共轨燃油喷射系统电磁阀性能研究*

2019-03-18张晓怀

小型内燃机与车辆技术 2019年1期

张晓怀

（海军工程大学动力工程学院湖北武汉 430033）

引言

柴油机燃烧过程受燃油喷射特性所控制，特别是喷油压力和喷射规律[1]，直接影响着柴油机的经济性和排放性[2]。共轨燃油喷射系统能够通过对喷油量、喷油正时和喷油规律的控制，优化油气混合过程[3]。作为共轨燃油喷射系统的核心控制元件，电磁阀的性能对系统功能的实现有着重要影响。因此，本文在介绍电磁阀组成和工作原理的基础上，建立了电磁阀有限元模型，并利用模型进行了电磁力计算，同时对电磁阀开展了干式状态下的动态响应特性试验研究，为实现共轨燃油喷射系统快速有效的控制提供了理论依据。

1 电磁阀组成和工作原理

共轨燃油喷射系统电磁阀主要由铁芯、衔铁、线圈以及弹簧等组成。其基本工作原理为：通过电磁力和弹簧力驱动衔铁，以达到阀口开启和关闭的目的。线圈未通电时，在弹簧力的作用下，衔铁与铁芯不接触，球阀与阀座紧密结合，使阀处于关闭状态；当线圈通电后，随着电流的增加，电磁力逐渐增大，当电磁力增大到能够克服弹簧力时，衔铁即开始运动，使阀处于开启状态。

2 电磁阀有限元分析

2.1 数学模型

电路方程[4]：

磁路方程：

运动方程：

2.2 物理模型

考虑到铁芯及衔铁都采用较高磁导率的材料制成，并且铁芯和衔铁间的间隙极小，因此作如下假设[5]：

1）导线上的电流密度均匀分布；

2）忽略磁滞效应和涡流的影响；

3）铁芯及衔铁中的磁导率各向同性。

电磁铁属于轴对称结构，利用二维模型能够反映出其实际情况，因此，采用2D模型对电磁阀进行磁场分析，图1a是电磁阀的二维分析模型，图1b是电磁阀网格划分结果，网格采用四边形8节点PLANE53单元进行划分。

图1 电磁阀二维分析模型及网格划分示意

2.3 仿真结果

磁力线分布和电磁力的计算结果如图2所示。计算结果表明，电磁阀在气隙为0.15 mm时的电磁力可达170N，能够满足共轨燃油喷射系统的使用需求。

3 电磁阀试验研究

图3为电磁阀动态响应特性试验装置示意框图，利用该装置可在一定的电源电压范围内进行电磁阀的电压、电流、加速度的测试。在测试中将加速度传感器直接安装在控制电磁阀的吸力板上，能直接反映电磁阀的动作过程，由于传感器增加了电磁阀动作部件的质量，因此在结果分析中需考虑其对响应速度的影响。

电磁阀测试结果如图4所示。采集的信号包括电磁阀的加速度，线圈的电流及控制脉冲，其中速度变化曲线是对实测的加速度信号通过积分计算而得到的。图中的碰撞点即为电磁阀完全开启和关闭的时刻，碰撞点后加速度的振荡是由于弹性变形所造成的。试验结果表明电磁阀开启响应时间T0为0.352 ms，关闭响应时间为1.5 ms，具有较好的动态响应特性。