共軌燃油噴射系統電磁閥性能研究*

張曉懷

（海軍工程大學動力工程學院 湖北 武漢 430033）

引言

柴油機燃燒過程受燃油噴射特性所控制，特別是噴油壓力和噴射規律[1]，直接影響著柴油機的經濟性和排放性[2]。共軌燃油噴射系統能夠通過對噴油量、噴油正時和噴油規律的控制，優化油氣混合過程[3]。作為共軌燃油噴射系統的核心控制元件，電磁閥的性能對系統功能的實現有著重要影響。因此，本文在介紹電磁閥組成和工作原理的基礎上，建立了電磁閥有限元模型，并利用模型進行了電磁力計算，同時對電磁閥開展了干式狀態下的動態響應特性試驗研究，為實現共軌燃油噴射系統快速有效的控制提供了理論依據。

1 電磁閥組成和工作原理

共軌燃油噴射系統電磁閥主要由鐵芯、銜鐵、線圈以及彈簧等組成。其基本工作原理為：通過電磁力和彈簧力驅動銜鐵，以達到閥口開啟和關閉的目的。線圈未通電時，在彈簧力的作用下，銜鐵與鐵芯不接觸，球閥與閥座緊密結合，使閥處于關閉狀態；當線圈通電后，隨著電流的增加，電磁力逐漸增大，當電磁力增大到能夠克服彈簧力時，銜鐵即開始運動，使閥處于開啟狀態。

2 電磁閥有限元分析

2.1 數學模型

電路方程[4]：

磁路方程：

運動方程：

2.2 物理模型

考慮到鐵芯及銜鐵都采用較高磁導率的材料制成，并且鐵芯和銜鐵間的間隙極小，因此作如下假設[5]：

1）導線上的電流密度均勻分布；

2）忽略磁滯效應和渦流的影響；

3）鐵芯及銜鐵中的磁導率各向同性。

電磁鐵屬于軸對稱結構，利用二維模型能夠反映出其實際情況，因此，采用2D模型對電磁閥進行磁場分析，圖1a是電磁閥的二維分析模型，圖1b是電磁閥網格劃分結果，網格采用四邊形8節點PLANE53單元進行劃分。

圖1 電磁閥二維分析模型及網格劃分示意

2.3 仿真結果

磁力線分布和電磁力的計算結果如圖2所示。計算結果表明，電磁閥在氣隙為0.15 mm時的電磁力可達170N，能夠滿足共軌燃油噴射系統的使用需求。

3 電磁閥試驗研究

圖3為電磁閥動態響應特性試驗裝置示意框圖，利用該裝置可在一定的電源電壓范圍內進行電磁閥的電壓、電流、加速度的測試。在測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作過程，由于傳感器增加了電磁閥動作部件的質量，因此在結果分析中需考慮其對響應速度的影響。

電磁閥測試結果如圖4所示。采集的信號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實測的加速度信號通過積分計算而得到的。圖中的碰撞點即為電磁閥完全開啟和關閉的時刻，碰撞點后加速度的振蕩是由于彈性變形所造成的。試驗結果表明電磁閥開啟響應時間T0為0.352 ms，關閉響應時間為1.5 ms，具有較好的動態響應特性。

圖2 磁力線分布和電磁力計算結果

圖3 電磁閥動態響應特性試驗裝置示意框圖

圖4 電磁閥測試結果

4 結論

1）在介紹電磁閥組成和工作原理的基礎上，建立了電磁閥有限元模型，并利用模型進行了電磁力計算，分析得出電磁閥在氣隙為0.15 mm時的電磁力可達170N，能夠滿足共軌燃油噴射系統的使用需求。

2）利用電磁閥動態響應特性試驗裝置開展了電磁閥動態響應特性試驗研究，結果表明電磁閥開啟響應時間為0.352 ms，關閉響應時間為1.5 ms，具有較好的動態響應特性。