喷油器电磁阀结构及对地短路的分析与研究_范委修.pdf

内燃机与配件 产品分析喷油器电磁阀结构及对地短路的分析与研究范委修，贾小丽，刘明，王永亮，（内燃机可靠性国家重点实验室，山东 潍坊 ；潍柴动力股份有限公司，山东 潍坊 ）摘要：电控喷油器是整个电控高压共轨燃油系统中最为核心的零部件，加工难度和复杂度最大，从电控喷油器内部结构及工作原理着手，分析电控喷油器工作过程。喷油器电磁阀是电控共轨喷油器中最为重要部件之一，分析电磁阀关键参数对喷油器响应速度的影响，喷油器驱动电流的控制与 的驱动电路密切相关，得出喷油器对地短路的故障机理，通过模拟试验，得出 报错的边界条件。排查某发动机工作过程中频繁报出喷油器对地短路问题，发现电磁阀结构和包裹的橡胶护套存在绝缘性不足问题，最后通过设计优化，问题得以彻底解决，为以后出现类似的问题提供解决思路。关键词：柴油机；共轨喷油器；短路；失效分析中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，；，）：，：；作者简介：范委修（），男，河南洛阳人，汉族，工程师，硕士，主要研究方向为内燃机电控技术、内燃机燃油系统。引言随着发动机污染物控制排放水平的不断发展，目前绝大多数柴油机采用电控高压共轨燃油系统，系统压力范围从 至 ，电控喷油器是整个电控高压共轨燃油系统中最为核心的零部件，加工难度和复杂程度最大。驱动喷油器电磁阀高速开启，燃油喷射量取决于电磁阀通电时间、喷射压力、喷油嘴喷孔直径等因素，正因为高压共轨喷油器响应快，多次喷射成为高压共轨燃油系统最大的特点之一。喷油器电磁阀是柴油机电控系统的核心部件，其电磁力大小和快速响应能力直接影响燃油的喷射压力和喷射精度，本文对常用的共轨喷油器和电磁阀结构进行对比分析，研究 内部的喷油器电磁阀驱动电路，并研究了喷油器电磁阀对地短路的报错机理，提出优化，结合实际故障，为喷油器设计和故障分析提供一定排查思路，并根据查核结果指导零部件设计。电控喷油器结构电控喷油器主要包括喷油器体、油嘴、阀杆、控制阀组件、电磁阀等组件，控制阀组件上布置进油孔（统称节流孔）、出油节流孔（统称 节流孔），见图，喷油器体内布置高压油进油通道和低压燃油回油通道。图电控喷油器级电磁阀结构电控喷油器工作原理工作原理（见图）：DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.01.014 年第期 静止关闭阶段：电磁阀不通电，密封球在电磁阀回位弹簧作用下与控制阀座相接触，节流孔不出油，控制腔顶部受力面积大于油嘴针阀端的受力面积，油嘴处于关闭位置。喷射阶段：当电磁铁通电，电磁力吸引衔铁盘向上运动，密封球抬起，燃油通过 节流孔流出，节流孔流通面积大于节流 面积，控制腔内压力下降，控制柱塞在高压燃油作用下向上运动，油嘴抬起，高压燃油通过喷油孔喷入燃烧室。停止喷射：电磁铁断电，衔铁芯在电磁阀回位弹簧力的作用下向下运动，关闭 节流孔，柱塞套控制腔内压力增加，控制柱塞向下运动，油嘴的针阀落座，燃油不再通过喷油孔喷入燃烧室。图电控喷油器工作原理电磁阀结构博世共轨喷油器电磁阀结构见图，主要包括线圈、铁芯、衔铁芯、衔铁盘、插针、绝缘隔板、回位弹簧和电磁阀壳体组成。电磁铁断电后，电磁阀的衔铁盘和衔铁杆分离，球阀落座密封。街铁盘下方设有阻尼弹簧和调整垫片，衔铁完全落座后衔铁盘和控制阀之间存在间距很小的阻尼间隙，配合阻尼弹簧，可减小衔铁落座时的冲击力。球阀开启后，低压油一部分直接流入低压油路，另一部分流入电磁阀所在区域，对其冷却。电磁阀静态电磁力主要受到驱动电流、工作间隙、线圈匝数、铁芯磁性材料、电磁铁内外磁极面积、衔铁厚度等因素的影响，驱动电流为代表的驱动参数，工作气隙、阻尼间隙为代表的装配参数和线圈匝数为代表的结构参数是影响电磁阀电磁力的关键参数。当驱动电流小于 时，电磁阀总磁阻较小，软磁材料不易发生磁饱和现象，驱动电流成为电磁力变化的主要影响因素；当驱动电流大于 时，尽管总磁通的增加是电磁力增大的主要因素，但电磁阀总磁阻的增加使得电磁力减小的程度逐渐增大，这导致电磁阀电磁力增加量逐渐减小。工作气隙越小，电磁力越大，但过小的气隙阻碍高压燃油从控制室的泄放，过大的工作气隙降低电磁阀的电磁力，需合理选择电磁阀工作气隙。阻尼间隙影响衔铁盘的落座过程，尤其对多次喷射油量有较大影响。如果间隙过小，阀球无法正常落座，回油量异常增加；如果间隙过大，在一定的喷射间隔时，前次喷射没有完全落座条件下，下一次喷射重新开启，导致喷油量异常。随线圈匝数的增加，电磁阀的电磁力不断增大，但其增大的程度逐渐减小 在线圈匝数变化的过程中，总磁通量的变化程度和总磁阻的变化程度共同决定电磁力随线圈匝数的变化规律在满足电磁力要求的前提下，尽量选择较小的线圈匝数。图电控喷油器工作原理电磁阀电流驱动控制电控单元内部有专门的驱动芯片，驱动电路见图。图喷油器驱动电路图喷油器驱动采用高边驱动和低边驱动相结合的方式。升压电路主要由高频开关、电感、电容组成，电流通过电感线圈以磁能的形式储存于电容中。为实现喷油器驱动时的峰值电流和保持电流的精确控制，喷油驱动电路模块采用两个高边驱动，一个用来控制喷油器快速达到峰值电流，迅速开启；另一个用来控制喷油器维持在保持电流值上，控制喷油器时间。支喷油器，分成两个，每支采用一个，每个 都采用了两个高端驱动和三个低端驱动。喷油器在每次通电之前，芯片会自动采集产生的浮动诊断电压，当喷油器高边或低边对地的绝缘电阻减小或受外部干扰时，该电压会降低，若电压值低于阈值后，会报出对地短路故障，见图。图喷油器驱动电流图内燃机与配件 喷油器电磁阀对地短路故障分析某新开发柴油机在进行整车运行过程中，频繁出现喷油器电磁阀短路故障问题，发动机出现动力不足问题。服务人员到达现场，连接专门电控单元的检测设备，电控单元报喷油器对地短路的故障。为分析电控单元报对地短路的故障，搭建模拟试验台，验证绝缘电阻对 故障诊断的影响，在喷油器正常驱动电路中并联滑动变阻器，通过调整滑动变阻器，来确认 的报错条件，见图。图绝缘电阻验证模拟电路图结果见表，当滑动变阻器电阻 时，正常工作。当滑动变阻器电阻为 时，报出对地短路故障，喷油器无法正常工作。表诊断电压测试序号滑动变阻器阻值诊断电压 是否报错无穷大 否 否 否 是通过上述分析，对地短路为真实存在，为确定可能原因，列举故障树，主要排查是否存在喷油器电磁阀内部及外部短路、喷油器线束虚接的情况。检查发动机线束开路及通路均满足设计要求。检查喷油器的实际安装，为了防止喷油器电磁阀顶部接线柱线束进水，在喷油器电磁阀顶上设计专用橡胶护帽，喷油器电磁阀注塑件下部有一段不锈钢材质外露，见图。检查故障车辆的喷油器护帽绝缘性差，从而导致喷油器接线柱与喷油器电磁阀发生短路。通过更改电磁阀护帽材质，控制橡胶内部炭黑含量，故障得以解决。图喷油器电磁阀的防护与安装结论本文分析了电控喷油器和电磁阀的基本工作原理，研究了电磁阀内部详细结构，分析主要设计参数对喷油器性能的影响。结合实际故障案例，讲解 的驱动电路和报错机理。综上分析，得出如下结论：）电控发动机的燃油系统的喷油器驱动为专用芯片，故障诊断电路及报错条件属于芯片厂家的内部参数，不对外提供。本文通过模拟电阻的方式，可以快速获得芯片的诊断电压阈值和报错条件。）电控发动机故障分析需要从设计源头排查，分析燃油系统各个部件的工作特性及控制系统工作原理，对故障件失效形式进行系统分析，确定故障可能原因，列出故障树，逐项排查。）故障分析应尽可能留存故障现场资料，分析周围环境和周围零件的相互影响，排查装配过程。电器零部件的装配防护除了考虑材料的耐油、耐候性外，还需要注意材料的绝缘性。参考文献：康拉德赖夫柴油机管理系统系统、部件、控制和调节机械工业出版社，郭修其 高压共轨 硬件系统及关键控制策略开发浙江大学 硕士学位论文 刘超等 国外高压共轨喷油器电磁阀结构分析，柴油机，第 卷（）第期 赵建辉 共轨喷油器高速电磁阀电磁力影响因素分析哈尔滨工程大学学报 第 卷（）第期 赵建辉 共轨喷油器高速电磁阀动态响应试验研究 哈尔滨工程大学学报 第 卷（）第期 陈婷 柴油机高压共轨电磁阀特性仿真及驱动电路研究 北京交通大学 硕士学位论文