基于試驗數據的高速電磁閥建模及動態響應特性分析

李汝寧， 高怡， 呂帆， 李華樂， 徐春龍， 趙中余

(中國北方發動機研究所(天津)， 天津 300400)

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基于試驗數據的高速電磁閥建模及動態響應特性分析

李汝寧， 高怡， 呂帆， 李華樂， 徐春龍， 趙中余

(中國北方發動機研究所(天津)， 天津 300400)

高速電磁閥的響應特性對高壓共軌噴油器的噴油特性具有決定性影響。為了更合理和準確地預測高速電磁閥的電磁特性，基于高速電磁閥理論分析，進行了大量不同驅動電流強度和氣隙情況下的電磁力試驗，采用多項式擬合的方法，對試驗數據進行擬合，結合高速電磁閥的工作原理，應用Amesim軟件建立高速電磁閥一維仿真模型，并研究分析了驅動電流、閥芯彈簧預緊力和剛度對高速電磁閥動態響應特性的影響。研究結果表明：所采用的基于試驗數據的高速電磁閥建模方式為其動態響應特性的研究提供了一個新思路，它能快速、準確得到高速電磁閥各參數對其響應特性的影響。

高速電磁閥； 電磁特性； 多項式擬合； 仿真； 動態響應特性

在壓力時間控制式柴油機高壓共軌燃油噴射系統中，需要利用高壓共軌噴油器中高速電磁閥的“開/關”動作，形成控制腔與針閥腔的壓差，從而實現對針閥的驅動，進而完成燃油噴射特性的控制。因此，高速電磁閥的工作狀態，尤其是其動態響應特性將對高壓共軌噴油系統的噴油規律產生直接影響[1-2]。

高速電磁閥參數的匹配對其動態響應特性至關重要，以往對高速電磁閥參數的匹配多采取試驗的方法，工作繁重且具有一定的盲目性。本研究以高壓共軌噴油器用高速電磁閥為研究對象，采用試驗的方法，獲得大量不同電流驅動強度和氣隙下的電磁力試驗數據，并以此為基礎，結合對高速電磁閥工作原理的研究，應用Amesim軟件，針對電磁力試驗數據采用多項式擬合的方法建立了高速電磁閥動態響應特性仿真模型。通過不同參數下的高速電磁閥動態特性仿真研究，獲得各驅動參數對高速電磁閥動態特性的影響規律，為高速電磁閥驅動參數的選擇及與共軌噴油器的特性匹配提供了依據，同時為高壓共軌噴油器動態特性建模和仿真奠定了基礎。

1 高速電磁閥結構及動態響應特性

圖1示出高速電磁閥結構簡圖。由圖所示，其主要由電磁線圈、銜鐵、閥芯、閥芯彈簧和調整螺釘等元件組成。高速電磁閥動態響應特性是指電磁閥的電磁線圈在受到特定電流激勵時銜鐵的位移響應特性[1-2]。

圖1 高速電磁閥結構簡圖

圖2示出高速電磁閥響應特性的示意。高速電磁閥的驅動電流采用階梯波疊加三角顫振波的形式，階梯波形使得在不降低安全系數的條件下，電磁鐵的功耗大幅度降低，并且溫升小，效率高；而三角顫振波減小了電磁鐵的摩擦滯環，對提高電磁閥的響應速度和控制精度十分有益[3]。根據高速電磁閥工作時銜鐵的受力和運動情況可將銜鐵的運動過程分為3個階段[4-7]。

1) 吸合過程：對高速電磁閥施加驅動電流前，在彈簧預緊力作用下，高速電磁閥處于關閉狀態。施加驅動電流后，當銜鐵上作用電磁力大于彈簧預緊力時，銜鐵克服彈簧預緊力開始運動，直至達到最小氣隙。為了實現高速電磁閥的快速開啟，驅動電流需要達到開啟電磁閥的電流強度I1。

2) 保持吸合過程：銜鐵達到最小氣隙后，驅動電流降到維持電磁閥開啟狀態的電流強度I2，此時，作用于銜鐵的電磁力仍大于彈簧力。高速電磁閥處于完全開啟狀態，理論上銜鐵處于靜止狀態，此時銜鐵受力平衡。

3) 銜鐵復位過程：驅動電流迅速減小到0，作用于銜鐵的電磁力也迅速減小，銜鐵在彈簧力的作用下開始復位，直至達到最大氣隙L，此時高速電磁閥處于關閉狀態。

由圖2可知，開啟延遲為驅動電流開始增加至銜鐵開始運動的時間間隔，關閉延遲為驅動電流開始下降至銜鐵開始復位時的時間間隔。高速電磁閥的動態響應特性可用開啟延遲和關閉延遲時間來表示[8-10]。

圖2 高速電磁閥響應特性示意

2 高速電磁閥模型的建立

2.1 電磁力的多項式擬合

圖3示出高速電磁閥靜態特性測試系統結構原理。該系統主要由工業控制計算機、控制電流發生器、電磁力和位移傳感器等元件組成。可以通過對工業計算機的控制實現對被測高速電磁閥電磁力、試驗電流和試驗氣隙的自動測量和記錄[1-2]。

應用該測試系統對高速電磁閥樣件進行了靜態特性測試。測試內容包括：氣隙不變，電磁力與驅動電流之間的關系；驅動電流不變，電磁力與氣隙之間的關系。高壓共軌噴油器用高速電磁閥驅動電流強度一般小于15 A,氣隙范圍為0.05～0.2 mm，因此試驗中，驅動電流強度測試范圍為0～25 A，氣隙測試范圍為0.05～0.29 mm。試驗結果見圖4和圖5。

圖3 高速電磁閥靜態特性測試系統結構原理

圖4 氣隙不變，電磁力與驅動電流關系曲線

圖5 電流不變，電磁力與氣隙關系曲線

為了得到任意氣隙和驅動電流強度下的電磁力，采用多項式擬合的方法，對以上試驗數據進行擬合。圖6示出氣隙分別為0.15 mm，0.19 mm和0.27 mm，電磁力與驅動電流關系擬合數據和試驗數據的對比；圖7示出驅動電流分別為5 A，15 A和21 A，電磁力與氣隙關系擬合數據和試驗數據的對比。由圖6和圖7可以看出，試驗曲線和擬合曲線一致性較好，因此對試驗數據采用多項式擬合得到任意氣隙和驅動電流強度下的電磁力的辦法可行，而且精確度高。

圖6 電磁力與驅動電流關系擬合數據和試驗數據對比

圖7 電磁力與氣隙關系擬合數據和試驗數據對比

2.2 一維仿真模型的建立及驗證

高速電磁閥工作過程為銜鐵在電磁力和彈簧力以及阻尼力共同作用下運動的過程，根據高速電磁閥的結構及工作原理，應用Amesim軟件，采用對試驗數據進行多項式擬合的辦法，建立了高速電磁閥一維仿真模型(見圖8)。

如圖8所示，根據某時刻驅動電流強度和氣隙，在數據庫中通過多項式擬合得到電磁力，并作用于銜鐵。銜鐵在電磁力作用下，克服彈簧力以及阻尼力運動，同時銜鐵的運動位移通過位移傳感器獲得，經過變換轉換為氣隙，并同該時刻的驅動電流信號一起反饋給數據庫，擬合得到該時刻電磁力，繼續作用于銜鐵，循環往復，直至仿真結束。

表1示出開啟電流為17 A，維持電流為12 A，彈簧預緊力為30 N，彈簧剛度為5 N/mm，最小氣隙為0.05 mm的條件下，銜鐵位移仿真數據和試驗數據的對比。由仿真數據和試驗數據的對比可以看出，兩者趨勢基本一致，誤差最大為4.2%，因此高速電磁閥一維仿真模型具有較高準確度。

圖8 高速電磁閥一維仿真模型

時間/ms仿真數據/mm試驗數據/mm誤差/%0.620.0001460.000152.60.700.0034780.00363.41.040.098430.11.61.200.10.101.490.10.0964.21.930.015230.01473.6

3 系統參數對閥動態響應特性的影響

3.1 驅動電流對閥動態響應特性的影響

表2示出彈簧預緊力為30 N，彈簧剛度為5 N/mm，最小氣隙為0.05 mm，維持電流為15 A的條件下，開啟電流對銜鐵開啟延遲時間、吸合過程時間、高速電磁閥吸合時間及保持吸合過程時間的影響對比。圖9示出此條件下，高速電磁閥的仿真結果。

表2 開啟電流對閥動態特性的影響

圖9 開啟電流對閥動態特性影響仿真結果

由表2和圖9可以看到，隨著開啟電流減小，開啟延遲時間小幅增大，吸合過程時間明顯增大，因此造成電磁閥的吸合時間明顯增大，而由于銜鐵關閉延遲和復位時間幾乎沒有變化，造成保持吸合時間減小。因此提高高速電磁閥驅動電流的開啟電流，可以明顯縮短高速電磁閥的吸合時間，但同時高速電磁閥功耗也會升高。

表3示出彈簧預緊力為30 N，彈簧剛度為5 N/mm，最小氣隙為0.05 mm，開啟電流為25 A的條件下，維持電流對銜鐵關閉延遲時間、復位過程時間以及高速電磁閥保持吸合過程時間的影響對比。圖10示出此條件下，高速電磁閥的仿真結果。

表3 維持電流對閥動態特性的影響

圖10 維持電流對閥動態特性影響仿真結果

由表3和圖10可以看到，隨著維持電流減小，高速電磁閥的保持吸合時間明顯變小，尤其是維持電流小于11 A時，產生的電磁力不足以克服彈簧力，造成銜鐵在維持電流信號結束前開始復位行程。同時，隨著維持電流的逐漸減小，復位過程時間也有延長。因此對于高速電磁閥，為降低功耗和溫升，維持電流強度應小于開啟電流強度，但隨著維持電流的減小，保持吸合時間會減小，復位時間也會延長，因此高速電磁閥的維持電流強度需要根據實際應用工況及高速電磁閥類型進行匹配。

3.2 閥芯彈簧預緊力對閥動態響應特性的影響

表4示出開啟電流為25 A，維持電流為13 A，彈簧剛度為5 N/mm，最小氣隙為0.05 mm的條件下，閥芯彈簧預緊力對閥動態特性的影響對比。圖11示出此條件下，高速電磁閥的仿真結果。

表4 閥芯彈簧預緊力對閥動態特性的影響

由表4和圖11可以看到，隨著閥芯彈簧預緊力的增大，銜鐵的開啟延遲時間和吸合過程時間逐漸增加。當閥芯彈簧預緊力從30 N增大到45 N，銜鐵的關閉延遲時間和復位過程時間減小，但當閥芯彈簧預緊力增大到57 N后，維持電流產生的電磁力不足以克服彈簧力，造成銜鐵提早復位，如果閥芯彈簧預緊力繼續加大，可能會出現高速電磁閥不能關閉或者關閉后維持不住的情況。因此選擇閥芯彈簧的預緊力，應在保證高速電磁閥正常工作前提下，盡量縮短開啟延遲和吸合過程時間，同時要選擇相應的驅動電流強度與其匹配。

圖11 閥芯彈簧預緊力對閥動態響應特性影響仿真結果

3.3 閥芯彈簧剛度對閥動態響應特性的影響

表5示出開啟電流為17 A，維持電流為12 A，閥芯彈簧預緊力為30 N，最小氣隙為0.05 mm的條件下，閥芯彈簧剛度對閥動態特性的影響對比。圖12示出此條件下，高速電磁閥的仿真結果。

表5 閥芯彈簧剛度對閥動態特性的影響

由表5和圖12可以看到，隨著閥芯彈簧剛度的增大，銜鐵保持吸合時間顯著減小，尤其當閥芯彈簧剛度大于33 N/mm后，維持電流產生的電磁力不足以克服彈簧力，造成銜鐵提早復位，如果閥芯彈簧剛度繼續加大，會出現高速電磁閥不能關閉的情況。因此閥芯彈簧剛度的選擇和閥芯彈簧預緊力比較類似，要選擇相應的驅動電流強度與其匹配。

4 結論

a) 采用多項式擬合的方法對高速電磁閥任意氣隙和驅動電流強度下的電磁力試驗數據進行擬合，試驗數據和擬合數據的對比分析表明，此方法準確度高，基于此方法建立的高速電磁閥模型也具有較高的準確度；

b) 高速電磁閥開啟電流對高速電磁閥的吸合

時間有較大的影響，而維持電流則會直接對高速電磁閥的保持吸合時間和復位時間產生影響；

c) 閥芯彈簧的預緊力和剛度均會對高速電磁閥的吸合時間和復位時間產生影響，但是單方面加大閥芯彈簧預緊力和剛度會造成高速電磁閥不正常工作，需要合適的驅動電流與其匹配。

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[編輯： 潘麗麗]

LI Runing, GAO Yi, LV Fan, LI Huale, XU Chunlong, ZHAO Zhongyu

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

The dynamic response characteristics of high-speed solenoid valve had a critical influence on injection characteristics of high-pressure common-rail injector. In order to predict the electromagnetic characteristics of high-speed solenoid valve more accurately, a great deal of electromagnetic force tests under the conditions of different current intensities and air gaps were carried out based on theoretical analysis of high-speed solenoid valve, the test data were fitted with the polynomial fitting method, and finally one-dimensional simulation model of high-speed solenoid valve was built with AMEsim software according to the working principles of high-speed solenoid valve.Then the influences of three parameters such as drive current, preload and elastic strength of valve element spring on the dynamic response characteristics of high-speed solenoid valve were studied. The results show that the modeling method based on test data offers a new idea to study the dynamic response characteristics of high-speed solenoid valve, which can acquire the influences of each parameter on the dynamic response characteristics fast and accurately.

high-speed solenoid valve; electromagnetic characteristic; polynomial fitting; simulation; dynamic response characteristic

2015-06-24；

2015-11-10

李汝寧(1981—)，男，博士，副研究員，從事內燃機燃油噴射技術研究；liruning@foxmail.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.02.014

TK421.4

B

1001-2222(2016)02-0076-05