孔祥棟,張振東,謝乃流,程 強,尹叢勃

(1.上海理工大學汽車工程研究所，上海 200093； 2.上海交通大學汽車工程研究院，上海 200240)

GDI噴油器電磁場對動態(tài)響應特性影響的研究*

孔祥棟1,張振東1,謝乃流1,程 強2,尹叢勃1

(1.上海理工大學汽車工程研究所，上海 200093； 2.上海交通大學汽車工程研究院，上海 200240)

為揭示不同電磁場參數對GDI噴油器動態(tài)響應特性的影響機理，建立了某款GDI多孔噴油器電磁閥的數學模型和Maxwell三維瞬態(tài)電磁場仿真模型，并進行仿真。結果表明：適當減小電磁線圈匝數、保持電壓、工作氣隙和滑動氣隙，增大開啟電壓可有效改善噴油器的動態(tài)響應特性。另外，為降低鐵芯的渦流損耗，結合參數匹配對GDI噴油器及其磁路進行了綜合改進，使GDI噴油器的動態(tài)響應特性明顯提高。

GDI噴油器；電磁閥；動態(tài)響應；磁路改進

前言

汽油直噴(GDI)噴油器的本質是一種高精度高速強力電磁閥，GDI噴油器中的燃油壓力比進氣道噴射(PFI)噴油器中的燃油壓力高幾十倍以上，要使噴油器的針閥克服彈簧預緊力和燃油壓力，又能在發(fā)動機一個循環(huán)內快速可靠地開啟2～3次，要求電磁閥瞬間產生很強的電磁力，其內部電磁場決定了電磁閥快速響應能力和電磁作用力。因此，改善GDI噴油器內部電磁場，對提高GDI噴油器的工作性能具有重要實際意義[1-2]。

在對GDI噴油器電磁場優(yōu)化方面，國內外已經開展了一些研究工作。文獻[3]中運用JMAG電磁仿真軟件對噴油器進行了研究，分析了驅動電流、磁性材料、載荷和彈簧預緊力對噴油器開閉響應的影響規(guī)律。文獻[4]中借助ANSYS有限元分析軟件研究了噴油器高速電磁閥裝配位置與電磁靜態(tài)吸力的關系，并用測量砝碼懸重試驗驗證了電磁閥有限元模型的正確性。文獻[5]中借助電磁場仿真分析結果，對噴油器的電磁場進行了優(yōu)化，在綜合性能有所提高的前提下，減小了整體結構尺寸。文獻[6]中借助理論建模及有限元分析方法分析了電磁元件、邊界條件和電流源條件等參數對電磁性能的影響規(guī)律，并對電磁線圈驅動器的結構進行了改進。

上述工作分別從不同側面分析了各種參數對GDI噴油器性能的影響規(guī)律，對深入理解GDI噴油器的工作機理具有借鑒意義。由于GDI噴油器工作過程復雜，目前國內尚處于技術攻關階段，為促進GDI噴油器的自主研發(fā)，本文中以某款國產GDI噴油器為對象并結合國內外的相關研究成果，依次從電磁場理論建模、模型驗證、影響因素分析、結構改進和效果驗證方面進行了系統(tǒng)研究，目的在于為GDI噴油器的參數匹配和性能優(yōu)化提供一種有效方法。

1 GDI噴油器的工作原理

研究的GDI噴油器如圖1所示，主要由線圈、鐵芯、回位彈簧、銜鐵、導向管、閥桿、鋼球、閥座和軛鐵等組成。

圖1 GDI噴油器結構圖

其中，鋼球、閥桿、針閥導向環(huán)和銜鐵及其固定環(huán)(焊接為一體)形成一個針閥組件。線圈通電后產生磁場，鐵芯對銜鐵產生電磁吸引力，當電磁吸力大于回位彈簧的預緊力等阻力時，針閥被吸起，鋼球離開閥座，高壓燃油經噴口噴出，形成燃油噴霧。電磁線圈斷電后，當電磁力下降到不足以克服回位彈簧力以吸引住銜鐵時，針閥在彈簧力作用下回落于閥座，鋼球落座并結束噴油[7]。

2 GDI噴油器電磁閥數學模型

2.1 電路子模型

對GDI噴油器的驅動電路進行簡化處理，可得到等效電路，如圖2所示。

圖2 GDI噴油器等效電路

根據基爾霍夫電壓平衡方程、磁通公式、電感磁阻的關系等公式組成方程組，化簡后得

(1)

式中：U為電壓；R為線圈等效電阻；Re為驅動電路等效電阻；i(t)為隨時間變化的線圈電流；L為電感。

2.2 磁路子模型

當電磁線圈通電后，產生磁場，磁力線經鐵芯、銜鐵、針閥導向環(huán)、軛鐵和導磁環(huán)等磁路元件形成閉合回路，如圖3所示。圖中，δ1為工作氣隙，δ2為滑動氣隙。

圖3 GDI噴油磁路簡圖

根據安倍環(huán)路定律和虛功原理分別計算GDI噴油器電磁感應強度和電磁力[8]：

∮Hdl=Ni

(2)

(3)

圖4 動力學模型

式中：H為磁場強度；l為閉環(huán)磁路長度；N為線圈匝數；i為單匝線圈電流；Fmag為電磁吸力；Wco-energy為電磁力做功；x為針閥實時升程；C1和C2為與磁阻有關的常數。

2.3 動力學子模型

(4)

式中：m為針閥質量；Fflu為液壓力；Fspring為彈簧預壓力；k為彈簧剛度；G為針閥組件重力。

3 GDI噴油器電磁場仿真分析

3.1 計算模型

應用Maxwell軟件建立GDI噴油器電磁閥的三維瞬態(tài)電磁場仿真模型，如圖5所示。模型中以空氣模型包裹電磁閥的磁路結構作為計算遠場的邊界條件[9]。由于渦流效應和趨膚效應使磁力線分布不均勻，減弱電磁轉化率，導致GDI噴油器溫度升高，所以，為了保證計算精度，對趨膚深度以內的網格進行細分，趨膚深度[10]為

(5)

式中：ρ為導磁材料電阻率；ω為角頻率，ω=2πf；μ0為真空磁導率；μr為導磁材料相對磁導率。

圖5 三維瞬態(tài)仿真計算模型

GDI噴油器電磁閥仿真參數如表1所示。

表1 GDI噴油器電磁閥仿真參數

3.2 驅動方式

GDI噴油器中的電磁線圈采用Boost升壓電路進行驅動控制，驅動電壓曲線如圖6所示。電磁線圈驅動電壓信號分為3個階段：T0為針閥開啟階段，較高的開啟電壓可使線圈獲得較大的電流，能在瞬間提供很大能量確保針閥迅速開啟；T1和T2為針閥保持階段，在T1時段內降低一定電壓，仍可使針閥保持在穩(wěn)定的吸合狀態(tài)，在T2時段內將保持一個較低的電壓，為針閥落座做準備；T3為針閥落座階段，輸入電壓直降為0，針閥下行至落座，噴油結束。

圖6 GDI噴油器驅動電壓曲線

3.3 仿真結果分析

對GDI噴油器進行仿真計算，得到的電流曲線和電磁力曲線如圖7所示，銜鐵位移和運動速度曲線如圖8所示。

圖7 GDI噴油器電流和電磁力曲線

圖8 GDI噴油器銜鐵位移和速度曲線

由于GDI噴油器內的電磁閥屬于感應元件，在工作過程中不可避免地存在響應滯后。由圖8可見：在t0時段內，雖有驅動信號，但電磁力還不足以克服彈簧力和液體力，銜鐵無動作，該時段稱為開啟延遲時間；在t1時段內，電磁力吸引銜鐵直至與鐵芯貼合，該時段稱為開啟時間；在t2時段內，雖無驅動信號，但由于存在電磁感應現象，電流不會馬上歸零，電磁力依然可以吸住銜鐵一段時間，此時段稱為落座延遲時間；在t3時段內，隨著電流逐漸退去，電磁力不足以克服外力，銜鐵在回位彈簧的作用下歸位，稱該時段為落座時間。

3.4 模型驗證

為驗證計算結果的準確性，對GDI噴油器進行動態(tài)電流監(jiān)測試驗，監(jiān)測裝置系統(tǒng)如圖9所示。當GDI噴油器驅動控制儀產生驅動電壓后，基于霍爾原理的電流傳感器可實時監(jiān)測GDI噴油器電磁線圈的電流，并通過信號采集器處理后上傳至上位機顯示變化曲線。

圖9 GDI噴油器電流監(jiān)測系統(tǒng)

圖10為實際測量與仿真所得的電流曲線對比圖。從圖中可以看出，仿真曲線與試驗曲線非常接近，故認為所建GDI噴油器3D瞬態(tài)仿真模型是正確的。

圖10 實測與仿真電流對比圖

4 影響因素分析

4.1 電磁線圈匝數的影響

由式(2)和式(3)磁路子模型中可以看出，電磁線圈匝數將直接影響GDI噴油器中的電磁感應強度和電磁力，由式(4)動力學子模型可知，進而會影響GDI噴油器的響應特性。因此有必要就不同電磁線圈匝數對噴油器響應特性的影響規(guī)律進行仿真分析。

圖11為不同電磁線圈匝數下銜鐵的位移曲線。從圖中可以看出，適當減少電磁線圈匝數，對開啟階段影響不大，但落座延遲時間會明顯變短。

圖11 電磁線圈匝數的影響

4.2 驅動電壓的影響

由式(2)和式(3)磁路子模型中可以看出，電磁線圈電流決定了GDI噴油器磁路中的電磁感應強度和電磁力，而從式(1)電路子模型中可以看出，電磁線圈電流又由驅動電壓直接決定。因此有必要對控制電壓的驅動方式進行仿真分析。

4.2.1 開啟電壓的影響

圖12為不同開啟電壓下銜鐵在抬起時的位移曲線。從圖中可以看出，開啟電壓升高，開啟延遲時間和開啟時間都會縮短。

圖12 開啟電壓的影響

4.2.2 保持電壓的影響

圖13為針閥保持階段的不同保持電壓所得到的銜鐵位移曲線。從圖中可以看出，較高的保持電壓對應較長的落座延遲時間，因此應盡量采用較低的保持電壓，縮短落座延遲時間，讓針閥位移更接近于控制電壓的方波，提高控制精度。

圖13 保持電壓的影響

4.3 氣隙的影響

從圖3中可以看出，GDI噴油器電磁閥在工作過程中存在工作氣隙δ1和滑動氣隙δ2，它們的大小將影響磁通質量，另外在針閥運動過程中，工作氣隙將隨之變化，進而磁路中的磁阻也會變化，由式(3)知磁阻也將影響電磁力，進而影響噴油器的響應特性。因此要對氣隙的設置進行仿真分析。

4.3.1 工作氣隙的影響

圖14為不同工作氣隙下銜鐵的位移曲線。從圖中可以看出，隨著工作氣隙的減小，在GDI噴油器開啟階段的響應特性并無變化，但在落座階段有所改善。

圖14 工作氣隙的影響

4.3.2 滑動氣隙的影響

圖15 滑動氣隙的影響

圖15為不同滑動氣隙的銜鐵位移曲線。從圖中可以看出，減小滑動氣隙可提高落座階段的響應特性，但減小到一定程度后效果不再明顯。

5 綜合改進

5.1 磁路改進

圖16 0.3ms時刻總損耗分布云圖

圖16為在電流上升階段(取0.3ms觀察)時GDI噴油器電磁閥的總損耗分布云圖。從圖中可以看出磁路中的鐵芯渦流損耗較大。

為了提高電磁力的變化速率，減少渦流效應產生的損耗，將鐵芯頭部等分成6部分，如圖17(b)所示，這樣使GDI噴油器電磁閥中原來一個整的電磁場被劃分成了6個小的電磁場，從而使表面的渦流現象減少，電磁轉化效率提高。

圖17 鐵芯結構對比圖

重新建立仿真模型進行仿真計算，并與分塊前的結果相比較，如圖18和圖19所示。從圖中可以看出，無論是開啟階段還是在落座階段，分塊后的響應特性都優(yōu)于分塊前。

圖18 開啟階段對比圖

圖19 落座階段對比圖

5.2 參數匹配

在磁路改進的基礎上，結合前面影響因素的分析進行參數匹配，電磁線圈匝數取60匝，驅動電壓為85-12-5V，滑動氣隙取10μm，工作氣隙取65μm，圖20和圖21為綜合改進前后銜鐵位移對比圖。從圖中可以看出，無論是在開啟階段還是在落座階段，GDI噴油器的動態(tài)響應特性都得到了提高。經數據分析，開啟延遲時間縮短了25%，開啟時間縮短9.5%，落座延遲時間縮短75.17%，落座時間縮短11.9%。

圖20 開啟階段對比圖

圖21 落座階段對比圖

6 試驗驗證

6.1 試驗裝置

為了精確評價綜合改進后的效果，需要直接對針閥行程進行測試。但目前還沒有高效的測試設備，所以開發(fā)了GDI噴油器動態(tài)響應特性測試系統(tǒng)，如圖22所示。該系統(tǒng)的測試原理為：將GDI噴油器樣件裝夾在精密夾具上，調整激光位移測試儀的高度，使激光光斑平行地打在針閥組件中的閥桿端面；GDI噴油器驅動控制儀驅動針閥組件運動，激光位移傳感器對針閥組件的位移進行動態(tài)測試，測試信號經降噪處理，可獲得光滑平順的動態(tài)位移測試曲線。

圖22 GDI噴油器動態(tài)響應測試系統(tǒng)

6.2 結果分析

圖23為改進前后實測的針閥位移曲線。從圖中可以發(fā)現，在針閥開啟和落座都有針閥振蕩現象，這是由于針閥在運動過程中與鐵芯、閥座的撞擊產生的，而前面在Maxwell電磁場仿真時無法考慮彈性碰撞，所以仿真結果里面沒有出現相應的振蕩曲線，但對于動態(tài)響應特性的預測還是非常有效的。經數據分析，綜合改進后，開啟延遲時間縮短了24%，開啟時間縮短10.7%，落座延遲時間縮短77%，落座時間縮短13.6%。

圖23 性能對比圖

7 結論

(1) 建立的GDI噴油器電磁閥數學模型和仿真模型可有效分析預測GDI噴油器動態(tài)響應特性。

(2) 通過適當提高開啟電壓，可以提高開啟時的響應特性；適當減小電磁線圈匝數、降低保持電壓、減小工作氣隙和滑動氣隙，可以提高落座時的響應特性；將鐵芯分塊的磁路改進，可提高開啟和落座時的響應特性。

(3) 對GDI噴油器進行綜合改進后，其動態(tài)響應特性顯著提高，對今后GDI噴油器電磁場相關技術參數的確定，進而對燃油噴霧的精準控制，實現更加靈活、節(jié)能的噴射方案具有重要意義。

[1] LI Liyi, ZHANG Chengming, KOU Baoquan, et al. Design of giant magnetostrictive actuator for fuel injector[C]. IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference (VPPC), Harbin, China,3-5 Sept,2008.

[2] RICCO M, DE Matthaeis S, OLABI A G. Simulation of the magnetic properties for common rail electro-injector[J]. Journal of Materials Processing Technology,2004,155:1611-1615.

[3] 李麗,宋睿智,袁亞飛,等.汽油直噴噴油器響應特性仿真分析及優(yōu)化[J].現代車用動力,2015,159(3):15-19.

[4] 戈非,張亮.缸內直噴汽油機噴油器高速電磁閥特性研究[J].汽車技術,2013(12):5-11.

[5] WATANABE Hideyuki, ICHISE Shinya, NAGAOKA Takahiro. Development of compact and high performance fuel injector using electromagnetic field simulation[C]. SAE Paper 2005-32-0019.

[6] CVETKOVIC D, COSIC I, SUBIC A. Improved performance of the electromagnetic fuel injector solenoid actuator using a modelling approach[J]. International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics,2008,27(4):251-273.

[7] ABE M, MAEKAWA N, YASUKAWA Y, et al. Quick response fuel injector for direct-injection gasoline engines[J]. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power,2012,134(6):1-5.

[8] 程強,張振東,郭輝,等.電控汽油噴射器電磁特性仿真與磁路參數優(yōu)化[J].汽車工程,2015,37(6):642-647.

[9] ZHANG Y, RUAN J, HUANG T, et al. Calculation of temperature rise in air-cooled induction motors through 3-D coupled electromagnetic fluid-dynamical and thermal finite-element analysis[J]. IEEE Transactions on Magnetics,2012,48(2):1047-1050.

[10] WANG Qilei, YANG Fengyu, YANG Qian. Experimental analysis of new high-speed powerful digital solenoid valves[J]. Energy Conversion and Management,2011,52(5):2309-2313.

A Research on the Impact of Electromagnetic Fields on the DynamicResponse Characteristics of GDI Injector

Kong Xiangdong1, Zhang Zhendong1, Xie Nailiu1, Cheng Qiang2& Yin Congbo1

1.InstituteofAutomotiveEngineering,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093;2.InstituteofAutomotiveEngineering,ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200240

To reveal the effects of the parameters of electromagnetic field on the dynamic response characteristics of GDI injector, a mathematical model for the solenoid valve of the multi-orifice injector of a GDI engine and a corresponding Maxwell model for 3D transient electromagnetic field are set up with simulations conducted. The results show that appropriately reducing electromagnetic coil turns, holding voltage, working air gap and sliding gap while increasing turn-on voltage can effectively improve the dynamic response characteristics of injector. In addition, for lowering the eddy loss of iron core, a comprehensive modification of GDI injector and its magnetic circuit is also carried out with parameter matching, leading to a significant improvement of the dynamic response characteristics of GDI injector.

GDI injector; solenoid valve; dynamic response; magnetic circuit improvement

*國家自然科學基金(51275309)資助。

2016232

原稿收到日期為2015年11月19日，修改稿收到日期為2016年6月16日。