高速强力电磁阀的动态响应特性

    摘要:  高速强力电磁阀是决定柴油机电控燃油喷射系统性能的关键部件。 通过高速强力电磁阀驱动特性的理论分析 , 并在此基础上进行了大量试验 ,改变各试验参数 ,探索出各参数对电磁阀动态响应特性影响的实际情况。发现影响电磁阀关闭速度的主要因素是驱动电压的大小; 影响电磁阀开启速度的主要因素是回位弹簧的预紧力但此力不能过大以免引起电磁阀工作不正常。这些结论为系统参数的选择和匹配提供了依据 , 并可在应用中降低发动机的排放和油耗。

　　关键词: 高速强力电磁阀; 动态特性 ; 柴油机喷油系统为了满足日益严格的排放限制,进一步提高柴在时间控制式电控柴油喷射系统和压力时间控 制的共轨式柴油喷射系统中,燃油喷射的控制都要 通过电磁阀来实现[2 ]。 尤其在时间控制式电控柴油喷射系统中,喷射定时和喷油量都由所应用的高速 强力电磁阀决定[3, 4 ]。其动态响应特性直接影响燃油喷射压力的建立及喷射后期燃油压力的卸载速度等 喷射特性,影响到发动机的燃烧状况,即影响发动机 的燃油经济性和排放[5 ]。

　　本文以高速强力电磁阀为研究对象,通过对其 驱动特性进行理论分析,并在此基础上进行了大量 对比试验,摸索出了各驱动参数对电磁阀动态响应 特性影响的实际情况,为电磁阀驱动参数的选择和 匹配提供了依据。

　　高速强力电磁阀的工作原理1.1 阀的工作过程图 1是清华大学发动机控制组开发主要用于电控直列泵- 管- 阀- 嘴燃油喷射系统的高低压平衡式高速强力电磁阀的结构简

　　其工作过程可划分为以下 4个阶段。

　　（1)关闭过程根据喷射控制的要求,电控单元在特定时刻发 出控制脉冲给电磁阀的驱动模块。 驱动模块提供高的峰值驱动电压,电磁阀对飞铁产生电磁吸力,当电 磁吸力大于回位弹簧预紧力时,飞铁带动阀杆一起 向上运动,快速关闭阀口。

　　（2)闭合状态电磁阀完全闭合后,驱动模块提供低的维持驱动电压,线圈电流降低到使电磁阀产生的作用力维油机的燃油经济性、动力性和运行可靠性,采用电控技术已成为当代柴油机发展的一个主要方向。 电控柴油机的核心部分是电控燃油喷射系统。 电控燃油喷射系统有多种多样的结构形式,不同的系统应用 于不同的领域[1 ]。

　　高低压平衡式高速强力电磁阀持飞铁和阀杆不动,阀口可靠闭合。 此时,喷油泵柱塞的上升运动使喷射系统中燃油压力急剧升高,当嘴端压力高于喷嘴开启压力时, 针阀打开, 喷射开始。

　　（3)开启过程当控制脉冲终止、驱动电压切断、电磁阀失电后,电磁作用力迅速消失,在回位弹簧的作用下,飞 铁和阀杆向下运动,直到电磁阀完全打开。在开启过程中,高压燃油经阀口快速泄流,喷射终止。

　　（4）全开状态电磁阀完全打开后,喷油泵即使继续上升,也只能使从柱塞顶到电磁阀之间受压的燃油经打开的阀 口高速泄流,回到低压系统。

　　阀的响应特性对系统工作特性的影响应用于电控燃油喷射系统的高速强力电磁阀应具有很好的快速响应性能,主要原因有以下几方面。

　　由式( 1)可知,在电磁阀的关闭过程中,为缩短响应时间,希望电磁力增大,回位弹簧作用力、液体阻力、飞铁与阀杆的重力以及飞铁和阀杆的质量减小; 在开启过程中,为缩短响应时间,希望电磁作用力迅速减小到零,回位弹簧作用力和重力加大,液体 阻力减小,飞铁和阀杆的质量减小。

　　在阀的关闭和开启过程中,都希望液体阻力很 小。为了减小高压腔、低压腔燃油压力的波动对电磁阀动态响应特性的影响,以及减小维持电磁阀密封 所需的电磁作用力,阀杆的结构已设计成高低压平 衡式,如图 1所示。

　　在阀的关闭和开启过程中,回位弹簧作用力的 大小是矛盾的,所以回位弹簧预紧力的确定是一个 折衷考虑的结果,既不能使关闭过程响应时间过长, 又要确保电磁阀具有足够的回位作用力以缩短电磁 阀的开启时间 to。

　　电磁作用力是电磁阀工作过程中最重要的影响 因素,提高电磁力可以加快电磁阀的关闭速度。

　　2.2 电磁阀的电磁特性方程电磁阀的电磁作用力可用麦克斯韦简化公式表示为B2 A的快速切断和稳定卸载。 阀的缓慢开启会引起卸载过慢、后期喷射等问题,从而恶化发动机的燃烧,降低燃油经济性 ,同时使排放恶化。

　　电磁阀的关闭过程和开启过程响应时间对喷油过程的影响很大,特别是在高速低负荷时,电磁 阀的响应时间一定,但相对于发动机的转角速度变慢,为了能得到稳定的小喷油量,电磁阀的响应时间 应尽可能短。

　　综上分析可知,缩短电磁阀的关闭和开启过程响应时间是实现电控喷射系统良好性能的关键,同 时也是改善发动机综合性能的关键。

　　式中: B 为磁感应强度 ( T ) ; A 为电磁作用面积( m2 ) ; _ 0 为空气磁导率( H /m )。

　　假设磁路未饱和,且铁心中的感应涡流、漏磁及磁路中铁磁体的磁阻均忽略不计,则B =   i N /Ar ,( 3)

　　r =  W/_ 0  A ,

　　式中: i 为线圈电流 ( A); N 为线圈匝数; r 为工作间隙磁阻 ( A /Wb ) ; W为 铁心与飞铁间工作间隙( m )。

　　由式( 2)、 式( 3)和式( 4)得可以清楚地看到,提高电磁线圈的驱动电压,可以明显缩短线圈电流的上升时间和由此可知 ,在电磁阀的结构参数一定的情况下, 电流快速变化到较高值有利于尽快获取较大作用 力。线圈电流的变化率越大 ,达到一定电流值所需时间越短,电磁铁提供较大电磁作用力的时间越短。同时,线圈电流越大,电磁作用力就越大。

　　而在阀的关闭过程中,电控单元驱动模块在接收到控制脉冲信号后,将驱动电压 Ud 作用在电磁线圈上。 若假设电磁线圈的电感 L 保持不变,则线圈中的电流变化规律可以表示为Ud =  i R +   L ( di  /dt ) .

　　在驱动电路中总电阻值很小,在分析电流变化率时可忽略不计,则由式( 6)可知,电流变化率主要由外加驱动电压和线圈电感决定。 提高驱动电压和减小线圈电感均可提高线圈电流变化率,缩短电磁 阀的关闭时间 tc。同时, 提高驱动电压可以增大电磁线圈电流的最大值,提高电磁作用力。

　　系统参数对阀动态响应特性的影响3.1 驱动电压对阀动态响应特性的影响是在回位弹簧预紧力为 120 N, 残余间隙为 0. 095 m m和维持电流为 20 A的条件下,改变驱动电压的试验结果。是在此条件下, 3种不同驱动电压时的驱动电流曲线及电磁阀升程 lt 曲线(中间未注明线为 30 V时的曲线)。

　　 残余间隙对阀动态响应特性的影响由式( 6) 可知,增大铁心与飞铁间工作间隙 W 时,电磁作用力减小。表 2是在驱动电压 24 V , 维持电流 15 A, 回位弹簧预紧力为 120 N 条件下,不同残余间隙时的试验结果。 结果表明,残余间隙减小, 电磁阀关闭时间 tc 稍有缩短,而开启时间 to 也有少量延长。

　　改变残余间隙对阀动态响应特性的影响回位弹簧预紧力对阀动态响应特性的影响从上面的分析可知,回位弹簧的作用力对电磁 阀关闭和开启有很大的影响。 选择合适的回位弹簧预紧力可以使电磁阀关闭和开启时间 to  的调节折衷。

　　是在残余间隙为 95μm , 驱动电压为 30 V和维持电流为 20 A的条件下,改变回位弹簧预紧力的试验结果。图 3是在此条件下, 3种不同预紧力时的电流及电磁阀的升程 l t 曲线 (中间未注明线为140 N 时的曲线)。

　 增大回位弹簧预紧力,使电磁阀的关闭时间 tc 稍微有所延长, 幅度很小; 同时,使电磁阀的开启时间 to 有很大幅度的缩短,为实现高速小油量提供了方便。

　　但是,当回位弹簧预紧力为 160 N 时,电磁阀的关闭已不能精确检测到,即电磁阀升程到达上止点 时刻和峰值电流下降时刻不一致,之间的时间差达0. 120 ms, 这是由于过大提高预紧力后使电磁阀关不同回位弹簧预紧力时的电磁阀升程曲线闭速度变慢,使始点反馈精度变低的结果。 而且,在回位弹簧预紧力很大,而驱动电压较低或维持电流 较小的条件下,可能出现电磁阀不能关闭或关闭后 维持不住的情况。

　　所以,在选择回位弹簧预紧力时,应该在电磁阀能很正常工作的前提下,尽量缩短其开启时间 to , 同时要选择相应的驱动电压与其匹配。

　　维持电流对阀动态响应特性的影响提高维持电流可以增大电磁阀闭合状态时的电磁作用力。当回位弹簧预紧力很大时 ,较小的维持电流可能使电磁阀在闭合状态时由于电磁力不够而开启。是驱动电压为 24 V, 残余间隙为 0. 15 m m 和回位弹簧预紧力为 120 N的条件下,维持电流分别为 10, 20和 24 A时电磁阀响应速度, 嘴端最大喷射压力 pmax和喷油量 Fv (每 200循环 )的试验结果。图 4是相应条件下的驱动电流、电磁阀升程 l t 及嘴端喷射压力 p 曲线 (中间未注明线为 20 A时的曲线)。 由试验数据和图形可以看出,在 3种不同维持电流时,电磁阀的动态响应速度没有变化,升程曲 线相近,所以改变维持电流不影响电磁阀的速度响 应特性。 但是 ,提高维持电流后,电磁阀的动态密封变好,嘴端最大喷射压力有所提高,曲线变得饱满, 而且喷射油量也有提高。

　　改变维持电流对阀动态响应特性的影响不同维持电流时的电流、升程及压力波曲线结束语综合以上理论分析和试验结果表明,电磁阀的 动态响应速度主要取决于驱动电压、 回位弹簧预紧力和维持电流等因素。 对电磁阀关闭时间影响最大的因素是驱动电压; 而对电磁阀开启时间影响最大的因素是回位弹簧的预紧力。但是 ,单方面加大回位弹簧预紧力可能使电磁阀不能正常工作,需要有合 适的驱动电压和维持电流与之匹配。 从而得到了各驱动参数对电磁阀动态响应特性影响的实际情况, 为电磁阀各驱动参数的选择和匹配提供了可靠的依据,为电磁阀的进一步开发和及其驱动装置的设计 提供了参考,同时也为电控燃油喷射系统性能的优 化匹配提供了帮助。在整机试验中 ,发动机的经济性和排放都有很大程度的改善。

　　采用浮稳性理论计算得到的气浮结构的稳心半 径与模型试验和现场试验的测算值非常吻合。 由气浮结构静稳性分析理论得到的初稳性高与由气浮浮 态理论分析得到的静稳性曲线的斜率值吻合,表明 气浮结构的两种分析理论得到了相互验证。 这些说明本文建立的气浮结构的静稳性分析理论是符合实 际情况的,可以在工程中应用。

　　参考文献

[ 1 ] 杜传进. 电控直列泵 管 阀 嘴系统机械和液力特性的研究

[ 2 ] 卢启龙. 电控直列泵 管 阀 嘴柴油喷射系统高速强力电磁阀的研究 [ D]. 北京: 清华大学 , 1998.

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[ 5 ] 卢启龙 , 欧阳明高 , 李建秋 , 等. 电控柴油机喷射系统的脉冲电磁控制阀及其智能驱动器 [ J]. 清华大学学报 , 1997, 37( 12): 102 105.

[ 6 ] 杜传进 , 欧阳明高 , 卢启龙 , 等. 电控柴油喷射用电磁控制旁通阀的研究 [ J ]. 清华大学学报 , 1999, 39( 4): 60 63.