基于脈寬調制式CNG高速電磁閥驅動性能分析

汪科任，孫仁云，吳聿東，嚴浩銘

（西華大學交通與汽車工程學院，四川 成都 610039）

基于脈寬調制式CNG高速電磁閥驅動性能分析

汪科任，孫仁云，吳聿東，嚴浩銘

（西華大學交通與汽車工程學院，四川 成都 610039）

針對CNG高速電磁閥驅動性能問題，提出基于脈寬調制的方法并進行試驗分析。結果表明：該驅動電路能夠實現(xiàn)高壓打通低壓保持噴射的功能，符合噴射規(guī)律；可得出驅動電壓、PWM的周期、PWM的占空比都將對電磁閥的驅動能力以及維持噴射能力產(chǎn)生不同的影響，3者的有機調節(jié)可實現(xiàn)理想的電流波形。

CNG高速電磁閥；PWM；試驗和分析

0 引 言

在電控天然氣燃料噴射系統(tǒng)中，高壓開啟噴射低壓維持穩(wěn)定噴射的理論已經(jīng)是一個共識，有很多種方法可以實現(xiàn)該理論指導下的噴射要求，比較常見的有可調電阻式驅動電路、雙電壓式驅動電路、脈寬調制式驅動電路以及充電泵式驅動電路[1]。脈寬調制式驅動電路是一種實現(xiàn)高壓打通低壓維持噴射的最理想的驅動電路[2]，然而開啟噴射時的驅動電壓、PWM的周期以及PWM的占空比具體對噴嘴電磁閥的驅動能力以及維持穩(wěn)定噴射能力的影響，以及當3者中的任意一個改變時會對噴嘴電磁閥的驅動電流產(chǎn)生的影響，本文將針對具體的噴嘴進行試驗測試說明。

1 PWM驅動電路設計

本文以圖1所示的自制驅動電路作為試驗電路，其具體原理為：當PWM波產(chǎn)生高電平波時，三極管Q1導通，從而使三極管Q3隨之導通，Q3導通后由于R5的阻值遠遠大于R4，使12V的電源壓降幾乎全部分配給電阻R5，從而達到MOSFET管的開啟值，MOSFET管導通，噴嘴電磁閥開啟，噴射器開始噴氣；當PWM波為低電平時三極管Q1截止（此時MOSFET管就截止了），Q2導通，當Q2導通后三極管Q4也會隨之導通。MOSFET管在設計之初，由于結構原因，不可避免的會產(chǎn)生寄生電容，如果在MOSFET管截止時這部分電荷不能及時放出，會影響MOSFET管的導通性能[3]，所以設計了放電回路。當三極管Q4導通時，由于R4的阻值很小可以認為R4被短路，這樣寄生電容就通過R4、Q4形成了放電回路，從而保證了MOSFET管寄生電容的快速放電，該系統(tǒng)電路不僅提高了MOSFET管的工作穩(wěn)定性，同時又防止了電流回流燒壞其他元器件。右邊兩個運算放大器可將采樣電阻R5上電流進行放大從而形成電流反饋，起到保護MOSFET的作用[4]。

2 PWM驅動方式實驗研究

利用CYFZ電磁閥噴射器，對電磁閥PWM驅動方式中影響電流波形和噴嘴噴射特性的各因素進行試驗和分析，并用安捷倫54622D示波器檢驗噴嘴電磁閥上的壓降波形，從而計算出其實際流過噴嘴電磁閥的電流大小。CYFZ型燃氣共軌電磁閥的相關參數(shù)為：額定工作壓力0.5～2.0bar（1bar=105Pa），最大工作壓力3.0bar，額定工作電壓（12±1.8）V，進氣口管徑為10，12mm，進氣口管徑6 mm，使用溫度為-20～120℃，使用介質為LPG/CNG。

2.1 開啟電壓對驅動性能的影響

通過驅動口分別發(fā)送1～4 ms高電平驅動電磁閥，試驗結果表明2ms以上的Peak電即可使電磁閥打開，并維持穩(wěn)定的噴射。圖2為轉速在1500r/min時噴嘴電磁閥上面的壓降波形。

由圖2可知，電流在開啟高電平脈沖到來時，在短時間內迅速增加到峰值電壓所允許的最大值，該大電流保證噴嘴電磁閥克服天然氣背壓和彈簧預緊力而迅速開啟[5]，而電磁閥開啟后背壓消失，此時只需很小的維持電流克服彈簧預緊力就能維持穩(wěn)定噴射[6]，所以在2 ms左右的時間后噴嘴電磁閥電流立刻降到維持電壓所允許的最小電流值，從而在維持穩(wěn)定噴射的同時降低了發(fā)熱量。

圖2 壓降波形圖

2.2 不同驅動電壓，PWM波不同周期和占空比與HOLD電之間的關系

由于軟件控制方式的Hold電是通過驅動口的PWM波進行控制（如圖2所示），因此需要對PWM波的周期和占空比進行合理選擇，而且在汽車電控系統(tǒng)中，蓄電池電壓常常是不穩(wěn)定、波動的[7]，所以還需要考慮蓄電池電壓對噴嘴驅動性能的的影響。因此本文分別取10，12，14 V的驅動電壓，PWM波周期分別取5，10，15，20 μs，PWM波不同占空比條件下對所流過噴嘴的電流進行標定。該試驗的結果可以應用到噴射控制策略中，對不同電壓條件下，選取合適的PWM波周期和占空比來對噴嘴電流進行有效控制[8]。

表1 占空比與HOLD電關系表

表1為10V電壓下、PWM波不同周期，占空比與HOLD電之間的關系。表2為12V電壓下，PWM波不同周期、占空比與HOLD電之間的關系。

表2 占空比與HOLD電關系表

表3為14V電壓下，PWM波不同周期、占空比與HOLD電之間的關系。

表3 占空比與HOLD電關系表

通過對10，12，14V電壓下進行Hold電流值進行標定分析可知：

1）僅考慮驅動電壓改變，而PWM波周期和占空比相同時，驅動電壓越大，HOLD電流越大，從而維持穩(wěn)定噴射的能力越強。

2）僅考慮PWM波占空比改變，而驅動電壓和PWM波周期相同時，PWM波占空比越大，HOLD電流越平滑，維持穩(wěn)定噴射的能力越強。

3）僅考慮PWM波周期改變，驅動電壓和PWM波占空比為相同時，PWM波的周期將對HOLD電產(chǎn)生很大的影響，過小的PWM波周期將不能維持穩(wěn)定噴射，甚至會使噴嘴開啟后又迅速掉下來，從而提前結束噴射。

綜上可知：理想的HOLD電波形需要3者的協(xié)同調節(jié)。

2.3 不同驅動電壓對PEAK電的影響

圖3從左至右分別為10，12，14V電壓下，噴嘴電磁閥的Peak電流波形。

1）在開啟階段，電磁閥克服天然氣背壓和彈簧預緊力開啟的過程中，電磁閥電流是緩慢增加的，電流在上升過程中會突然向下掉一小段后又繼續(xù)向上增加，其原因是：電磁閥電流在逐漸增加的過程中，電磁鐵的吸力逐漸增加，當達到克服天然氣背壓和彈簧預緊力的合力時，電磁閥離開閥座的瞬間，天然氣背壓消失，導致電流出現(xiàn)了小幅波動后繼續(xù)上升，直到達到峰值電流?？芍@個電流往下掉的點正是電磁閥開啟時刻[9]。

2）驅動電壓越高，開啟電流的增幅越高，從而電磁閥的開啟時刻也越短，動態(tài)響應特性越好，具體為10V電壓下約為2ms、12V電壓下約為1.5ms、14 V約為1ms。

3）驅動電壓越大，峰值電流（PEAK電）也越大。

2.4 試驗噴嘴流量驗證

本文利用PWM脈寬調制控制噴嘴電磁閥的方式對CYFZ型燃氣共軌電磁閥的流量進行了測量。由于玻璃轉子流量計LZB-6為體積流量計，因此將所測數(shù)據(jù)轉換為質量流量后得到表4所示噴嘴流量特性。

1）在同一噴射時間下，隨著空氣壓力（進氣壓力）的增加，進氣量將增大，所以需要噴射更多燃料，由表4可知在同一噴射時間下其噴射流量是隨著空氣壓力的增加而加大的，所以可知其符合噴射規(guī)律。

圖3 不同電壓下噴嘴電磁閥Peak電流波形

表4 噴嘴流量特性 kg/h

2）在同一空氣壓（進氣壓力）下，隨著噴射持續(xù)時間的增長，噴嘴噴射的流量是增加的，其也符合噴射要求。

可知基于脈寬調制（PWM）控制電磁閥驅動的硬件電路和軟件設計符合噴射規(guī)律，達到了理想的噴射流量特性。

3 結束語

1）試驗結果表明：采用PWM控制噴射正時和噴射脈寬并結合硬件功率驅動電路實現(xiàn)了噴嘴電磁閥高壓開啟低壓維持穩(wěn)定噴射的要求，符合噴射規(guī)律。

2）PWM驅動方式可以靈活準確的完成對電流波形的調控。增大驅動電壓可以增大開啟電流（PEAK電）和穩(wěn)定電流（HOLD電），從而增加電磁閥的驅動和維持能力。

3）PWM占空比是維持電流的主要因素，占空比越大驅動電流越大，驅動能力越強，但是隨之會帶來發(fā)熱量的增加。

4）理想的電流波形的獲得需要驅動電壓、PWM波的周期和占空比三方面的協(xié)同調節(jié)。

[1]宋軍，李書澤.高速電磁閥驅動電路設計及試驗分析[J].汽車工程，2005，27（5）：547-548.

[2]陳維龍，王輝.高速電磁閥的驅動方式探討[J].中國機電工業(yè)，2001，22（4）：31-32.

[3]連長震，李建秋.電控燃油噴射用高速電磁閥驅動方式研究[J].汽車工程，2002，24（4）：312.

[4]孫同景.Freescale 9S12十六位單片機原理及嵌入式開發(fā)技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007：59-87.

[5]張科勛.電控柴油機電磁閥驅動電路優(yōu)化設計[J].內燃機工程，2005，26（2）：1-4.

[6]Mooney J D.Drive circuit modeling and analysis of electronically controlled fuel injectors for diesel engines[J]. SAE，2003，20（2）：371-382.

[7]Tang D，Hu Z Q，Luo F Q.Study and application of the heat release rate co-mputation fordual2fuelengine[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2007，38（2）：45-47.

[8]Monyem A，Gerpen J H V.The effect of biodiesel oxidation on engine performance and emissions[J].Biomass and Bioenergy，2001，20（4）：317-325.

[9]Curran S J，lrick D K.Onroad emissions Evaluation of Student-Produced Biodiesel[C]∥SAE Paper，2009：01-2674.

CNG high-speed electromagnetic valve drive test analysis based on pulse width modulation

WANG Ke-ren，SUN Ren-yun，WU Yu-dong，YAN Hao-ming
（School of Transportation and Automotive Engineering，Xihua University，Chengdu 610039，China）

For the problems of CNG high-speed solenoid valve drive performance，the method was proposed based on pulse width modulation experiment analysis.Results show that the drive circuit can realize high pressure to low pressure to maintain the function of the injection，which conforms to the law of injection.It can be concluded that the driving voltage，the PWM cycle of the PWM duty cycle will drive ability of solenoid valve and maintain injection has the different impact on the ability，three organic regulation can realize the ideal conclusion of the current waveform.

CNG high-speed solenoid valve；pulse width modulation；test and analysis

U464；U464.136；U473.2；TN787+.2

：A

：1674-5124（2014）05-0149-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.05.038

2013-10-09；

：2013-12-16

汪科任（1987-），男，四川樂山市人，碩士研究生，專業(yè)方向為天然氣電控發(fā)動機ECU等。