基于脉宽调制式CNG高速电磁阀驱动性能分析

汪科任，孙仁云，吴聿东，严浩铭

（西华大学交通与汽车工程学院，四川 成都 610039）

基于脉宽调制式CNG高速电磁阀驱动性能分析

汪科任，孙仁云，吴聿东，严浩铭

（西华大学交通与汽车工程学院，四川 成都 610039）

针对CNG高速电磁阀驱动性能问题，提出基于脉宽调制的方法并进行试验分析。结果表明：该驱动电路能够实现高压打通低压保持喷射的功能，符合喷射规律；可得出驱动电压、PWM的周期、PWM的占空比都将对电磁阀的驱动能力以及维持喷射能力产生不同的影响，3者的有机调节可实现理想的电流波形。

CNG高速电磁阀；PWM；试验和分析

0 引 言

在电控天然气燃料喷射系统中，高压开启喷射低压维持稳定喷射的理论已经是一个共识，有很多种方法可以实现该理论指导下的喷射要求，比较常见的有可调电阻式驱动电路、双电压式驱动电路、脉宽调制式驱动电路以及充电泵式驱动电路[1]。脉宽调制式驱动电路是一种实现高压打通低压维持喷射的最理想的驱动电路[2]，然而开启喷射时的驱动电压、PWM的周期以及PWM的占空比具体对喷嘴电磁阀的驱动能力以及维持稳定喷射能力的影响，以及当3者中的任意一个改变时会对喷嘴电磁阀的驱动电流产生的影响，本文将针对具体的喷嘴进行试验测试说明。

1 PWM驱动电路设计

本文以图1所示的自制驱动电路作为试验电路，其具体原理为：当PWM波产生高电平波时，三极管Q1导通，从而使三极管Q3随之导通，Q3导通后由于R5的阻值远远大于R4，使12V的电源压降几乎全部分配给电阻R5，从而达到MOSFET管的开启值，MOSFET管导通，喷嘴电磁阀开启，喷射器开始喷气；当PWM波为低电平时三极管Q1截止（此时MOSFET管就截止了），Q2导通，当Q2导通后三极管Q4也会随之导通。MOSFET管在设计之初，由于结构原因，不可避免的会产生寄生电容，如果在MOSFET管截止时这部分电荷不能及时放出，会影响MOSFET管的导通性能[3]，所以设计了放电回路。当三极管Q4导通时，由于R4的阻值很小可以认为R4被短路，这样寄生电容就通过R4、Q4形成了放电回路，从而保证了MOSFET管寄生电容的快速放电，该系统电路不仅提高了MOSFET管的工作稳定性，同时又防止了电流回流烧坏其他元器件。右边两个运算放大器可将采样电阻R5上电流进行放大从而形成电流反馈，起到保护MOSFET的作用[4]。

2 PWM驱动方式实验研究

利用CYFZ电磁阀喷射器，对电磁阀PWM驱动方式中影响电流波形和喷嘴喷射特性的各因素进行试验和分析，并用安捷伦54622D示波器检验喷嘴电磁阀上的压降波形，从而计算出其实际流过喷嘴电磁阀的电流大小。CYFZ型燃气共轨电磁阀的相关参数为：额定工作压力0.5～2.0bar（1bar=105Pa），最大工作压力3.0bar，额定工作电压（12±1.8）V，进气口管径为10，12mm，进气口管径6 mm，使用温度为-20～120℃，使用介质为LPG/CNG。

2.1 开启电压对驱动性能的影响

通过驱动口分别发送1～4 ms高电平驱动电磁阀，试验结果表明2ms以上的Peak电即可使电磁阀打开，并维持稳定的喷射。图2为转速在1500r/min时喷嘴电磁阀上面的压降波形。

由图2可知，电流在开启高电平脉冲到来时，在短时间内迅速增加到峰值电压所允许的最大值，该大电流保证喷嘴电磁阀克服天然气背压和弹簧预紧力而迅速开启[5]，而电磁阀开启后背压消失，此时只需很小的维持电流克服弹簧预紧力就能维持稳定喷射[6]，所以在2 ms左右的时间后喷嘴电磁阀电流立刻降到维持电压所允许的最小电流值，从而在维持稳定喷射的同时降低了发热量。

图2 压降波形图

2.2 不同驱动电压，PWM波不同周期和占空比与HOLD电之间的关系

由于软件控制方式的Hold电是通过驱动口的PWM波进行控制（如图2所示），因此需要对PWM波的周期和占空比进行合理选择，而且在汽车电控系统中，蓄电池电压常常是不稳定、波动的[7]，所以还需要考虑蓄电池电压对喷嘴驱动性能的的影响。因此本文分别取10，12，14 V的驱动电压，PWM波周期分别取5，10，15，20 μs，PWM波不同占空比条件下对所流过喷嘴的电流进行标定。该试验的结果可以应用到喷射控制策略中，对不同电压条件下，选取合适的PWM波周期和占空比来对喷嘴电流进行有效控制[8]。

表1 占空比与HOLD电关系表

表1为10V电压下、PWM波不同周期，占空比与HOLD电之间的关系。表2为12V电压下，PWM波不同周期、占空比与HOLD电之间的关系。

表2 占空比与HOLD电关系表

表3为14V电压下，PWM波不同周期、占空比与HOLD电之间的关系。

表3 占空比与HOLD电关系表

通过对10，12，14V电压下进行Hold电流值进行标定分析可知：

1）仅考虑驱动电压改变，而PWM波周期和占空比相同时，驱动电压越大，HOLD电流越大，从而维持稳定喷射的能力越强。

2）仅考虑PWM波占空比改变，而驱动电压和PWM波周期相同时，PWM波占空比越大，HOLD电流越平滑，维持稳定喷射的能力越强。

3）仅考虑PWM波周期改变，驱动电压和PWM波占空比为相同时，PWM波的周期将对HOLD电产生很大的影响，过小的PWM波周期将不能维持稳定喷射，甚至会使喷嘴开启后又迅速掉下来，从而提前结束喷射。

综上可知：理想的HOLD电波形需要3者的协同调节。

2.3 不同驱动电压对PEAK电的影响

图3从左至右分别为10，12，14V电压下，喷嘴电磁阀的Peak电流波形。

1）在开启阶段，电磁阀克服天然气背压和弹簧预紧力开启的过程中，电磁阀电流是缓慢增加的，电流在上升过程中会突然向下掉一小段后又继续向上增加，其原因是：电磁阀电流在逐渐增加的过程中，电磁铁的吸力逐渐增加，当达到克服天然气背压和弹簧预紧力的合力时，电磁阀离开阀座的瞬间，天然气背压消失，导致电流出现了小幅波动后继续上升，直到达到峰值电流。可知这个电流往下掉的点正是电磁阀开启时刻[9]。

2）驱动电压越高，开启电流的增幅越高，从而电磁阀的开启时刻也越短，动态响应特性越好，具体为10V电压下约为2ms、12V电压下约为1.5ms、14 V约为1ms。

3）驱动电压越大，峰值电流（PEAK电）也越大。

2.4 试验喷嘴流量验证

本文利用PWM脉宽调制控制喷嘴电磁阀的方式对CYFZ型燃气共轨电磁阀的流量进行了测量。由于玻璃转子流量计LZB-6为体积流量计，因此将所测数据转换为质量流量后得到表4所示喷嘴流量特性。

1）在同一喷射时间下，随着空气压力（进气压力）的增加，进气量将增大，所以需要喷射更多燃料，由表4可知在同一喷射时间下其喷射流量是随着空气压力的增加而加大的，所以可知其符合喷射规律。

图3 不同电压下喷嘴电磁阀Peak电流波形

表4 喷嘴流量特性 kg/h

2）在同一空气压（进气压力）下，随着喷射持续时间的增长，喷嘴喷射的流量是增加的，其也符合喷射要求。

可知基于脉宽调制（PWM）控制电磁阀驱动的硬件电路和软件设计符合喷射规律，达到了理想的喷射流量特性。

3 结束语

1）试验结果表明：采用PWM控制喷射正时和喷射脉宽并结合硬件功率驱动电路实现了喷嘴电磁阀高压开启低压维持稳定喷射的要求，符合喷射规律。

2）PWM驱动方式可以灵活准确的完成对电流波形的调控。增大驱动电压可以增大开启电流（PEAK电）和稳定电流（HOLD电），从而增加电磁阀的驱动和维持能力。

3）PWM占空比是维持电流的主要因素，占空比越大驱动电流越大，驱动能力越强，但是随之会带来发热量的增加。

4）理想的电流波形的获得需要驱动电压、PWM波的周期和占空比三方面的协同调节。

[1]宋军，李书泽.高速电磁阀驱动电路设计及试验分析[J].汽车工程，2005，27（5）：547-548.

[2]陈维龙，王辉.高速电磁阀的驱动方式探讨[J].中国机电工业，2001，22（4）：31-32.

[3]连长震，李建秋.电控燃油喷射用高速电磁阀驱动方式研究[J].汽车工程，2002，24（4）：312.

[4]孙同景.Freescale 9S12十六位单片机原理及嵌入式开发技术[M].北京：机械工业出版社，2007：59-87.

[5]张科勋.电控柴油机电磁阀驱动电路优化设计[J].内燃机工程，2005，26（2）：1-4.

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[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，四川乐山市人，硕士研究生，专业方向为天然气电控发动机ECU等。