12A。最高驱动电压为50V，维持电压为约 3.6V。为便于分析，列出电磁阀电流波形及其PWM驱动信号，如图五所示。电磁阀通电初期能量迅速注入达到峰值电流(如图五F点所示)，提升了电磁阀开启的响应性。电磁阀吸合后只需提供较小的保持电流即可，这样不仅降低能量消耗，减少电磁阀发热量，同时也提高了电磁阀关闭时刻的响应性。
3.2.2 如图5所示，PWM驱动脉宽由四部分组成：初始脉宽T1，延迟时间T2，保持脉宽T3。
3.2.2.1 初始脉宽T1。
T1脉宽给电磁阀提供快速提升电流，使电磁衔铁迅速提升，如图五的电流波形所示。此阶段，电磁阀内电枢基板经历了从静止到运动，从运动到完全开启过程。当电流上升到电枢基板开始运动的瞬间，电流波形上会出现一拐点(如图五圆圈标识所示)。这是因为此时刻气隙发生突变，造成线圈有效电感量突然减小，电流上升的速度突然变大，即电磁阀开启瞬间对应电流波形上一拐点。在实际故障诊断中，如果没出现拐点，则说明电磁阀由于卡死，线圈烧毁，短路等原因根本没有产生运动。如果拐点出现时间太迟，则无效喷油时间长，发动机实际喷油量小于目标喷油量，发动机无力，性能下降。
3.3.2.2 初始脉宽T1。如图4电压波形所示，峰值电压为50V，脉宽为0.25ms，采用升压电路控制，提高喷油器打开响应速度。即使是高电压驱动，电压波形并非垂直上升而是有一定的斜率，这是由于电磁阀线圈本身的电感所致。斜率不能太小，太小会影响电磁阀的开启响应速度。峰值电压在T1内并非保持恒定，而是有一定的电压降，采用电容放电电路所致。 3.3.2.3 延迟脉宽T2。T2给保持阶段提供初始保持电流。如图五所示，延迟阶段PWM信号保持低电平。切断向电磁阀通电，让T1阶段形成的峰值电流自然下降，直到与 T3阶段形成的保持电流相等为止。T2段对峰值电流的下降幅度有严格的要求。降的太多电磁阀将无法可靠吸合。
3.2.2.4 保持脉宽T3。保持脉宽对应电磁阀的保持阶段，即喷油器喷油的主要阶段。因工作气隙小，磁路磁阻低，较小的通电电流12A便可产生较大的电磁作用力以保证电磁阀的可靠开启。电磁线圈保持电流大小，由图五PWM占空比信号控制。占空比越大保持电流越大，占空比越小保持电流越小。PWM频率影响保持电流的波动幅度，频率越大，电流波动幅度越小。
3.2.3 D段之后波形。
图4D段之后波形，代表喷油驱动信号结束和电磁阀落座过程。图五PWM驱动信号结束时，特意加个反向的电压，引起图四电压波形大幅突变。此反向电压大小与峰值电压相当，对此电压变化很多人误认为是电磁线圈断电瞬间的感应电压。实际是由于电枢基板在工作过程中被磁化。在PWM断电瞬间电磁铁和电枢基板磁性不会瞬间消失，残留电磁吸力影响电枢基板的落座，造成喷油器断油不干脆，也限制了喷油器多次喷射功能。为消除此影响，驱动电路设计时加反向电压，使喷油器极性瞬间改变，加速电枢基板落座。随着电流衰减，电流波形出现图四末端较大凸起点，此点表明表示电磁阀已落座。
结论
(1)气隙的导入使喷油器电磁阀磁饱和点后移，保证了电路安全与电磁阀性能的可靠性。
(2)电流波形开启上升段的拐点，标志喷油器电磁衔铁开始动作，可作为共轨喷油器国产化的质量评判指标。
(3)PWM保持信号占空比，决定喷油器保持电流大小，频率决定其波形震荡幅度。
(4)PWM驱动保持信号结束时的反向电压脉冲，有助于加速喷油器电磁阀落座。
参考文献
[1] 苏岭，柳泉冰，汪 映，周龙保，潘克煜.脉宽调制保持电磁阀驱动参数的研究，2005，39(7).
[2] 张礼林，胡林峰，冯源.电控共轨燃油系统高速电磁阀的研制，现代车用动力，2006，124(4).
