GDI 噴油器電－磁－熱耦合分析

程 強(qiáng)，張振東，郭 輝，謝乃流

(1.上海理工大學(xué) 汽車工程研究所，上海200093;2.上海工程技術(shù)大學(xué) 汽車工程學(xué)院，上海201620)

汽油直噴(GDI)噴油器是現(xiàn)代缸內(nèi)直噴汽油機(jī)供油系統(tǒng)中的關(guān)鍵執(zhí)行器件，其作用是精確控制燃油噴射量的精度并形成噴霧，其性能直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的混合氣形成質(zhì)量和燃燒過程。GDI 噴油器工作機(jī)理涉及到電、磁、熱、機(jī)、液多個(gè)學(xué)科理論，具有較強(qiáng)的非線性和耦合性［1］，要求其具有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度、較大的噴油量線性動(dòng)態(tài)流量范圍和較高的噴油量控制精度。為了滿足以上要求，目前針對GDI 噴油器的研究主要集中在兩個(gè)方面:一是對驅(qū)動(dòng)電路及控制策略進(jìn)行優(yōu)化，以提高噴油器驅(qū)動(dòng)電路的控制精度，達(dá)到提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的目的［2－4］;二是通過對噴孔結(jié)構(gòu)和噴霧形態(tài)的優(yōu)化，達(dá)到提高燃油霧化品質(zhì)的目的［5］。

由于GDI 噴油器在實(shí)際使用過程中存在電磁損耗，不可避免地會(huì)導(dǎo)致線圈和鐵芯的溫度升高，從而對GDI 噴油器的性能產(chǎn)生負(fù)面影響，目前，此方面的研究未見公開報(bào)道。因此，深入研究GDI 噴油器本體溫升對其工作特性的影響規(guī)律，對于指導(dǎo)GDI 噴油器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文從GDI 噴油器的工作機(jī)理出發(fā)，通過建立其工作過程的電、磁、熱子系統(tǒng)模型，采用有限元仿真和試驗(yàn)測試手段，系統(tǒng)分析了GDI 噴油器溫度場分布特點(diǎn)以及溫升對GDI 噴油器綜合性能的影響規(guī)律。

1 結(jié)構(gòu)模型及工作原理

GDI 噴油器本質(zhì)上是一種強(qiáng)力高速電磁閥，主要由銜鐵、鐵芯、軛鐵、軛鐵環(huán)、線圈、導(dǎo)向管、閥桿、閥座等組成，其結(jié)構(gòu)模型如圖1 所示。當(dāng)電磁線圈接收到由發(fā)動(dòng)機(jī)ECU 發(fā)出的噴油信號后，銜鐵組件(由銜鐵、導(dǎo)向環(huán)、閥桿、鋼球組成)在電磁吸力的作用下克服液壓力、彈簧力、摩擦力及自身重力，向鐵芯方向運(yùn)動(dòng)，鋼球離開閥座，燃油從閥座上的噴孔噴出并形成噴霧;當(dāng)噴油信號結(jié)束后，銜鐵組件在液壓力、彈簧力和自身重力的作用下，向閥座方向運(yùn)動(dòng)，鋼球落座，噴油結(jié)束，至此完成一個(gè)噴油周期。

2 GDI 噴油器電－磁－熱數(shù)學(xué)模型

2.1 GDI 噴油器驅(qū)動(dòng)信號分析

圖1 GDI 噴油器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Sketch of the GDI injector

GDI 噴油器驅(qū)動(dòng)信號如圖2 所示，與其相對應(yīng)的線圈電流如圖3 所示。GDI 噴油器驅(qū)動(dòng)電壓信號分為4 個(gè)階段:①球閥開啟階段。該階段給電磁線圈一個(gè)很高的電壓信號，使線圈瞬時(shí)獲得較大的電流，使鋼球迅速開啟;②保持階段Ⅰ。采用較高的保持電壓，使銜鐵和鐵芯保持穩(wěn)定的吸合狀態(tài);③保持階段Ⅱ。當(dāng)銜鐵和鐵芯的吸合達(dá)到穩(wěn)定后，在保持階段Ⅰ的基礎(chǔ)上將保持電壓進(jìn)一步降低，為球閥落座做準(zhǔn)備;④噴油結(jié)束階段。此時(shí)電壓值降為0，球閥下行至關(guān)閉，噴油結(jié)束。根據(jù)基爾霍夫電壓平衡方程［3］，可得到電流與時(shí)間的關(guān)系為:

圖2 GDI 噴油器驅(qū)動(dòng)電壓信號示意圖Fig.2 Voltage signal schematic of the GDI injector

式中:U0為驅(qū)動(dòng)電壓;R 為線圈電阻;L 為線圈電感;i(t)為線圈電流隨時(shí)間變化的函數(shù)。

2.2 電路子系統(tǒng)

GDI 噴油器電路模型可簡化為如圖4 所示的等效電路。

2.3 磁路子系統(tǒng)

圖3 GDI 噴油器線圈電流示意圖Fig.3 Diagram of GDI injector coil current

圖4 GDI 噴油器等效電路Fig.4 Equivalent circuit of the GDI injector

GDI 噴油器的磁路結(jié)構(gòu)主要由如圖5 所示的零部件組成。

圖5 GDI 噴油器磁路零件組成圖Fig.5 Magnetic circuit components of the GDI injector

采用安培環(huán)路定律及虛功原理對GDI 噴油器電磁感應(yīng)強(qiáng)度和電磁力進(jìn)行計(jì)算:

式中:H 為磁場強(qiáng)度;l 為閉環(huán)磁路長度;N 為線圈匝數(shù);i 為單匝線圈電流;Fmag為電磁吸力;Wco－energy為電磁力做功;x 為銜鐵運(yùn)動(dòng)行程;C1、C2為與磁阻有關(guān)的常數(shù)。

2.4 GDI 噴油器電磁損耗分析

GDI 噴油器電磁損耗主要由電磁線圈電流熱損耗、鐵芯渦流損耗和磁滯損耗組成。

驅(qū)動(dòng)電流在電磁線圈上的熱損耗為:

式中:Pi為驅(qū)動(dòng)電流在電磁線圈上的熱損耗。

渦流損耗是當(dāng)電流變化時(shí)鐵芯中垂直于磁力線方向的截面上產(chǎn)生閉合的環(huán)形感應(yīng)電流而產(chǎn)生的。渦流損耗的大小與磁場的變化方式、導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)、導(dǎo)體的幾何形狀、導(dǎo)體的磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率等因素有關(guān)，渦流損耗可表示為［6］:

式中:Ceddy為渦流損耗系數(shù);f 為磁場變化頻率;Bm為磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值;d 為鐵芯材料厚度;ρ 為噴油器材料的電阻率。

磁滯損耗是當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流變化時(shí)鐵芯材料磁滯效應(yīng)而產(chǎn)生的，鐵芯的磁滯損耗Ph可近似表示為［7－8］:

式中:Ch為磁滯損耗系數(shù);V 為鐵芯體積;n 為與軟磁材料特性相關(guān)的參數(shù)，通常當(dāng)Bm=1 ～1.6 T時(shí)，n=1.6 ～2.3，本文取n=2。

如果忽略摩擦、碰撞等產(chǎn)生的熱量，則GDI噴油器的溫升可用式(7)表示:

式中:KT為線圈表面散熱系數(shù);Sout為線圈外表面面積;Sin為線圈內(nèi)表面面積;αs為線圈內(nèi)外表面散熱條件差異系數(shù)。

2.5 熱力學(xué)子模型

在熱分析中，使用下列熱傳導(dǎo)方程［9］:

式中:ε 為導(dǎo)熱率;T 為溫度;Q 為內(nèi)部發(fā)熱率;c 為比熱;t 為時(shí)間。

在x-y-z 坐標(biāo)系中，式(8)可以改寫為:

熱傳導(dǎo)的邊界條件表示為［10］:

包含熱輻射的熱傳導(dǎo)有限元方程為:

式(10)(11)中:q 為熱流量;n 為邊界上流出的法向矢量;K 為熱傳導(dǎo)矩陣;C 為熱容矩陣;F 為熱通量向量。

3 GDI 噴油器溫度場仿真分析

3.1 電-磁-熱耦合方法

本文對電、磁、熱的耦合考慮了熱輻射、熱傳導(dǎo)和材料的熱屬性，具體耦合過程如下。

(1)建立GDI 噴油器驅(qū)動(dòng)電路模型，以線圈電流為耦合點(diǎn)，將電路與磁路進(jìn)行耦合計(jì)算，采用基于A-φ(或稱A-V)法［11－13］對GDI 噴油器的磁場和渦流場進(jìn)行三維有限元分析，基本方程如下:

式中:A 為磁矢位量位;φ(或V)為電標(biāo)量位;σ 為電導(dǎo)率;ν 為磁阻率;J0為線圈電流密度。

(2)以電磁場中的功率損耗作為熱源，按照式(11)對熱輻射和熱傳導(dǎo)過程進(jìn)行有限元分析。

(3)根據(jù)計(jì)算獲得的溫度分布更新單元的材料常數(shù)，然后計(jì)算電磁場。重復(fù)步驟(1)(2)，即可計(jì)算得到溫度分布隨時(shí)間變化的情況。

在圖6 所示的磁路結(jié)構(gòu)橫截面中，給出了部分磁路原件的材料型號，表1 為初始溫度(25 ℃)時(shí)的材料常數(shù)［14－17］。

圖6 GDI 噴油器橫截面圖Fig.6 Cross-sectional view of the GDI injector

表1 25 ℃時(shí)材料常數(shù)Table 1 Material constants at 25 ℃

3.2 GDI 噴油器電-磁-熱耦合仿真分析

在電－磁－熱基本物理模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合材料的熱屬性建立了耦合模型。采用ANSYS 有限元分析軟件，建立了以驅(qū)動(dòng)電路模型為輸入，飽和溫度為輸出的仿真模型，仿真分析流程如下:

(1)將GDI 噴油器驅(qū)動(dòng)信號賦予3D 有限元模型中的線圈，通過電路結(jié)構(gòu)分析其電流隨時(shí)間變化的關(guān)系，以電流為耦合點(diǎn)進(jìn)行電－磁單向耦合分析。

(2)以電磁耦合過程中的損耗作為熱源，進(jìn)行電－磁－熱單向耦合分析。設(shè)時(shí)間步長為Δt，計(jì)算tk+Δt 時(shí)刻的溫度Tk+1，并將Tk+1與tk時(shí)刻的溫度Tk比較分析，令Tk+1－Tk=ΔTk，并設(shè)定穩(wěn)定溫差ΔT，當(dāng)ΔTk＜ΔT 時(shí)，則認(rèn)為溫度達(dá)到飽和，結(jié)束計(jì)算;當(dāng)ΔTk＞ΔT 時(shí)，則說明溫度變化較大，溫度沒有達(dá)到平衡，此時(shí)將根據(jù)溫度的變化對材料的熱屬性進(jìn)行參數(shù)修正，繼續(xù)計(jì)算，直到溫度達(dá)到飽和為止。

本文建立的GDI 噴油器3D 仿真計(jì)算模型如圖7 所示，有限元網(wǎng)格模型如圖8 所示。由于存在集膚效應(yīng)的磁導(dǎo)體表面的感應(yīng)渦流變化劇烈，為了保證計(jì)算精度，對集膚深度以內(nèi)的網(wǎng)格進(jìn)行了細(xì)分，集膚深度計(jì)算公式為［18］:

式中:ρ0為導(dǎo)磁材料初始電阻率;ω 為角頻率ω=2πf;μ0為真空磁導(dǎo)率;μr為導(dǎo)磁材料相對磁導(dǎo)率。

圖8 3D 網(wǎng)格模型Fig.8 3D grid model

當(dāng)線圈通電時(shí)間t=0.15 ms 時(shí)，GDI 噴油器磁感應(yīng)強(qiáng)度分布云圖如圖9 所示。由圖9 可知，磁感應(yīng)強(qiáng)度主要分布在線圈周圍的磁路區(qū)域內(nèi)，鐵芯靠近氣隙處以及導(dǎo)向環(huán)等部位已達(dá)到磁飽和狀態(tài)，由式(7)(8)可知，這些部位的渦流損耗和磁滯損耗最大。

圖9 t=0.15 ms 時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度分布云圖Fig.9 Distribution of magnetic flux intensity at t=0.15 ms

設(shè)置如下仿真參數(shù):保持電流Ⅰ為6 A;保持電流Ⅱ?yàn)?.5 A;噴油周期為10 ms;峰值脈寬為0.15 ms;保持脈寬Ⅰ為8 ms;保持脈寬Ⅱ?yàn)?.85 ms;噴油器工作時(shí)間為3600 s，以此得到的溫度場分布云圖如圖10 所示。由圖10 可知:此時(shí)線圈熱損耗最大，溫度達(dá)到150 ℃左右，其次為鐵芯，溫度達(dá)130 ℃左右，其他溫度則在100 ℃附近。該結(jié)果表明，GDI 噴油器高溫區(qū)主要集中在線圈和鐵芯部分，因此，為了降低GDI 噴油器本體溫升，在設(shè)計(jì)過程中需重點(diǎn)關(guān)注鐵芯和線圈結(jié)構(gòu)及其線圈驅(qū)動(dòng)方式。

圖10 T=3600 s 時(shí)溫度分布云圖Fig.10 Temperature distribution at T=3600 s

4 溫度場試驗(yàn)驗(yàn)證及對比分析

4.1 GDI 噴油器綜合性能測試系統(tǒng)

GDI 噴油器綜合性能測試系統(tǒng)如圖11 所示。主要由恒溫油箱、高－低壓燃油泵、驅(qū)動(dòng)儀、電子天平、溫度傳感器及溫度信號儀等組成。測試原理為:①采用溫度控制箱對燃油溫度進(jìn)行精確控制，以便減小油溫變化對測試結(jié)果的影響;②GDI 噴油器驅(qū)動(dòng)儀通過如圖2 所示的電壓信號控制GDI噴油器，并采用響應(yīng)特性測試儀對電流信號進(jìn)行測試;③線圈溫度采用熱電偶測量，通過在軛鐵表面開孔，將熱電偶與線圈表面接觸，并通過溫度信號儀進(jìn)行記錄;④GDI 噴油器噴油量由精密電子天平進(jìn)行測量。

4.2 溫升影響因素分析

由于GDI 噴油器驅(qū)動(dòng)電路中開啟電壓一般為恒定值，且作用時(shí)間短，而保持電流Ⅱ較小，對溫升影響有限，因此本文針對保持電流Ⅰ進(jìn)行研究。對不同保持電流Ⅰ的大小和脈寬進(jìn)行研究時(shí)，其他參數(shù)設(shè)置參考第3.2 節(jié)。

圖12 為不同保持電流Ⅰ對線圈溫度的影響，其試驗(yàn)和仿真參數(shù)設(shè)置如下:環(huán)境溫度為25 ℃;噴油周期為20 ms;保持脈寬Ⅰ為16 ms;燃油壓力為10 MPa。由圖12 可知，隨著保持電流Ⅰ的增大，線圈溫度也隨之升高，且升高速度越來越慢，直到溫度飽和為止。試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果相比，試驗(yàn)結(jié)果值普遍偏小，主要是由于仿真過程中忽略了對流對溫度的影響。

圖13 為不同保持脈寬Ⅰ對線圈溫度變化的影響，其仿真及試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如下:環(huán)境溫度為25 ℃;噴油周期為20 ms;保持電流Ⅰ為10 A;燃油壓力為10 MPa。由圖13 可知，保持脈寬Ⅰ和保持電流Ⅰ對溫度的影響規(guī)律相同。

圖11 GDI 噴油器綜合性能測試系統(tǒng)Fig.11 Performance testing system of the GDI injector

圖12 不同保持電流Ⅰ對線圈溫度的影響Fig.12 Relationship between the different holding currentⅠand coil temperature

圖13 不同保持脈寬Ⅰ對線圈溫度的影響Fig.13 Relationship between the different holding pulse widthⅠand coil temperature

4.3 溫升對GDI 噴油器線圈電阻的影響

線圈電阻隨溫度升高而增大，滿足如下［19－20］所示關(guān)系:

式中:RT為溫度為T 時(shí)的電阻;R20為溫度為20 ℃時(shí)的電阻;α 為電阻溫度系數(shù)，對于銅導(dǎo)線α=0.00393/℃。

將GDI 噴油器線圈測試溫度與理論計(jì)算溫度進(jìn)行對比分析，結(jié)果如圖14 所示。由圖可知，理論計(jì)算與測試結(jié)果基本吻合。

圖14 線圈電阻與溫度關(guān)系Fig.14 Relationship between coil resistance and temperature

4.4 溫升對軟磁合金性能的影響

溫升對軟磁合金的磁學(xué)性能的影響表現(xiàn)為:隨著溫度升高，磁導(dǎo)率減小，飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度降低。圖15 為GDI 噴油器所用軟磁合金Steel1010 B－H 曲線與溫度的關(guān)系曲線。

圖15 溫升對軟磁合金性能的影響Fig.15 Temperature rise effect on the properties of soft magnetic alloys

4.5 溫升對GDI 噴油器性能的影響

GDI 噴油器動(dòng)態(tài)響應(yīng)主要由開啟延遲時(shí)間和關(guān)閉延遲時(shí)間決定，由于關(guān)閉延遲時(shí)間非常短，溫升對其影響較小，故本文針對開啟延遲時(shí)間進(jìn)行分析。圖16 為溫升對GDI 噴油器開啟時(shí)間的影響，由圖可知，隨著線圈溫度的升高，GDI 噴油器開啟延遲時(shí)間逐漸變長。由于仿真計(jì)算過程中忽略了各種摩擦及液體狀態(tài)對銜鐵組件運(yùn)動(dòng)的影響，所以實(shí)測結(jié)果比仿真結(jié)果偏大。

圖16 溫升對GDI 噴油器開啟延遲時(shí)間的影響Fig.16 Temperature rise effect on the opening delay time of the GDI injector

圖17 為溫升對GDI 噴油器噴油量的影響曲線，其測試參數(shù)如下:環(huán)境溫度為25 ℃;噴油周期為20 ms;保持電流為6 A;保持脈寬Ⅰ為8、10 ms;燃油壓力為10 MPa。由圖17 可知:隨著線圈溫度的升高，燃油噴射量減少，且保持脈寬Ⅰ越大噴油量減少越多。這是因?yàn)橐环矫骐S著溫度升高，GDI 噴油器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度變慢，有效噴油時(shí)間縮短;另一方面隨著線圈溫度的升高，GDI 噴油器型腔內(nèi)的燃油溫度上升，密度和黏度下降。

圖17 溫升對GDI 噴油器噴油量的影響Fig.17 Temperature rise effect on the fuel quantity of the GDI injector

5 結(jié) 論

(1)針對GDI 噴油器結(jié)構(gòu)特征和3D 結(jié)構(gòu)模型，分別建立了電、磁、熱的基本物理模型，并以電流為耦合點(diǎn)獲得了電－磁－熱之間的耦合關(guān)系。

(2)分析了GDI 噴油器工作過程中的能量損耗形式，并采用三維有限元分析法對GDI 噴油器進(jìn)行電－磁－熱耦合分析，得出了電磁場分布和溫度場分布規(guī)律。

(3)采用仿真和試驗(yàn)手段研究了不同保持電流Ⅰ和保持脈寬Ⅰ對GDI 噴油器溫度分布特性的影響規(guī)律。結(jié)果表明:保持電流Ⅰ和保持脈寬Ⅰ對GDI 噴油器溫升影響較大，而溫升又將改變噴油器線圈的電阻特性和軟磁合金的磁學(xué)特性，從而最終影響噴油器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和流量特性。

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