船用低速柴油機電控噴油器電磁閥仿真研究

姜盼龍，　張歡仁，　楊　明

(上海船舶運輸科學研究所 航運技術與國家安全重點實驗室，上海200135)

0　引　言

在船用低速柴油機電控燃油噴射系統中實現柔性控制的關鍵是噴油正時、噴油量和噴油規律的精確控制與調節。電磁閥根據發動機電控單元(Electronic Control Unit,ECU)發出的噴油控制信號，實現控制信號電-磁-機-液的轉換，控制噴油器的針閥動作以實現噴油控制。因此，電磁閥響應特性是精確控制噴油正時、噴油持續期及實現多次噴射的關鍵，對其進行分析研究具有重要意義。電磁閥的工作過程涉及到電磁現象、液力過程和機械運動等方面，各參數間相互影響且關系復雜。

基于以上原因，對相應的模型進行簡化，分析電磁閥的控制電壓和控制伺服油壓力對電磁閥開啟響應速度的影響，可對以后電磁閥的設計與優化起著借鑒意義。

1　電控噴油器電磁閥工作原理

電控噴油器電磁閥的物理模型見圖1，它是由電磁鐵和兩位三通開關閥芯等組成。

圖1　電控噴油器電磁閥物理模型

以船用低速小缸徑二沖程柴油機共軌式電控噴油系統為應用對象，設計的電控噴油器電磁閥用于電控液力增壓式噴油器的噴油控制(見圖2)。其原理如下：

圖2　電控噴油器電磁閥工作原理

1)該電磁閥為兩位三通常閉式結構，當把電磁閥安裝在噴油器上時，線圈通電時，電磁閥上的伺服油進油控制孔A與噴油器增壓泵的針閥控制腔連通，線圈斷電時，伺服油回油口T與噴油器的針閥控制腔連通，且燃油閥噴射的啟停過程中，控制伺服油始終保持伺服油共軌壓力；

2)當電磁閥從驅動電路得電時，電磁閥的閥芯迅速動作，控制伺服油接通控制口 A與伺服油回油口T，使針閥控制腔的伺服油壓力迅速通過泄油腔釋放，噴油器的針閥在針閥腔高壓燃油液動力作用下，克服復位彈簧及其他阻力迅速提升，對燃油增壓腔內的燃油形成擠壓，實現高壓燃油的迅速噴射，且噴射過程一直持續至電磁閥失電；

3)當電磁閥從驅動電路上失電時，高壓控制伺服油經電磁閥P口接入控制口A，高壓伺服油在針閥控制腔內保持為高壓，噴油器針閥在針閥控制腔內伺服油壓力、復位彈簧預壓力作用下迅速關閉，同時，燃油增壓腔單向閥在低壓燃油的壓力作用下開啟，增壓腔從燃油泵中吸入燃油進行充油過程，為下次的燃油噴射做準備。

2　電控噴油器電磁閥的建模

2.1　模型假設

1) 假設在電路中的電阻為定值，不考慮由于溫度升高對于電阻的影響；

2) 假設噴油器電磁閥不計漏磁對電磁鐵工作過程的影響，且忽略電渦流的作用；

3) 忽略液壓油路中(燃油、伺服油)流體運動的摩擦損失、慣性效應、容積效應及彈性模量對壓力波傳遞的影響；

4) 忽略機械延遲和液力延遲對電磁閥開啟響應的影響；

5) 忽略電磁閥中運動部件產生的彈性變形。

2.2　模型建立

1) 電控噴油器電磁閥電路數學模型為

(1)

式(1)中：U為線圈兩端電壓；i為電磁線圈中電流；?為線圈中的磁通量；R回路中的有效電阻；N為電磁閥線圈匝數。

2) 電控噴油器電磁閥磁路的數學模型，根據麥克斯韋電磁吸力公式，電磁閥的吸力為

(2)

式(2)中：Fm為電磁力；Φ為工作氣隙磁通量；σ為電磁閥工作氣隙；μ0空氣磁導率；S為氣隙導磁面積。

3) 電控噴油器電磁閥運動學的數學模型為

δ)

(3)

式(3)中：Pe為作用在電磁閥承壓面上的不平衡液壓力；Se為電磁閥承壓面面積；Fm為電磁力；Fsp為彈簧預緊力；δ為燃油流速；ε0為電磁閥的迎面阻力系數。

3　電控噴油器電磁閥的仿真及分析

3.1　電控噴油器電磁閥的仿真模型

根據電磁閥各部分的數學模型，利用MATLAB/Simulink進行仿真建模計算，電磁閥的Simulink模塊仿真模型見圖3。在建立電磁閥的仿真模型后，對電磁閥進行仿真,此處電路中電阻值為10 Ω，電磁閥匝數為60，其工作氣隙不變，電磁閥閥芯升程為2 mm。仿真曲線圖中橫軸代表時間，縱軸代表位移。

圖3　電磁閥Simulink仿真模型

3.2　控制電壓對閥芯位移的影響

控制電壓分別為10 V，15 V，20 V，25 V情況下，控制伺服油壓力在300 bar(1 bar=100 000 Pa)下，觀察電磁閥閥芯位移曲線(見圖4)。

由圖4可知，當控制電壓為10 V時，閥芯的開啟響應時間為5.1 ms。隨著壓力的增大，閥芯的開啟響應速度不斷增大。當控制電壓為25 V時，閥芯開啟響應時間為1.9 ms。由此可知，電壓越大，電磁閥的響應速度越快。但電壓不能過大，電壓過大，將會導致線圈產生很大的熱量，將嚴重影響電磁閥正常工作。

3.3　控制伺服油壓力對閥芯位移的影響

控制伺服油壓力分別在150 bar, 200 bar, 250 bar, 300 bar下，控制電壓為10 V，電磁閥閥芯位移曲線見圖5。

圖4　工作電壓對閥芯位移的影響曲線

圖5　控制伺服油壓力對閥芯位移的影響曲線

由圖5可知，在不同的控制伺服油壓力的作用下，閥芯位移開啟響應速度是不同的。控制伺服油壓力為150 bar時，電磁閥的開啟響應速度為7.1 ms。隨著伺服油壓力的升高，當控制伺服油壓力(對應圖中的細實線)為300 bar時，對應的電磁閥的開啟響應為5.1 ms。因此，控制伺服油壓力越高，閥芯位移的開啟響應速度越快。但伺服油壓力不能無限加大，在實際項目應用中，伺服油壓力最大為300 bar。

4　結　語

1) 根據模型的仿真結果可知，控制伺服油壓力一定時，控制電壓越大，電磁閥閥芯的開啟響應速度越快。控制電壓一定時，控制伺服油壓力越大，電磁閥閥芯開啟響應速度也越快。但控制電壓和控制伺服油壓力不能無限制地增加，實際控制電壓和控制伺服油壓力需根據具體實際工程需要給定。

2) 運用MATLAB/Simulink仿真軟件，建立電磁閥的仿真模型。根據模型的仿真結果，可基本反映出電磁閥的開啟響應速度特性，可為以后燃油噴射的控制策略提供指導作用。

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