柴油機噴油控制用電磁閥的溫度場仿真與優(yōu)化

賀玉海，朱文超，凌偉健

(1. 武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063；2. 武漢理工大學(xué) 船舶動力工程技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，湖北 武漢 430063；3. 廣西玉柴機器股份有限公司，廣西 玉林 537000)

0 引 言

柴油機共軌式電控燃油噴射系統(tǒng)可以實現(xiàn)對噴油壓力、噴油量、噴油時刻和噴油速率的靈活控制，并且可以實現(xiàn)多段噴射，優(yōu)化了燃油噴射和柴油機燃燒過程，提高了柴油機的燃油經(jīng)濟性、動力性和排放性能。而高速電磁閥的精準(zhǔn)與穩(wěn)定控制決定了共軌式電控燃油噴射系統(tǒng)能否實現(xiàn)理想噴油規(guī)律、精確噴油量和良好霧化的關(guān)鍵。因此，高速電磁閥是決定共軌式電控燃油噴射系統(tǒng)性能的關(guān)鍵執(zhí)行部件[1]。高速電磁閥安裝在柴油機缸蓋上，其工作環(huán)境尤為惡劣，環(huán)境溫度高，并且電磁閥是依靠通入電流驅(qū)動工作，工作時間長極容易產(chǎn)生熱量導(dǎo)致電磁鐵發(fā)熱[2]，增加電磁鐵磁路的磁阻導(dǎo)致電磁力的下降，對電磁閥的一致性和可靠性產(chǎn)生不利的影響[3,4]，所以對電磁閥工作時的溫升進行試驗分析是必要的。本文以武漢理工大學(xué)自主研發(fā)的雙內(nèi)錐閥芯高速電磁閥為對象，利用Ansys軟件進行溫度場的建模仿真分析，開展電磁閥溫度試驗驗證，據(jù)此提出了優(yōu)化思路，并用仿真計算和試驗方法驗證了該思路的正確性。

1 Ansys熱分析理論

1.1 熱平衡方程

熱分析是研究熱載荷下的熱響應(yīng)，其理論基礎(chǔ)是基于傅里葉定律的熱傳導(dǎo)方程。在Ansys程序中，熱分析主要包括穩(wěn)態(tài)熱分析和瞬態(tài)熱分析[5]。

在穩(wěn)態(tài)傳熱分析中，系統(tǒng)的熱量處于平衡狀態(tài)，即耗散到外界的熱量與進入到系統(tǒng)的熱量的差值是系統(tǒng)本身生成的熱量，它們有如下關(guān)系式：

相應(yīng)的用有限元描述的能量平衡方程為：

式中： K 為熱傳導(dǎo)系數(shù)矩陣； T為求解區(qū)域的節(jié)點溫度矩陣； Q為節(jié)點熱流矩陣。

瞬態(tài)傳熱過程中系統(tǒng)的溫度、熱流率、熱邊界條件以及系統(tǒng)內(nèi)能均隨時間有明顯的變化，瞬態(tài)熱分析的能量平衡方程為：

1.2 邊界條件

為了使熱平衡方程具有唯一解，還需給出邊界條件，邊界條件通常為3種。

1）第一類邊界條件：給定了任何一個瞬間在邊界上的溫度大小。

式中： S1為邊界面； T0為導(dǎo)熱過程中設(shè)定的溫度值。

2）第二類邊界條件：給定了任何一個瞬間在邊界面上熱流密度大小。

式中： q0為已確定的通過邊界面 S2的熱流密度。穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱中， q0=C。

3）第三類邊界條件：給定了物體周圍流體的溫度大小以及邊界面上物體和流體兩者間的換熱系數(shù)大小。

式中： α為邊界面 S3上的換熱系數(shù)； Tf為周圍流體溫度。

2 電磁閥溫度場的建模仿真

以自主研發(fā)的雙內(nèi)錐閥芯高速電磁閥為試驗研究對象，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

前期試驗表明電磁閥中電磁線圈部分的溫度最高，對電磁閥的溫度場分析，重點以電磁線圈為研究對象進行熱仿真分析。

2.1 電磁閥三維建模

圖1 雙內(nèi)錐閥芯高速電磁閥Fig. 1 Double inner cone core high-speed solenoid valve

本文所研究的電磁鐵具有軸對稱結(jié)構(gòu)，為了提高計算效率，用Pro/E創(chuàng)建了電磁鐵的1/6模型，電磁鐵外殼與磁軛接觸，鐵芯的熱量通過電磁鐵外殼流出。外殼內(nèi)部填充空氣作為電磁鐵各部件間熱傳導(dǎo)的介質(zhì)。導(dǎo)入Ansys Workbench后的電磁鐵穩(wěn)態(tài)熱分析模型如圖2所示。

圖2 電磁鐵穩(wěn)態(tài)熱分析模型Fig. 2 Electromagnet steady state thermal analysis model

定義模型中所用材料的相關(guān)屬性，主要是導(dǎo)熱系數(shù)。材料的導(dǎo)熱系數(shù)如表1所示。

表1 電磁鐵材料屬性Tab. 1 Electromagnet material properties

2.2 載荷及邊界條件的設(shè)定

熱載荷為電磁鐵內(nèi)部生熱，即瞬態(tài)磁場計算結(jié)果，由于是鐵芯、銜鐵和線圈的損耗，因此生熱部件為鐵芯、銜鐵和線圈[6-7]。導(dǎo)入電磁鐵循環(huán)平均生熱功率，如圖3所示，損耗的統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。邊界條件是電磁鐵與外界的熱對流和熱輻射，定義換熱面為電磁鐵外殼的外表面，取換熱系數(shù)為20 W/（m2·°C）；定義輻射面為電磁鐵外殼外表面，取輻射率為0.4。

圖3 循環(huán)平均生熱率Fig. 3 Average cycling rate

表2 電磁鐵各部件內(nèi)部生熱Tab. 2 Electromagnet internal heat generation

圖4 電磁鐵穩(wěn)態(tài)溫度場分布云圖Fig. 4 Electromagnet steady state temperature field distribution cloud map

求解得到電磁鐵的溫度場分布如圖4所示。由溫度場分布云圖可知：線圈部位的溫度為電磁鐵中最高溫度，在設(shè)定激勵電壓通電時間為30 ms時，達到了58.3 °C，閥殼的溫度最低，為36.4 °C；通電時間為25 ms時，仿真得到的線圈溫度為55.7 °C；通電時間為20 ms時，仿真得到的線圈溫度為53.9 °C。

圖5為電磁場兩極柱之間氣隙的溫度場分布云圖，取一個面作為觀察對象，此處空氣受兩側(cè)線圈溫度的影響，且散熱條件較差，因此溫度幾乎與線圈溫度相同，在實際測試中檢測此處空氣溫度可代表線圈的實際溫度，即電磁鐵的最高溫度。

熱通量分布云圖和鐵芯熱通量矢量圖分別如圖6和圖7所示。由圖6可知，鐵芯磁軛周面與電磁閥閥殼接觸處熱通量最大，達到0.044 W/mm3。結(jié)合圖7來看，由熱通量的流動方向可知，鐵芯處產(chǎn)生的熱量大部分從磁軛端面和周面（圖中畫圈處）經(jīng)過閥殼進而流向電磁閥工作環(huán)境中。線圈產(chǎn)生的熱量流動有2個方向，一是從線圈內(nèi)表面流向鐵芯，二是從線圈外表面經(jīng)空氣流向閥殼，最終流向工作環(huán)境中。

圖5 極柱間氣隙的溫度場云圖Fig. 5 Temperature field cloud diagram of the air gap between poles

圖6 電磁鐵的熱流密度分布Fig. 6 The distribution of the heat flux of the electromagnet

圖7 鐵芯熱流密度矢量圖Fig. 7 Heat flux vector diagram of iron core

圖8 電磁閥性能測試試驗臺Fig. 8 Solenoid valve performance test bench

圖9 電磁閥綜合性能測試系統(tǒng)Fig. 9 Solenoid valve comprehensive performance test system

3 試驗的驗證與分析

3.1 試驗驗證仿真結(jié)論

為了驗證基于Ansys仿真電磁鐵模型溫度場結(jié)果的正確性，對電磁閥進行工作溫升試驗。電磁閥性能測試試驗臺如圖8所示。

電磁閥的測試軟件使用自主開發(fā)電磁閥綜合性能測試系統(tǒng)，測試系統(tǒng)選用NI公司的PCIe-7815R數(shù)據(jù)采集卡，軟件選用NI公司的LabView軟件平臺電磁閥綜合性能測試系統(tǒng)的界面如圖9所示。

電磁閥的熱性能，可用線圈的絕緣等級、溫升和溫升限度等指標(biāo)衡量，表3為電磁鐵的絕緣等級表。絕緣等級是指電磁鐵線圈的耐熱等級，表示線圈能夠保持其工作性能的最高工作溫度，溫升是指線圈溫度與環(huán)境溫度的差值，溫升限值指的是電磁閥長時間運行達到熱穩(wěn)定狀態(tài)后線圈溫升所允許的極限。自主研發(fā)的高速電磁閥所用線圈絕緣等級為A級，最高許用溫度為105 °C。試驗時從環(huán)境溫度開始，每隔5 min記錄一次線圈溫度，直至溫度不再變化，認(rèn)為達到熱平衡。

表3 絕緣等級表Tab. 3 Insulation scale

試驗條件：電磁鐵極柱外徑38 mm，極柱內(nèi)徑18 mm，線徑0.67 mm，線圈匝數(shù)20，線圈電阻0.5 Ω，彈簧預(yù)緊力135 N，工作氣隙/殘余氣隙0.35/0.1 mm，工作壓力20 MPa，工作頻率5 Hz，電磁閥激勵電壓的通電時間分別為20 ms，25 ms和30 ms，驅(qū)動電流50 A，驅(qū)動時間3 ms，維持電流6 A。線圈溫度隨運行時間的變化曲線分別如圖10所示。

圖10 線圈溫度變化曲線Fig. 10 Coil temperature change curve

分析可知，電磁閥在環(huán)境溫度為20 °C，激勵電流的通電時長分別為20 ms，25 ms，30 ms時，最后試驗的結(jié)果顯示電磁閥熱平衡的溫度依次是52.5 °C，53.4 °C，56.6 °C。線圈溫度隨著電磁閥運行時間變長而升高，線圈的溫度曲線呈現(xiàn)先急后緩的趨勢，到70 min左右時溫度基本趨于穩(wěn)定，且在電磁閥的每個工作循環(huán)內(nèi)加載激勵電壓的時間越長，線圈溫度越高。其原因是線圈產(chǎn)生熱量后未及時散熱，當(dāng)散熱增加后，生熱和散熱漸漸達到平衡。另外激勵電壓的通電時間變長，造成線圈生熱的時間變長，因此產(chǎn)生溫度越高，最后線圈在熱穩(wěn)定時的溫度也就越高。試驗結(jié)果與Ansys溫度場仿真的結(jié)果基本一致，說明基于Ansys軟件對電磁閥溫度場的仿真結(jié)果可靠。

3.2 試驗與仿真的誤差分析

表4列出了仿真與試驗結(jié)果的對比，仿真結(jié)果比試驗結(jié)果偏高，這是由于本文所使用的電磁閥是作為柴油機共軌式電控燃油噴射系統(tǒng)中控制燃油噴射的執(zhí)行部件，通過電磁閥控制高壓伺服油的通斷，控制燃油的噴射。在電磁閥工作時，其內(nèi)部容腔充滿了伺服油，部分伺服油在流經(jīng)電磁閥線圈及靜鐵芯時帶走了部分的熱量，用Ansys仿真時忽略了這部分的熱量，導(dǎo)致了仿真結(jié)果比試驗結(jié)果偏高，但誤差均在5%以內(nèi)，說明仿真模型對電磁閥溫度場的優(yōu)化分析具有實際的指導(dǎo)意義。

表4 仿真與試驗結(jié)果對比Tab. 4 Comparison of simulation and test results

4 電磁閥降溫優(yōu)化設(shè)計與驗證

4.1 降低發(fā)熱量的必要性

電磁閥工作溫升試驗表明，在環(huán)境溫度為20 °C時，電磁閥最高工作溫度為56.4 °C，溫升小于技術(shù)要求溫升，而電磁閥作為控制柴油機燃油噴射的重要執(zhí)行部件，實際工作環(huán)境散熱條件極差，在特定的情況下，電磁閥的環(huán)境溫度高達50 °C，需要對電磁閥在實際工作中的溫度進行預(yù)測，并且提出優(yōu)化思路。由前文的仿真與試驗結(jié)果對比可知，電磁閥的溫度場仿真結(jié)果準(zhǔn)確，可以用來預(yù)測電磁閥在不同工作環(huán)境的溫度。利用已經(jīng)建好的穩(wěn)態(tài)熱分析模型，將環(huán)境溫度（Ambient Temperature）設(shè)置為50 °C，其他條件保持不變，進行仿真求解，得到的溫度場結(jié)果如圖11所示。

從仿真結(jié)果可以看出，電磁鐵最高溫度已經(jīng)達到了102 °C，已經(jīng)非常接近電磁閥最高許用溫度105 °C，且電磁閥在實際工作時存在瞬態(tài)溫度波動，仿真結(jié)果雖未超過許用溫度，但電磁閥在如此高的溫度下運行，勢必增加其工作的不確定性，應(yīng)考慮采取措施來降低電磁閥的工作溫度。

4.2 降溫優(yōu)化的思路

電磁閥發(fā)熱損耗包括線圈電流的功率損耗和鐵芯損耗，其中鐵芯損耗又分為渦流損耗和磁滯損耗[8]。線圈的功率損耗可用下式表示：

式中：i為線圈電流，A；R為線圈電阻， ?。

渦流損耗計算公式如下：

式中：Ce為渦流損耗系數(shù)；f為磁場變化的頻率，Hz；B為磁感應(yīng)強度，T；d為鐵心材料厚度，m；為鐵磁材料的電阻率，Ω·m。

磁滯損耗可表示為：

式中：Cm為渦流損耗系數(shù)；V為鐵芯體積；n為與鐵磁材料相關(guān)的參數(shù)，取n=2。

由式（7）～式（9）可見，電磁閥降低工作溫度的優(yōu)化方向，可從電磁閥運動控制參數(shù)、電磁閥耐熱與散熱、電磁鐵材料以及其工作環(huán)境溫度等方面考慮。

圖11 環(huán)境溫度50 ℃時溫度場分布Fig. 11 Temperature field distribution at ambient temperature of 50 ℃

同時，在實際電磁閥內(nèi)，電磁鐵與閥殼之間因為要防止線圈絕緣材料磨損，墊入了普通絕緣紙，其絕緣性能好，但是導(dǎo)熱性能差，導(dǎo)致電磁鐵和線圈產(chǎn)生的熱量無法快速散發(fā)出去。

而電磁閥的工作環(huán)境無法改變，電磁閥運動控制參數(shù)也是在計算試驗后得出的較優(yōu)結(jié)果，所以在降溫優(yōu)化方面，主要從以下幾點出發(fā)：

1）可直接選用絕緣等級更高的線圈材料，提高線圈的耐熱能力，比如E級，最高允許溫度為120 °C，線圈溫升限值為75 °C。

2）選擇導(dǎo)熱性好的絕緣紙，如CeQuin復(fù)合絕緣紙，具有高導(dǎo)熱系數(shù)和耐熱性，可有效降低工作溫升。還可以選用導(dǎo)熱絕緣膠，貼在閥殼內(nèi)壁，既可以絕緣，又可以傳遞熱量。

3）提高電磁閥的散熱能力，考慮在閥殼的表面加工翅片，增加散熱面積。

4.3 降低溫升效果驗證

初步設(shè)定翅片厚度為0.5 mm，長度為2 mm，相鄰翅片距離為1 mm。增加翅片的電磁鐵穩(wěn)態(tài)熱分析模型如圖12（a）所示，仿真得到的穩(wěn)態(tài)溫度場分布如圖12（b）所示。

圖12 有翅片電磁鐵Fig. 12 Finned electromagnet

從圖可見，閥殼增加翅片后，電磁鐵最高溫度是55.2 °C，與上文的仿真結(jié)果 58.3 °C 比較下降了 3.1 °C，此外在環(huán)境溫度為50 °C時電磁鐵最高溫度為90.7 °C，比無翅片時的電磁鐵最高溫度102 °C降低11.3 °C，說明加工翅片后電磁閥的散熱效果提高。

5 結(jié) 語

1）基于Ansys有限元軟件對電磁閥的溫度場進行仿真，需考慮電磁閥激勵電流的通電時長和環(huán)境溫度，使仿真結(jié)果更貼近實際；

2）對電磁閥進行了發(fā)熱溫升試驗，試驗結(jié)果與仿真結(jié)果誤差在5%以內(nèi)，表明了溫度場仿真能夠準(zhǔn)確的計算出電磁閥在實際工作時溫度隨時間的變化；

3）提出了對電磁閥溫度場優(yōu)化的思路，在結(jié)論的基礎(chǔ)上用Ansys軟件仿真，仿真上述結(jié)果表明思路是正確的，在解決電磁閥散熱問題具有實際的工程應(yīng)用價值。