電控尿素噴嘴電磁閥特性研究

曾偉，宋永平，高殿朋，趙曉東

(凱龍高科技股份有限公司，江蘇無錫 214153)

0 引言

目前，為滿足國六和非道路國四排放法規要求，大部分廠商選擇DOC+DPF+SCR的尾氣后處理技術路線。SCR系統通過選擇性催化還原反應消除尾氣中的有害氣體NOx。尿素噴嘴作為SCR后處理噴射系統中的關鍵零部件，通過電磁閥的開啟、關閉精確計量噴入排氣管中的尿素溶液，并參數霧化。

國六排放法規對尿素噴射系統的流量控制精度提出了更高的要求。為實現對噴射時刻、噴射頻率和噴射脈寬等的靈活控制，滿足噴射流量一致性及穩定性[1]，有必要對尿素噴嘴電磁閥的特性進行研究。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]。

本文作者基于模擬仿真軟件，計算分析了不同銜鐵氣隙、線圈匝數、電流等對靜態電磁力的影響；并分析了不同電壓、氣隙時電控尿素噴嘴的動態開啟時間。此外，還通過高速攝像機間接測量了噴嘴的開啟時間，對比分析了實測值與計算值，為電控尿素噴嘴電磁閥前期設計定型和性能優化提供指導。

1 電磁閥結構及理論計算模型

1.1 尿素噴嘴結構

電控尿素噴嘴的結構如圖1所示。線圈通電后，電磁閥內由外磁套、銜鐵、中心磁體、U形塊形成電磁回路，產生電磁力吸附銜鐵，使銜鐵克服彈簧預緊力，球閥打開。尿素溶液經進油口、濾芯、噴嘴內部流道、銜鐵、球閥，最后通過霧化器形成噴霧。電磁閥斷電后，彈簧預緊力和液壓力使球閥關閉，尿素噴嘴停止噴射。

圖1 電控尿素噴嘴結構示意

1.2 電磁閥理論計算方法

不考慮線圈通電產生的溫升對線圈磁勢及導磁材料磁阻的影響，忽略導磁材料的磁滯效應，假定材料均勻性且各向同性[4]。采用直流螺線管電磁鐵，根據麥克斯韋電磁力公式計算穩態工作時電磁閥的吸力為

(1)

式中：φ為工作氣隙磁通，Wb；B為工作氣隙磁感應強度，T；S為磁路截面積，m2；μ0為真空磁導率，其值為4π×10-7Wb/A·m。

不考慮漏磁及其他連接部位的氣隙，主氣隙即為銜鐵行程，此時直流電磁鐵的氣隙磁感應強度B為

(2)

式中：N為線圈匝數；I為電流強度，A；U為電源電壓，V；R為繞線電阻，Ω；δ為氣隙長度，m。

將式(2)代入式(1)可得：

(3)

根據式(3)可見，要提高電磁閥線圈的吸力，在電壓或電流不變的情況下，可通過提高線圈匝數或減小銜鐵行程實現。

電磁閥銜鐵運動方程為

(4)

其中：m為銜鐵的質量。

2 電磁閥靜態電磁計算分析

電磁閥特性計算輸入參數如表1所示。

表1 電磁閥計算輸入參數

2.1 靜態電磁力

文中采用的磁性材料的磁化曲線如圖2所示。圖3給出了不同工況下尿素噴嘴銜鐵受到的電磁力。相同銜鐵氣隙時，隨線圈匝數、驅動電流增加，電磁力逐漸增加。以氣隙100 μm、線圈350匝為例，驅動電流由0.5 A增至1.5 A，電磁力由17.2 N增至20.1 N。此外，由圖3可見銜鐵氣隙的大小對電磁力影響較大。線圈350匝、電流1 A時，氣隙由125 μm減小為100 μm，電磁力由10.6 N增至19.1 N，增加了約80%。

所以，在滿足尿素流動特性要求時，應盡量減小銜鐵氣隙以提高電磁力，從而降低噴嘴的開啟時間，通常情況下尿素噴嘴的銜鐵氣隙設計為70～100 μm。

圖2 磁性材料的磁化曲線

電控尿素噴嘴的開啟電磁力一般要大于3倍的彈簧預緊力，以確保噴嘴球閥能夠快速開啟。文中彈簧預緊力為4.5 N，所以電磁力應大于13.5 N。從圖3可見，如果噴嘴的氣隙設計為125 μm時，驅動電流需大于1.5 A才能滿足要求。但較大的電流會使線圈產生大量的熱量，影響噴嘴的工作特性，因此需對磁路進行優化設計。可通過增加線圈匝數、提高磁通截面、更換磁性材料、減小磁路漏磁等手段實現。

圖3 銜鐵受到的電磁力

電磁閥的磁感應強度B分布如圖4所示，可直觀地觀測整個磁路中的漏磁現象，以便進行磁路優化。

圖4 磁感應強度分布

2.2 動態響應特性

尿素噴嘴的動態響應分析，具體參數為：線圈電阻為12 Ω，驅動電壓9～32 V，銜鐵氣隙100、150 μm，其他條件同第2.1節。圖5為不同驅動壓力下噴嘴的開啟時間，可見隨著驅動電壓增加，噴嘴開啟時間逐漸降低。通常尿素噴嘴要求開啟時間小于1.5 ms，以滿足噴嘴動態小流量一致性要求。對于24 V系統而言，驅動電壓一般為18～32 V，噴嘴可滿足開啟響應要求。驅動電壓為32 V、氣隙100 μm時，噴嘴開啟時間僅為0.81 ms。

圖5 噴嘴開啟時間

對于12 V系統，驅動電壓一般為13.8 V，開啟時間分別為1.62和1.81 ms，不能滿足要求，需要對磁路進行優化。以氣隙100 μm為例，要使開啟時間小于1.5 ms,驅動電壓需大于15 V，對應的電流為1.25 A，所以12 V系統推薦采用Peak-Hold驅動方式，Peak電流1.5 A，Hold電流0.5 A，可滿足使用要求。

圖6為氣隙100 μm、驅動電壓16 V時的銜鐵運動曲線?？梢姡寒旘寗泳€圈開始通電時，內部電流逐漸增加，存在一定的開啟延時，延遲時間約為1 ms。這個延遲由線圈的電阻和電感的磁滯引起，與文獻[1]中得到的結論一致。1 ms后銜鐵開始運動，完全開啟時間為1.42 ms。

圖6 銜鐵運動曲線

圖7為線圈電感和電磁力曲線，同樣電磁力存在一定的延遲，時間約為0.5 ms。

圖7 電感和電磁力

3 噴嘴開啟響應測量

本文作者采用了兩種方法測量了噴嘴開啟響應時間，分別為高速攝像測量和電流曲線測量。

方法一：通過高速攝像機同步NI驅動板卡間接測試噴嘴開啟時間。由于銜鐵氣隙較小，假設噴嘴完全打開時噴嘴開始噴射。圖8為不同時刻噴霧圖像，t=0 ms時噴嘴通電，此時噴嘴關閉；t=1.5 ms時噴嘴開始噴射，認為此時噴嘴已全部打開；t=2 ms時噴霧還未完全形成；t=3 ms時噴霧形成完整的霧化形態。

圖8 不同時刻噴霧圖像

測試了10支噴嘴的開啟時間，噴射壓力550 kPa，采用Peak-Hold電流驅動，電流值分別為1.5、0.5 A。測試結果如圖9所示，開啟時間范圍為1.39～1.52 ms,均值1.48 ms，滿足使用要求。

圖9 噴嘴開啟時間

方法二：通過示波器測量噴嘴驅動電流可間接測量噴嘴的開啟時間。圖10為采用電流鉗測得的電壓波形，噴嘴開啟時間為1.4 ms，與方法一相近。

4 結束語

本文作者基于商業仿真軟件，計算分析了線圈匝數、驅動電流、銜鐵氣隙對靜態電磁力的影響；線圈匝數、驅動電流增加，電磁力增加；銜鐵氣隙對電磁力影響較大，氣隙由100 μm增至125 μm，電磁力降低了80%；隨著驅動電壓增加，噴嘴動態開啟時間逐漸降低。驅動電壓為32 V、氣隙100 μm時，噴嘴開啟時間僅為0.81 ms。此外，還通過高速攝像機接和示波器測試噴嘴開啟時間，測試結果與計算值基本相同，滿足使用要求。