CN102182597A - 高转速燃油电磁阀及其闭合始点的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高转速燃油电磁阀及其闭合始点的测量方法，该高转速燃油电磁阀包括阀体，所述阀体的两端分别安装阀端盖和阀座，所述阀体的内腔置有阀芯，且阀芯靠近阀端盖设置，所述阀座的内腔配合安装阀关闭件，另所述阀体内腔安装电磁线圈，所述阀芯通过二次振荡单元支撑在阀体内腔设置的凸台上，该二次振荡单元包括运动块以及分别与运动块两端连接的上部弹簧和下部弹簧，所述下部弹簧安装在阀体内腔的凸台上，而上部弹簧则与阀芯连接，因此本发明有效地减少了原系统反弹振动的幅值；通过对电磁阀闭合始点的精确估计，可以准确确定加载电压与保持电压的切换时刻，提高电磁阀的响应速度，同时降低电磁阀的落座速度。

Description

高转速燃油电磁阀及其闭合始点的测量方法

技术领域

本发明涉及一种用于内燃机燃油喷射系统的电磁阀以及该电磁阀的闭合始点的测量方法，通过该电磁阀的闭合始点测量方法，能够实现高转速下对燃油喷射量的精确控制。

背景技术

电磁阀是电控燃油喷射系统的核心部件之一，高速电磁阀在实际应用中的主要问题是，电磁铁芯与衔铁之间碰撞导致电磁阀使用寿命降低及产生大量的噪声。降低电磁阀工作噪声也就是要降低电磁阀的落座速度，但降低电磁阀的落座速度会增长电磁阀从全开到全闭（或全闭到全开）的过渡时间，因此过渡时间与落座速度之间是相互矛盾的，在满足过渡时间的情况下，最大限度地降低电磁阀落座速度是电磁阀领域的研究热点。

降低落座速度可以部分通过机械结构，或全部通过控制方法来实现。由于电磁阀存在小气隙不稳定性，因此需要对电磁阀进行闭环控制。当衔铁与电磁线圈之间的气隙较大时，可以通过开环控制实现对衔铁位置的精确控制，当气隙减小时，系统将会不稳定，导致衔铁向电磁铁芯加速运动，从而在衔铁与电磁阀阀芯之间产生碰撞。Butzmann，Melbert和Kock推导出了衔铁运动速度与电流变化率之间的关系，根据该关系曲线控制电流，可以有效地控制碰撞速度。该控制方法本身较为简单且不需要安装位移传感器，这两点对于控制方法的实用化具有极大的优势，但该方法在有未知力作用于阀杆时，控制性能将会下降，鲁棒性降低。Tai和Tsao忽略电流动态特性，提出了一种质量-弹簧-阻尼模型，采用PD控制器与迭代学习算法相结合获得了小于0.1m/s的落座速度，但其响应速度最小为20ms，限制了该方法在高转速下的应用。Mianzo提出了一种H_∞控制器，一种全开/全闭型控制器来实现电流控制，来执行H_∞控制器，该控制器的有效性没有得到充分的证明；在其后期的研究中，作者利用轨迹跟踪和线性状态反馈来实现“软着陆”。为了减少生产成本，Montanari等人利用测得的电流和磁通量来对衔铁位移进行重构，从而避免安装位移传感器，利用重构的位移，采用后推算法设计位置跟踪控制器。考虑到电磁阀的周期特性，许多设计者采用周期到周期的补偿控制方法，Hoffmann和Stefanopoulou设计了迭代学习控制器，通过跟踪一条预定义的路径来实现期望的性能。Butzmance仅通过测量电流信号，对无传感器闭环控制算法进行了探索研究，无传感器控制策略通过测量电磁线圈上的电流变化率以及其微分值，将该值与预定义值相比较，根据误差来调整电流增大或减小。算法思想是基于上一个过渡过程的电磁阀着陆性能，来调整下一个工作周期的能量输入，该算法在某内燃机上进行了测试，阀落座速度在0.2m/s-0.3m/s。Hoffmann和Stenfanopoulou利用相关文献中试验验证过的模型，设计了轨迹跟踪控制器，该控制器包括一个前馈控制器和反馈控制器，位置信号和速度信号通过对衔铁的位置进行估计得到，反馈控制器采用状态反馈控制方法，利用位置信号反馈，得到了较为理想的阀落座速度。

电磁阀的闭环控制需要实时测量衔铁位移、电磁线圈工作电流和磁通量等信号，考虑到安装空间和生产成本等方面的因素，在大批量生产的燃油喷射系统中往往没有安装此类传感器，因此，虽然闭环控制的研究在近几年取得了较大的突破，在实验室环境下达到了理想的着陆状态，但是不便于大批量生产。近几年部分的研究学者开始研究无传感器控制方法，该方法的主要思想是根据便于测量的信号（一般是电流信号）对位移、电流和磁通量信号进行重构，利用重构的信号进行闭环控制，但是该方法的鲁棒性较低，尚处于前期研究阶段。

传统开环控制方法的加载电压与保持电压切换时刻不能随着发动机工况的变化而变化，因此电磁阀动态性能较差。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种高转速燃油电磁阀，其通过在现有电磁阀的阀腔中安装二次振荡单元，该二次振荡单元的相位角与现有电磁阀的相位角相互错开，从而有效地减少原有系统反弹振动的幅值，为减少二次燃油喷射提供了机械结构基础，奠定了燃油精确控制的基础。

为实现以上的技术目的，本发明将采取以下的技术方案：

一种高转速燃油电磁阀，包括阀体，所述阀体的两端分别安装阀端盖和阀座，阀端盖开设进油口，而阀座则开设出油口，所述阀体的内腔置有阀芯，且阀芯靠近阀端盖设置，所述阀座的内腔配合安装阀关闭件，另所述阀体内腔安装电磁线圈，所述阀芯通过二次振荡单元支撑在阀体内腔设置的凸台上，该二次振荡单元包括运动块以及分别与运动块两端连接的上部弹簧和下部弹簧，所述下部弹簧安装在阀体内腔的凸台上，而上部弹簧则与阀芯连接。

所述阀体包括上部腔室以及位于上部腔室下端的下部腔室，且上部腔室与下部腔室相互插接成一体，另外，所述上部腔室和下部腔室连接体的外圆套接电磁线圈安置腔室，所述电磁线圈安装在电磁线圈安置腔室。

所述下部腔室内接于上部腔室，所述阀芯位于下部腔室的上端。

根据以上的技术方案，可以实现以下的有益效果：

由于本发明所述的阀芯、二次振荡单元以及阀座组成图2所示的二自由度动态模型，该二自由度动态模型由顶部14、上弹簧15、上质量块16、下弹簧17、下质量块18和底层19组成。因此，阀芯打开过程的动力学特性可以利用式(1)的模型进行仿真研究。

                                                     (1)

当下质量块18从底层19上向上反弹振动时，上质量块16由于惯性向下运动，会进一步压缩下弹簧17，下弹簧17对下质量块18产生更大的作用力，减小了下质量块18反弹振动的幅值，由此可知，本发明所述电磁阀可以有效地减小二次燃油喷射的喷油量。

本发明的另一个技术目的，是提供一种上述高转速燃油电磁阀的闭合始点的测量方法，其首先将电磁线圈驱动电路、电磁线圈以及串联电阻串联，且串联电阻接地，并在电磁线圈驱动电路和串联电阻之间并联闭合始点测量电路，然后通过闭合始点测量电路测量串联电阻上的电压值，假设电磁线圈的电阻恒定，对电磁线圈加载工作电压所产生磁路的磁导率数量级至少为10^-2，同时忽略磁饱和和磁泄漏的影响，以测量出电磁线圈的电流变化率

从负值到正值的转折点，该转折点所对应的时刻即为电磁阀的衔铁抵达闭合始点的时间。

由此可知，本发明可以通过对电磁阀衔铁抵达闭合始点时刻的估计，实现对电磁线圈加载电压与保持电压切换时刻的精确控制，有效地减少二次燃油喷射，以实现燃油的精确控制，另外，本发明具有工作噪声小、燃油控制精确的特点。

附图说明

图1 是本发明所述高转速燃油电磁阀的剖视结构示意图，其中，图1（a）是本发明所述高转速燃油电磁阀阀关闭件闭合阀座出油口时的结构示意图，而图2（b）则是本发明所述高转速燃油电磁阀阀关闭件错开阀座出油口时的结构示意图；

图2是本发明所述阀芯、二次振荡单元以及阀座组成的二自由度动态模型示意图；

图3(A) 基于图2所示二自由度动态模型仿真计算的上质量块的运动轨迹；

图3(B) 有二次振荡环节与无二次振荡环节情况下质量块的运动轨迹对比；

图4 电磁阀运动过程中典型电流响应特性曲线；

图5 电磁阀闭合始点测量电路原理图；

其中：电磁阀1  阀端盖2  下部弹簧3  运动块4  阀关闭件5  阀芯6  电磁线圈7  上部弹簧8  下部腔室9  安置腔上端部10  安置腔壁筒11  安置腔下端部12  阀座13  顶部14  上弹簧15  上质量块16  下弹簧17  下质量块18  底层19  下质量块相对于底层的轨迹20  x₁-衔铁位移、x₂-运动块位移、k₁-上部弹簧刚度、k₂-下部弹簧刚度、m₁-衔铁质量、m₂-运动块质量、F₁-电磁力。

具体实施方式

附图非限制性地公开了本发明所涉及优选实施例的结构示意图，以下将结合附图详细地说明本发明的技术方案。

如图1所示，本发明所述的高转速燃油电磁阀1，包括阀体，所述阀体的两端分别安装阀端盖2和阀座13，阀端盖2开设进油口，而阀座13则开设出油口，所述阀体的内腔置有阀芯6，阀芯6即为衔铁，且阀芯6靠近阀端盖2设置，所述阀座13的内腔配合安装阀关闭件5，另所述阀体内腔安装电磁线圈7，所述阀芯6通过二次振荡单元支撑在阀体内腔设置的凸台上，该二次振荡单元包括运动块4以及分别与运动块4两端连接的上部弹簧8和下部弹簧3，所述下部弹簧3安装在阀体内腔的凸台上，而上部弹簧8则与阀芯6连接。所述阀体包括上部腔室以及位于上部腔室下端的下部腔室9，且上部腔室与下部腔室9相互插接成一体，另外，所述上部腔室和下部腔室9连接体的外圆套接电磁线圈7安置腔室，所述电磁线圈7安装在电磁线圈7安置腔室。所述下部腔室9内接于上部腔室，所述阀芯6位于下部腔室9的上端。另外，所述电磁线圈7安置腔室包括安置腔壁筒11以及分别与安置腔壁筒11上下两端面连接的安置腔上端部10和安置腔下端部12，所述安置腔上端部10和安置腔下端部12皆为带有凸缘的内部空心的圆柱体，所述安置腔上端部10和安置腔下端部12的凸缘端分别对应地与安置腔壁筒11的上端和下端连接，而安置腔上端部10的内腔套接在上部腔室的外围，安置腔下端部12的内腔则套接在下部腔室9的外围。另外，所述阀芯6、下部腔室9、安置腔上端部10、安置腔壁筒11以及安置腔下端部12皆为磁性材料制作。通过上部弹簧8和下部弹簧3的协同作用，使得本发明所述二次振荡系统的相位角与原系统的相位角错开30°，有效地减少了原系统反弹振动的幅值。

如图2所示，其公开了本发明所述阀芯6、二次振荡单元以及阀座13组成的二自由度动态模型示意图，据图可知：该二自由度动态模型由顶部14、上弹簧15、上质量块16、下弹簧17、下质量块18和底层19组成。其中：上弹簧15相当于本发明的上部弹簧，上质量块16相当于本发明的运动块4，下弹簧17相当于本发明的上部弹簧8；下质量块18相对于本发明的阀芯6，底层19为下部腔室的上端面，而顶部14则为下部腔室的下端面。因此，阀芯6打开过程的动力学特性可以利用式(1)的模型进行仿真研究。

                                                     (1)

式中：x₁-衔铁位移、x₂-运动块位移、k₁-上部弹簧刚度、k₂-下部弹簧刚度、m₁-衔铁质量、m₂-运动块质量、F₁-电磁力。

当下质量块18从底层19上向上反弹振动时，上质量块16由于惯性向下运动，会进一步压缩下弹簧17，下弹簧17对下质量块18产生更大的作用力，减小了下质量块18反弹振动的幅值，由此可知，本发明可以有效地减小二次燃油喷射的喷油量。即可以有效地减小二次燃油喷射的喷油量。

假定下质量块18的反弹系数为0.5，对方程(1)进行求解，可以得到下质量块18相对于底层的运动轨迹，如图2中的轨迹20所示。第一次反弹的高度和反弹时间分别记为x和T。燃油喷射量与轨迹20对时间t的积分成正比，其中第一次反弹喷油量较大，因此以x和T的乘积xT为目标函数，利用遗传算法对等式(1)中各个参数进行优化，可得到优化后的参数m1、m2、k1和k2，代入上述参数可进一步解得优化后的上质量块16和下质量块18的运动轨迹，如图3(A)和图3(B)所示。

本发明所述高转速燃油电磁阀1可以实现对燃油通断的高速控制。当阀关闭件55处于关闭状态时，上部弹簧88克服阀芯66的重力与阀关闭件55两侧的压力差。由于阀芯66在开启过程中，受到弹簧阻力与阀关闭件55两侧的压力差的影响，响应速度较慢，同时由于电磁线圈7的电感作用，使阀关闭件55开启速度进一步恶化，为了提高阀关闭件55的开启响应速度，在阀开启的起始阶段，需要向电磁线圈7提供较大的电压脉冲，一般称为加载电压。当阀关闭件55打开后，只需向电磁线圈7提供一较低电压，克服弹簧阻力，使阀关闭件55处于打开状态，该电压一般称为保持电压。当需要关闭时，向电磁线圈7提供一个短暂的，反向的电压脉冲可以使电磁环路尽快消磁，从而提高阀关闭的响应速度，使阀关闭件55在复位弹簧的作用下快速复位。加载电压与保持电压的切换时刻一般通过台架试验确定，但是该值受发动机转速、发动机负载、电磁线圈7工作电压和电磁线圈7工作温度等多种因素影响，因此较难测定。

本发明提供一种用于上述高转速燃油电磁阀1的闭合始点的测量方法，其首先将电磁线圈7驱动电路、电磁线圈7以及串联电阻串联，且串联电阻接地，并在电磁线圈7驱动电路和串联电阻之间并联闭合始点测量电路，然后通过闭合始点测量电路测量串联电阻上的电压值，假设电磁线圈7的电阻恒定，对电磁线圈7加载工作电压所产生磁路的磁导率非常高（数量级至少为10^-2），忽略磁饱和和磁泄漏的影响，以测量出电磁线圈7的电流变化率从负值到正值的转折点，该转折点所对应的时刻即为电磁阀1的衔铁抵达闭合始点的时间。

具体地说：假设电磁线圈7的电阻恒定，对电磁线圈7加载工作电压所产生磁路的磁导率非常高（数量级为10^-2），忽略磁饱和和磁泄漏的影响，则电磁线圈7的工作电压与其电感之间有以下关系：

                                           (2)

式中，e为线圈电压，L为线圈电感，i为电磁线圈工作电流。

电磁线圈7的电感可以由下式计算：

                                          (3)

其中

，是一个常数，x为磁路间隙，Ψ为磁链，i为工作电流，N为线圈匝数，φ为磁通量，R_δ为气隙磁阻。

电感随时间的变化率为

                                                  (4)

可得：

                                    (5)

当加上激励（对电磁线圈78加载电压）后，磁路间隙x减小，电流从0开始增大。在阀元件6运动的过程中，dx/dt项是负值，因此dL/dt是正值，且增大。当dL/dt项超过e时，di/dt将会变为负值。当磁路间隙变为0后，衔铁运动停止，dL/dt项变为0，则di/dt变为正值。图4为本发明的阀元件6在运动过程中的电流随时间变化的波形，在运动起始阶段，di/dt逐渐减小，最后减小为负值，当电磁阀1完全打开时，dL/dt项变为0，di/dt逆转。因此电磁阀1完全打开的时刻即为di/dt逆转的时刻。

电磁线圈7中的电流变化率(di/dt)可能通过多种传感手段得到，例如，其中一种传感手段是测量电磁线圈7中的电流，如串联电阻的方法，或者模拟电路的方法通过测量d²i/dt²来反映电流的变化率。电流变化率从一个相对比较小的负值到一个相对较小的正值将会在d²i/dt²中产生一个峰值变化，通过峰值测量器测量电流变化曲线中第一个峰值，在第一个峰值触发第二个峰值测量器来测量电流变化曲线中的最小值。

在其它结构或者应用中，dL/dt项在衔铁到达闭合始点前可能不会超过施加的激励电压，尽管如此，di/dt项会增大，但不会变为负值直到衔铁到达闭合始点，当衔铁到达闭合始点后，di/dt项会产生一个阶跃，到达一个更大的值。在这种情况下，di/dt的阶跃变化会在d²i/dt²中产生一个峰值。不管哪种情况，都可以通过峰值测量方法确定衔铁的闭合始点，从而将加载电压切换到保持电压，不仅可以减小阀落座速度，同时可以减小能量消耗。

该方法的一种典型应用如图5所示，加载激励命令送到电磁线圈7驱动单元，该驱动单元为串联的电磁线圈7的串联电阻提供能量输入，其中串联电阻接在电磁线圈7和地之间，闭合始点测量电路测量串联电阻上的电压值来测量衔铁是否达到闭合始点，提供一个反馈信号，如果需要电磁阀1在打开位置保持一段时间，就减小电磁阀1工作电流，否则断开电磁阀1工作电流。

本发明所述电磁阀1闭合始点的测量方法，不仅可以应用于本发明所述高转速燃油电磁阀1的闭合始点的测量，以燃油的精确控制；还可以将该测量方法应用于其他的电磁阀1，以对燃油量进行精确控制，减少二次燃油喷射的喷射量。

Claims (4)

1.一种高转速燃油电磁阀，包括阀体，所述阀体的两端分别安装阀端盖和阀座，阀端盖开设进油口，而阀座则开设出油口，所述阀体的内腔置有阀芯，且阀芯靠近阀端盖设置，所述阀座的内腔配合安装阀关闭件，另所述阀体内腔安装电磁线圈，其特征在于：所述阀芯通过二次振荡单元支撑在阀体内腔设置的凸台上，该二次振荡单元包括运动块以及分别与运动块两端连接的上部弹簧和下部弹簧，所述下部弹簧安装在阀体内腔的凸台上，而上部弹簧则与阀芯连接。

2.根据权利要求1所述高转速燃油电磁阀，其特征在于：所述阀体包括上部腔室以及位于上部腔室下端的下部腔室，且上部腔室与下部腔室相互插接成一体，另外，所述上部腔室和下部腔室连接体的外圆套接电磁线圈安置腔室，所述电磁线圈安装在电磁线圈安置腔室。

3.根据权利要求1所述高转速燃油电磁阀，其特征在于：所述下部腔室内接于上部腔室，所述阀芯位于下部腔室的上端。

4.一种权利要求1所述高转速燃油电磁阀的闭合始点的测量方法，其特征在于，首先将电磁线圈驱动电路、电磁线圈以及串联电阻串联，且串联电阻接地，并在电磁线圈驱动电路和串联电阻之间并联闭合始点测量电路，然后通过闭合始点测量电路测量串联电阻上的电压值，假设电磁线圈的电阻恒定，对电磁线圈加载工作电压所产生磁路的磁导率数量级至少为10^-2，同时忽略磁饱和和磁泄漏的影响，以测量出电磁线圈的电流变化率                                                

从负值到正值的转折点，该转折点所对应的时刻即为电磁阀的衔铁抵达闭合始点的时间。

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