共軌燃油噴射系統(tǒng)電磁閥性能研究*

張曉懷

（海軍工程大學動力工程學院 湖北 武漢 430033）

引言

柴油機燃燒過程受燃油噴射特性所控制，特別是噴油壓力和噴射規(guī)律[1]，直接影響著柴油機的經(jīng)濟性和排放性[2]。共軌燃油噴射系統(tǒng)能夠通過對噴油量、噴油正時和噴油規(guī)律的控制，優(yōu)化油氣混合過程[3]。作為共軌燃油噴射系統(tǒng)的核心控制元件，電磁閥的性能對系統(tǒng)功能的實現(xiàn)有著重要影響。因此，本文在介紹電磁閥組成和工作原理的基礎上，建立了電磁閥有限元模型，并利用模型進行了電磁力計算，同時對電磁閥開展了干式狀態(tài)下的動態(tài)響應特性試驗研究，為實現(xiàn)共軌燃油噴射系統(tǒng)快速有效的控制提供了理論依據(jù)。

1 電磁閥組成和工作原理

共軌燃油噴射系統(tǒng)電磁閥主要由鐵芯、銜鐵、線圈以及彈簧等組成。其基本工作原理為：通過電磁力和彈簧力驅(qū)動銜鐵，以達到閥口開啟和關閉的目的。線圈未通電時，在彈簧力的作用下，銜鐵與鐵芯不接觸，球閥與閥座緊密結(jié)合，使閥處于關閉狀態(tài)；當線圈通電后，隨著電流的增加，電磁力逐漸增大，當電磁力增大到能夠克服彈簧力時，銜鐵即開始運動，使閥處于開啟狀態(tài)。

2 電磁閥有限元分析

2.1 數(shù)學模型

電路方程[4]：

磁路方程：

運動方程：

2.2 物理模型

考慮到鐵芯及銜鐵都采用較高磁導率的材料制成，并且鐵芯和銜鐵間的間隙極小，因此作如下假設[5]：

1）導線上的電流密度均勻分布；

2）忽略磁滯效應和渦流的影響；

3）鐵芯及銜鐵中的磁導率各向同性。

電磁鐵屬于軸對稱結(jié)構，利用二維模型能夠反映出其實際情況，因此，采用2D模型對電磁閥進行磁場分析，圖1a是電磁閥的二維分析模型，圖1b是電磁閥網(wǎng)格劃分結(jié)果，網(wǎng)格采用四邊形8節(jié)點PLANE53單元進行劃分。

圖1 電磁閥二維分析模型及網(wǎng)格劃分示意

2.3 仿真結(jié)果

磁力線分布和電磁力的計算結(jié)果如圖2所示。計算結(jié)果表明，電磁閥在氣隙為0.15 mm時的電磁力可達170N，能夠滿足共軌燃油噴射系統(tǒng)的使用需求。

3 電磁閥試驗研究

圖3為電磁閥動態(tài)響應特性試驗裝置示意框圖，利用該裝置可在一定的電源電壓范圍內(nèi)進行電磁閥的電壓、電流、加速度的測試。在測試中將加速度傳感器直接安裝在控制電磁閥的吸力板上，能直接反映電磁閥的動作過程，由于傳感器增加了電磁閥動作部件的質(zhì)量，因此在結(jié)果分析中需考慮其對響應速度的影響。

電磁閥測試結(jié)果如圖4所示。采集的信號包括電磁閥的加速度，線圈的電流及控制脈沖，其中速度變化曲線是對實測的加速度信號通過積分計算而得到的。圖中的碰撞點即為電磁閥完全開啟和關閉的時刻，碰撞點后加速度的振蕩是由于彈性變形所造成的。試驗結(jié)果表明電磁閥開啟響應時間T0為0.352 ms，關閉響應時間為1.5 ms，具有較好的動態(tài)響應特性。

圖2 磁力線分布和電磁力計算結(jié)果

圖3 電磁閥動態(tài)響應特性試驗裝置示意框圖

圖4 電磁閥測試結(jié)果

4 結(jié)論

1）在介紹電磁閥組成和工作原理的基礎上，建立了電磁閥有限元模型，并利用模型進行了電磁力計算，分析得出電磁閥在氣隙為0.15 mm時的電磁力可達170N，能夠滿足共軌燃油噴射系統(tǒng)的使用需求。

2）利用電磁閥動態(tài)響應特性試驗裝置開展了電磁閥動態(tài)響應特性試驗研究，結(jié)果表明電磁閥開啟響應時間為0.352 ms，關閉響應時間為1.5 ms，具有較好的動態(tài)響應特性。