基于Ansoft的SCR無氣輔尿素噴嘴電磁閥的仿真分析

王 琪，來 鑫，胡 靜，華 倫

（1.上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093；2.清華大學(xué) 蘇州汽車研究院，江蘇，蘇州 215200）

基于Ansoft的SCR無氣輔尿素噴嘴電磁閥的仿真分析

王 琪1，來 鑫1，胡 靜1，華 倫2

（1.上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093；2.清華大學(xué) 蘇州汽車研究院，江蘇，蘇州 215200）

為了提高選擇性催化還原（Selective Catalytic Reduction，SCR）系統(tǒng)對(duì)尿素噴射量的精確計(jì)量，對(duì)無氣輔式噴嘴的電磁閥響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行研究，建立了基于Ansoft Maxwell仿真軟件的電磁鐵模型，分析影響電磁閥響應(yīng)時(shí)間的相關(guān)因素，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證。通過有限元分析找出電磁閥吸力和電磁閥參數(shù)之間的關(guān)系，再由動(dòng)態(tài)仿真確定閥內(nèi)回位彈簧剛度、線圈電阻等因素對(duì)整體電磁閥響應(yīng)時(shí)間的影響，并在對(duì)各參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后縮短了電磁閥響應(yīng)時(shí)間。研究結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)，改變工作氣隙和回位彈簧剛度會(huì)對(duì)電磁閥開啟和關(guān)閉時(shí)間產(chǎn)生相反的影響，而線圈匝數(shù)和線圈電阻對(duì)電磁閥的關(guān)閉時(shí)間影響更大。

無氣輔式噴嘴，電磁閥；響應(yīng)時(shí)間；動(dòng)態(tài)仿真

SCR系統(tǒng)作為一種有效降低柴油機(jī)尾氣中NOx含量的后處理手段，依靠其轉(zhuǎn)化效率高，抗硫性強(qiáng)以及可以減少一定油耗等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在汽車后處理系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。SCR系統(tǒng)主要采用無氣輔噴嘴，因?yàn)樗Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并且無需壓縮空氣源。而無氣輔噴嘴主要依靠電磁閥控制尿素噴射量，電磁閥作為一種新型流體控制元件，不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠，而且成本較低[1]。電磁閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性是評(píng)估電磁閥性能優(yōu)劣的關(guān)鍵因素[2-3]。提高電磁閥的響應(yīng)時(shí)間成為控制尿素噴射精度的主要手段[4-6]。

針對(duì)某款尿素噴嘴的電磁閥，利用Ansoft Maxwell仿真軟件進(jìn)行分析，可以準(zhǔn)確地得到電磁閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線。對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行變參數(shù)研究，找出不同因素對(duì)電磁閥響應(yīng)的影響規(guī)律，實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁閥的響應(yīng)特性優(yōu)化。

1 電磁閥結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型

1.1 尿素噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖

尿素噴嘴電磁閥部分結(jié)構(gòu)如圖1所示。線圈通入電流后，電磁閥開始工作，產(chǎn)生吸力使銜鐵向鐵芯處運(yùn)動(dòng)，從而讓球閥打開，尿素溶液經(jīng)開啟間隙處流出，通過噴孔后形成噴霧。斷開電流后，銜鐵在回位彈簧的作用下返回將噴嘴關(guān)閉。

圖1 尿素噴嘴電磁閥部分結(jié)構(gòu)示意圖

電磁閥的基本參數(shù)見表1。

表1 電磁閥基本參數(shù)

1.2 電磁閥數(shù)學(xué)模型

電磁閥作為一個(gè)機(jī)電液耦合的系統(tǒng)，數(shù)學(xué)模型包括了電路、磁路和動(dòng)力學(xué)方程[7]。加載電壓后，電磁閥線圈內(nèi)產(chǎn)生電流，隨之電磁閥內(nèi)形成磁路，產(chǎn)生吸力。此時(shí)線圈回路的動(dòng)態(tài)方程為：

式中：U為加載電壓，V；i為回路中的電流，A；R0為回路電阻，Ω；Ψ為磁路總磁鏈，也稱為磁勢(shì)，Wb；N為線圈匝數(shù)；Φ為磁通，Wb。當(dāng)各線圈磁通相等時(shí)，磁勢(shì)Ψ等于ΨN倍的磁通Φ。

電磁閥吸力Fmag的方程如下：

磁阻計(jì)算以導(dǎo)磁體磁路為例，lc為導(dǎo)磁體磁路長(zhǎng)度，Sα為導(dǎo)磁體當(dāng)量截面積，μ0為真空磁導(dǎo)率，μr為導(dǎo)磁體相對(duì)磁導(dǎo)率。導(dǎo)磁體的相對(duì)磁導(dǎo)率參照對(duì)應(yīng)材料的B-H曲線確定，而工作氣隙和非工作氣隙處磁阻的相對(duì)磁導(dǎo)率μr取1。

電磁閥響應(yīng)時(shí)間可以分為以下三個(gè)階段。

1.2.1 電磁閥吸合觸動(dòng)過程

電流從0開始增大時(shí)，電磁閥閥芯并不是立刻開始運(yùn)動(dòng)的。由于彈簧預(yù)緊力和閥內(nèi)液體壓力會(huì)作為初始阻力將閥芯壓緊閥座，所以在加載電壓后，電磁力需要一定時(shí)間增大，直到電磁吸力克服了初始阻力，閥芯才開始運(yùn)動(dòng)。從電流開始加載到電磁吸力等于初始阻力這一過程就稱為電磁閥吸合觸動(dòng)過程[8]。

電磁閥初始阻力F0為：

式中：FS為彈簧預(yù)緊力，N；k為彈簧剛度，N/mm；x0為彈簧初始?jí)嚎s量，mm；Ff為液體壓力，N。

在觸動(dòng)過程中，電磁閥閥芯保持靜止，電磁力只隨電流大小而變化。設(shè)電流從0增加到icd時(shí)，電磁吸力等于初始阻力，由此結(jié)合式（2）可以求出觸動(dòng)時(shí)間：

1.2.2 電磁閥吸合運(yùn)動(dòng)過程

電磁閥閥芯克服初始阻力后開始運(yùn)動(dòng)，直至電磁閥完全吸合，這一過程所用時(shí)間記為閥芯吸合運(yùn)動(dòng)時(shí)間。

在吸合過程中，氣隙減小，由于氣隙變化，磁路此時(shí)有電流i和閥芯位移x這兩個(gè)變量。此時(shí)線圈回路的方程變?yōu)椋?/p>

而電磁閥閥芯的運(yùn)動(dòng)方程為：

式中：Ff記為液體壓力造成的阻力，N；C為液體阻尼，N/(m·s-1)。結(jié)合電磁閥吸力方程式（2），可以求出閥芯從開始運(yùn)動(dòng)到完成吸合所用時(shí)間tyd。

至此，就可以得到從加載電流開始到電磁閥閥芯完全吸合所用的開啟時(shí)間為tcd+tyd。

1.2.3 電磁閥復(fù)位過程

關(guān)閉電磁閥時(shí)，電流迅速歸零，閥芯受彈簧力和液體壓力的作用重新回到閥座。銜鐵回位運(yùn)動(dòng)方程可表示為：

式中：δ為電磁閥工作氣隙，mm。

2 電磁閥模型仿真

電磁閥仿真部分首先利用了Ansoft Maxwell靜態(tài)仿真進(jìn)行電磁力的分析，在確定電磁閥結(jié)構(gòu)以后，找出電磁吸力在不同加載電流和電磁閥氣隙大小下的變化規(guī)律。再由Ansoft Maxwell動(dòng)態(tài)仿真計(jì)算出電磁閥實(shí)際工作過程中在一定的加載電壓下電磁力、電流、銜鐵位移隨時(shí)間的變化曲線，并對(duì)電磁閥工作氣隙、回位彈簧剛度、線圈匝數(shù)和線圈電阻進(jìn)行變參數(shù)研究，找出電磁閥響應(yīng)時(shí)間隨各個(gè)因素的變化規(guī)律。

2.1 Ansoft Maxwell仿真

Ansoft Maxwell電磁閥仿真模型如圖2所示。模型中各部分材料屬性設(shè)置見表2，其中電磁閥氣隙部分材料設(shè)置為空氣，SUS430的材料磁化特性曲線可以手動(dòng)設(shè)置，SUS304是非磁化鋼，設(shè)置為不導(dǎo)磁即可。

設(shè)置完成后在求解器中定義加載電流和電磁閥氣隙，進(jìn)行變參分析，并求解閥芯所受電磁吸力。

圖2 Ansoft Maxwell電磁閥仿真模型

表2 仿真模型各部件的材料設(shè)置

電磁吸力隨電磁閥工作氣隙和激勵(lì)電流的變化曲線如圖3所示，圖中安匝數(shù)定義為電流和線圈匝數(shù)的乘積，在線圈匝數(shù)不變的情況下，安匝數(shù)的變化就是電流的變化。

圖3 電磁力與氣隙、電流之間的關(guān)系

電磁閥線圈電感隨電流、工作氣隙的變化規(guī)律如圖4所示。

圖4 電感與氣隙、電流之間的關(guān)系

2.2 Ansoft Maxwell動(dòng)態(tài)仿真部分

Ansoft Maxwell中電磁閥外電路模型比較簡(jiǎn)單，如圖5所示，由一個(gè)方波電壓源、線圈和電阻三部分組成。各部分參數(shù)設(shè)置好之后就可以導(dǎo)入Ansoft Maxwell模型中進(jìn)行電磁閥動(dòng)態(tài)仿真。設(shè)周期為0.01 s，占空比為50%，從0 s開始計(jì)算，激勵(lì)電壓如圖5所示。電磁閥線圈電流、電磁吸力和銜鐵位移隨時(shí)間變化曲線如圖6所示。

圖5 Ansoft Maxwell仿真中電磁閥外電路給定激勵(lì)電壓

圖6 電流、電磁吸力和銜鐵位移隨時(shí)間變化曲線

由圖6可知，該電磁閥開啟響應(yīng)時(shí)間約為1.2 ms，關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間為1.4 ms。

2.3 電磁閥動(dòng)態(tài)性能的影響因素分析

2.3.1 回位彈簧剛度對(duì)電磁閥銜鐵位移的影響

仿真得到的不同彈簧剛度k下的電磁閥位移曲線如圖7所示?？梢钥闯霎?dāng)電磁閥回位彈簧剛度增大時(shí)，初始阻力增大，但由于增量較小，電磁閥開啟時(shí)間并沒有明顯變化。由于電磁閥依靠彈簧回位，彈簧剛度對(duì)回位過程影響很大?？梢悦黠@看出，隨著彈簧剛度增大，電磁閥回位明顯加快。

圖7 不同彈簧剛度下的電磁閥位移曲線對(duì)比

2.3.2 電磁閥工作氣隙對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響

仿真得到的不同工作氣隙δ下的電磁閥位移曲線如圖8所示?？梢钥闯鲭姶砰y氣隙增大后，開啟響應(yīng)不斷變慢，而電磁閥的關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間主要是由于工作氣隙增大，電磁閥行程也隨之變大，所以關(guān)閉時(shí)間變長(zhǎng)。

圖8 不同氣隙下的電磁閥位移曲線對(duì)比

2.3.3 電磁閥線圈匝數(shù)對(duì)電磁閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響

仿真得到的不同線圈匝數(shù)N下的電磁閥位移曲線如圖9所示?？梢钥闯鼍€圈匝數(shù)增加后，磁勢(shì)增大，電磁閥開啟時(shí)間減少，但當(dāng)匝數(shù)超過600之后，由于電感加大，開啟時(shí)間又逐漸變長(zhǎng)，而銜鐵回位的時(shí)間是隨著線圈匝數(shù)的增加而不斷變長(zhǎng)的。

圖9 不同線圈匝數(shù)下的電磁閥位移曲線對(duì)比

2.3.4 線圈電阻對(duì)電磁閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響

仿真得到的不同線圈電阻R0下的電磁閥位移曲線如圖10所示。可以看出線圈電阻減小后，線圈中電流變大，電磁閥開啟響應(yīng)加快，但是由于線圈電流變大后剩磁也相應(yīng)增加，導(dǎo)致電磁閥回位時(shí)間變長(zhǎng)。

圖10 不同線圈電阻下的電磁閥位移曲線對(duì)比

3 試驗(yàn)驗(yàn)證和優(yōu)化

由實(shí)際電磁閥驅(qū)動(dòng)電路向噴嘴發(fā)出脈沖信號(hào)，利用示波器檢測(cè)線圈電流變化曲線，并與仿真結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證模型的合理性[9-10]。尿素噴嘴電磁閥測(cè)試原理如圖11所示，測(cè)試結(jié)果和仿真結(jié)果對(duì)比如圖12所示。

圖11 尿素噴嘴電磁閥測(cè)試原理圖

圖12 電磁閥仿真電流曲線和試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

由試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可知，基于Ansoft Maxwell仿真軟件建立的電磁閥仿真模型正確性得到驗(yàn)證，因此可以借助仿真結(jié)果優(yōu)化部分參數(shù)（表3）。如圖13所示，對(duì)電磁閥激勵(lì)電壓進(jìn)行優(yōu)化，在減小線圈電阻后，先以大電流驅(qū)動(dòng)使電磁閥快速開啟，再通過較小的電流維持開啟狀態(tài)，閉合時(shí)則通過加大回位彈簧剛度來加快電磁閥響應(yīng)速度。

圖13 電磁閥激勵(lì)電壓優(yōu)化

表3 電磁閥部分參數(shù)優(yōu)化前后對(duì)比

優(yōu)化前后仿真電磁閥線圈電流變化曲線對(duì)比如圖14所示?？梢钥闯鲭姶砰y的開啟階段電流變化速度加快。經(jīng)優(yōu)化后，電磁閥的開啟時(shí)間從1.2 ms減少到0.95 ms，而關(guān)閉時(shí)間由1.4 ms減少到1.1 ms。

圖14 優(yōu)化前后仿真電磁閥線圈電流變化曲線對(duì)比

4 結(jié)論

本研究通過Ansoft Maxwell仿真軟件對(duì)電磁閥進(jìn)行動(dòng)、靜態(tài)仿真，確定了部分電磁閥參數(shù)對(duì)電磁閥響應(yīng)時(shí)間的影響，對(duì)提高電磁閥動(dòng)態(tài)性能有一定指導(dǎo)意義。

（1）電磁閥工作氣隙的變化改變了電磁力的大小和電磁閥銜鐵的運(yùn)動(dòng)行程，減小氣隙可以有效提高電磁閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。

（2）調(diào)整回位彈簧剛度可以加快電磁閥的關(guān)閉速度，但同時(shí)會(huì)導(dǎo)致開啟時(shí)銜鐵位移速度變慢。

（3）增加線圈匝數(shù)和減小線圈電阻可以增加電磁鐵磁路中的磁勢(shì)，但也會(huì)因?yàn)椴牧鲜４诺脑蛟斐摄曡F回位延遲。

（4）激勵(lì)電壓做成階梯方波的形式，確保電磁閥開啟時(shí)提供較大的激勵(lì)電流，再用較低的電流維持電磁閥開啟，減小斷電后磁路中的剩磁，可有效提高電磁閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。

（

）：

[1]汝晶煒，向忠，史偉民. 大流量氣動(dòng)高速開關(guān)閥的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)電工程，2014，31(10)：1282-1286．RU Jingwei，XIANG Zhog，SHI Weimin. Optimization Design of High Speed On-off Valve Gas[J].Mechanical and Electrical Engineering，2014，31(10)：1282-1286.(in Chinese)

[2]戴佳，黃敏超，余勇，等.電磁閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性仿真研究 [J].火箭推進(jìn)，2007，33(1)：40-48. DAI Jia，HUNAG Minchao，YU Yong，et al. Simulation Research on Dynamic Response Characteristics of Solenoid Valve [J]. Journal of Rocket Propulsion，2007，33(1)：40-48. (in Chinese)

[3]封錫凱，李偉，李輝，等 .電磁閥啟閉特性非接觸測(cè)量方法研究[J].火箭推進(jìn)，2011，37(3)：65-67. FENG Xikai，LI Wei，LI Hui，et al. Study on Non Contact Measurement Method for Open and Close Characteristics of Solenoid Valve [J]. Journal of Rocket Propulsion，2011，37( 3)：65-67. (in Chinese)

[4]程強(qiáng)，張振東，郭輝，等. 電控汽油噴射器電磁特性仿真與磁路參數(shù)優(yōu)化[J].汽車工程，2015，37(6)：642-647. CHENG Qiang，ZHANG Zhendong，GUO Hui，et al. Simulation of Electromagnetic Characteristics and Optimization of Magnetic Circuit Parameters for Electronically Controlled Gasoline Injector [J]. Automotive Engineering，2015，37(6) ：642-647.(in Chinese)

[5]郝守剛，周明，夏勝枝，等.電控單體泵電磁閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性數(shù)值仿真[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2003，24(2)：10-13. HAO Shougang，ZHOU Ming，XIA Shengzhi，et al. Numerical Simulation of the Dynamic Response Characteristics of the solenoid Valve of the Electronic Control Unit Pump[J].Chinese Internal Combustion Engine Engineering，2003，24(2)：10-13.(in Chinese)

[6]ABEM，MAEKAWAN，YASUKAWA Y，et al. Quick Response Fuel Injector for Direct-injection Gasoline Engines [C]//ASME 2011 Internal Combustion Engine Division Fall Technical Conference，October 2-5，Morgantown，West Virginia，USA，2011. New York：ASME，c2011：749-754.

[7]林銳.高速開關(guān)閥的研究及數(shù)字仿真[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2005：87-91. LIN Rui. The Research and Simulation of High Speed Onoff Valve[D]. Wuhan：Wuhan University of Technology，2005：87-91. (in Chinese)

[8]蔡國(guó)廉. 電磁鐵 [M]. 上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1979. CAI Guolian.Electromagnet [M]. Shanghai：Shanghai Science and Technology Publishing House，1979. (in Chinese)

[9]CVETKOVIC D，COSIC I，SUBIC A，et al. Improved Performance of the Electromagnetic Fuel Injector Solenoid Actuator Using a Modeling Approach [J]. International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics，2008，27(4)：251-273.

[10]張廷羽，張國(guó)賢.高速開關(guān)電磁閥的性能分析及優(yōu)化研究[J]. 機(jī)床與液壓，2006(9)，139-142. ZHANG Tingyu，ZHANG Guoxian. Performance Analysis and Optimization of High Speed Switching Solenoid Valve [J]. Machine Tools and Hydraulic，2006(9)，139-142. (in Chinese)

作者介紹

Simulation Analysis of the Non Air Assisted SCR Urea Nozzles Solenoid Valve Based on Ansoft

WANG Qi1，LAI Xin1，HU Jing1，HUA Lun2
（1. College of Mechanical Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China；2. Suzhou Automotive Reseach Institute，Tsinghua University，Suzhou 215200，Jiangsu，China）

In order to improve the accuracy of the selective catalytic reduction system (SCR) for the injection of urea, the response time of solenoid valve of the urea nozzle were studied. The relevant factors affecting the response time of the solenoid valve were analyzed based on the model of the solenoid in Ansoft, and the result s were verified by experiments. The relationship between the electromagnetic valve suction and the electromagnetic valve parameters were found through the finite element analysis, and we determine the valve return spring stiffness, coil resistance and other factors on the response time of the solenoid valve by dynamic simulation. The response time of the solenoid valve was shortened, after optimizing the parameters. The results show that, in a certain range, changing air gap and back spring stiffness will produce the opposite effect on opening and closing time, and the number of turns in the coil and the coil resistance will produce greater influence on closing time.

non air assisted nozzle; solenoid valve; response time; dynamic simulation

責(zé)任作者：來鑫（1976-），男，江蘇安徽人。博士，講師，主要研究方向?yàn)槠囯娮涌刂萍夹g(shù)。Tel：13918394287E-mail：laixin@126.com

TK421+.5

A

10.3969/j.issn.2095-1469.2017.01.05

王琪（1992-），男，江蘇南京人。碩士研究生，主要研究方向?yàn)槠嚺欧趴刂萍夹g(shù)。 Tel：15901825070 E-mail：2873559152@qq.com

2016-09-07 改稿日期：2016-10-08

國(guó)家自然科學(xué)基金（51505290）

用格式：

王琪，來鑫，胡靜，等. 基于Ansoft的SCR無氣輔尿素噴嘴電磁閥的仿真分析[J]. 汽車工程學(xué)報(bào)，2017，7(1)：030-036.

WANG Qi，LAI Xin，HU Jing，et al. Simulation Analysis of the Non Air Assisted SCR Urea Nozzles Solenoid Valve Based on Ansoft [J]. Chinese Journal of Automotive Engineering，2017，7(1)：030-036. (in Chinese)