基于試驗數(shù)據(jù)的高速電磁閥建模及動態(tài)響應(yīng)特性分析

李汝寧， 高怡， 呂帆， 李華樂， 徐春龍， 趙中余

(中國北方發(fā)動機研究所(天津)， 天津 300400)

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基于試驗數(shù)據(jù)的高速電磁閥建模及動態(tài)響應(yīng)特性分析

李汝寧， 高怡， 呂帆， 李華樂， 徐春龍， 趙中余

(中國北方發(fā)動機研究所(天津)， 天津 300400)

高速電磁閥的響應(yīng)特性對高壓共軌噴油器的噴油特性具有決定性影響。為了更合理和準(zhǔn)確地預(yù)測高速電磁閥的電磁特性，基于高速電磁閥理論分析，進(jìn)行了大量不同驅(qū)動電流強度和氣隙情況下的電磁力試驗，采用多項式擬合的方法，對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，結(jié)合高速電磁閥的工作原理，應(yīng)用Amesim軟件建立高速電磁閥一維仿真模型，并研究分析了驅(qū)動電流、閥芯彈簧預(yù)緊力和剛度對高速電磁閥動態(tài)響應(yīng)特性的影響。研究結(jié)果表明：所采用的基于試驗數(shù)據(jù)的高速電磁閥建模方式為其動態(tài)響應(yīng)特性的研究提供了一個新思路，它能快速、準(zhǔn)確得到高速電磁閥各參數(shù)對其響應(yīng)特性的影響。

高速電磁閥； 電磁特性； 多項式擬合； 仿真； 動態(tài)響應(yīng)特性

在壓力時間控制式柴油機高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)中，需要利用高壓共軌噴油器中高速電磁閥的“開/關(guān)”動作，形成控制腔與針閥腔的壓差，從而實現(xiàn)對針閥的驅(qū)動，進(jìn)而完成燃油噴射特性的控制。因此，高速電磁閥的工作狀態(tài)，尤其是其動態(tài)響應(yīng)特性將對高壓共軌噴油系統(tǒng)的噴油規(guī)律產(chǎn)生直接影響[1-2]。

高速電磁閥參數(shù)的匹配對其動態(tài)響應(yīng)特性至關(guān)重要，以往對高速電磁閥參數(shù)的匹配多采取試驗的方法，工作繁重且具有一定的盲目性。本研究以高壓共軌噴油器用高速電磁閥為研究對象，采用試驗的方法，獲得大量不同電流驅(qū)動強度和氣隙下的電磁力試驗數(shù)據(jù)，并以此為基礎(chǔ)，結(jié)合對高速電磁閥工作原理的研究，應(yīng)用Amesim軟件，針對電磁力試驗數(shù)據(jù)采用多項式擬合的方法建立了高速電磁閥動態(tài)響應(yīng)特性仿真模型。通過不同參數(shù)下的高速電磁閥動態(tài)特性仿真研究，獲得各驅(qū)動參數(shù)對高速電磁閥動態(tài)特性的影響規(guī)律，為高速電磁閥驅(qū)動參數(shù)的選擇及與共軌噴油器的特性匹配提供了依據(jù)，同時為高壓共軌噴油器動態(tài)特性建模和仿真奠定了基礎(chǔ)。

1 高速電磁閥結(jié)構(gòu)及動態(tài)響應(yīng)特性

圖1示出高速電磁閥結(jié)構(gòu)簡圖。由圖所示，其主要由電磁線圈、銜鐵、閥芯、閥芯彈簧和調(diào)整螺釘?shù)仍M成。高速電磁閥動態(tài)響應(yīng)特性是指電磁閥的電磁線圈在受到特定電流激勵時銜鐵的位移響應(yīng)特性[1-2]。

圖1 高速電磁閥結(jié)構(gòu)簡圖

圖2示出高速電磁閥響應(yīng)特性的示意。高速電磁閥的驅(qū)動電流采用階梯波疊加三角顫振波的形式，階梯波形使得在不降低安全系數(shù)的條件下，電磁鐵的功耗大幅度降低，并且溫升小，效率高；而三角顫振波減小了電磁鐵的摩擦滯環(huán)，對提高電磁閥的響應(yīng)速度和控制精度十分有益[3]。根據(jù)高速電磁閥工作時銜鐵的受力和運動情況可將銜鐵的運動過程分為3個階段[4-7]。

1) 吸合過程：對高速電磁閥施加驅(qū)動電流前，在彈簧預(yù)緊力作用下，高速電磁閥處于關(guān)閉狀態(tài)。施加驅(qū)動電流后，當(dāng)銜鐵上作用電磁力大于彈簧預(yù)緊力時，銜鐵克服彈簧預(yù)緊力開始運動，直至達(dá)到最小氣隙。為了實現(xiàn)高速電磁閥的快速開啟，驅(qū)動電流需要達(dá)到開啟電磁閥的電流強度I1。

2) 保持吸合過程：銜鐵達(dá)到最小氣隙后，驅(qū)動電流降到維持電磁閥開啟狀態(tài)的電流強度I2，此時，作用于銜鐵的電磁力仍大于彈簧力。高速電磁閥處于完全開啟狀態(tài)，理論上銜鐵處于靜止?fàn)顟B(tài)，此時銜鐵受力平衡。

3) 銜鐵復(fù)位過程：驅(qū)動電流迅速減小到0，作用于銜鐵的電磁力也迅速減小，銜鐵在彈簧力的作用下開始復(fù)位，直至達(dá)到最大氣隙L，此時高速電磁閥處于關(guān)閉狀態(tài)。

由圖2可知，開啟延遲為驅(qū)動電流開始增加至銜鐵開始運動的時間間隔，關(guān)閉延遲為驅(qū)動電流開始下降至銜鐵開始復(fù)位時的時間間隔。高速電磁閥的動態(tài)響應(yīng)特性可用開啟延遲和關(guān)閉延遲時間來表示[8-10]。

圖2 高速電磁閥響應(yīng)特性示意

2 高速電磁閥模型的建立

2.1 電磁力的多項式擬合

圖3示出高速電磁閥靜態(tài)特性測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理。該系統(tǒng)主要由工業(yè)控制計算機、控制電流發(fā)生器、電磁力和位移傳感器等元件組成。可以通過對工業(yè)計算機的控制實現(xiàn)對被測高速電磁閥電磁力、試驗電流和試驗氣隙的自動測量和記錄[1-2]。

應(yīng)用該測試系統(tǒng)對高速電磁閥樣件進(jìn)行了靜態(tài)特性測試。測試內(nèi)容包括：氣隙不變，電磁力與驅(qū)動電流之間的關(guān)系；驅(qū)動電流不變，電磁力與氣隙之間的關(guān)系。高壓共軌噴油器用高速電磁閥驅(qū)動電流強度一般小于15 A,氣隙范圍為0.05～0.2 mm，因此試驗中，驅(qū)動電流強度測試范圍為0～25 A，氣隙測試范圍為0.05～0.29 mm。試驗結(jié)果見圖4和圖5。

圖3 高速電磁閥靜態(tài)特性測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

圖4 氣隙不變，電磁力與驅(qū)動電流關(guān)系曲線

圖5 電流不變，電磁力與氣隙關(guān)系曲線

為了得到任意氣隙和驅(qū)動電流強度下的電磁力，采用多項式擬合的方法，對以上試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。圖6示出氣隙分別為0.15 mm，0.19 mm和0.27 mm，電磁力與驅(qū)動電流關(guān)系擬合數(shù)據(jù)和試驗數(shù)據(jù)的對比；圖7示出驅(qū)動電流分別為5 A，15 A和21 A，電磁力與氣隙關(guān)系擬合數(shù)據(jù)和試驗數(shù)據(jù)的對比。由圖6和圖7可以看出，試驗曲線和擬合曲線一致性較好，因此對試驗數(shù)據(jù)采用多項式擬合得到任意氣隙和驅(qū)動電流強度下的電磁力的辦法可行，而且精確度高。

圖6 電磁力與驅(qū)動電流關(guān)系擬合數(shù)據(jù)和試驗數(shù)據(jù)對比

圖7 電磁力與氣隙關(guān)系擬合數(shù)據(jù)和試驗數(shù)據(jù)對比

2.2 一維仿真模型的建立及驗證

高速電磁閥工作過程為銜鐵在電磁力和彈簧力以及阻尼力共同作用下運動的過程，根據(jù)高速電磁閥的結(jié)構(gòu)及工作原理，應(yīng)用Amesim軟件，采用對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行多項式擬合的辦法，建立了高速電磁閥一維仿真模型(見圖8)。

如圖8所示，根據(jù)某時刻驅(qū)動電流強度和氣隙，在數(shù)據(jù)庫中通過多項式擬合得到電磁力，并作用于銜鐵。銜鐵在電磁力作用下，克服彈簧力以及阻尼力運動，同時銜鐵的運動位移通過位移傳感器獲得，經(jīng)過變換轉(zhuǎn)換為氣隙，并同該時刻的驅(qū)動電流信號一起反饋給數(shù)據(jù)庫，擬合得到該時刻電磁力，繼續(xù)作用于銜鐵，循環(huán)往復(fù)，直至仿真結(jié)束。

表1示出開啟電流為17 A，維持電流為12 A，彈簧預(yù)緊力為30 N，彈簧剛度為5 N/mm，最小氣隙為0.05 mm的條件下，銜鐵位移仿真數(shù)據(jù)和試驗數(shù)據(jù)的對比。由仿真數(shù)據(jù)和試驗數(shù)據(jù)的對比可以看出，兩者趨勢基本一致，誤差最大為4.2%，因此高速電磁閥一維仿真模型具有較高準(zhǔn)確度。

圖8 高速電磁閥一維仿真模型

時間/ms仿真數(shù)據(jù)/mm試驗數(shù)據(jù)/mm誤差/%0.620.0001460.000152.60.700.0034780.00363.41.040.098430.11.61.200.10.101.490.10.0964.21.930.015230.01473.6

3 系統(tǒng)參數(shù)對閥動態(tài)響應(yīng)特性的影響

3.1 驅(qū)動電流對閥動態(tài)響應(yīng)特性的影響

表2示出彈簧預(yù)緊力為30 N，彈簧剛度為5 N/mm，最小氣隙為0.05 mm，維持電流為15 A的條件下，開啟電流對銜鐵開啟延遲時間、吸合過程時間、高速電磁閥吸合時間及保持吸合過程時間的影響對比。圖9示出此條件下，高速電磁閥的仿真結(jié)果。

表2 開啟電流對閥動態(tài)特性的影響

圖9 開啟電流對閥動態(tài)特性影響仿真結(jié)果

由表2和圖9可以看到，隨著開啟電流減小，開啟延遲時間小幅增大，吸合過程時間明顯增大，因此造成電磁閥的吸合時間明顯增大，而由于銜鐵關(guān)閉延遲和復(fù)位時間幾乎沒有變化，造成保持吸合時間減小。因此提高高速電磁閥驅(qū)動電流的開啟電流，可以明顯縮短高速電磁閥的吸合時間，但同時高速電磁閥功耗也會升高。

表3示出彈簧預(yù)緊力為30 N，彈簧剛度為5 N/mm，最小氣隙為0.05 mm，開啟電流為25 A的條件下，維持電流對銜鐵關(guān)閉延遲時間、復(fù)位過程時間以及高速電磁閥保持吸合過程時間的影響對比。圖10示出此條件下，高速電磁閥的仿真結(jié)果。

表3 維持電流對閥動態(tài)特性的影響

圖10 維持電流對閥動態(tài)特性影響仿真結(jié)果

由表3和圖10可以看到，隨著維持電流減小，高速電磁閥的保持吸合時間明顯變小，尤其是維持電流小于11 A時，產(chǎn)生的電磁力不足以克服彈簧力，造成銜鐵在維持電流信號結(jié)束前開始復(fù)位行程。同時，隨著維持電流的逐漸減小，復(fù)位過程時間也有延長。因此對于高速電磁閥，為降低功耗和溫升，維持電流強度應(yīng)小于開啟電流強度，但隨著維持電流的減小，保持吸合時間會減小，復(fù)位時間也會延長，因此高速電磁閥的維持電流強度需要根據(jù)實際應(yīng)用工況及高速電磁閥類型進(jìn)行匹配。

3.2 閥芯彈簧預(yù)緊力對閥動態(tài)響應(yīng)特性的影響

表4示出開啟電流為25 A，維持電流為13 A，彈簧剛度為5 N/mm，最小氣隙為0.05 mm的條件下，閥芯彈簧預(yù)緊力對閥動態(tài)特性的影響對比。圖11示出此條件下，高速電磁閥的仿真結(jié)果。

表4 閥芯彈簧預(yù)緊力對閥動態(tài)特性的影響

由表4和圖11可以看到，隨著閥芯彈簧預(yù)緊力的增大，銜鐵的開啟延遲時間和吸合過程時間逐漸增加。當(dāng)閥芯彈簧預(yù)緊力從30 N增大到45 N，銜鐵的關(guān)閉延遲時間和復(fù)位過程時間減小，但當(dāng)閥芯彈簧預(yù)緊力增大到57 N后，維持電流產(chǎn)生的電磁力不足以克服彈簧力，造成銜鐵提早復(fù)位，如果閥芯彈簧預(yù)緊力繼續(xù)加大，可能會出現(xiàn)高速電磁閥不能關(guān)閉或者關(guān)閉后維持不住的情況。因此選擇閥芯彈簧的預(yù)緊力，應(yīng)在保證高速電磁閥正常工作前提下，盡量縮短開啟延遲和吸合過程時間，同時要選擇相應(yīng)的驅(qū)動電流強度與其匹配。

圖11 閥芯彈簧預(yù)緊力對閥動態(tài)響應(yīng)特性影響仿真結(jié)果

3.3 閥芯彈簧剛度對閥動態(tài)響應(yīng)特性的影響

表5示出開啟電流為17 A，維持電流為12 A，閥芯彈簧預(yù)緊力為30 N，最小氣隙為0.05 mm的條件下，閥芯彈簧剛度對閥動態(tài)特性的影響對比。圖12示出此條件下，高速電磁閥的仿真結(jié)果。

表5 閥芯彈簧剛度對閥動態(tài)特性的影響

由表5和圖12可以看到，隨著閥芯彈簧剛度的增大，銜鐵保持吸合時間顯著減小，尤其當(dāng)閥芯彈簧剛度大于33 N/mm后，維持電流產(chǎn)生的電磁力不足以克服彈簧力，造成銜鐵提早復(fù)位，如果閥芯彈簧剛度繼續(xù)加大，會出現(xiàn)高速電磁閥不能關(guān)閉的情況。因此閥芯彈簧剛度的選擇和閥芯彈簧預(yù)緊力比較類似，要選擇相應(yīng)的驅(qū)動電流強度與其匹配。

4 結(jié)論

a) 采用多項式擬合的方法對高速電磁閥任意氣隙和驅(qū)動電流強度下的電磁力試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，試驗數(shù)據(jù)和擬合數(shù)據(jù)的對比分析表明，此方法準(zhǔn)確度高，基于此方法建立的高速電磁閥模型也具有較高的準(zhǔn)確度；

b) 高速電磁閥開啟電流對高速電磁閥的吸合

時間有較大的影響，而維持電流則會直接對高速電磁閥的保持吸合時間和復(fù)位時間產(chǎn)生影響；

c) 閥芯彈簧的預(yù)緊力和剛度均會對高速電磁閥的吸合時間和復(fù)位時間產(chǎn)生影響，但是單方面加大閥芯彈簧預(yù)緊力和剛度會造成高速電磁閥不正常工作，需要合適的驅(qū)動電流與其匹配。

[1] 黃茂楊. 柴油機高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)：高速電磁閥結(jié)構(gòu)與控制參數(shù)優(yōu)化及其特性測試系統(tǒng)的研制[D]. 南京:東南大學(xué),2005:1-16.

[2] 張靖. 柴油機高壓共軌燃油系統(tǒng)：高速電磁閥的控制及其測試系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D]. 南京:東南大學(xué)，2003:1-26.

[3] 王秋霞,樊丁,彭凱,等.航空發(fā)動機高速電磁閥控制模式分析研究[J]. 計算機仿真,2013,30(1):145-149.

[4] 曾珂. 高速強力多極電磁閥的仿真研究[D]. 上海:上海交通大學(xué),2001:1-32.

[5] Yang Minggao, Lu Qilong, Li Jiangqiu, et al. Study of The Injection Control Valve in a New Electronic Diesel Fuel System[C]. SAE Paper 980813,1998.

[6] 劉鵬,范麗云,馬修貞,等. 高速電磁閥動態(tài)響應(yīng)特性響應(yīng)面預(yù)測模型的研究[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報,2014,35(5):537-543.

[7] 夏勝枝,周明,李希浩,等. 高速強力電磁閥的動態(tài)響應(yīng)特性[J]. 清華大學(xué)學(xué)報,2002,42(2):258-261,277.

[8] 郝守剛,周明,夏勝枝,等. 電控單體泵電磁閥動態(tài)響應(yīng)特性數(shù)值仿真[J]. 內(nèi)燃機工程,2003(2):10-13.

[9] John D Kraus, Daniel A Fleisch. Electromagnetics with Application[M]. 5th ed.[S.l.]：McGraw-Hill & Tsinghua University Press,2001:521-542.

[10] Rudolf H Stanglmaier, Philip J Dingle, Daniel W Stewart. Cycle-controlled Water Injection for Steady-state and Transient Emissions Reduction from a Heavy-duty Diesel Engine[C]//Proceedings of The 2004 Fall Technical Conference of The ASME Internal Combustion Engine Division. New York：American Society of Mechanical Engineers,2004:103-111.Modeling and Dynamic Response Characteristics Analysis of High-Speed Solenoid Valve Based on Test Data

[編輯： 潘麗麗]

LI Runing, GAO Yi, LV Fan, LI Huale, XU Chunlong, ZHAO Zhongyu

(China North Engine Research Institute(Tianjin), Tianjin 300400, China)

The dynamic response characteristics of high-speed solenoid valve had a critical influence on injection characteristics of high-pressure common-rail injector. In order to predict the electromagnetic characteristics of high-speed solenoid valve more accurately, a great deal of electromagnetic force tests under the conditions of different current intensities and air gaps were carried out based on theoretical analysis of high-speed solenoid valve, the test data were fitted with the polynomial fitting method, and finally one-dimensional simulation model of high-speed solenoid valve was built with AMEsim software according to the working principles of high-speed solenoid valve.Then the influences of three parameters such as drive current, preload and elastic strength of valve element spring on the dynamic response characteristics of high-speed solenoid valve were studied. The results show that the modeling method based on test data offers a new idea to study the dynamic response characteristics of high-speed solenoid valve, which can acquire the influences of each parameter on the dynamic response characteristics fast and accurately.

high-speed solenoid valve; electromagnetic characteristic; polynomial fitting; simulation; dynamic response characteristic

2015-06-24；

2015-11-10

李汝寧(1981—)，男，博士，副研究員，從事內(nèi)燃機燃油噴射技術(shù)研究；liruning@foxmail.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.02.014

TK421.4

B

1001-2222(2016)02-0076-05