基于Ansoft的SCR無氣輔尿素噴嘴電磁閥的仿真分析

王 琪，來 鑫，胡 靜，華 倫

（1.上海理工大學 機械工程學院，上海 200093；2.清華大學 蘇州汽車研究院，江蘇，蘇州 215200）

基于Ansoft的SCR無氣輔尿素噴嘴電磁閥的仿真分析

王 琪1，來 鑫1，胡 靜1，華 倫2

（1.上海理工大學 機械工程學院，上海 200093；2.清華大學 蘇州汽車研究院，江蘇，蘇州 215200）

為了提高選擇性催化還原（Selective Catalytic Reduction，SCR）系統對尿素噴射量的精確計量，對無氣輔式噴嘴的電磁閥響應時間進行研究，建立了基于Ansoft Maxwell仿真軟件的電磁鐵模型，分析影響電磁閥響應時間的相關因素，并通過試驗驗證。通過有限元分析找出電磁閥吸力和電磁閥參數之間的關系，再由動態仿真確定閥內回位彈簧剛度、線圈電阻等因素對整體電磁閥響應時間的影響，并在對各參數進行優化后縮短了電磁閥響應時間。研究結果表明，在一定范圍內，改變工作氣隙和回位彈簧剛度會對電磁閥開啟和關閉時間產生相反的影響，而線圈匝數和線圈電阻對電磁閥的關閉時間影響更大。

無氣輔式噴嘴，電磁閥；響應時間；動態仿真

SCR系統作為一種有效降低柴油機尾氣中NOx含量的后處理手段，依靠其轉化效率高，抗硫性強以及可以減少一定油耗等優點，已經在汽車后處理系統中得到了廣泛應用。SCR系統主要采用無氣輔噴嘴，因為它結構簡單，并且無需壓縮空氣源。而無氣輔噴嘴主要依靠電磁閥控制尿素噴射量，電磁閥作為一種新型流體控制元件，不僅結構簡單、性能可靠，而且成本較低[1]。電磁閥的動態響應特性是評估電磁閥性能優劣的關鍵因素[2-3]。提高電磁閥的響應時間成為控制尿素噴射精度的主要手段[4-6]。

針對某款尿素噴嘴的電磁閥，利用Ansoft Maxwell仿真軟件進行分析，可以準確地得到電磁閥動態響應曲線。對相關參數進行變參數研究，找出不同因素對電磁閥響應的影響規律，實現對電磁閥的響應特性優化。

1 電磁閥結構和數學模型

1.1 尿素噴嘴結構示意圖

尿素噴嘴電磁閥部分結構如圖1所示。線圈通入電流后，電磁閥開始工作，產生吸力使銜鐵向鐵芯處運動，從而讓球閥打開，尿素溶液經開啟間隙處流出，通過噴孔后形成噴霧。斷開電流后，銜鐵在回位彈簧的作用下返回將噴嘴關閉。

圖1 尿素噴嘴電磁閥部分結構示意圖

電磁閥的基本參數見表1。

表1 電磁閥基本參數

1.2 電磁閥數學模型

電磁閥作為一個機電液耦合的系統，數學模型包括了電路、磁路和動力學方程[7]。加載電壓后，電磁閥線圈內產生電流，隨之電磁閥內形成磁路，產生吸力。此時線圈回路的動態方程為：

式中：U為加載電壓，V；i為回路中的電流，A；R0為回路電阻，Ω；Ψ為磁路總磁鏈，也稱為磁勢，Wb；N為線圈匝數；Φ為磁通，Wb。當各線圈磁通相等時，磁勢Ψ等于ΨN倍的磁通Φ。

電磁閥吸力Fmag的方程如下：

磁阻計算以導磁體磁路為例，lc為導磁體磁路長度，Sα為導磁體當量截面積，μ0為真空磁導率，μr為導磁體相對磁導率。導磁體的相對磁導率參照對應材料的B-H曲線確定，而工作氣隙和非工作氣隙處磁阻的相對磁導率μr取1。

電磁閥響應時間可以分為以下三個階段。

1.2.1 電磁閥吸合觸動過程

電流從0開始增大時，電磁閥閥芯并不是立刻開始運動的。由于彈簧預緊力和閥內液體壓力會作為初始阻力將閥芯壓緊閥座，所以在加載電壓后，電磁力需要一定時間增大，直到電磁吸力克服了初始阻力，閥芯才開始運動。從電流開始加載到電磁吸力等于初始阻力這一過程就稱為電磁閥吸合觸動過程[8]。

電磁閥初始阻力F0為：

式中：FS為彈簧預緊力，N；k為彈簧剛度，N/mm；x0為彈簧初始壓縮量，mm；Ff為液體壓力，N。

在觸動過程中，電磁閥閥芯保持靜止，電磁力只隨電流大小而變化。設電流從0增加到icd時，電磁吸力等于初始阻力，由此結合式（2）可以求出觸動時間：

1.2.2 電磁閥吸合運動過程

電磁閥閥芯克服初始阻力后開始運動，直至電磁閥完全吸合，這一過程所用時間記為閥芯吸合運動時間。

在吸合過程中，氣隙減小，由于氣隙變化，磁路此時有電流i和閥芯位移x這兩個變量。此時線圈回路的方程變為：

而電磁閥閥芯的運動方程為：

式中：Ff記為液體壓力造成的阻力，N；C為液體阻尼，N/(m·s-1)。結合電磁閥吸力方程式（2），可以求出閥芯從開始運動到完成吸合所用時間tyd。

至此，就可以得到從加載電流開始到電磁閥閥芯完全吸合所用的開啟時間為tcd+tyd。

1.2.3 電磁閥復位過程

關閉電磁閥時，電流迅速歸零，閥芯受彈簧力和液體壓力的作用重新回到閥座。銜鐵回位運動方程可表示為：

式中：δ為電磁閥工作氣隙，mm。

2 電磁閥模型仿真

電磁閥仿真部分首先利用了Ansoft Maxwell靜態仿真進行電磁力的分析，在確定電磁閥結構以后，找出電磁吸力在不同加載電流和電磁閥氣隙大小下的變化規律。再由Ansoft Maxwell動態仿真計算出電磁閥實際工作過程中在一定的加載電壓下電磁力、電流、銜鐵位移隨時間的變化曲線，并對電磁閥工作氣隙、回位彈簧剛度、線圈匝數和線圈電阻進行變參數研究，找出電磁閥響應時間隨各個因素的變化規律。

2.1 Ansoft Maxwell仿真

Ansoft Maxwell電磁閥仿真模型如圖2所示。模型中各部分材料屬性設置見表2，其中電磁閥氣隙部分材料設置為空氣，SUS430的材料磁化特性曲線可以手動設置，SUS304是非磁化鋼，設置為不導磁即可。

設置完成后在求解器中定義加載電流和電磁閥氣隙，進行變參分析，并求解閥芯所受電磁吸力。

圖2 Ansoft Maxwell電磁閥仿真模型

表2 仿真模型各部件的材料設置

電磁吸力隨電磁閥工作氣隙和激勵電流的變化曲線如圖3所示，圖中安匝數定義為電流和線圈匝數的乘積，在線圈匝數不變的情況下，安匝數的變化就是電流的變化。

圖3 電磁力與氣隙、電流之間的關系

電磁閥線圈電感隨電流、工作氣隙的變化規律如圖4所示。

圖4 電感與氣隙、電流之間的關系

2.2 Ansoft Maxwell動態仿真部分

Ansoft Maxwell中電磁閥外電路模型比較簡單，如圖5所示，由一個方波電壓源、線圈和電阻三部分組成。各部分參數設置好之后就可以導入Ansoft Maxwell模型中進行電磁閥動態仿真。設周期為0.01 s，占空比為50%，從0 s開始計算，激勵電壓如圖5所示。電磁閥線圈電流、電磁吸力和銜鐵位移隨時間變化曲線如圖6所示。

圖5 Ansoft Maxwell仿真中電磁閥外電路給定激勵電壓

圖6 電流、電磁吸力和銜鐵位移隨時間變化曲線

由圖6可知，該電磁閥開啟響應時間約為1.2 ms，關閉響應時間為1.4 ms。

2.3 電磁閥動態性能的影響因素分析

2.3.1 回位彈簧剛度對電磁閥銜鐵位移的影響

仿真得到的不同彈簧剛度k下的電磁閥位移曲線如圖7所示。可以看出當電磁閥回位彈簧剛度增大時，初始阻力增大，但由于增量較小，電磁閥開啟時間并沒有明顯變化。由于電磁閥依靠彈簧回位，彈簧剛度對回位過程影響很大。可以明顯看出，隨著彈簧剛度增大，電磁閥回位明顯加快。

圖7 不同彈簧剛度下的電磁閥位移曲線對比

2.3.2 電磁閥工作氣隙對動態響應的影響

仿真得到的不同工作氣隙δ下的電磁閥位移曲線如圖8所示。可以看出電磁閥氣隙增大后，開啟響應不斷變慢，而電磁閥的關閉響應時間主要是由于工作氣隙增大，電磁閥行程也隨之變大，所以關閉時間變長。

圖8 不同氣隙下的電磁閥位移曲線對比

2.3.3 電磁閥線圈匝數對電磁閥動態響應的影響

仿真得到的不同線圈匝數N下的電磁閥位移曲線如圖9所示。可以看出線圈匝數增加后，磁勢增大，電磁閥開啟時間減少，但當匝數超過600之后，由于電感加大，開啟時間又逐漸變長，而銜鐵回位的時間是隨著線圈匝數的增加而不斷變長的。

圖9 不同線圈匝數下的電磁閥位移曲線對比

2.3.4 線圈電阻對電磁閥動態響應的影響

仿真得到的不同線圈電阻R0下的電磁閥位移曲線如圖10所示。可以看出線圈電阻減小后，線圈中電流變大，電磁閥開啟響應加快，但是由于線圈電流變大后剩磁也相應增加，導致電磁閥回位時間變長。

圖10 不同線圈電阻下的電磁閥位移曲線對比

3 試驗驗證和優化

由實際電磁閥驅動電路向噴嘴發出脈沖信號，利用示波器檢測線圈電流變化曲線，并與仿真結果對比，驗證模型的合理性[9-10]。尿素噴嘴電磁閥測試原理如圖11所示，測試結果和仿真結果對比如圖12所示。

圖11 尿素噴嘴電磁閥測試原理圖

圖12 電磁閥仿真電流曲線和試驗數據對比

由試驗結果對比可知，基于Ansoft Maxwell仿真軟件建立的電磁閥仿真模型正確性得到驗證，因此可以借助仿真結果優化部分參數（表3）。如圖13所示，對電磁閥激勵電壓進行優化，在減小線圈電阻后，先以大電流驅動使電磁閥快速開啟，再通過較小的電流維持開啟狀態，閉合時則通過加大回位彈簧剛度來加快電磁閥響應速度。

圖13 電磁閥激勵電壓優化

表3 電磁閥部分參數優化前后對比

優化前后仿真電磁閥線圈電流變化曲線對比如圖14所示。可以看出電磁閥的開啟階段電流變化速度加快。經優化后，電磁閥的開啟時間從1.2 ms減少到0.95 ms，而關閉時間由1.4 ms減少到1.1 ms。

圖14 優化前后仿真電磁閥線圈電流變化曲線對比

4 結論

本研究通過Ansoft Maxwell仿真軟件對電磁閥進行動、靜態仿真，確定了部分電磁閥參數對電磁閥響應時間的影響，對提高電磁閥動態性能有一定指導意義。

（1）電磁閥工作氣隙的變化改變了電磁力的大小和電磁閥銜鐵的運動行程，減小氣隙可以有效提高電磁閥的動態響應速度。

（2）調整回位彈簧剛度可以加快電磁閥的關閉速度，但同時會導致開啟時銜鐵位移速度變慢。

（3）增加線圈匝數和減小線圈電阻可以增加電磁鐵磁路中的磁勢，但也會因為材料剩磁的原因造成銜鐵回位延遲。

（4）激勵電壓做成階梯方波的形式，確保電磁閥開啟時提供較大的激勵電流，再用較低的電流維持電磁閥開啟，減小斷電后磁路中的剩磁，可有效提高電磁閥的動態響應性能。

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作者介紹

Simulation Analysis of the Non Air Assisted SCR Urea Nozzles Solenoid Valve Based on Ansoft

WANG Qi1，LAI Xin1，HU Jing1，HUA Lun2
（1. College of Mechanical Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China；2. Suzhou Automotive Reseach Institute，Tsinghua University，Suzhou 215200，Jiangsu，China）

In order to improve the accuracy of the selective catalytic reduction system (SCR) for the injection of urea, the response time of solenoid valve of the urea nozzle were studied. The relevant factors affecting the response time of the solenoid valve were analyzed based on the model of the solenoid in Ansoft, and the result s were verified by experiments. The relationship between the electromagnetic valve suction and the electromagnetic valve parameters were found through the finite element analysis, and we determine the valve return spring stiffness, coil resistance and other factors on the response time of the solenoid valve by dynamic simulation. The response time of the solenoid valve was shortened, after optimizing the parameters. The results show that, in a certain range, changing air gap and back spring stiffness will produce the opposite effect on opening and closing time, and the number of turns in the coil and the coil resistance will produce greater influence on closing time.

non air assisted nozzle; solenoid valve; response time; dynamic simulation

責任作者：來鑫（1976-），男，江蘇安徽人。博士，講師，主要研究方向為汽車電子控制技術。Tel：13918394287E-mail：laixin@126.com

TK421+.5

A

10.3969/j.issn.2095-1469.2017.01.05

王琪（1992-），男，江蘇南京人。碩士研究生，主要研究方向為汽車排放控制技術。 Tel：15901825070 E-mail：2873559152@qq.com

2016-09-07 改稿日期：2016-10-08

國家自然科學基金（51505290）

用格式：

王琪，來鑫，胡靜，等. 基于Ansoft的SCR無氣輔尿素噴嘴電磁閥的仿真分析[J]. 汽車工程學報，2017，7(1)：030-036.

WANG Qi，LAI Xin，HU Jing，et al. Simulation Analysis of the Non Air Assisted SCR Urea Nozzles Solenoid Valve Based on Ansoft [J]. Chinese Journal of Automotive Engineering，2017，7(1)：030-036. (in Chinese)