楊琪 楊凱 王剛 曾云 劉洪材 劉詩(shī)凡 吳春林

摘要：電磁閥是決定柴油機(jī)電控燃油噴射系統(tǒng)性能的關(guān)鍵部件，其快速響應(yīng)特性是燃油噴射系統(tǒng)供油穩(wěn)定性的重要保證，其中驅(qū)動(dòng)電壓的大小是電磁閥響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)短的主要影響因素。通過(guò) Ansoft Maxwell 進(jìn)行磁場(chǎng)的仿真可以計(jì)算得出線圈匝數(shù)、驅(qū)動(dòng)電壓、驅(qū)動(dòng)電流與電磁力、響應(yīng)時(shí)間的關(guān)系，從而優(yōu)化選出線圈匝數(shù)與驅(qū)動(dòng)電流和驅(qū)動(dòng)電壓的最佳組合。

關(guān)鍵詞：電磁閥;電控燃油噴射系統(tǒng);線圈匝數(shù);驅(qū)動(dòng);響應(yīng)時(shí)間

中圖分類號(hào)：TK422 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-5383（2019）02-0034-04

Abstract：The electromagnetic valve is a key component that determines the performance of diesel electronic control fuel injection system. The fast response characteristic of the electromagnetic valve is an important guarantee for the fuel supply stability of the fuel injection system. The magnitude of the driving voltage is the main influence factor of the response time of the electromagnetic valve. The simulation of the magnetic field through Ansoft Maxwell can calculate the relationship between the number of coil turns， the drive voltage， the drive current and the electromagnetic force， and the response time， so that the optimum combination of the number of coil turns， the drive current and the drive voltage can be obtained.

Keywords：

electromagnetic valve; electronic control fuel injection system; coil turns; drive; response time

隨著車輛行業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)柴油機(jī)性能的要求越來(lái)越高。電控燃油噴射系統(tǒng)成為柴油機(jī)排放的必然趨勢(shì)[1-3]。其中，電磁閥是電控燃油系統(tǒng)的核心部件，其響應(yīng)特性是整個(gè)燃油噴射系統(tǒng)工作穩(wěn)定性的保證。目前，燃油噴射系統(tǒng)在低轉(zhuǎn)速小脈寬情況下出現(xiàn)供油不穩(wěn)定，為了減小這種不穩(wěn)定情況，本文在線圈匝數(shù)、驅(qū)動(dòng)電流和驅(qū)動(dòng)電壓上進(jìn)行計(jì)算分析，選出合適的匝數(shù)、電流和電壓值，提高電磁閥的響應(yīng)特性，得到穩(wěn)定的噴油量。

在提高電磁閥響應(yīng)特性上，Cheng等人[4]研究了4種電壓驅(qū)動(dòng)波形情況下噴油器電磁閥的損耗情況，最后優(yōu)選出了損耗最小的電壓波形，并將計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了計(jì)算值的可靠性。Tsai等人[5]設(shè)計(jì)了一種新的驅(qū)動(dòng)電路，以滿足汽油直噴中更快速更精確控制，結(jié)果表明驅(qū)動(dòng)策略對(duì)穩(wěn)定和精確注射量具有非常重要的意義。Watanbe等人[6]對(duì)電路模型進(jìn)行了優(yōu)化，通過(guò)電磁場(chǎng)的瞬態(tài)仿真，開(kāi)發(fā)了一種新的噴油器，其響應(yīng)時(shí)間得到了明顯提高。袁海軍等人[7-10]采用Maxwell軟件計(jì)算了不同工作氣隙、不同驅(qū)動(dòng)電壓等條件下電磁閥靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。夏勝枝[11-12]及李春青等人[13]研究了電控單體泵電磁閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，研究發(fā)現(xiàn)影響電磁閥關(guān)閉速度的主要因素是驅(qū)動(dòng)電壓的大小，影響電磁閥開(kāi)啟速度的主要因素是回位彈簧的預(yù)緊力。

通過(guò)以往的研究發(fā)現(xiàn)，驅(qū)動(dòng)電壓是影響電磁閥響應(yīng)的主要因素，因此本文從線圈匝數(shù)出發(fā)，研究驅(qū)動(dòng)電壓和驅(qū)動(dòng)電流對(duì)電磁閥響應(yīng)的影響。

2 理論依據(jù)

2.1 電磁閥工作原理

電控單體泵電磁閥結(jié)構(gòu)如圖1所示。

電磁閥工作原理：接通電源后，電流通過(guò)電磁鐵線圈，產(chǎn)生電磁力，吸引銜鐵，同時(shí)帶動(dòng)運(yùn)動(dòng)件（銜鐵、銜鐵螺釘、彈簧、彈簧座、閥桿）運(yùn)動(dòng)，當(dāng)電磁力克服彈簧力時(shí)，閥桿開(kāi)始動(dòng)作至閥關(guān)閉;當(dāng)斷開(kāi)電源，閥桿在彈簧力的作用下返回，使閥開(kāi)啟。

2.2 電磁閥運(yùn)動(dòng)特性方程

電磁閥通電，閥桿關(guān)閉過(guò)程：

電磁閥斷電，閥桿開(kāi)啟過(guò)程：

其中：m為運(yùn)動(dòng)件質(zhì)量;a為運(yùn)動(dòng)質(zhì)量加速度;Fmag為電磁力;Fs為彈簧力;Ff為液體阻力;

2.3 電磁閥電磁特性方程

設(shè)銜鐵運(yùn)動(dòng)過(guò)程中磁通不變，銜鐵所需的機(jī)械功完全由磁能轉(zhuǎn)化而來(lái)。忽略漏磁通，認(rèn)為全部磁通都通過(guò)氣隙δ，當(dāng)銜鐵在恒定磁場(chǎng)中位移dδ，吸力Fmag所做的功由氣隙體積內(nèi)存儲(chǔ)的磁能轉(zhuǎn)化而來(lái)，即[14]：

截面積S的氣隙中磁場(chǎng)能量：

其中：B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，T;S為電磁作用面積，m2;μ0為空氣磁導(dǎo)率，H/m;δ為氣隙，m;Φ為磁通量，Wb;i為線圈電流，A;N為線圈匝數(shù);Ud為外加驅(qū)動(dòng)電壓;L為線圈電感;R為電阻值。

電流變化主要由外加驅(qū)動(dòng)電壓和線圈電感決定。提高驅(qū)動(dòng)電壓，減小線圈電感可以提高線圈電流變化率，縮短關(guān)閉時(shí)間[11]。線圈電感與線圈匝數(shù)相關(guān)，匝數(shù)越少，電感越小，但是匝數(shù)減小，電磁力會(huì)相應(yīng)減小，關(guān)閉時(shí)間增加，這樣就會(huì)出現(xiàn)矛盾。因此，為提高電磁閥的響應(yīng)時(shí)間，需要擇優(yōu)選擇線圈匝數(shù)和驅(qū)動(dòng)電壓、驅(qū)動(dòng)電流的搭配。

3 數(shù)值計(jì)算

電磁閥計(jì)算模型采用三維模型，首先對(duì)電磁閥原模型進(jìn)行電磁力的測(cè)試，及TIP（電磁閥通電到閥桿完全關(guān)閉的時(shí)間）實(shí)驗(yàn)測(cè)試。然后通過(guò)三維靜態(tài)磁場(chǎng)和三維瞬態(tài)磁場(chǎng)仿真分別得到電磁閥原模型的電磁力和TIP值，與實(shí)驗(yàn)測(cè)試進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證仿真計(jì)算的可靠性。最后通過(guò)不同線圈匝數(shù)與不同驅(qū)動(dòng)電流組合下的靜態(tài)磁場(chǎng)計(jì)算以及不同線圈匝數(shù)與不同驅(qū)動(dòng)電壓組合下的三維瞬態(tài)磁場(chǎng)計(jì)算，對(duì)比選取出最優(yōu)的線圈匝數(shù)、驅(qū)動(dòng)電流和驅(qū)動(dòng)電壓值。

3.1 幾何建模及參數(shù)設(shè)置

電磁閥靜態(tài)仿真情況下，需要建立內(nèi)鐵芯、鐵芯座、線圈、銜鐵，計(jì)算域，銜鐵與內(nèi)鐵芯之間有一定氣隙。靜態(tài)磁場(chǎng)仿真采用電流激勵(lì)，設(shè)置安匝數(shù)。瞬態(tài)仿真時(shí)在靜態(tài)模型的基礎(chǔ)上構(gòu)建一個(gè)多邊形棱柱空氣包，包住運(yùn)動(dòng)件銜鐵，空氣包外用一個(gè)多邊形棱柱band包住整個(gè)運(yùn)動(dòng)區(qū)域。band屬性中選擇參考坐標(biāo)，設(shè)置運(yùn)動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)行程、運(yùn)動(dòng)件質(zhì)量（包括銜鐵、銜鐵螺釘、閥桿、彈簧、彈簧座）、液壓阻尼（通過(guò)實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)合進(jìn)行調(diào)整確定）和彈簧力（隨運(yùn)動(dòng)件運(yùn)動(dòng)位置的改變，力大小變動(dòng)）。激勵(lì)源采用電壓激勵(lì)，設(shè)置電感、電阻、電壓值和線圈匝數(shù)。為節(jié)省計(jì)算時(shí)間，計(jì)算迭代時(shí)間根據(jù)現(xiàn)有電磁閥的響應(yīng)時(shí)間確定為700 μs，迭代步長(zhǎng)設(shè)置為0.5 μs。計(jì)算模型如圖2所示。

3.2 計(jì)算驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)測(cè)得電磁鐵的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

靜態(tài)磁場(chǎng)仿真計(jì)算可知：不同網(wǎng)格數(shù)下得到電磁力基本變化不大，所以為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間選擇網(wǎng)格數(shù)較少的情況。得到電磁力F=1得到51.529 6 N，與實(shí)驗(yàn)值誤差為（151.529 6-145.4）/151.529 6=4.05%。

動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)仿真計(jì)算可知：采用靜態(tài)磁場(chǎng)計(jì)算中的網(wǎng)格，通過(guò)調(diào)整damping值使得TIP與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)應(yīng)。當(dāng)damping值為230時(shí)，得到TIP值為569 μs，與實(shí)驗(yàn)值563 μs的誤差為1%，計(jì)算值可取。

通過(guò)以上驗(yàn)證表明，采用本文仿真計(jì)算方法及參數(shù)設(shè)置進(jìn)行研究可靠。

3.3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.3.1 不同氣隙下的電磁力和TIP

由圖3可見(jiàn)，電磁力呈現(xiàn)隨氣隙的增大而減小趨勢(shì)，與理論情況相符。電磁力越大，能克服彈簧力運(yùn)動(dòng)的加速度越大，電磁閥關(guān)閉時(shí)間越短，可見(jiàn)電磁閥氣隙越小對(duì)電磁閥的響應(yīng)越有利。

由圖4可知，不同工作氣隙下，電流、電磁力及銜鐵位移都呈現(xiàn)不同的變化趨勢(shì)。相比之下，氣隙越大，電流上升的趨勢(shì)越緩慢，電磁力下降的趨勢(shì)越緩慢，銜鐵移動(dòng)越緩慢。

根據(jù)不同氣隙下的靜態(tài)仿真和動(dòng)態(tài)仿真可以得到，氣隙在0.22、0.23 mm情況下電磁閥關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間最短。

3.3.2 不同匝數(shù)對(duì)應(yīng)不同驅(qū)動(dòng)電流下的靜態(tài)磁場(chǎng)仿真

在靜態(tài)電磁仿真情況下，設(shè)置不同的匝數(shù)和電流（安匝數(shù)）進(jìn)行計(jì)算得到，不同匝數(shù)對(duì)應(yīng)不同驅(qū)動(dòng)電流下的電磁力。匝數(shù)固定，將電流值參數(shù)化，10～30 A 步長(zhǎng) 2 A，進(jìn)而設(shè)置不同的安匝數(shù)，計(jì)算得到不同匝數(shù)下，電流與電磁力之間的關(guān)系，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可見(jiàn)，隨著匝數(shù)的增加，電磁力減小;隨著電流的增加，電磁力在減小。當(dāng)匝數(shù)為59、60、75時(shí)，在高驅(qū)動(dòng)電流情況下出現(xiàn)電磁力的波動(dòng)。因此從靜態(tài)電磁力考慮下，選擇匝數(shù)為65匝最佳，75、80匝情況次之。電流值可選擇小于20 A，這種情況下不僅可以提高電磁力，同時(shí)可以減小電流引起的溫升。

3.3.3 不同匝數(shù)對(duì)應(yīng)不同驅(qū)動(dòng)電壓下的瞬態(tài)磁場(chǎng)仿真

在瞬態(tài)仿真情況下，設(shè)置不同匝數(shù)和驅(qū)動(dòng)電壓進(jìn)行計(jì)算，得到電磁閥的關(guān)閉時(shí)間TIP。匝數(shù)固定設(shè)置，將電壓值參數(shù)化設(shè)置，75～80 V步長(zhǎng)1 V，計(jì)算得到不同線圈匝數(shù)下，電壓值與時(shí)間的關(guān)系。

由圖6可見(jiàn)，隨著電壓值的增大，電磁閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間縮短，但是隨著電壓值的增大，縮短時(shí)間在減小。由圖6可知，當(dāng)電壓值達(dá)到78 V時(shí)，響應(yīng)時(shí)間減小值小于3 μs，這時(shí)驅(qū)動(dòng)電壓值已經(jīng)達(dá)到飽和，若繼續(xù)增大電壓，對(duì)電磁閥的響應(yīng)特性幫助很小，同時(shí)會(huì)大幅增加電壓負(fù)荷，溫度會(huì)劇烈上升，因此選擇驅(qū)動(dòng)電壓值時(shí)可以選擇在78 V以內(nèi)。

在滿足電磁閥結(jié)構(gòu)條件下，線圈匝數(shù)可以選擇在50匝，此時(shí)電磁閥的響應(yīng)時(shí)間最短。

4 優(yōu)化結(jié)果對(duì)比分析

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果得到，電磁閥氣隙可以選擇0.22、0.23 mm，電磁閥的匝數(shù)可以選擇50匝，驅(qū)動(dòng)電流20 A，驅(qū)動(dòng)電壓78 V。對(duì)優(yōu)選出的結(jié)果參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析得到結(jié)果如表3所示。

兩種情況下的響應(yīng)時(shí)間都比原電磁閥響應(yīng)時(shí)間（563 μs）縮短。相比之下，氣隙為0.22 mm時(shí)，響應(yīng)時(shí)間縮短更多。因此，電磁閥結(jié)構(gòu)參數(shù)可以選擇匝數(shù)為50匝、氣隙為0.22 mm，驅(qū)動(dòng)參數(shù)可以選擇20 A、78 V。

5 結(jié)論

1）氣隙越大，電流上升的趨勢(shì)越緩慢，電磁力下降的趨勢(shì)越緩慢，銜鐵移動(dòng)越緩慢。氣隙在0.22、0.23 mm情況下電磁閥關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間最短。

2）電磁閥結(jié)構(gòu)參數(shù)可以選擇匝數(shù)為50匝、氣隙為0.22 mm，驅(qū)動(dòng)參數(shù)可以選擇20 A、78 V。

3）通過(guò)計(jì)算分析選出了合適的匝數(shù)、電流和電壓值的匹配關(guān)系，提高電磁閥的響應(yīng)特性，進(jìn)而得到穩(wěn)定的噴油量。對(duì)解決目前燃油噴射系統(tǒng)在低轉(zhuǎn)速小脈寬情況下出現(xiàn)供油不穩(wěn)定的問(wèn)題具有實(shí)際的工程意義。

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