高壓共軌系統高壓泵進油計量閥仿真研究

姜偉， 楊顯鋒， 徐春龍， 趙中余， 靳范萍

(中國北方發動機研究所(天津)， 天津 300400)

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高壓共軌系統高壓泵進油計量閥仿真研究

姜偉， 楊顯鋒， 徐春龍， 趙中余， 靳范萍

(中國北方發動機研究所(天津)， 天津 300400)

根據高壓共軌高壓泵進油計量閥的結構，建立計量閥的比例電磁鐵及液力閥的仿真計算模型，利用仿真分析方法，研究比例電磁鐵的工作特性，比例電磁鐵結構、材料等因素對比例電磁鐵性能的影響以及不同形狀節流孔液力閥的流通特性。結果表明：在理想工作氣隙內，電磁吸力與激勵電流成正比；在允許的設計范圍內，比例電磁鐵定鐵端部的錐角越尖銳越有利于提升其電磁吸力的水平特性；比例電磁鐵理想工作氣隙的長度隨定鐵錐面的長度增大而增大，而電磁吸力隨定鐵錐面的長度增大而減??；在一定的銜鐵長度內，比例電磁鐵的電磁吸力隨銜鐵長度的增大而增大；三角形節流孔的計量閥比圓形和矩形的計量閥流量控制性好。研究的結果可以為高壓共軌高壓泵進油計量閥設計提供依據。

高壓共軌； 高壓泵； 進油計量閥； 仿真

對于高功率密度車用柴油機，采用更高的噴油率是系統動力性能要求的關鍵，高壓共軌燃油系統以其高的噴射壓力和靈活的噴射方式成為高功率密度柴油機理想的燃油系統選擇[1-2]。

高壓共軌泵進油計量閥是高壓共軌系統的重要部件之一，其作用是根據共軌壓力的需求對進入高壓共軌變量泵柱塞腔內的燃油量進行計量，控制高壓泵的進油量，使輸送到油軌的燃油量與系統的需求量一致，滿足軌壓穩定的要求[3-4]。

計量閥的設計是高壓共軌系統設計工作中的重要一環，進油計量閥應具備以下性能：1) 滿足高壓泵最大流量的需求；2) 具有良好的控制性能，流量隨激勵電流線性可調；3) 滿足工作溫度[5-6]，保證運行的可靠性；縮小尺寸，節約材料，以提高其經濟性指標。

本研究通過仿真方法分析影響計量閥性能的重要因素，為高壓共軌系統高壓泵計量閥的設計及研究提供參考及依據。

1 進油計量閥工作原理

按不通電條件下的狀態計量閥可分為常開式和常閉式兩種，本研究針對常開式進油計量閥進行仿真分析。當計量閥不通電時,在閥內的回位彈簧作用下,節流口的開度最大,此時供油量最大。計量閥主要由比例電磁鐵和液壓閥兩個部分組成，詳細結構見圖1。圖2示出進油計量閥的工作原理。

計量閥的比例電磁鐵由脈寬調制波(PWM)驅動，調節占空比，使電磁鐵的平均驅動電流產生變化。占空比越大，產生的驅動電流越大，電磁鐵產生的電磁力也越大，電磁鐵克服閥芯彈簧力運動，推動閥芯使節流口的流通截面減小，從計量閥到高壓泵的油量減少，從而使高壓泵供入油軌內的燃油減少；當電磁鐵的驅動力使閥芯將節流孔完全關閉時,高壓油泵就停止向油軌供油。

2 比例電磁鐵仿真分析

計量閥電磁鐵為軸對稱結構，在Ansoft仿真軟件中建立軸對稱坐標內的幾何圖形，并設定求解類型為軸對稱的二維靜磁場[7]。模型見圖3。比例電磁鐵主要參數見表1。

表1 比例電磁鐵主要參數

根據表1參數對電磁場各參數和電磁吸力求解。磁力線和磁感應強度的分布計算結果見圖4和圖5，在此條件下，銜鐵受到的軸向力為7 N，計算結果與在電磁力檢測平臺的測試結果偏差在±1 N，模型計算所得結果基本可信。圖6示出不同氣隙長度下電磁吸力隨激勵電流的變化規律，由圖可見，在不同的氣隙長度下，電磁吸力均隨激勵電流的增加而增大，呈線性變化。

3 比例電磁鐵電磁吸力影響因素分析

在仿真模型的基礎上，分析比例電磁鐵關鍵零件材料、工作氣隙以及結構參數等對電磁力的影響，為計量閥的設計提供參考及依據。

3.1 材料對電磁吸力的影響

圖7至圖9給出了銜鐵、定鐵和外殼采用的電工純鐵(DT4A)、10號鋼和冷軋鋼材料的B-H曲線。表2至表4列出了銜鐵、定鐵和外殼的材料分別為電工純鐵(DT4A)、10號鋼和冷軋鋼時銜鐵所受電磁力的仿真值。從表2至表4可見，在其他條件相同的情況下，銜鐵為電工純鐵、定鐵為10號鋼、外殼為電工純鐵時的電磁吸力最大。

表2 外殼采用DT4A時的電磁吸力 N

表3 外殼采用10號鋼時的電磁吸力 N

表4 外殼采用冷軋鋼時的電磁吸力 N

綜合所有的計算結果可見：銜鐵和定鐵其中一種的材料為冷軋鋼時，電磁吸力均小于兩零件均不為冷軋鋼時；而銜鐵和定鐵材料相同時小于材料不同時的電磁吸力；銜鐵為電工純鐵且銜鐵和定鐵材料不同時，電磁吸力均大于銜鐵不為電工純鐵時。

通過上述比較，比例電磁鐵關鍵部件材料的選擇可按如下方案:1) 銜鐵采用電工純鐵(軟磁材料)為優；2) 銜鐵和定鐵盡量不要采用冷軋鋼類的材料;3) 外殼宜選用電工純鐵(軟磁材料)。

3.2 銜鐵工作氣隙對電磁吸力的影響

圖10示出電磁鐵在1.5 A激勵電流作用下電磁吸力隨銜鐵氣隙的變化規律。從圖中可見，當銜鐵和定鐵軸向間隙很小時(<0.5 mm)，電磁吸力隨著氣隙長度的減小急劇增大(與開關式電磁鐵的力-位移特性相同)。當氣隙長度在0.5～4.8 mm的范圍內，電磁力在6.5～10 N范圍內平穩變化，此段的力-位移特性曲線趨于水平，在此范圍內電磁吸力隨氣隙長度的變化很小，電磁吸力的大小可認為僅隨激勵電流變化，此氣隙長度是電磁鐵的理想工作氣隙。在理想工作氣隙外，隨著氣隙長度的增加，電磁吸力快速下降，已不適用于計量閥。

通過多種方案計算可知，為達到比例電磁鐵的比例特性，最小工作氣隙設計值應大于0.5 mm，而且電磁鐵理想工作氣隙不能無限延伸，需控制在特定范圍內。

3.3 激勵電流對電磁吸力的影響

圖11示出不同激勵電流下的電磁吸力隨氣隙長度的變化。從圖中可見，不同激勵電流下，各條曲線沒有相交，銜鐵受到的電磁吸力隨著激勵電流的增大而增大。另外，各條曲線所示的力-位移特性的變化趨勢相同，均呈現出水平特性。

3.4 銜鐵長度對電磁吸力的影響

圖12示出激勵電流1.5 A、氣隙1 mm時，銜鐵受到的電磁吸力隨銜鐵長度的變化。從圖中可見，總體上電磁吸力隨銜鐵長度增加而增大，而電磁吸力的增長幅度變緩。

產生這種現象的原因，主要是銜鐵長度的變化引起了整體磁路閉合路徑的變化，由圖13所示的銜鐵長度為24 mm和圖14所示的銜鐵長度為29 mm磁力線分布仿真結果可以說明。長的銜鐵留在電磁鐵尾部的面積更大，更多的磁力線能從這相對小的間隙中進入外殼，形成閉合回路，從而使漏磁(穿過銜鐵的磁力線)更少，電磁吸力因而增大。

作為比例電磁鐵內唯一可運動部件，銜鐵對電磁吸力的影響很大，由以上分析可知銜鐵越長電磁吸力越大，但在有限的運動空間內過度增加銜鐵的長度不僅影響電磁鐵的理想工作氣隙的長度，還會增加銜鐵質量而延長電磁閥的響應時間，設計時要綜合權衡。

3.5 定鐵結構對電磁吸力的影響

3.5.1 錐面角

為研究定鐵端部的錐形角(見圖15)對銜鐵所受電磁吸力的影響，將定鐵端部的形狀從尖形(L=0mm)變化為完全平齊(L=1.75mm)，形成了L分別為0mm，0.25mm，0.5mm，0.75mm，1mm，1.25mm，1.5mm，1.75mm的不同錐角。

圖16示出激勵電流1.5A、長度L為4mm時，不同錐角下電磁吸力隨氣隙長度的變化。從圖中可見，定鐵端部的L越大(即平齊的長度越長)，電磁吸力-位移曲線的變化越大，水平特性越差，因此，錐形的定鐵端部有利于提升比例電磁鐵吸力的水平特性，有利于增加電磁鐵的理想工作氣隙，故在結構允許范圍內，定鐵的端部要盡量尖銳。

3.5.2 錐面長度

為研究定鐵端部的錐面長度(見圖17)對銜鐵所受電磁吸力的影響，定鐵端部的錐面長度l分別取2.5mm，3.5mm，4.5mm，5mm和5.5mm進行仿真分析。

圖18示出激勵電流1.5A，L為0mm時，不同錐面長度下電磁吸力隨氣隙長度的變化。從圖中可見，不同錐面長度下的力-位移特性曲線形狀基本相同，但隨錐面長度l的減小電磁鐵的理想工作氣隙的長度也隨之減??；在理想工作氣隙內，電磁吸力隨錐面長度l的減小而增大。

圖19示出激勵電流1.5A、氣隙長度為0.9mm時，不同錐面長度下電磁吸力的變化。從圖中可見，隨著錐面長度l的增加電磁吸力減小。錐面長度l較短有利于增大電磁吸力，但較短的錐面長度l會導致電磁鐵理想工作氣隙縮短，因此錐面長度的設計要綜合考慮比例電磁鐵的設計要求。

4 液力閥仿真分析

進油計量閥的液力閥與比例電磁鐵的連動是通過閥芯彈簧實現，流量控制是通過液力閥節流孔的流通面積控制。

4.1 液力閥閥芯彈簧分析

電磁鐵工作時，產生最大電磁吸力F(電流為1.8A時，計算值為10N)，根據比例電磁鐵結構，設定銜鐵的最大位移為3.8mm，彈簧預壓縮量為0.5mm，所以銜鐵位移最大時彈簧壓縮量δ為4.3mm，由胡克定律可知彈簧剛度K：

(1)

由彈簧彈性系數經驗公式(2)可以計算出彈簧主要結構參數。

(2)

式中：d為彈簧鋼絲線徑；n為彈簧有效圈數；D2為彈簧中徑。

圖20示出在比例電磁鐵理想工作氣隙下比例電磁鐵電磁力-位移曲線與彈簧曲線，彈簧力曲線與比例電磁鐵特性曲線有許多交點，在這些交點上彈簧力與電磁力相等，在電磁吸力和彈簧回復力的作用下，閥芯能停留在某一位置，閥芯節流孔也能保持一定的開度，從而實現計量閥對流入高壓泵燃油的計量。

4.2 節流孔形狀對流量特性的影響

圖21示出使用AMESim軟件建立的計量閥一維仿真計算模型[8]，模型建立過程中作了以下處理：1) 不考慮噴油過程中的熱量傳遞，燃油溫度保持不

變，為40 ℃；2) 本系統結構件的容積視為剛性容積，各容積腔壓力均勻分布；3) 不考慮泄漏；4) 將上文計算出的比例電磁鐵吸力隨電流和位移的變化規律導入比例電磁鐵模型中，作為不同電流下的電磁鐵輸出力的依據。

在通常使用的計量閥中，節流孔的形狀主要有圓形、三角形、矩形等，表5列出3種節流孔形狀與主要參數。

表5 3種節流孔形狀與主要參數

圖22示出其他條件相同、3種節流孔面積相同時計量閥輸出流量隨電磁鐵激勵電流的變化規律。由于3種節流孔形狀不同，流通面積的大小隨開度的變化規律也不同，以致計量閥輸出規律不同。從圖中可見，閥芯節流孔為三角形時，電磁閥輸出流量隨激勵電流在工作范圍內幾乎呈線性規律變化，特別是在低電流段(I≤1A),輸出流量隨激勵電流的變化較圓形、矩形節流孔變化敏感，控制效率高。圓形節流孔在激勵電流1～1.5A時輸出流量隨激勵電流呈現出了線性變化規律，但在低電流段和高電流段(I≥1.5A)，輸出流量隨激勵電流的變化過于緩慢。矩形節流孔輸出流量的變化率隨激勵電流的增大而增大，控制性較差。綜上所述，電磁閥閥芯節流孔形狀宜采用三角形結構。

5 結論

a) 比例電磁鐵的力-位移特性曲線呈現出明顯的水平特性，在理想工作氣隙內，電磁鐵的輸出力與激勵電流成正比；

b) 比例電磁鐵定鐵端部的錐角越尖銳越有利于提升其工作氣隙內的水平特性，在允許的設計范圍內，定鐵端部盡量尖銳；

c) 比例電磁鐵理想工作氣隙的長度隨定鐵錐面的長度增大而增大，而電磁吸力隨其增大而減小，錐面長度的設計要權衡考慮比例電磁鐵的設計要求；

d) 在一定的銜鐵長度內，比例電磁鐵的電磁吸力隨銜鐵長度的增大而增大；銜鐵長度增加，勢必增大銜鐵質量，影響電磁閥的響應，銜鐵長度的設計需兩者兼顧；

e) 閥芯節流孔宜采用三角形結構，計量閥流量隨激勵電流的變化規律較圓形和矩形線性程度高，控制性好。

[1] 張玉申.高功率密度柴油機及其關鍵技術[J].車用發動機，2004(3):5-7,11.

[2] 顧宏中.大功率柴油機的技術發展[J].柴油機，2005，27(1)：1-4.

[3] 王尚勇.現代柴油機電控噴油技術[M].北京：機械工業出版社，2013.

[4] 徐家龍．柴油機電控噴油技術[M].2版.北京：人民交通出版社，2011．

[5] 韓成春.電液控制單元控制線圈的溫度預測建模與仿真[J].測控技術，2012，31(7)：136-139.

[6] 周蘭.閥用螺管式電磁鐵的雙線圈優化設計[J].磁性材料及器件,2012(2)：68-71.

[7] 費燁.基于Ansoft的比例電磁鐵建模與仿真[J].機械工程師，2014(9)：74-76.

[8] 宋國民.直列式共軌高壓供油泵PCV響應特性分析[J].現代車用動力，2012，147(3)：1-4.

[編輯: 李建新]

Study on Inlet Metering Valve of High Pressure Common Rail Pump Based on Simulation

JIANG Wei， YANG Xianfeng， XU Chunlong， ZHAO Zhongyu， JIN Fanping

(China North Engine Research Institute (Tianjin)， Tianjin 300400， China)

According to the inlet metering valve structure of high pressure common rail pump, the proportional solenoid and hydraulic valve model of inlet metering valve was established. With the model, the working characteristic of proportional solenoid, the influence of solenoid structure and material on proportional solenoid performance and the flux characteristic of hydraulic valve with throttle holes of different shapes were researched. The results show that the electromagnet force is proportional to the excitation current in the ideal working air gap range. The smaller taper angle of proportional solenoid magnetic core end is more helpful to improve the horizontal characteristic of electromagnet force in allowed design scope. With the increase of magnetic core taper length, the area of ideal working air gap increases and the electromagnet force decreases. In a certain length of armature, the electromagnet force increases with the increase of armature length. The inlet metering valve with triangular throttle hole is better than that with circular or rectangular throttle hole in flux control. The results provide the reference for the design of inlet metering valve in the high pressure common rail pump.

high pressure common rail; high pressure pump； inlet metering valve； simulation

2015-05-17;

2015-10-19

姜偉(1979—)，男，副研究員，碩士，研究方向為柴油機供油系統研究；jw_0622@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.05.003

TK421.44

B

1001-2222(2015)05-0013-07