高速電磁閥在電動(dòng)噴油系統(tǒng)中的應(yīng)用

魏洪元，張 超，徐京京

（棗莊科技職業(yè)學(xué)院，山東棗莊 277599）

0 引言

隨著內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的發(fā)展，節(jié)能減排[1]、提高燃油效率[2]成為汽油機(jī)和柴油機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要目標(biāo)，也是新技術(shù)研發(fā)的重點(diǎn)方向。目前，多數(shù)內(nèi)燃機(jī)采用油液處理Tier三代技術(shù)，具有電動(dòng)微量噴油引燃[3]特點(diǎn)，其噴油過(guò)程表現(xiàn)出顯著的柔性調(diào)控需求，對(duì)于噴油系統(tǒng)的功能性和結(jié)構(gòu)性的匹配要求較高。為獲得更佳的噴油效果，整個(gè)油液在電動(dòng)噴射過(guò)程中的壓力、軌跡、速度、時(shí)刻點(diǎn)都需要精準(zhǔn)的控制[4]。為滿足以上要求，本文將高速電磁閥應(yīng)用于柴油機(jī)噴油系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高壓共軌效應(yīng)[5]，使得噴油系統(tǒng)的響應(yīng)效率、極限噴射壓力、量化控制等方面有著顯著的提升，最終實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的效果。

為適應(yīng)噴油系統(tǒng)的工作環(huán)境，將高速電磁閥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)改進(jìn)為永磁與勵(lì)磁可調(diào)節(jié)配比提供電磁力的方式，從而衍生出磁極分離和凸緣獨(dú)立控制的結(jié)構(gòu)。柴油機(jī)噴油系統(tǒng)內(nèi)采用的高速電磁閥為軟磁材料，相比傳統(tǒng)硬磁材料更便于組合式提供動(dòng)力，其磁感應(yīng)飽和敏感度較高，因此對(duì)磁力的響應(yīng)更迅速。因此，高速電磁閥在提升響應(yīng)效率、電磁力的前提下，可實(shí)現(xiàn)更小的體積和功耗，有著良好的應(yīng)用前景。

1 電磁力變化規(guī)律

1.1 工作原理

高速電磁閥特有的機(jī)械屬性決定了其具有良好的控制精度、響應(yīng)效率以及工作可靠性。無(wú)論是在靜態(tài)承載還是連續(xù)動(dòng)作過(guò)程中，其均能夠表現(xiàn)出較高的磁力和反饋敏感度。低發(fā)熱功耗、穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)力和快速反應(yīng)作為柴油機(jī)噴油系統(tǒng)最重要的性能要求之一，主要由復(fù)合型的磁路來(lái)實(shí)現(xiàn)。目前，螺線管是高速電磁閥普遍的基本框架結(jié)構(gòu)，在國(guó)內(nèi)外內(nèi)燃機(jī)噴油系統(tǒng)中均有廣泛的應(yīng)用。在螺線管結(jié)構(gòu)框架下，高速電磁閥可分為3個(gè)基本部件：驅(qū)動(dòng)線圈及外圍連接件、鐵心和銜鐵。基本部件之間主要由具有不導(dǎo)磁外殼、高溫不分解的密封樹(shù)脂、排線以及定位組件進(jìn)行連接，以實(shí)現(xiàn)不同工作環(huán)境下的噴油控制要求。

高速電磁閥內(nèi)部的結(jié)構(gòu)具有功能性，比如，不同位置的阻尼孔結(jié)構(gòu)不同，以適應(yīng)載荷變化，緩解銜鐵的形變問(wèn)題；衍生出的凸緣結(jié)構(gòu)有效地增大磁力接觸面積，提高整體空間的利用效率，從而減小框架尺寸。這些顯著的功能性結(jié)構(gòu)有效地改善傳統(tǒng)電磁閥出現(xiàn)的問(wèn)題，使得其在電噴系統(tǒng)中的應(yīng)用效果更佳，整體的質(zhì)量和燃油阻力更小，功耗也明顯降低。

1.2 電流與受力特性

通過(guò)電磁閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)的測(cè)試，可得出高速（新型）電磁閥和傳統(tǒng)電磁閥的電磁力在不同線圈電流下的變化特性，如圖1所示。研究結(jié)果表明：電磁鐵的鐵心與擋鐵的兩端面之間在斷電和通電兩種狀態(tài)時(shí)的距離對(duì)電磁力的影響較為顯著；當(dāng)不同電磁閥的電磁組為恒定數(shù)值時(shí)，電磁閥受力與線圈電流的二次方表現(xiàn)出正比例關(guān)系；當(dāng)線圈電流的數(shù)值較小時(shí)，磁場(chǎng)達(dá)不到飽和狀態(tài)，導(dǎo)致磁阻不受其他因素影響，而載荷顯著增大；隨著線圈電流的增強(qiáng)，內(nèi)部磁場(chǎng)的范圍增大，將涵蓋整個(gè)區(qū)域，使得磁強(qiáng)趨于飽和，導(dǎo)致磁阻顯著增大，而載荷出現(xiàn)降低趨勢(shì)；由于高速電磁閥具有復(fù)合性，在電流作用下的磁場(chǎng)為永磁結(jié)構(gòu)和電磁結(jié)構(gòu)結(jié)合的結(jié)果，因此，工作時(shí)的整體磁通量更大，對(duì)于磁力的可控范圍更大；當(dāng)電磁鐵行程為0.18 mm時(shí)，電磁力的變化量相比0.1 mm條件下的電磁力降低了30%以上。由于高速電磁閥的功率較大，因此應(yīng)滿足嚴(yán)格的線圈散熱標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)電磁閥功耗的優(yōu)化，提升工作穩(wěn)定性。

圖1 不同電磁鐵驅(qū)動(dòng)電流下的電磁力變化

1.3 氣隙特性

高速電磁閥的氣隙主要表現(xiàn)為電磁鐵的行程，是影響閥口位移的關(guān)鍵參數(shù)，在一定程度上也表征著載荷和位移的相互關(guān)聯(lián)[6]。根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試，可得出不同氣隙下的電磁力變化規(guī)律，如圖2所示。圖中可以看出：在相同的氣隙條件下，高速電磁閥所驅(qū)動(dòng)的磁力值明顯大于傳統(tǒng)電磁閥，平均值提升10%左右；隨著氣隙增大，電磁閥的驅(qū)動(dòng)力急劇下降，這是由于較大的氣隙將顯著提升磁阻的大小；雖然新型高速電磁閥受到綜合磁場(chǎng)的激勵(lì)作用，但是由于氣隙對(duì)磁通量的影響顯著，因此不同類型電磁閥的電磁力在較高的氣隙條件下的數(shù)值非常接近。

圖2 不同氣隙下的電磁力變化

根據(jù)以上分析結(jié)果可知，采用高速電磁閥進(jìn)行噴油控制，可通過(guò)氣隙、電流的有效控制，最終實(shí)現(xiàn)噴油參數(shù)的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)[7]。在復(fù)合磁場(chǎng)的控制下，電磁力的穩(wěn)定性更高，因此，閥內(nèi)銜鐵與鐵心之間的結(jié)合更易于控制。噴油系統(tǒng)內(nèi)的燃油阻力也是電磁力控制的重要參數(shù)之一，通過(guò)高速電磁閥的響應(yīng)速度控制，可有效地降低燃油阻力，提高被控參數(shù)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)效率。

1.4 永磁特性

在高速電磁閥中，永磁特性是確保基礎(chǔ)電磁的關(guān)鍵參數(shù)。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試，可得出不同磁環(huán)高度下的電磁力變化規(guī)律，如圖3所示。圖中可以看出：電磁力總體上隨著永磁環(huán)高度的增大而顯著增大；工作氣隙的增大不會(huì)影響永磁力的變化趨勢(shì)，但在數(shù)值上呈比例倍數(shù)地減小。

圖3 不同磁環(huán)高度下的磁力變化規(guī)律

在高速電磁閥中，永磁效應(yīng)可視為串聯(lián)性的磁動(dòng)力來(lái)源。當(dāng)磁環(huán)的高度逐漸累加時(shí)，磁通量的面積線性增大，但工作磁路受內(nèi)部磁阻的影響，復(fù)合之后的磁場(chǎng)與單獨(dú)永磁條件下的磁力有著較大的差異。

2 電噴系統(tǒng)中的磁場(chǎng)瞬態(tài)特性

2.1 運(yùn)動(dòng)條件下的磁通特性

在新型高速電磁閥應(yīng)用下的電噴系統(tǒng)中，電動(dòng)執(zhí)行元件的穩(wěn)定性和耦合磁場(chǎng)狀態(tài)[8]是決定電噴效果的關(guān)鍵因素。在運(yùn)動(dòng)條件下，磁通的變化規(guī)律如圖4所示。可以看出：當(dāng)電磁閥內(nèi)的線圈電流極值處于單階維持階段時(shí)，不同工作氣隙條件對(duì)磁通的影響非常小；由于高數(shù)值電壓對(duì)電流極值的激勵(lì)作用顯著，為確保電流響應(yīng)速率，需降低或弱化渦流效應(yīng)[9]，此時(shí)表現(xiàn)出的磁通量較為穩(wěn)定；運(yùn)動(dòng)磁場(chǎng)一定程度上會(huì)降低銜鐵的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，當(dāng)線圈電流增大至二階維持階段時(shí)，線圈磁場(chǎng)產(chǎn)生的渦流效應(yīng)降低，可有效改善銜鐵運(yùn)動(dòng)特性；當(dāng)電磁閥線圈不導(dǎo)通時(shí)，線圈電流將急劇下降，工作氣隙穩(wěn)定在0.1 mm左右；隨著時(shí)間的延續(xù)，線圈運(yùn)動(dòng)磁場(chǎng)的渦流效應(yīng)會(huì)逐漸降低，弱化的磁通有利于較高工作氣隙的可靠性，因此耦合條件下的高氣隙穩(wěn)定更高。

圖4 運(yùn)動(dòng)磁通的對(duì)比

2.2 磁力響應(yīng)

噴油系統(tǒng)中的磁力最大值主要受峰值電流特性影響，這也是決定磁力響應(yīng)效率的關(guān)鍵因素之一。不同峰值電流下的磁力響應(yīng)如圖5所示，可以看出，隨著峰值電流的增大，電磁力呈非線性增大，但增長(zhǎng)率顯著變大。從銜鐵的動(dòng)作時(shí)間上看，隨著峰值電流的增大，電磁鐵釋放的響應(yīng)時(shí)間變長(zhǎng)，但主運(yùn)動(dòng)時(shí)間變化不大。當(dāng)系統(tǒng)處于較高的線圈電流時(shí)，雖然磁力響應(yīng)效率較好，但各個(gè)電子器件的工作功率提升，熱損耗[10]也就顯著增大，不利于銜鐵觸動(dòng)性動(dòng)作的可靠性。因此，在保證熱功率正常的情況下，可一定幅度地增大電流極值。

圖5 不同峰值電流下的磁力響應(yīng)

在柴油機(jī)噴油系統(tǒng)中，油液的流動(dòng)通道有多個(gè)，其中主通道以維持共軌壓力、計(jì)量燃油效率為關(guān)鍵功能，同時(shí)其工作參數(shù)也受電磁閥磁力響應(yīng)控制的影響。在實(shí)際噴油控制時(shí)，需要考慮多個(gè)外界因素，比如進(jìn)氣、水溫、油門開(kāi)度，均以影響系數(shù)的形式來(lái)計(jì)算噴射參數(shù)，對(duì)于電磁閥所控制的提前角與噴油量非常重要。

3 結(jié)束語(yǔ)

柴油機(jī)在燃油效率、驅(qū)動(dòng)功率和可靠性等方面均高于汽油機(jī)，通過(guò)噴油系統(tǒng)的優(yōu)化，可有效地提升柴油機(jī)的應(yīng)用率。將高速電磁閥應(yīng)用在電動(dòng)噴油系統(tǒng)，可顯著改善共軛壓力的控制精度，簡(jiǎn)化電動(dòng)噴油系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)。通過(guò)研究結(jié)論可知，高速電磁閥相比傳統(tǒng)的電磁閥能夠加速電磁能的存儲(chǔ)速度，從而降低銜鐵觸發(fā)的響應(yīng)時(shí)間，并且給予精準(zhǔn)的反饋；較高的峰值電流可有效地抑制磁力衰減，進(jìn)而縮短噴油全過(guò)程的釋放響應(yīng)周期。