液壓自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)大流量快速響應(yīng)電磁閥電磁仿真

李 歡

（天津中德職業(yè)技術(shù)學(xué)院，中國(guó) 天津 300350）

液壓自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)(Hydraulic free piston engine，簡(jiǎn)稱HFPE)集液壓泵與內(nèi)燃機(jī)于一體，從結(jié)構(gòu)上看可分為液壓泵和內(nèi)燃機(jī)兩大組成部分。根據(jù)其中內(nèi)燃機(jī)部分活塞組及燃燒室數(shù)目的不同，可將其分為三種基本類型：?jiǎn)位钊健㈦p活塞式和對(duì)置活塞式。

本文以雙活塞式液壓自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)作為對(duì)象，其與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)相比，壓縮比可以實(shí)現(xiàn)瞬變和逐循環(huán)改變。如果壓縮能得不到精確的控制，就會(huì)影響到壓縮比。而大流量快速響應(yīng)電磁閥正是直接控制壓縮能的關(guān)鍵，通過控制此閥的開啟過程和開啟時(shí)間，達(dá)到控制壓縮能的目的。而且電磁閥必須具有快速響應(yīng)的能力，根據(jù)指令快速產(chǎn)生滿足要求的流通面積，避免較大的壓力損失。

本文提出的大流量快速響應(yīng)電磁閥要達(dá)到的要求是：內(nèi)部無偶件、足夠的驅(qū)動(dòng)力、能夠快速開啟以及一定條件下有大流量供給液壓油能力。大流量快速響應(yīng)電磁閥由起銜鐵作用的圓柱型塊和頂針（兩者構(gòu)成動(dòng)鐵）、小閥片，大閥片和復(fù)位彈簧等構(gòu)成，原理圖如圖1所示。在小閥片和頂針之間存在自由間隙h，稱為自由升程。動(dòng)鐵通過電磁力獲得初速度，此時(shí)在彈簧復(fù)位力和液壓力作用下大、小閥片處于關(guān)閉狀態(tài)；當(dāng)h=0時(shí)，頂針撞擊打開小閥片，高壓液壓油開始進(jìn)入液壓腔；動(dòng)鐵帶動(dòng)小閥片一起向上運(yùn)動(dòng)，撞擊打開大閥片，液壓油開始大量流入液壓腔，動(dòng)鐵、小閥片和大閥片繼續(xù)一起向上運(yùn)動(dòng)，直到兩個(gè)閥片開啟過程結(jié)束，即大流量快速響應(yīng)電磁閥的開啟過程結(jié)束。斷電后，大、小閥片在小彈簧復(fù)位彈簧力作用下帶動(dòng)動(dòng)鐵一起向下運(yùn)動(dòng)，同時(shí)動(dòng)鐵受到大彈簧復(fù)位彈簧力，直到大、小閥片落座，供油停止；然后，動(dòng)鐵在慣性和大彈簧復(fù)位彈簧力的作用下與小閥片分離并繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，直到與大流量快速響應(yīng)電磁閥體內(nèi)部的止口接觸，大流量快速響應(yīng)電磁閥回到復(fù)位狀態(tài)。

圖1 大流量快速響應(yīng)電磁閥結(jié)構(gòu)原理圖

本文利用三維電磁仿真軟件MAXWELL建立電磁仿真模型。

1 電磁閥結(jié)構(gòu)

大流量快速響應(yīng)電磁閥是電磁直接驅(qū)動(dòng)針閥，結(jié)構(gòu)采用吸入式螺線管結(jié)構(gòu)，包括導(dǎo)磁套，復(fù)位彈簧，電磁鐵（包括靜鐵芯、銜鐵、線圈），隔磁套。動(dòng)鐵既是導(dǎo)磁體又是閥片運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行體，因此材料既要保證高的導(dǎo)磁率也要保證一定的機(jī)械強(qiáng)度。當(dāng)線圈斷電時(shí)，閥片在彈簧預(yù)緊力和液壓油壓力作用下緊壓住閥座，關(guān)閉油道出口；當(dāng)線圈通電時(shí)，電磁力吸引動(dòng)鐵向上運(yùn)動(dòng)，與閥片碰撞接觸后帶動(dòng)閥片運(yùn)動(dòng)，從而打開電磁閥供油。

2 電磁場(chǎng)有限元建模

將矢量磁勢(shì)位函數(shù)A和標(biāo)量電勢(shì)位函數(shù)Ф的概念引入，基于麥克斯韋方程組對(duì)電磁場(chǎng)作瞬態(tài)有限元分析，得出電磁場(chǎng)的瞬態(tài)獨(dú)立磁場(chǎng)和電場(chǎng)偏微分方程：

σ：電導(dǎo)率μ：導(dǎo)磁率ρ：電阻率ε：介電常數(shù)

因此電磁場(chǎng)有限元計(jì)算的核心是求得磁場(chǎng)各處的矢量磁位A，進(jìn)而得到相應(yīng)的磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度分布。對(duì)于低頻驅(qū)動(dòng)或絞線類導(dǎo)體，可以忽略渦流的產(chǎn)生，矢量磁勢(shì)及標(biāo)量電勢(shì)位函數(shù)二階導(dǎo)數(shù)為零。電磁場(chǎng)解算以計(jì)算電流為起點(diǎn)，如果激勵(lì)是外部電壓或外部電路，由于其電流未知，要假設(shè)一初始電流，解算得出磁場(chǎng)分布，從而得到相應(yīng)的反向電動(dòng)勢(shì)，代入電路方程看是否滿足相應(yīng)的電壓約束條件。電磁場(chǎng)方程與電路方程反復(fù)迭代，直至滿足相應(yīng)的電壓約束，從而解出磁矢量A和勵(lì)磁電流，得到所需的磁場(chǎng)的分布。根據(jù)虛擬功原理方程和運(yùn)動(dòng)物體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程即可獲得相應(yīng)的電磁力及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。根據(jù)快速響應(yīng)電磁閥的結(jié)構(gòu)，通過MAXWELL3D（即電磁三維有限元軟件）建立如圖2的電磁仿真結(jié)構(gòu)模型。

圖2 三維電磁計(jì)算模型

由于其對(duì)稱結(jié)構(gòu)，所以采用其1/4模型計(jì)算。將銜鐵簡(jiǎn)化為等質(zhì)量的有孔圓柱體，將彈簧力施加在運(yùn)動(dòng)的銜鐵上，相對(duì)電磁力很小的摩擦力和粘性阻尼可以忽略。由于在一定的位置出現(xiàn)碰撞，在接近碰撞位置處采用變步長(zhǎng)計(jì)算。采用電鐵材料制作電磁閥的銜鐵、靜鐵以及閥體，使用不銹鋼材料作隔磁套。激勵(lì)采用外電路驅(qū)動(dòng)，可設(shè)置單脈沖驅(qū)動(dòng)或PWM驅(qū)動(dòng)。電磁計(jì)算采用奇對(duì)稱邊界條件，選用瞬態(tài)解算器得出電磁閥的磁場(chǎng)的分布變化及銜鐵的電磁力和位移等運(yùn)動(dòng)的時(shí)域變化曲線。

3 大流量快速響應(yīng)電磁閥響應(yīng)特性仿真研究

3.1 線圈匝數(shù)的影響

在其它結(jié)構(gòu)參數(shù)及驅(qū)動(dòng)電流相同時(shí)，電磁力的靜態(tài)特性使得線圈匝數(shù)增加提高磁勢(shì)，促進(jìn)電能與磁能的轉(zhuǎn)換。從動(dòng)態(tài)特性講匝數(shù)增加會(huì)導(dǎo)致線圈電感及電阻的增大，減緩電流的上升速度，從而影響電磁力上升速度。為了在不減少電磁力的前提下電磁力的響應(yīng)速度得到明顯提升，線圈采用并聯(lián)繞制。匝數(shù)較少時(shí)，電阻和電感都較小，加快電流上升速度，對(duì)提高電磁力響應(yīng)速度有利。

從能量損耗的角度講，要考慮線圈的熱量損耗，減少溫升。匝數(shù)少的線圈，電流快速增大，電磁閥產(chǎn)生的熱量也隨之增大，從而縮短使用壽命。

圖3 不同匝數(shù)對(duì)電磁力、電流響應(yīng)的影響曲線

圖3是三種不同線圈匝數(shù)(線徑1mm)的脈沖2ms動(dòng)態(tài)電磁力和電流的響應(yīng)曲線。從圖中看出隨匝數(shù)線圈減少，其電磁力與電流以及電流上升響應(yīng)速度都顯著提高，但其電磁力的衰退速度相對(duì)略低。

3.2 高壓源壓力的影響

從電磁閥的工作原理來看，高壓源壓力對(duì)于小閥片的開啟響應(yīng)時(shí)間沒有太大影響，而是對(duì)小閥片的開啟后的過程有影響，進(jìn)而影響到電磁力的上升速度，最終對(duì)電磁閥實(shí)現(xiàn)大流量供油響應(yīng)時(shí)間產(chǎn)生影響。

4 結(jié)論

1）通過電磁仿真研究表明：線圈匝數(shù)的合理選擇，可以調(diào)節(jié)和優(yōu)化電磁閥的響應(yīng)特性。在其它參數(shù)相同的條件下，電流的上升速率隨著線圈匝數(shù)的增加而下降，在一定時(shí)間內(nèi)，電流所能達(dá)到的最大值下降，電磁力上升速度下降，在自由升程階段所需時(shí)間增大，由于電磁閥的設(shè)計(jì)原理是基于碰撞，所以碰撞時(shí)，動(dòng)鐵所能達(dá)到的速度越大。

2）高壓源壓力基本不影響小閥片的開啟響應(yīng)，而影響閥片的關(guān)閉響應(yīng)，隨著高壓源壓力的升高，電磁閥關(guān)閉響應(yīng)速度加快。

［1］楊華勇,夏必忠,傅新.液壓自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展歷程及研究現(xiàn)狀[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2001,37(2).

［2］朱濤,汪洋,熊仟,張中.液壓自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)性能模擬的參數(shù)化研究[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2011,30(6).

［3］趙振峰,張付軍,趙長(zhǎng)祿,等.基于MATLAB/Simulink的液壓自由活塞柴油機(jī)動(dòng)態(tài)特性研究[J].車輛與動(dòng)力技術(shù),2008(2)：9-13.