共軌噴油電磁閥動(dòng)態(tài)特性仿真與實(shí)驗

　　電磁閥動(dòng)態(tài)響應特性直接影響高壓共軌噴油器的開(kāi)啟和關(guān)閉過(guò)程。首先對電磁閥驅動(dòng)電流加載和卸載過(guò)程進(jìn)行了實(shí)驗研究，基于實(shí)驗結果和驅動(dòng)原理求取了不同氣隙下電磁閥磁鏈與電流的關(guān)系，并根據磁鏈與電磁力的關(guān)系建立了電磁閥的電磁模型。然后根據電磁閥的工作原理建立了描述銜鐵運動(dòng)特性的電磁閥動(dòng)力學(xué)模型。最后，在Matlab/Simulink仿真環(huán)境中建立了以驅動(dòng)電流為輸入的共軌噴油器電磁閥機電耦合模型，對模型進(jìn)行了驗證，仿真計算結果與實(shí)驗結果顯示了很好的一致性。

引言

　　電磁式共軌噴油器的開(kāi)啟和關(guān)閉由電磁閥控制，是衡量噴油器動(dòng)態(tài)響應特性的重要指標，與電磁閥的動(dòng)態(tài)特性緊密相關(guān)。國內外研究人員已經(jīng)對電磁閥特性進(jìn)行了大量的研究。

　　真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)之前的一篇文章中提出了一種估算銜鐵位移的方法，該方法考慮了穩態(tài)電流對電磁閥電感的影響，適用于恒定電流作用下電感與銜鐵位移一一對應的情況。文獻采用有限元法對電磁閥靜態(tài)特性以及氣隙固定不變、控制電流動(dòng)態(tài)變化情況下的電磁力與電流的關(guān)系進(jìn)行了研究，采用初始磁化曲線(xiàn)描述鐵芯材料的磁化特性。文獻采用磁通分層磁阻模型研究了電磁閥的動(dòng)態(tài)特性，考慮了磁通密度在磁路橫截面內分布不均勻的影響，采用恒定的相對磁導率或者初始磁化曲線(xiàn)來(lái)描述鐵磁材料的磁化特性。文獻不考慮磁通密度在磁路橫截面內分布不均勻的影響，基于磁路歐姆定律建立電磁閥的電磁模型，對電磁閥的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了研究，同樣采用恒定的相對磁導率或者初始磁化曲線(xiàn)來(lái)描述鐵磁材料的磁化特性。

　　有限元法的缺陷在于不能模擬氣隙的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程和磁滯的影響。不考慮磁通密度在磁路橫截面內分布不均的磁阻模型的缺陷是不能反映磁通密度分布不均導致的磁導率的變化，無(wú)法考慮磁滯的影響。綜上所述，國內外對控制電流加載和卸載過(guò)程中電磁閥特性變化的研究還不夠深入。此外，建立的電磁閥模型沒(méi)有考慮因磁滯導致的控制電流加載和卸載過(guò)程的區別。

　　基于以上研究，本文首先對控制電流加載和卸載過(guò)程中的電磁閥驅動(dòng)電流和電源電壓進(jìn)行實(shí)驗研究，并根據磁鏈與電磁力的關(guān)系建立電磁閥的電磁模型。然后，建立描述銜鐵運動(dòng)特性的電磁閥動(dòng)力學(xué)模型，并在Matlab/Simulink仿真環(huán)境中建立以驅動(dòng)電流為輸入的共軌噴油器電磁閥機電耦合模型，對模型進(jìn)行驗證。

1、實(shí)驗

　　1.1、電磁閥結構及工作原理

　　圖1為共軌噴油器電磁閥結構圖。工作過(guò)程中，鐵芯和銜鐵行程限制器固定不動(dòng)。當電磁力和彈簧2對銜鐵施加向上的力不足以克服彈簧1對銜鐵施加向下的力時(shí)，電磁閥關(guān)閉，氣隙最大。線(xiàn)圈中通過(guò)電流，當電磁力和彈簧2對銜鐵施加向上的力能夠克服彈簧1對銜鐵施加向下的力時(shí)，銜鐵向上運動(dòng)，電磁閥打開(kāi)。

圖1 噴油器電磁閥結構圖

1.銜鐵 2.回位彈簧2 3.行程限制器 4.線(xiàn)圈 5.回位彈簧1 6.鐵芯

　　1.2、實(shí)驗設備

　　圖2為實(shí)驗系統原理圖。通過(guò)氣隙粗調旋鈕和氣隙細調旋鈕來(lái)調節銜鐵與電磁閥閥體之間的氣隙，氣隙的大小通過(guò)激光位移傳感器來(lái)測量，激光位移傳感器的精度為±0.1μm，量程為±1mm。電流傳感器的測量范圍0～70A，輸出為100mV/A。驅動(dòng)模塊可以調整脈寬、高電流值、保持電流值。

圖2 實(shí)驗系統原理圖

1.氣隙粗調旋鈕 2.激光 3.粗調鎖緊旋鈕 4.電流傳感器 5.噴油器驅動(dòng)模塊 6.數據采集卡 7.工控機 8.激光位移傳感器 9.氣隙細調旋鈕 10.細調鎖緊旋鈕 11.銜鐵 12.電磁閥閥體

　　1.3、實(shí)驗方案及結果

　　通過(guò)噴油器驅動(dòng)模塊可以調節燃油噴射脈寬、最大電流值以及驅動(dòng)方式等。實(shí)驗中通過(guò)調節驅動(dòng)模塊使驅動(dòng)電流隨時(shí)間的變化如圖3所示。驅動(dòng)電流隨時(shí)間變化的過(guò)程分為3個(gè)階段:電流快速上升階段A、大電流保持階段B和電流快速下降階段E。在不同的氣隙下采集A和E階段的電流和電源電壓。

圖3 實(shí)驗用共軌噴油器驅動(dòng)電流曲線(xiàn)

4、結論

　　(1)對電磁閥的實(shí)驗研究表明，電流發(fā)生同樣大小的變化(18A)在A(yíng)階段所需要的時(shí)間大于E階段所需要的時(shí)間，這說(shuō)明A階段電磁閥的電感在較大的電流范圍內大于E階段電磁閥的電感。另外，電磁閥電感在A(yíng)階段和E階段均隨電流的變化而變化。

　　(2)對A階段和E階段磁鏈的理論分析表明，氣隙較小的情況下，在電流較小時(shí)磁鏈隨電流的增加快速增大;電流增大到一定程度后，磁鏈隨電流的增加而增大的速度變慢。氣隙較大的情況下，隨電流的增加磁鏈在整個(gè)電流范圍內均快速增加，但磁鏈小于相同電流下較小氣對應的磁鏈。電磁閥的這些特性是鐵芯和銜鐵材料的磁飽和造成的。磁滯的作用使得相同電流下對應的A階段的磁鏈小于E階段的磁鏈，E階段電流下降為0A時(shí)，電磁閥的磁鏈遠遠大于0Wb。

　　(3)提出了基于電磁閥氣隙、電流和磁鏈數據構成的二維表格查詢(xún)和線(xiàn)性插值法的電磁閥電磁模型建立方法，即根據電磁閥氣隙和驅動(dòng)電流的大小，通過(guò)查表和線(xiàn)性插值法來(lái)確定電磁閥磁鏈，并根據磁鏈與電磁力的關(guān)系計算出電磁力。模型考慮了鐵芯和銜鐵材料的磁滯和磁飽和特性的影響。仿真計算結果與實(shí)驗結果表現出了較好的一致性，該模型可以很好地模擬電磁閥的動(dòng)態(tài)特性。