內燃機車電磁閥的性能分析和電控燃油系統的設計

王俊杰

（浙江富杰德汽車系統有限公司，臺州 308054）

燃油發動機技術不斷發展，使得燃油機在各領域發揮著重要作用。按照作用的不同，燃油機可劃分為農用機械燃油機和發電站發電燃油機等。燃油機需要解決的關鍵問題是降低油耗，減少排放污染。解決這個問題最根本的方法是改進燃油系統，其中電子控制燃油系統是最理想的形式。傳統機械式燃油系統的工作特性不能滿足現代燃油機運行要求。新型電子控制噴油系統發展迅速。電子技術與控制理論的發展，使得燃油機采用電子控制技術成為可能。目前，國內對電控系統的研究主要集中在小功率汽車等領域，急需建立獨立自主的燃油機電噴控制系統開發平臺。機車采油機采用電子控制技術是必然趨勢。許多發達國家利用燃油機電控噴油技術，研制了具備諸多功能的電控噴油系統，對開發系統的模擬仿真具有重要意義，同時節約了研發實驗的經費投入。

1 內燃機車電控燃油系統

隨著能源環境問題的日益突出，社會對環保提出了高要求。為滿足排放法規要求，燃油機廠積極開展新技術的研究應用。LNG雙燃料發動機的Tier Ⅲ技術與柔性控制密切相關[1]。理想的燃油機燃油噴射系統具有噴油壓力高、噴射定時以及可進行柔性控制等優點。高壓共軌系統具有高噴射壓力等特點，是內燃機行業研究的核心課題。高速電磁閥因具有結構簡單的特性被廣泛應用，但目前面臨低功耗和驅動力矛盾等技術難題。因此，開展新型高速電磁閥的研究對提高系統性能具有重要意義。

2 內燃機電控系統電磁閥性能計算

電子燃油噴射控制系統是燃油機電控系統的核心部分。高速電磁閥是燃油機電控噴油系統中的執行器。為滿足高精度噴射要求，高速電磁閥驅動控制軟硬件設計是燃油機電控系統的關鍵。驅動電流時刻影響發動機的性能，但目前只能通過測試國外產品電流波形推測控制策略[2]。高速電磁閥必須有較大的輸出力才能保證有較快的響應速度。電磁閥靜態特性需要足夠優良，才能體現電磁閥開關工作的應用潛力。

研究利用數值模擬仿真手段分析電噴系統的工作特性，要求數學模型真實完整，具有外推性和代表性，反映真實工作狀態。燃油機系統工作過程劇烈，缸內工作狀態為旋流等劇烈氣旋運動，燃油系統數值計算要建立精確嚴格的數學模型，根據計算所需時間成本選擇適當的模型。電磁閥溢流口的開閉決定噴油始末，閥口關閉燃油被柱塞加壓進入高壓油管。經驗模態分解（Empirical Mode Decomposition，EMD）電 噴 結構的機械式噴油泵用于控制供油結構[3]。內燃機燃燒生成NO，需要利用燃燒模型計算NO生成量，此時可以將NO生成與燃燒過程分開計算。燃油機微粒排放的主要成分是碳煙。燃油中的碳氫發生不完全燃燒產生碳煙。碳煙通常采用NSC模型建立數學模型。傳統工程研究按照設計產品和實驗分析等步驟進行。現代化計算機技術的發展，使得發動機工程領域出現計算機數值模擬計算的新形式。內燃機工作過程復雜多變，高速計算機的使用可提高內燃機的燃燒計算效率。

目前，國內外內燃機工程的研究利用AVLHydsim等軟件進行工作仿真模擬。GT-Fuel是基于N-S方程求解器通用液力系統的計算軟件。GTPower適用于熱流體模擬計算。該研究以管內流體流動方程為基礎，根據研究對象結構施加過程參數。打開GT-Fuel軟件將系統部件按結構劃分模塊，選擇相應模板建立部件對象。模板數據輸入需要相關部件結構完整，建立完整模型，設置初始狀態，依據計算結果反饋信息調整模型參數。EMD16V265H電控燃油機燃油系統零部件模型包括噴油泵機構和進回油管路機構等。凸輪型線選擇Profile[4]。泵腔初始容積設為13 000 mm3，管路初始壁溫度設為300 K，油管內徑設為4 mm。為方便運算調整，離散長度設置為可調節。噴嘴需要輸入噴孔數目和壓力室壁厚等參數，針閥要輸入搭接桿直徑和下發干直徑長度等參數。建立部件模型后，將在軟件頁面顯示，用連接模塊完成燃油機燃油系統仿真模型。

為研究電磁閥速度響應特性對噴油系統的影響，需要將電磁閥模塊進行細化建模。將電磁閥劃分為驅動電流模塊和函數關系模塊等。電流模塊用于電磁閥啟動和維持控制電流。相關模塊連接組成電磁閥數值模型。電噴系統電磁閥的主要參數是外商保密內容。通過實驗數據顯示電磁閥維持電流為8～10 A。彈簧預緊力等參數由施工圖紙計算分析設定。彈簧預緊力為50 N，運動件質量為7 g，分析不同啟動電流下的計算結果。電磁閥關閉的響應時間隨啟動電流增大而減小。電磁閥啟動電流的提高可縮短電磁閥關閉的響應時間，選擇28 A的啟動電流較合適。隨著彈簧剛度的增加，電磁閥開啟時間縮短，彈簧剛度選擇100 N·mm-1。電磁閥安裝在噴油泵的固定位置，設置perfect方案代表電磁閥處于理想狀態。在標定工況供油提角為18°時，上止點前（Before Top Desd Center，BTDC）關閉。供油持續期在32 ℃下進行，電磁閥響應速度的加快有利于提升噴油壓力。因此，合理的電磁閥參數組合為啟動電流28 A、彈簧預緊力50 N、運動件質量7 g。

3 燃油系統電磁閥運動件的計算設計

隨著發動機電控技術的發展，高速電磁閥越來越重要。它是電控共軌式燃油噴射系統的重要部分，所需的快速響應能力對系統控制精度具有重要影響。引進EMD電控燃油系統國產化先進技術，考慮電噴系統電磁閥工作環境的惡劣性，需要研究分析其性能對閥芯的有限元計算。電磁閥彈簧對響應速度有很大影響。彈簧性能的可靠性影響系統的正常運行。以ANSYS軟件為研究平臺，分析得到零件內部應力的分布情況，模擬實際工程狀態，針對系統設計的不足進行優化改進[5]。

電磁閥結構使得彈簧均勻受力并作用于平面。電磁閥彈簧為變節距彈簧，加工成型淬火后采用中溫回火熱處理，可得到較高的彈簧強度極限。彈簧模型利用三維建模軟件Pro/E建立，對細小結構部分進行簡化處理可以模擬彈簧的工作狀態。將三維模型形式轉存為JGES格式，得到單元數為18 030的有限元網格模型。彈簧預緊力為50 N，仿真計算選擇60 ℃的均勻溫度。彈簧左端平面施加固定約束，右端平面施加50 N的向左力，模擬彈簧在電磁閥受向左壓縮預緊力的工作狀態，計算得到最大應力為639 MPa。模擬彈簧在電磁閥中0.3 mm的工作行程，彈簧材料最大強度極限不小于2 000 MPa，計算安全系數滿足強度要求。采用Equivalent法判定材料是否產生塑性屈服疲勞失效。應變力包括穩定隨機應變力等。穩定應變力彈簧疲勞強度的計算可用最大應力點進行驗算。通過計算最大應力點繪制疲勞極限應力圖，以判斷彈簧的疲勞壽命。彈簧循環盈利幅值為121.5。

電磁閥彈簧實際工作環境復雜，材料內部平均交變應力值較大。由于屈服極限減小，彈簧零件產生塑性屈服。零件結構的優化設計可以確定零部件結構最優的設計方案。彈簧工作時，由于結構設計問題出現應力不集中現象，對工作性能產生影響。分析發現，彈簧最外圈簧絲端面倒圓角不用改變工作性就可以解決應力問題。以彈簧最大應力為目標函數，計算發現圓角半徑為0.5 mm時最大應力值最小[6]。彈簧工作在較小頻率的穩定環境中，結構不會產生明顯集中。將彈簧結構改為過渡面倒圓角形狀，最大應力點出現在工作圈內圈接觸處，與原來最大應力882 MPa相比減少了140 MPa。電磁閥閥芯的性能結構對開閉響應速度有重要影響，可通過開孔方式減小閥芯質量使結構變薄。這需要對高頻運動閥芯進行強度計算分析。EMD電磁閥芯利用軟件仿真計算強度，如圖1所示。計算分析零件模型，設計時取較小安全系數，使電磁閥芯等結構小巧緊湊。

圖1 EMD電磁閥芯剖面示意圖

汽油機以電噴系統代替化油器系統。大功率機車領域，國家對原來機械式噴油系統燃油機進行電噴化改造實驗，使得燃油機大多數產品可實現噴油系統電噴化。電噴技術開發需要大量的數據積累，核心電噴技術被國外大公司掌握，目前可實現電噴化路線包括電控單體泵系統等。國產機車燃油機配置噴油系統為傳統機械式泵管嘴系統，電噴化改造對原機改造可做到最小[7]。由于缺乏核心電噴技術，導致產品成本偏高。以12V240ZJH燃油機燃油系統為研究對象，通過模擬計算可采用數據圖形顯示噴油系統改造前后的性能。搭建燃油機燃油系統計算模型，分析原機燃油系統的工作性能，原機針閥升程最大值為0.6 mm，噴油泵柱塞凸輪速度最大值為0.643 mm·（°）-1。通過計算，軟件數值的模擬結果與工作實驗數據最大值的誤差最小，說明利用軟件模擬可以反映原機實際的工作特性。改進后，電噴系統可與原機有較好的互換性，以原機械式系統為基礎去掉螺旋線槽，以電磁閥開關控制供油始末[8]。對模型噴油模塊進行改變，電控泵模塊取消機械式模塊供油螺旋線，提供接口加裝電磁閥系統，將原機噴油系統等壓式出油閥去掉。電噴系統噴油壓強比機械式系統高3.4 MPa，噴油持續期縮小0.4°的驅動轉角，更有利于形成噴霧。

4 結語

使用ANSYS軟件進行數值仿真計算，計算分析電磁閥基本參數對響應速度和整機燃油排放性能的影響。以仿真模型計算得到的數據為載荷依據，優化設計彈簧結構，通過研究得出電磁閥的運行參數。根據國產機車燃油機現狀，利用數值仿真手段研究噴油特性，系統展現12V240ZJH燃油機噴油系統電噴化改進后的運行參數，可為國產機車燃油系統的電噴化改進提供參考。