項勇兵 ，黃加亮，2

(1.集美大學輪機工程學院，福建 廈門 361021;2.福建省船舶與海洋工程重點實驗室，福建 廈門 361021)

0 引言

采用電子控制技術是當前柴油機技術發(fā)展的重要方向之一.電控燃油噴射系統(tǒng)是柴油機電控技術的核心組成部分，而高速電磁閥又是電控燃油噴射系統(tǒng)核心部分[1-3].目前最新的電控共軌大型船舶柴油機燃油系統(tǒng)均采用高速電磁閥，直接控制燃油噴射過程，因此其快速響應直接影響了燃油噴射系統(tǒng)的噴油量、噴油定時等關鍵特性.為確保燃油噴射系統(tǒng)控制精度及響應速度，要求高速電磁閥具有快速響應等基本特性[4-6].本文利用MATLAB/Simulink軟件構(gòu)建了高速電磁閥仿真模型，進行電壓、電磁力等參數(shù)的動態(tài)仿真分析，并研究其驅(qū)動電壓、閥芯質(zhì)量與線圈匝數(shù)等參數(shù)對電磁閥動態(tài)響應特性的影響.

1 高速電磁閥數(shù)學模型的建立

本文選用的二位三通電磁閥由電磁鐵、回位彈簧、燃油入口和出口、閥芯及閥體、旁通卸油口等組成.電磁閥的初始狀態(tài)是常開的，當噴油開始時，電磁閥通電，電磁鐵產(chǎn)生的電磁力克服回位彈簧產(chǎn)生的阻力，從而閥芯向上運動關閉旁通卸油口，然后高壓燃油就從出口進入噴油器噴油.當噴油完成時，由于線圈斷電，電磁力消失，閥芯在回位彈簧的作用下向下運動回到初始位置，高壓燃油從卸油口流出.電磁閥工作過程是一個電產(chǎn)生磁，磁產(chǎn)生力，力又產(chǎn)生運動的過程.通常電磁閥模型由電模型、磁模型和機械模型三個不同但又緊密聯(lián)系在一起的子系統(tǒng)組成.電磁閥數(shù)學模型包括電路模型、磁路模型和機械運動模型.

1.1 電路方程

根據(jù)電路實際工作情況，用簡化等效的方式進行處理得出電路方程:

其中:U—驅(qū)動電壓;I—線圈電流;N—為線圈匝數(shù);R—簡化處理后的等效電阻;RI—簡化處理后的等效非工作氣隙磁阻;φ—線圈的磁鏈;L—等效電感;Rδ—等效工作氣隙磁阻;Rm—等效磁路磁阻．

1.2 磁路方程

由于靜鐵芯材料的磁導率過大，不考慮磁場邊緣效應所產(chǎn)生的影響，因此可將其按照磁能集中在工作氣隙的情況進行分析．電磁閥結(jié)構(gòu)幾何模型和簡化處理后等效磁路模型如圖1和圖2所示．

圖1 電磁鐵的幾何模型Fig.1 Geometric model of solenoid valve structure

圖2 電磁鐵的等效磁路模型Fig.2 Equivalent magnetic circuit model

根據(jù)基爾霍夫定律和電磁場理論可推導出:Rδ=Iδ/(μδSδ)=(δ-xV)/(μδSδ);Rm=Im/(μmSm);φ =BS=B(Sm+Sδ);B=Hμm．式中:φ —磁通量;μδ、μm—磁導率;Iδ—工作氣隙長度;Sδ—工作氣隙截面積;Im—簡化處理后等效磁導體長度;Sm—簡化處理后等效磁導體截面積;δ—工作氣隙初始位置的長度;xv—閥芯初始位移;B—磁感應強度;H—磁場強度．

1.3 機械運動方程

根據(jù)實際工作過程中閥芯受到電磁力、回位彈簧作用力、摩擦力和銜鐵運動受到阻力得出其運動模型，如圖3所示．

根據(jù)麥克斯韋電磁吸力計算公式可得到:

回位彈簧作用力為:

式中:KS—回位彈簧剛度;x0—彈簧預緊量．

圖3 簡化處理后電磁閥運動模型Fig.3 Simplified solenoid valve movement model

閥芯受到摩擦力為:

式中:C—運動阻尼．

上、下止點阻力分別為:

式中:Cup、Cdown為上、下止點的阻尼系數(shù);Kup、Kdown為上、下止點限位的剛度．由分析可知，當xv〉0時，Kdown、Cdown為零;當xv〈xmax時，Kup、Cup為零．根據(jù)動量守恒定律，可得出閥芯運動方程:

式中:Fr—電磁閥閥芯運動阻力;m—電磁閥閥芯質(zhì)量．

1.4 高速電磁閥鐵芯磁化曲線擬合公式

由于采用電工純鐵的材料作為鐵芯，電工純鐵磁感應強度高而且鐵磁質(zhì)磁化率和磁場強度之間存在線性關系，但是磁感應強度和磁場強度之間不存在線性關系．直接給計算磁通量造成很大困難．采用多段曲線擬合方法進行處理得出

2 仿真模型的建立

2.1 磁場強度子模型

根據(jù)電路方程和磁路方程可建立磁場強度模型，如圖4所示．

2.2 電磁作用力子模型

根據(jù)式 (1)和式 (7)可建立電磁作用力模型，如圖5所示．

2.3 閥芯運動阻力子模型

由式 (3)—式 (5)得閥芯運動阻力表達式:Fr=fup+fdown+f=Kup(xv-xmax)+Cupdxv/dt+Cdxv/dt+Kdown+Cdowndxv/dt，并由此建立閥芯運動阻力子模型，如圖6所示．

圖4 磁場強度模型Fig.4 Magnetic field intensity model

圖5 電磁作用力子模型Fig.5 Electromagnetic force sub-model

圖6 閥芯運動阻力模型Fig.6 The valve core motion resistance model

2.4 回位彈簧作用力子系統(tǒng)

由式 (6)建立回位彈簧作用力Fs的子模塊如圖7所示.

圖7 回位彈簧作用力的子模型Fig.7 Return spring force model

2.5 建立電磁閥仿真模型

根據(jù)已經(jīng)建立的4個子模型和式 (2)和式 (6)得到整體仿真模型，如圖8所示.

圖8 高速電磁閥的整體仿真模型Fig.8 Integral simulation of high-speed valve

3 電磁閥動態(tài)響應特性

根據(jù)上述建立的高速電磁閥的整體仿真模型，逐一分析驅(qū)動電壓、閥芯質(zhì)量、回位彈簧預緊量、初始氣隙和不同線圈匝數(shù)等參數(shù)對電磁閥動態(tài)響應特性的影響.

3.1 驅(qū)動電壓對電磁閥動態(tài)響應特性的影響

驅(qū)動電壓對電磁閥響應時間的影響如圖9所示.從圖9可以看出，輸入高電壓電磁閥在開啟時銜鐵會受到最大的作用力，閥芯上升速度就會越快，縮短閥開啟時間;停止供電后由于軟磁材料剩磁影響，延長閥閉合時間.此外電壓增大同時，通過回路和線圈的瞬間電流值偏高，有可能會擊穿電子元器件和燒毀線圈，因此要選取合適的電壓.

3.2 閥芯質(zhì)量對電磁閥動態(tài)響應特性的影響

閥芯質(zhì)量對電磁響應特性的影響如圖10所示，其中實線表示1倍閥芯質(zhì)量，虛線表示2倍閥芯質(zhì)量.從圖10中可以看出，隨著閥芯質(zhì)量的增加，電磁閥的響應時間也會相應地延長.此外隨閥芯質(zhì)量增加的同時相應的慣性力也會增大，會碰撞上、下限位器，從而出現(xiàn)圖中閥芯抖動現(xiàn)象，也會影響電磁閥的使用壽命.因此小的閥芯質(zhì)量能改善電磁閥的動態(tài)響應特性.

3.3 回位彈簧預緊量對電磁閥動態(tài)響應特性的影響

從圖11看出，彈簧預緊量大時，恢復力也會越大，在閉合時恢復力為阻力，所以電磁閥閉合時間會延長.相反在電磁閥停止供電的時候，電磁閥預緊量越大，釋放的速度越快，對下限位器的沖擊就越大，此時恢復力起驅(qū)動作用.在保證電磁閥響應速度前提條件下，應采用較小的預緊量.

3.4 初始氣隙對電磁閥動態(tài)響應特性的影響

從圖12可以看出，隨著工作氣隙變大，開啟和關閉時間將會變長.因為工作氣隙變大時，磁阻會變大，剛開始電磁力變小，導致電磁作用力上升速度緩慢，閥芯上升時間變長.升程也變長時，下落過程中時間變長.此外初始氣隙過大時，電磁作用力上升速度也會變慢，電磁閥在某段時間內(nèi)將會出現(xiàn)不能開啟的現(xiàn)象.因此要保證電磁閥有較短的開啟和關閉響應時間，選取初始氣隙必須進行綜合考慮.

圖9 不同驅(qū)動電壓對電磁閥響應時間的影響Fig.9 Effect on the response time of valve from different driving voltage

圖10 閥芯質(zhì)量對電磁閥響應特性的影響Fig.10 Response characteristics of electromagnetic valve from valve core mass

圖11 不同彈簧預緊量對閥芯位移響應特性的影響Fig.11 Effect on the displacement response characteristics of valve core from different preload amount of spring

圖12 不同工作氣隙對電磁閥動態(tài)響應的影響規(guī)律Fig.12 Effect on the valve's dynamic response from different air gap

3.5 不同線圈匝數(shù)對電磁閥動態(tài)響應特性的影響

不同線圈匝數(shù)銜鐵位置響應變化規(guī)律如圖13所示.從圖13中可以看出，線圈匝數(shù)增加，電磁閥響應速度降低，這是因為在電壓驅(qū)動模式下，電磁線圈增加同時線圈電阻也會增大，直接導致線圈的工作電流變小，由公式 (7)可知相應的電磁力也會減小;線圈匝數(shù)增加的同時也會使電感變大，電感的變大會使針閥開啟過程中電流變大的速度緩慢，也會使電流在釋放過程中衰減速度變緩慢，可以看出線圈匝數(shù)不能太多.

從圖14中可以看出在電壓驅(qū)動模式下，隨著線圈匝數(shù)的變小會導致線圈工作電流變大，在匝數(shù)為40匝時，線圈最大電流達到8.5 A，超過了0.8 mm漆包線的額定工作電流 (5A)，因此電磁線圈不宜選擇40匝.但在實際工作過程中也不是線圈匝數(shù)越多越好，第一，增加線圈匝數(shù)并不能提高電磁力，因為線圈匝數(shù)增加會使線圈的工作電流變小;第二，隨著匝數(shù)的增加，在電流上升波形相同時能夠使吸合觸動時間變短，同時線圈電阻和線圈電感也會變大，直接導致銜鐵在初始階段吸合時使線圈工作電流變大速度緩慢，電流在銜鐵釋放過程中衰減速度變緩慢;第三，當線圈匝數(shù)較少時，線圈電阻和電感都較小，在相同的電壓輸入條件下，工作電流上升的速度變快有利于電磁力迅速變大，但如果線圈匝數(shù)太少時，由于電磁力較小將會出現(xiàn)電磁閥不能開啟的現(xiàn)象;第四，當線圈匝數(shù)較少時，為了得到足夠大電磁力而對線圈輸入高電壓，這樣容易導致電流過大將線路的電子元器件燒毀.在電磁閥實際設計時，選擇線圈匝數(shù)會涉及到多個因素，在能保證電磁閥響應速度及燃油噴射要求的前提下選擇一個合理的匝數(shù).

圖13 不同線圈匝數(shù)下銜鐵位置響應變化規(guī)律Fig.13 Response of armature position from different coil number

圖14 不同線圈匝數(shù)下線圈工作電流的變化規(guī)律Fig.14 Variation of coil current by coil number

4 結(jié)語

本文分析了選取不同工作參數(shù)對電磁閥動態(tài)響應特性的影響，影響高速電磁閥動態(tài)響應的主要因素有驅(qū)動電壓、回位彈簧預緊量、線圈匝數(shù)、閥芯質(zhì)量以及初始氣隙.由于電磁閥實際工作在一個復雜環(huán)境中，在建模過程中沒有考慮到液壓力、溫度等因素的影響.在一定條件下增加驅(qū)動電壓、采用質(zhì)量小的閥芯、選取小的回位彈簧預緊量、減少線圈匝數(shù)和降低彈簧剛度有利于加快電磁閥開啟響應速度，而降低維持電壓、適當減小工作氣隙、增大彈簧剛度有利于加快關閉響應速度.因此仿真模型對高速電磁閥的設計、開發(fā)和研制具有一定的參考價值.

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