張曉懷

（海軍工程大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院 湖北 武漢 430033）

引言

柴油機(jī)燃燒過(guò)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(jī)的經(jīng)濟(jì)性和排放性[2]。共軌燃油噴射系統(tǒng)能夠通過(guò)對(duì)噴油量、噴油正時(shí)和噴油規(guī)律的控制，優(yōu)化油氣混合過(guò)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(duì)系統(tǒng)功能的實(shí)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(chǔ)上，建立了電磁閥有限元模型，并利用模型進(jìn)行了電磁力計(jì)算，同時(shí)對(duì)電磁閥開(kāi)展了干式狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性試驗(yàn)研究，為實(shí)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(guò)電磁力和彈簧力驅(qū)動(dòng)銜鐵，以達(dá)到閥口開(kāi)啟和關(guān)閉的目的。線圈未通電時(shí)，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(guān)閉狀態(tài)；當(dāng)線圈通電后，隨著電流的增加，電磁力逐漸增大，當(dāng)電磁力增大到能夠克服彈簧力時(shí)，銜鐵即開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，使閥處于開(kāi)啟狀態(tài)。

2 電磁閥有限元分析

2.1 數(shù)學(xué)模型

電路方程[4]：

磁路方程：

運(yùn)動(dòng)方程：

2.2 物理模型

考慮到鐵芯及銜鐵都采用較高磁導(dǎo)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(shè)[5]：

1）導(dǎo)線上的電流密度均勻分布；

2）忽略磁滯效應(yīng)和渦流的影響；

3）鐵芯及銜鐵中的磁導(dǎo)率各向同性。

電磁鐵屬于軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，利用二維模型能夠反映出其實(shí)際情況，因此，采用2D模型對(duì)電磁閥進(jìn)行磁場(chǎng)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(diǎn)PLANE53單元進(jìn)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(jì)算結(jié)果如圖2所示。計(jì)算結(jié)果表明，電磁閥在氣隙為0.15 mm時(shí)的電磁力可達(dá)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(yàn)研究

圖3為電磁閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性試驗(yàn)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(jìn)行電磁閥的電壓、電流、加速度的測(cè)試。在測(cè)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(dòng)作過(guò)程，由于傳感器增加了電磁閥動(dòng)作部件的質(zhì)量，因此在結(jié)果分析中需考慮其對(duì)響應(yīng)速度的影響。

電磁閥測(cè)試結(jié)果如圖4所示。采集的信號(hào)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(duì)實(shí)測(cè)的加速度信號(hào)通過(guò)積分計(jì)算而得到的。圖中的碰撞點(diǎn)即為電磁閥完全開(kāi)啟和關(guān)閉的時(shí)刻，碰撞點(diǎn)后加速度的振蕩是由于彈性變形所造成的。試驗(yàn)結(jié)果表明電磁閥開(kāi)啟響應(yīng)時(shí)間T0為0.352 ms，關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間為1.5 ms，具有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。

圖2 磁力線分布和電磁力計(jì)算結(jié)果

圖3 電磁閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性試驗(yàn)裝置示意框圖

圖4 電磁閥測(cè)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(chǔ)上，建立了電磁閥有限元模型，并利用模型進(jìn)行了電磁力計(jì)算，分析得出電磁閥在氣隙為0.15 mm時(shí)的電磁力可達(dá)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(dòng)態(tài)響應(yīng)特性試驗(yàn)裝置開(kāi)展了電磁閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性試驗(yàn)研究，結(jié)果表明電磁閥開(kāi)啟響應(yīng)時(shí)間為0.352 ms，關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間為1.5 ms，具有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。