船用低速柴油機(jī)電控噴油器電磁閥仿真研究

姜盼龍，　張歡仁，　楊　明

(上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 航運(yùn)技術(shù)與國家安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200135)

0　引　言

在船用低速柴油機(jī)電控燃油噴射系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)柔性控制的關(guān)鍵是噴油正時(shí)、噴油量和噴油規(guī)律的精確控制與調(diào)節(jié)。電磁閥根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元(Electronic Control Unit,ECU)發(fā)出的噴油控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)電-磁-機(jī)-液的轉(zhuǎn)換，控制噴油器的針閥動(dòng)作以實(shí)現(xiàn)噴油控制。因此，電磁閥響應(yīng)特性是精確控制噴油正時(shí)、噴油持續(xù)期及實(shí)現(xiàn)多次噴射的關(guān)鍵，對(duì)其進(jìn)行分析研究具有重要意義。電磁閥的工作過程涉及到電磁現(xiàn)象、液力過程和機(jī)械運(yùn)動(dòng)等方面，各參數(shù)間相互影響且關(guān)系復(fù)雜。

基于以上原因，對(duì)相應(yīng)的模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，分析電磁閥的控制電壓和控制伺服油壓力對(duì)電磁閥開啟響應(yīng)速度的影響，可對(duì)以后電磁閥的設(shè)計(jì)與優(yōu)化起著借鑒意義。

1　電控噴油器電磁閥工作原理

電控噴油器電磁閥的物理模型見圖1，它是由電磁鐵和兩位三通開關(guān)閥芯等組成。

圖1　電控噴油器電磁閥物理模型

以船用低速小缸徑二沖程柴油機(jī)共軌式電控噴油系統(tǒng)為應(yīng)用對(duì)象，設(shè)計(jì)的電控噴油器電磁閥用于電控液力增壓式噴油器的噴油控制(見圖2)。其原理如下：

圖2　電控噴油器電磁閥工作原理

1)該電磁閥為兩位三通常閉式結(jié)構(gòu)，當(dāng)把電磁閥安裝在噴油器上時(shí)，線圈通電時(shí)，電磁閥上的伺服油進(jìn)油控制孔A與噴油器增壓泵的針閥控制腔連通，線圈斷電時(shí)，伺服油回油口T與噴油器的針閥控制腔連通，且燃油閥噴射的啟停過程中，控制伺服油始終保持伺服油共軌壓力；

2)當(dāng)電磁閥從驅(qū)動(dòng)電路得電時(shí)，電磁閥的閥芯迅速動(dòng)作，控制伺服油接通控制口 A與伺服油回油口T，使針閥控制腔的伺服油壓力迅速通過泄油腔釋放，噴油器的針閥在針閥腔高壓燃油液動(dòng)力作用下，克服復(fù)位彈簧及其他阻力迅速提升，對(duì)燃油增壓腔內(nèi)的燃油形成擠壓，實(shí)現(xiàn)高壓燃油的迅速噴射，且噴射過程一直持續(xù)至電磁閥失電；

3)當(dāng)電磁閥從驅(qū)動(dòng)電路上失電時(shí)，高壓控制伺服油經(jīng)電磁閥P口接入控制口A，高壓伺服油在針閥控制腔內(nèi)保持為高壓，噴油器針閥在針閥控制腔內(nèi)伺服油壓力、復(fù)位彈簧預(yù)壓力作用下迅速關(guān)閉，同時(shí)，燃油增壓腔單向閥在低壓燃油的壓力作用下開啟，增壓腔從燃油泵中吸入燃油進(jìn)行充油過程，為下次的燃油噴射做準(zhǔn)備。

2　電控噴油器電磁閥的建模

2.1　模型假設(shè)

1) 假設(shè)在電路中的電阻為定值，不考慮由于溫度升高對(duì)于電阻的影響；

2) 假設(shè)噴油器電磁閥不計(jì)漏磁對(duì)電磁鐵工作過程的影響，且忽略電渦流的作用；

3) 忽略液壓油路中(燃油、伺服油)流體運(yùn)動(dòng)的摩擦損失、慣性效應(yīng)、容積效應(yīng)及彈性模量對(duì)壓力波傳遞的影響；

4) 忽略機(jī)械延遲和液力延遲對(duì)電磁閥開啟響應(yīng)的影響；

5) 忽略電磁閥中運(yùn)動(dòng)部件產(chǎn)生的彈性變形。

2.2　模型建立

1) 電控噴油器電磁閥電路數(shù)學(xué)模型為

(1)

式(1)中：U為線圈兩端電壓；i為電磁線圈中電流；?為線圈中的磁通量；R回路中的有效電阻；N為電磁閥線圈匝數(shù)。

2) 電控噴油器電磁閥磁路的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)麥克斯韋電磁吸力公式，電磁閥的吸力為

(2)

式(2)中：Fm為電磁力；Φ為工作氣隙磁通量；σ為電磁閥工作氣隙；μ0空氣磁導(dǎo)率；S為氣隙導(dǎo)磁面積。

3) 電控噴油器電磁閥運(yùn)動(dòng)學(xué)的數(shù)學(xué)模型為

δ)

(3)

式(3)中：Pe為作用在電磁閥承壓面上的不平衡液壓力；Se為電磁閥承壓面面積；Fm為電磁力；Fsp為彈簧預(yù)緊力；δ為燃油流速；ε0為電磁閥的迎面阻力系數(shù)。

3　電控噴油器電磁閥的仿真及分析

3.1　電控噴油器電磁閥的仿真模型

根據(jù)電磁閥各部分的數(shù)學(xué)模型，利用MATLAB/Simulink進(jìn)行仿真建模計(jì)算，電磁閥的Simulink模塊仿真模型見圖3。在建立電磁閥的仿真模型后，對(duì)電磁閥進(jìn)行仿真,此處電路中電阻值為10 Ω，電磁閥匝數(shù)為60，其工作氣隙不變，電磁閥閥芯升程為2 mm。仿真曲線圖中橫軸代表時(shí)間，縱軸代表位移。

圖3　電磁閥Simulink仿真模型

3.2　控制電壓對(duì)閥芯位移的影響

控制電壓分別為10 V，15 V，20 V，25 V情況下，控制伺服油壓力在300 bar(1 bar=100 000 Pa)下，觀察電磁閥閥芯位移曲線(見圖4)。

由圖4可知，當(dāng)控制電壓為10 V時(shí)，閥芯的開啟響應(yīng)時(shí)間為5.1 ms。隨著壓力的增大，閥芯的開啟響應(yīng)速度不斷增大。當(dāng)控制電壓為25 V時(shí)，閥芯開啟響應(yīng)時(shí)間為1.9 ms。由此可知，電壓越大，電磁閥的響應(yīng)速度越快。但電壓不能過大，電壓過大，將會(huì)導(dǎo)致線圈產(chǎn)生很大的熱量，將嚴(yán)重影響電磁閥正常工作。

3.3　控制伺服油壓力對(duì)閥芯位移的影響

控制伺服油壓力分別在150 bar, 200 bar, 250 bar, 300 bar下，控制電壓為10 V，電磁閥閥芯位移曲線見圖5。

圖4　工作電壓對(duì)閥芯位移的影響曲線

圖5　控制伺服油壓力對(duì)閥芯位移的影響曲線

由圖5可知，在不同的控制伺服油壓力的作用下，閥芯位移開啟響應(yīng)速度是不同的?？刂扑欧蛪毫?50 bar時(shí)，電磁閥的開啟響應(yīng)速度為7.1 ms。隨著伺服油壓力的升高，當(dāng)控制伺服油壓力(對(duì)應(yīng)圖中的細(xì)實(shí)線)為300 bar時(shí)，對(duì)應(yīng)的電磁閥的開啟響應(yīng)為5.1 ms。因此，控制伺服油壓力越高，閥芯位移的開啟響應(yīng)速度越快。但伺服油壓力不能無限加大，在實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用中，伺服油壓力最大為300 bar。

4　結(jié)　語

1) 根據(jù)模型的仿真結(jié)果可知，控制伺服油壓力一定時(shí)，控制電壓越大，電磁閥閥芯的開啟響應(yīng)速度越快?？刂齐妷阂欢〞r(shí)，控制伺服油壓力越大，電磁閥閥芯開啟響應(yīng)速度也越快。但控制電壓和控制伺服油壓力不能無限制地增加，實(shí)際控制電壓和控制伺服油壓力需根據(jù)具體實(shí)際工程需要給定。

2) 運(yùn)用MATLAB/Simulink仿真軟件，建立電磁閥的仿真模型。根據(jù)模型的仿真結(jié)果，可基本反映出電磁閥的開啟響應(yīng)速度特性，可為以后燃油噴射的控制策略提供指導(dǎo)作用。

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