車用燃氣噴嘴響應時間分析

摘 要：燃氣噴嘴作為天然氣汽車控制系統中重要的零部件之一，作為電-機轉換器件，它能夠精確的控制噴射流量。文章闡述了燃氣噴嘴的工作原理，提出燃氣噴嘴電磁力及時間響應特性的計算思路。

關鍵詞：時間響應；電磁力；動芯

1 工作原理

圖1 典型燃氣噴嘴結構

燃氣噴嘴本身是一個常閉的開關閥 （見圖1所示），由一個動芯上下運動來控制閥的開閉。當ECU下達噴氣指令時，其電信號會使電流流經燃氣噴嘴內的線圈，產生磁場來把動芯吸起，讓閥門開啟好使燃氣能自噴嘴出氣接頭噴出。當電信號消失時，電磁力也隨之消失。此時，復位彈簧推動動芯，關閉噴嘴。

燃氣噴嘴采用PWM信號控制，當線圈通電后，電流從零逐漸增大，由于線圈中電感的存在，電流的上升不能一下就達到穩(wěn)定值。通常情況下，電流的上升呈指數曲線，如圖1所示。電流的激勵產生磁通，所以，磁通的上升和電流的規(guī)律相同。當電流增長到一定階段時，此時的電流產生的電磁力剛好和作用在動芯上的反作用力平衡時，這時的電流為開啟觸動電流，從電流開始至觸動電流所需時間，稱為觸動時間。在觸動時間內，動芯一直處于靜止狀態(tài)。當動芯開始運動后，導致氣隙減小，磁阻也會發(fā)生變化，這會導致線圈電感發(fā)生變化，產生一個反電勢，使線圈電流減小。當動芯達到終點位置時，磁阻不再變化，線圈電感也不再變化，此時，反電勢消失。隨著電流持續(xù)上升到穩(wěn)定值，磁通也相應的上升到達穩(wěn)定狀態(tài)。當線圈斷電，線圈電流和磁通逐漸下降，由于動芯的渦流的阻尼作用，電磁力逐漸減小。當電磁下降不足以吸住動芯時。動芯開始運動。從電流下降到動芯開始運動這段時間稱為釋放觸動時間。當動芯從最小運動到最大位置時，同樣也會產生一個電動勢，使用線圈電流增大。當動芯運動到最大位置時，氣隙不再變化，由電感產生的電勢消失。線圈中的電流隨著時間的推移，逐漸降低到零。

2 響應時間的計算

在燃氣噴嘴的設計中，電磁閥的響應速度是系統響應快慢的關鍵因素。如何提高燃氣噴嘴的開啟時間是燃氣噴嘴設計的關鍵內容之一。而燃氣噴嘴的開啟時間和電磁力的設計和磁性材料的運用息息相關。

產品初始設計參數：設計要求響應時間小于2.5ms，氣隙？啄=0.4mm，動芯直徑為d=16mm，作用在動芯上的電磁力只考慮表面吸力，而螺管力可以忽略不計。運動部分質量1.15×10-3kg，彈簧初始壓縮長度為1.7mm，可得彈簧的初始彈力F彈=2.3N，額定工作電壓UN=24V，動芯的有效密封面積S=50.24m2，最大開啟壓力為0.6MPa，F氣=30.2N。

噴嘴的響應時間

由公式（6）（7）可取W=119，電阻約為1.2歐，將所有參數代入公式（1）（2）（3），經過驗算噴嘴的開啟響應時間約為2ms，與實際測試數據設計指標制定合理。

3 結束語

本設計開啟壓力高、響應速度快、出氣流量大、安全可靠和密封性好的優(yōu)點，同時，采用軟磁不銹鋼材料、采用進氣過濾網過濾設計、優(yōu)化的閥口設計、直動式優(yōu)化結構，能夠對噴嘴內部的燃氣的流量進行精確控制。此外，采用內置式封閉線圈結構，提高了噴嘴的抗電磁干擾能力。結構簡單、生產成本低及使用壽命長的優(yōu)點，適用于各類型燃氣發(fā)動機和車型，并適合大規(guī)模生產。

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