高速強力電磁閥在柴油機電控燃油中的應用

高速強力電磁閥在柴油機電控燃油中的應用

為了滿足越來越嚴格的排放限制，進一步提高發(fā)動機的燃料效率、動力量和運營可靠性，采用電子技術已成為現(xiàn)代柴油工程的主要發(fā)展趨勢。電控柴油機的核心部分是電控燃油噴射系統(tǒng)。電控燃油噴射系統(tǒng)有多種多樣的結構形式,不同的系統(tǒng)應用于不同的領域。在時間控制式電控柴油噴射系統(tǒng)和壓力時間控制的共軌式柴油噴射系統(tǒng)中,燃油噴射的控制都要通過電磁閥來實現(xiàn)。尤其在時間控制式電控柴油噴射系統(tǒng)中,噴射定時和噴油量都由所應用的高速強力電磁閥決定。其動態(tài)響應特性直接影響燃油噴射壓力的建立及噴射后期燃油壓力的卸載速度等噴射特性,影響到發(fā)動機的燃燒狀況,即影響發(fā)動機的燃油經濟性和排放。本文以高速強力電磁閥為研究對象,通過對其驅動特性進行理論分析,并在此基礎上進行了大量對比試驗,摸索出了各驅動參數對電磁閥動態(tài)響應特性影響的實際情況,為電磁閥驅動參數的選擇和匹配提供了依據。1高速電磁閥的工作原理1.1低壓平衡式高速強力電磁閥的結構簡圖圖1是清華大學發(fā)動機控制組開發(fā)主要用于電控直列泵-管-閥-嘴燃油噴射系統(tǒng)的高低壓平衡式高速強力電磁閥的結構簡圖。其工作過程可劃分為以下4個階段。1沖給電磁閥的驅動模塊根據噴射控制的要求,電控單元在特定時刻發(fā)出控制脈沖給電磁閥的驅動模塊。驅動模塊提供高的峰值驅動電壓,電磁閥對飛鐵產生電磁吸力,當電磁吸力大于回位彈簧預緊力時,飛鐵帶動閥桿一起向上運動,快速關閉閥口。2流在閥口,閥口可靠閉合電磁閥完全閉合后,驅動模塊提供低的維持驅動電壓,線圈電流降低到使電磁閥產生的作用力維持飛鐵和閥桿不動,閥口可靠閉合。此時,噴油泵柱塞的上升運動使噴射系統(tǒng)中燃油壓力急劇升高,當嘴端壓力高于噴嘴開啟壓力時,針閥打開,噴射開始。3回位彈簧下運動當控制脈沖終止、驅動電壓切斷、電磁閥失電后,電磁作用力迅速消失,在回位彈簧的作用下,飛鐵和閥桿向下運動,直到電磁閥完全打開。在開啟過程中,高壓燃油經閥口快速泄流,噴射終止。4開放狀態(tài)電磁閥完全打開后,噴油泵即使繼續(xù)上升,也只能使從柱塞頂到電磁閥之間受壓的燃油經打開的閥口高速泄流,回到低壓系統(tǒng)。1.2高速開啟和低負荷下電磁閥的響應應用于電控燃油噴射系統(tǒng)的高速強力電磁閥應具有很好的快速響應性能,主要原因有以下幾方面。1)電磁閥的快速關閉有利于保證噴射定時準確和迅速形成高壓;迅速開啟有利于保證高壓噴射的快速切斷和穩(wěn)定卸載。閥的緩慢開啟會引起卸載過慢、后期噴射等問題,從而惡化發(fā)動機的燃燒,降低燃油經濟性,同時使排放惡化。2)電磁閥的關閉過程和開啟過程響應時間對噴油過程的影響很大,特別是在高速低負荷時,電磁閥的響應時間一定,但相對于發(fā)動機的轉角速度變慢,為了能得到穩(wěn)定的小噴油量,電磁閥的響應時間應盡可能短。綜上分析可知,縮短電磁閥的關閉和開啟過程響應時間是實現(xiàn)電控噴射系統(tǒng)良好性能的關鍵,同時也是改善發(fā)動機綜合性能的關鍵。2電磁器動態(tài)性能的理論分析2.1回位彈簧預緊力電磁閥的運動方程式為a=(Fmag?Fs±Ff?G)/(ma+mv)?(1)a=(Fmag-Fs±Ff-G)/(ma+mv)?(1)式中:a為運動質量加速度(m/s2);Fmag為電磁作用力(N);Fs為回位彈簧作用力(N);Ff為液體阻力,關閉過程為“-”;開啟過程為“+”;G為飛鐵與閥桿重力(N);ma為飛鐵質量(kg);mv為閥桿質量(kg)。由式(1)可知,在電磁閥的關閉過程中,為縮短響應時間,希望電磁力增大,回位彈簧作用力、液體阻力、飛鐵與閥桿的重力以及飛鐵和閥桿的質量減小;在開啟過程中,為縮短響應時間,希望電磁作用力迅速減小到零,回位彈簧作用力和重力加大,液體阻力減小,飛鐵和閥桿的質量減小。在閥的關閉和開啟過程中,都希望液體阻力很小。為了減小高壓腔、低壓腔燃油壓力的波動對電磁閥動態(tài)響應特性的影響,以及減小維持電磁閥密封所需的電磁作用力,閥桿的結構已設計成高低壓平衡式,如圖1所示。在閥的關閉和開啟過程中,回位彈簧作用力的大小是矛盾的,所以回位彈簧預緊力的確定是一個折衷考慮的結果,既不能使關閉過程響應時間過長,又要確保電磁閥具有足夠的回位作用力以縮短電磁閥的開啟時間to。電磁作用力是電磁閥工作過程中最重要的影響因素,提高電磁力可以加快電磁閥的關閉速度。2.2電磁閥的關閉參數b電磁閥的電磁作用力可用麥克斯韋簡化公式表示為Fmag=B2A2μ0?(2)Fmag=B2A2μ0?(2)式中:B為磁感應強度(T);A為電磁作用面積(m2);μ0為空氣磁導率(H/m)。假設磁路未飽和,且鐵心中的感應渦流、漏磁及磁路中鐵磁體的磁阻均忽略不計,則B=iN/Ar?(3)r=δ/μ0A?(4)B=iΝ/Ar?(3)r=δ/μ0A?(4)式中:i為線圈電流(A);N為線圈匝數;r為工作間隙磁阻(A/Wb);δ為鐵心與飛鐵間工作間隙(m)。由式(2)、式(3)和式(4)得Fmag=μ02?i2N2Aδ2.(5)Fmag=μ02?i2Ν2Aδ2.(5)由此可知,在電磁閥的結構參數一定的情況下,電流快速變化到較高值有利于盡快獲取較大作用力。線圈電流的變化率越大,達到一定電流值所需時間越短,電磁鐵提供較大電磁作用力的時間越短。同時,線圈電流越大,電磁作用力就越大。而在閥的關閉過程中,電控單元驅動模塊在接收到控制脈沖信號后,將驅動電壓Ud作用在電磁線圈上。若假設電磁線圈的電感L保持不變,則線圈中的電流變化規(guī)律可以表示為Ud=iR+L(di/dt).(6)Ud=iR+L(di/dt).(6)在驅動電路中總電阻值很小,在分析電流變化率時可忽略不計,則由式(6)可知,電流變化率主要由外加驅動電壓和線圈電感決定。提高驅動電壓和減小線圈電感均可提高線圈電流變化率,縮短電磁閥的關閉時間tc。同時,提高驅動電壓可以增大電磁線圈電流的最大值,提高電磁作用力。3系統(tǒng)參數對閥動態(tài)響應性能的影響3.1提高電磁線圈的驅動電壓表1是在回位彈簧預緊力為120N,殘余間隙為0.095mm和維持電流為20A的條件下,改變驅動電壓的試驗結果。圖2是在此條件下,3種不同驅動電壓時的驅動電流曲線及電磁閥升程lt曲線(中間未注明線為30V時的曲線)。從圖2和表1可以清楚地看到,提高電磁線圈的驅動電壓,可以明顯縮短線圈電流的上升時間和電磁閥的關閉時間tc(驅動電流開始上升到峰值電流下降的時間段),同時電磁線圈的最大電流imax也有很大幅度的提高。而此時3種驅動電壓的電磁閥升程曲線非常相近,提高電磁線圈的驅動電壓,電磁閥的實際關閉時間tc有小幅縮短,而開啟時間to沒什么變化。3.2殘余彈簧預緊力對回位彈簧預緊力的影響由式(6)可知,增大鐵心與飛鐵間工作間隙δ時,電磁作用力減小。表2是在驅動電壓24V,維持電流15A,回位彈簧預緊力為120N條件下,不同殘余間隙時的試驗結果。結果表明,殘余間隙減小,電磁閥關閉時間tc稍有縮短,而開啟時間to也有少量延長。3.3回位彈簧預緊力對電磁閥升程自由ld從上面的分析可知,回位彈簧的作用力對電磁閥關閉和開啟有很大的影響。選擇合適的回位彈簧預緊力可以使電磁閥關閉和開啟時間to的調節(jié)折衷。表3是在殘余間隙為95μm,驅動電壓為30V和維持電流為20A的條件下,改變回位彈簧預緊力的試驗結果。圖3是在此條件下,3種不同預緊力時的電流及電磁閥的升程lt曲線(中間未注明線為140N時的曲線)。由圖3和表3可以清楚地看到,增大回位彈簧預緊力,使電磁閥的關閉時間tc稍微有所延長,幅度很小;同時,使電磁閥的開啟時間to有很大幅度的縮短,為實現(xiàn)高速小油量提供了方便。但是,當回位彈簧預緊力為160N時,電磁閥的關閉已不能精確檢測到,即電磁閥升程到達上止點時刻和峰值電流下降時刻不一致,之間的時間差達0.120ms,這是由于過大提高預緊力后使電磁閥關閉速度變慢,使始點反饋精度變低的結果。而且,在回位彈簧預緊力很大,而驅動電壓較低或維持電流較小的條件下,可能出現(xiàn)電磁閥不能關閉或關閉后維持不住的情況。所以,在選擇回位彈簧預緊力時,應該在電磁閥能很正常工作的前提下,盡量縮短其開啟時間to,同時要選擇相應的驅動電壓與其匹配。3.4不同維持電流時的試驗結果提高維持電流可以增大電磁閥閉合狀態(tài)時的電磁作用力。當回位彈簧預緊力很大時,較小的維持電流可能使電磁閥在閉合狀態(tài)時由于電磁力不夠而開啟。表4是驅動電壓為24V,殘余間隙為0.15mm和回位彈簧預緊力為120N的條件下,維持電流分別為10,20和24A時電磁閥響應速度,嘴端最大噴射壓力pmax和噴油量Fv(每200循環(huán))的試驗結果。圖4是相應條件下的驅動電流、電磁閥升程lt及嘴端噴射壓力p曲線(中間未注明線為20A時的曲線)。由試驗數據和圖形可以看出,在3種不同維持電流時,電磁閥的動態(tài)響應速度沒有變化,升程曲線相近,所以改變維持電流不影響電磁閥的速度響應特性。但是,提高維持電流后,電磁閥的動態(tài)密封變好,嘴端最大噴射壓力有所提高,曲線變得飽滿,而且噴射油量也有提高。4彈簧預緊力對電磁閥動態(tài)響應特性的影響綜合以上理論分析和試驗結果表明,電磁閥的動態(tài)響應速度主要取決于驅動電壓、回位彈簧預緊力和維持電流等因素。對電磁閥關閉時間影響最大的因素是驅動電壓;而對電