船用柴油機起動電磁閥性能仿真試驗研究

霍柏琦，韓錫嶺，葉春陽，楊 多，賀玉海,4,5

(1.中國人民解放軍92942 部隊，北京 100161；2.中國人民解放軍92337 部隊，遼寧 大連 116023；3.武漢理工大學 船海與能源動力工程學院，湖北 武漢 430063；4.武漢理工大學 船舶動力工程技術交通行業重點實驗室，湖北 武漢 430063；5.武漢理工大學 船舶與海洋工程動力系統國家工程實驗室電控分實驗室，湖北 武漢 430063)

0 引言

冷起動的難易程度是柴油機的一個重要性能指標[1]，對于船用柴油機來說，因可能服務于極限惡劣條件，甚至是最重要的安全與運行性能指標[2]。對于一般的柴油機而言，在不加裝電熱塞、起動液、進氣空氣預熱等特殊冷起動措施的情況下，一般要求在-5℃的環境下能迅速可靠起動，而在-40℃時利用一些輔助裝置也能迅速起動[3–4]。對于船用柴油機，根據船規要求，即使機艙溫度低至5℃～8℃，可無須暖機也能快速順利起動起來[5]。大中型船用柴油機由于壓縮比高、轉動慣量和起動扭矩大等原因，通常采用壓縮空氣起動系統[6]，即將具有一定壓力（2.4～3.2 MPa）的壓縮空氣，按柴油機的發火順序在其工作（膨脹）行程時引入氣缸，代替燃氣推動活塞，使柴油機達到起動轉速，完成自行著火[7]。其優點是產生起動力矩大，起動迅速可靠，對外界環境溫度不敏感，可在–30℃的情況下可靠起動[8]。另外，對于船用大功率發動機，在倒順車運轉時還可利用壓縮空氣來剎車和幫助操縱[2]。

現代船用柴油機起動系統不僅要求保證柴油機能迅速可靠起動起來，同時還要求消耗的能量（壓縮空氣量）盡可能少，并易于實現機艙自動化和遙控，這只有在電控空氣起動系統才能實現[9–11]。起動電磁閥作為柴油機電控空氣起動系統的關重件之一[12]，其作用相當于原空氣分配器，控制壓縮空氣啟、閉缸蓋起動控制閥；將壓縮空氣送入處于膨脹做功沖程中的氣缸，壓縮空氣在氣缸內膨脹并推動活塞向下止點運動，經連桿將活塞往復運動轉換為曲軸旋轉運動；隨后在慣性作用下，柴油機自行壓縮著火運轉[13]。

本文研究的起動電磁閥應用于某V 型16 缸船用柴油機的起動系統，如圖1 所示。其由電子空氣分配器、起動電磁閥、缸蓋起動控制閥、主起動閥、起動空氣管路及高壓氣源等部件組成。電子空氣分配器主要功能組件為8 個按發火順序排列的位置傳感器，以及與凸輪軸相連的鋼質飛塊；當凸輪軸旋轉時，對應位置的傳感器獲得接近信號，從而控制對應氣缸電磁閥動作。信號放大器根據傳感器獲得的信號控制固態繼電器導通或者斷開，給對應氣缸的起動電磁閥控制電流（24 V，1 A）。電磁閥為二位三通電磁閥，當得到控制電流時動作，使3.2 MPa 主起動空氣進入缸蓋起動控制閥，控制缸蓋起動控制閥開啟；當失去控制電流時復位，使柴油機缸蓋起動控制閥及其控制管路中的壓縮空氣泄放，從而使缸蓋起動控制閥關閉。

圖1 某V 型船用柴油機起動系統的原理圖Fig.1 Schematic diagram of a V-type ship diesel engine starting system

1 起動電磁閥的結構與工作原理

本文研究的起動電磁閥是一種二位三通、常閉式、高壓氣動電磁閥，其內部結構如圖2 所示，主要由靜磁閥芯、電磁線圈、動閥芯、復位彈簧、閥體和接線模塊等組成。該閥有3 個出入氣口，其中進氣口P為高壓空氣入口，與上游高壓氣源裝置（泵站）連通；工作口A接負載，與閥控對象如氣缸起動閥的控制腔室連通；排氣口T為泄壓排空口，與大氣連通。

圖2 起動電磁閥的內部結構圖Fig.2 Internal structure diagram of starting solenoid valve

如圖2 所示，當電磁閥處于“關”位置時，即進氣口P關閉，工作口A和排氣口T連通，電磁線圈斷電，復位彈簧帶動動閥芯向下移動，并施加一定的密封力，使進氣口下密封墊與閥體的刃口之間形成密封，從而使進氣口P關閉。氣流由工作口A進入，通過動閥芯外圓面的導流槽，進入動閥芯與磁靜閥芯之間的間隙，最后通過排氣口T排放。

相反，當電磁閥處于“開”位置時，即排氣口T關閉，進氣口P和工作口A連通，電磁線圈通電，磁靜鐵芯產生電磁力,克服復位彈簧的阻力并在介質作用力下帶動動閥芯向上移動,使排氣口上密封墊與磁靜閥芯的刃口形成密封，從而使排氣口T關閉。氣流由進氣口P進入，通過閥體與動閥芯之間的空腔，進入工作口A，驅動負載工作。

2 起動電磁閥的建模

2.1 起動電磁閥的數學模型

根據上述起動電磁閥的結構和工作原理分析，其受力模型可簡化成一個由質量、彈簀、阻尼組成的機械系統，如圖3 所示[14]。

圖3 起動電磁閥中動閥芯的受力圖Fig.3 Force diagram of moving spool in starting solenoid valve

根據牛頓第二定律，起動電磁閥動閥芯受力的平衡方程為：

根據麥克斯韋電磁場方程組：

從而得到：

式中：?為磁通量，Wb；B為磁感應強度，T；I為電磁閥線圈的實際電流，A；N為線圈匝數；A為電磁鐵的有效吸合面積，mm2；l為磁回路的平均長度，mm；δ 為工作氣隙，mm；∑Rm為磁路的總磁阻，H；μ0為真空磁導率，μ為磁鐵導磁率，一般μ ?μ0。

2.2 起動電磁閥的仿真模型

Ansoft Maxwell 2D/3D 軟件利用有限元離散形式，將麥克斯韋電磁場微分方程組的計算變換為矩陣進行求解。該軟件是目前處理低頻電磁場問題的最常用軟件之一，其仿真計算步驟主要包括10 個部分[15]。

1）問題定義：本文起動電磁閥中電磁鐵的軸對稱結構，決定了其磁力線分布為空間軸對稱。對比二維和三維電磁鐵模型的仿真計算過程及資源消耗，發現2 種計算結果及計算精度基本一致，而二維（平面）模型尺寸小，可節省計算機資源，計算速度快、降低仿真時間成本。因此，對電磁鐵仿真采用Ansys Maxwell 2D 建模。

2）選擇求解器類型：對起動電磁閥進行靜態特性仿真計算時，主要分析電磁鐵在穩態工況下的電磁性能，因而選用靜磁場求解器；而在進行動態特性仿真時，需要研究閥芯的運動過程，其激勵電流和磁場等屬于瞬態場，因此選擇瞬態求解器。

3）繪制幾何模型：考慮到起動電磁閥內部的密封墊、O 型密封圈等零部件為非磁性材料；復位彈簧材料雖然導磁，但考慮到其螺旋結構且彈簧力預加載在動閥芯上。因此在繪制幾何模型時都可以忽略，起動電磁閥二維模型如圖4 所示。

圖4 起動電磁閥的二維模型圖Fig.4 2D model diagram of starting solenoid valve

4）設置材料屬性定義：按照實際所用材料設置。將線圈骨架材料設置為Teflon（聚四氟乙烯），靜閥芯、墊片、外殼設置為軟磁材料DT4（工業純鐵），動閥芯設置為1Cr13，電磁線圈的材料設置為copper（銅）；由于空氣和真空的磁導率相差很小，所以將求解域填充材料設置為Vacuum（真空）。

5）定義邊界條件：Ansys Maxwell 軟件靜磁場求解器中包含有主從、對稱、矢量磁位、氣球以及自然等5 種邊界條件，為對無窮遠處進行求解，仿真模型采用氣球（無窮遠）邊界條件。

6）添加激勵源：起動電磁閥的工作電壓為DC 24 V，因此激勵源選定電壓原，即可在電磁線圈上施加24 V 直流電壓激勵。

7）運動選項設置：起動電磁閥的動閥芯作直線運動，最大行程1.1 mm，質量45 g，初速度為0；復位彈簧剛度1.6 N/mm、初始負載力為-20.8 N，且隨著動閥芯的運動，彈簧負載逐漸增大。

8）網格劃分：靜磁場和渦流場選定自適應網格方法，瞬態場中也可導入靜態場的自適應網格。即通過advanced import mesh 中完成網格劃分。

9）求解參數設定：仿真時間120 ms，步長1 ms；求解設置定義最大收斂步數為15，收斂百分比誤差為0.2%；每步細化百分比為25%，非線性殘差0.000 1。

10）求解及后處理：完成上述參數設置好后進行模型自檢，若所有步驟都正確，則可以開始求解。待求解結束后，即可執行命令查看相應仿真計算的結果。

3 起動電磁閥仿真模型的試驗驗證

3.1 起動電磁閥及專項試驗臺研制

自主研制的起動電磁閥，主要性能指標目標值如表1 所示。為了模擬起動電磁閥的使用環境，研制了測試環境模擬裝置[16]，主要由溫濕度控制器、空氣加濕器、空氣加熱器、溫濕度表和保溫外罩等組成。試驗測試結果表明，起動電磁閥的工作環境滿足GJB 1060-1991《艦船環境條件要求》規定，即水面艦船艙內的柴油機等動力系統設備應滿足溫度55℃、相對濕度95%的環境條件。

表1 起動電磁閥主要性能指標Tab.1 The main performance of starting solenoid valve

自主研制的柴油機起動電磁閥綜合性能測試平臺，主要包括高壓控制泵站（氣源）、船用柴油機壓縮空氣起動系統模擬裝置、傳感器及試驗平臺測控系統等，各傳感器的性能見表2。

表2 試驗臺傳感器參數列表Tab.2 Sensor parameter list of test bed

3.2 起動電磁閥性能測試與仿真計算結果對比分析

為了驗證所建起動電磁閥仿真模型的準確性，同時也為檢驗試驗測試結果的正確性，將試驗測試條件、試驗工況及控制參數等信息加載到起動電磁閥Ansys Maxwell 2D 仿真模型中，計算閥芯位移、控制腔壓力、勵磁電流及功率等參數，并與試驗數據進行對比。

在起動電磁閥額定工作條件下，記錄仿真計算和實驗平臺測試的控制腔壓力曲線，如圖5 所示，其是該閥工作3 個周期的對比圖。為更清楚測量起動電磁閥的開啟和關閉響應時間，對圖5 中第2 個動作周期中的開啟和關閉過程的壓力曲線進行局部放大，如圖6 所示。

圖5 實測與仿真曲線對比圖Fig.5 Comparison of measured and simulated curves

圖6 閥腔壓力曲線及局部放大圖Fig.6 Pressure curve of valve chamber and local enlarged view

從圖5 可知，起動電磁閥閥腔壓力仿真計算與實測曲線變化趨勢基本一致。以第2 個周期為例，計算其啟、閉響應時間并于實測值對比，如表3 所示。

表3 啟、閉響應時間的仿真計算值與實測值對比Tab.3 Comparison of simulation and measured values of start and close response times

可知，起動電磁閥啟、閉響應時間的實測值均大于仿真值。這主要是因為起動電磁閥的物理模型作了部分簡化，比如未考慮動閥芯等運動件摩擦力、不平衡氣動力等因素；其次是忽略了電磁鐵及電磁線圈中的磁滯效應和渦流效應。但閥腔壓力實測與仿真曲線變化趨勢一致，且計算得到的開啟和關閉響應時間的誤差較小（低于3%），可以驗證所建起動電磁閥有限元模型的合理性和正確性，模型精度可以滿足性能分析要求。

4 起動電磁閥的性能仿真分析

4.1 靜態性能仿真分析

起動電磁閥靜態特性反映了電磁鐵的電磁學特性。它揭示了電磁鐵工作的最大潛力，即電磁吸力極限值[17]。在電磁閥結構形式及磁場一定情況下，電磁力主要取決于工作氣隙（動鐵芯與靜鐵芯之間的距離）和驅動電壓。本文的起動電磁閥工作氣隙范圍為0～1.1 mm，驅動電壓為DC24V±20%。為探究在不同工作氣隙、不同驅動電壓下電磁鐵的工作能力，仿真計算結果如圖7 和圖8 所示。

圖7 電磁力與工作氣隙及驅動電壓關系曲線Fig.7 Relation curve between electromagnetic force and working air gap &driving voltage

圖8 不同驅動電壓下磁感應強度云圖Fig.8 Cloud diagram of magnetic induction intensity under different driving voltages

由圖7 可知，電磁力隨著工作氣隙的增大而減小，同樣工作氣隙下，驅動電壓越低，電磁力越小。根據指標要求，本文設計的電磁閥初始工作氣隙為1.1 mm，可在工作電壓24V±20%的范圍內穩定工作。由圖7 還可知，在初始工作氣隙1.1 mm、動閥芯收到的外部負載和自身重力45 g，以及彈簧力-20.8 N、剛度1.6 N/mm，工作電壓分別為19.2 V、24 V 和28.8 V時，其產生的電磁力分別為40.77 N、58.21 N 和73.81 N，都大于外部負載阻力，滿足工作要求。

4.2 動態性能仿真分析

起動電磁閥靜態特性仿真分析，在一定程度上可以驗證和優化電磁閥所產生的最大電磁力，但無法獲知電磁閥具體的響應參數，如開啟、關閉響應時間。在電磁閥實際工作中，電磁線圈受到電壓信號激勵后，勵磁電流、動閥芯位移和電磁力等物理量都會隨時間變化而變化，這種規律稱為起動電磁閥的動態特性[18]。動態特性分析可以很容易獲取開啟響應時間等關鍵參數。

4.2.1 起動電磁閥開啟響應時間分析

起動電磁閥的關閉響應時間主要受復位彈簧的作用，本文只分析開啟過程的響應時間。當柴油機起動控制系統發出起動指令后，起動電磁閥驅動電路接收起動信號后電磁鐵通電，電磁線圈中電流（見圖9）從零快速增長，但由于電磁線圈中電阻和電感（見圖10）的存在，阻礙勵磁電流的上升速度，勵磁電流按指數曲線的規律逐漸上升。當勵磁電流增加至300.54 mA時，電磁力（見圖11）達到21.24 N，電磁吸力克服動閥芯負載阻力，動閥芯開始運動（見圖12），此時，響應時間為22.4 ms，即為電磁延遲時間。經過電磁延遲時間后，動閥芯運動后使得靜鐵芯和動閥芯（銜鐵）之間的工作氣隙減小，進而使工作氣隙內的磁阻減小，同時使線圈的電感直線陡升，引起一個反電動勢，使電磁線圈中的電流減小；但由于工作氣隙減小使得磁阻降低，因而電磁力仍將進一步上升，驅動閥芯運動。當動閥芯達到終點（限位）位置時，工作氣隙達到最小值（即殘余氣隙），線圈電感不再變化，此時反電勢不復存在。隨后，電磁線圈中的勵磁電流、磁通以及電磁力繼續增加至最大值并維持不變。從動閥芯開始運動到停止運動，線圈內的電流處于下降過程，此段時間稱為動閥芯機械運動時間，即機械延遲5 ms。因此，電磁閥的開啟響應時間為27.4 ms。

圖9 起動電磁閥開啟過程中的線圈電流曲線Fig.9 Coil current curve in the opening process of starting solenoid valve

圖10 起動電磁閥開啟過程中的線圈電感曲線Fig.10 Coil inductance curve in the opening process of starting solenoid valve

圖11 起動電磁閥開啟過程中的電磁力曲線Fig.11 Electromagnetic force curve during the opening of the starting solenoid valve

圖12 起動電磁閥開啟過程中的動閥芯位移曲線Fig.12 Spool displacement curve in the opening process of starting solenoid valve

4.2.2 驅動電壓對開啟響應時間的影響

船舶上供電電源的電壓在工作過程中難免有波動，起動電磁閥要求在直流電源電壓24 V±20%內都能正常工作，因此有必要探討在電壓上、下限值下的起動電磁閥的工作性能[19]。圖13、圖14 和圖15 分別為驅動電壓為19.2 V、24 V 和28.8 V 時，電磁線圈勵磁電流、電磁力和動閥芯位移隨時間的變化曲線。由圖13～圖15 可知，隨著驅動電壓的降低，電磁線圈中電流增長的速率及峰值降低，電磁力增長的速度及能達到的最大電磁力也減小，動閥芯雖然都可以達到最大開度但開啟響應時間在增加，其對應的開啟響應時間為20.1 ms、26.0 ms、38.2 ms。由此可見，電源壓力波動過大會影響起動電磁閥的動態響應性能，在進行起動電磁閥性能優化設計時應考慮其寬電壓的適應能力；另一方面，提高電源的驅動電壓有利于縮短起動電磁閥的開啟響應時間。

圖13 不同驅動電壓下的電流變化曲線Fig.13 Current curves under different driving voltages

圖14 不同驅動電壓下的電磁力變化曲線Fig.14 Electromagnetic force curves under different driving voltages

圖15 不同驅動電壓下的閥芯位移變化曲線Fig.15 Spool displacement curves under different driving voltages

4.2.3 動閥芯行程對開啟響應時間的影響

起動電磁閥在開啟過程中，不同工作氣隙下的勵磁電流、電磁力和閥芯位移隨時間變化而變化；且最大工作氣隙（即動閥芯行程）不同時，其變化規律亦不相同。圖16～圖18 分別為動閥芯行程為0.8 mm、1.0 mm 和1.1 mm 時，勵磁電流、電磁力及動閥芯位移隨時間的變化曲線。由圖可知，隨著動閥芯行程的增加，勵磁電流和電磁力逐步減小，開啟響應時間分別為21 ms、25 ms 和26 ms。這是因為電磁吸力與工作氣隙的平方成反比，即電磁力隨著氣隙的增大而迅速減小。同時，電磁鐵磁路上的漏磁通也會隨著氣隙寬度的增大而增加，導致通過銜鐵的主磁通量（即工作磁通）減小，使得電磁力進一步減小，導致開啟響應時間增大。因此，在滿足起動電磁閥流通能力（閥芯開度）要求下，可通過減小動閥芯行程（最大工作氣隙）來縮短起動電磁閥的開啟響應時間。

圖16 不同工作氣隙下的電流變化曲線Fig.16 Current curves under different working air gaps

圖17 不同工作氣隙下的電磁力變化曲線Fig.17 Electromagnetic force curves under different working air gaps

圖18 不同工作氣隙下的閥芯位移變化曲線Fig.18 Spool displacement curves under different working air gaps

5 結語

起動電磁閥是船用柴油機電控壓縮空氣起動系統的關鍵執行部件，通過本文研究可得如下結論：

1）利用Ansys Maxwell 軟件建立起動電磁閥有限元仿真模型，經過試驗驗證表明，起動電磁閥的開啟、關閉響應時間的誤差分別為2.3%和2.8%，利用該模型可以為起動電磁閥的性能預測、優化設計和配機試驗提供技術指導。

2）提高起動電磁閥驅動電壓，有利于提高電磁線圈電流和電磁力，從而縮短開啟響應時間。減小靜鐵芯與動閥芯之間的工作氣隙，有利于提升電磁線圈電流和電磁力增長速率，進而縮短開啟響應時間。

3）自主研制的起動電磁閥在響應時間等關鍵指標上滿足設計目標要求，且在寬域電壓波動下，電磁力及響應時間仍可滿足柴油機快速、可靠起動的要求。