電控尿素噴嘴電磁閥特性研究

曾偉，宋永平，高殿朋，趙曉東

(凱龍高科技股份有限公司，江蘇無(wú)錫 214153)

0 引言

目前，為滿足國(guó)六和非道路國(guó)四排放法規(guī)要求，大部分廠商選擇DOC+DPF+SCR的尾氣后處理技術(shù)路線。SCR系統(tǒng)通過(guò)選擇性催化還原反應(yīng)消除尾氣中的有害氣體NOx。尿素噴嘴作為SCR后處理噴射系統(tǒng)中的關(guān)鍵零部件，通過(guò)電磁閥的開(kāi)啟、關(guān)閉精確計(jì)量噴入排氣管中的尿素溶液，并參數(shù)霧化。

國(guó)六排放法規(guī)對(duì)尿素噴射系統(tǒng)的流量控制精度提出了更高的要求。為實(shí)現(xiàn)對(duì)噴射時(shí)刻、噴射頻率和噴射脈寬等的靈活控制，滿足噴射流量一致性及穩(wěn)定性[1]，有必要對(duì)尿素噴嘴電磁閥的特性進(jìn)行研究。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]。

本文作者基于模擬仿真軟件，計(jì)算分析了不同銜鐵氣隙、線圈匝數(shù)、電流等對(duì)靜態(tài)電磁力的影響；并分析了不同電壓、氣隙時(shí)電控尿素噴嘴的動(dòng)態(tài)開(kāi)啟時(shí)間。此外，還通過(guò)高速攝像機(jī)間接測(cè)量了噴嘴的開(kāi)啟時(shí)間，對(duì)比分析了實(shí)測(cè)值與計(jì)算值，為電控尿素噴嘴電磁閥前期設(shè)計(jì)定型和性能優(yōu)化提供指導(dǎo)。

1 電磁閥結(jié)構(gòu)及理論計(jì)算模型

1.1 尿素噴嘴結(jié)構(gòu)

電控尿素噴嘴的結(jié)構(gòu)如圖1所示。線圈通電后，電磁閥內(nèi)由外磁套、銜鐵、中心磁體、U形塊形成電磁回路，產(chǎn)生電磁力吸附銜鐵，使銜鐵克服彈簧預(yù)緊力，球閥打開(kāi)。尿素溶液經(jīng)進(jìn)油口、濾芯、噴嘴內(nèi)部流道、銜鐵、球閥，最后通過(guò)霧化器形成噴霧。電磁閥斷電后，彈簧預(yù)緊力和液壓力使球閥關(guān)閉，尿素噴嘴停止噴射。

圖1 電控尿素噴嘴結(jié)構(gòu)示意

1.2 電磁閥理論計(jì)算方法

不考慮線圈通電產(chǎn)生的溫升對(duì)線圈磁勢(shì)及導(dǎo)磁材料磁阻的影響，忽略導(dǎo)磁材料的磁滯效應(yīng)，假定材料均勻性且各向同性[4]。采用直流螺線管電磁鐵，根據(jù)麥克斯韋電磁力公式計(jì)算穩(wěn)態(tài)工作時(shí)電磁閥的吸力為

(1)

式中：φ為工作氣隙磁通，Wb；B為工作氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度，T；S為磁路截面積，m2；μ0為真空磁導(dǎo)率，其值為4π×10-7Wb/A·m。

不考慮漏磁及其他連接部位的氣隙，主氣隙即為銜鐵行程，此時(shí)直流電磁鐵的氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度B為

(2)

式中：N為線圈匝數(shù)；I為電流強(qiáng)度，A；U為電源電壓，V；R為繞線電阻，Ω；δ為氣隙長(zhǎng)度，m。

將式(2)代入式(1)可得：

(3)

根據(jù)式(3)可見(jiàn)，要提高電磁閥線圈的吸力，在電壓或電流不變的情況下，可通過(guò)提高線圈匝數(shù)或減小銜鐵行程實(shí)現(xiàn)。

電磁閥銜鐵運(yùn)動(dòng)方程為

(4)

其中：m為銜鐵的質(zhì)量。

2 電磁閥靜態(tài)電磁計(jì)算分析

電磁閥特性計(jì)算輸入?yún)?shù)如表1所示。

表1 電磁閥計(jì)算輸入?yún)?shù)

2.1 靜態(tài)電磁力

文中采用的磁性材料的磁化曲線如圖2所示。圖3給出了不同工況下尿素噴嘴銜鐵受到的電磁力。相同銜鐵氣隙時(shí)，隨線圈匝數(shù)、驅(qū)動(dòng)電流增加，電磁力逐漸增加。以氣隙100 μm、線圈350匝為例，驅(qū)動(dòng)電流由0.5 A增至1.5 A，電磁力由17.2 N增至20.1 N。此外，由圖3可見(jiàn)銜鐵氣隙的大小對(duì)電磁力影響較大。線圈350匝、電流1 A時(shí)，氣隙由125 μm減小為100 μm，電磁力由10.6 N增至19.1 N，增加了約80%。

所以，在滿足尿素流動(dòng)特性要求時(shí)，應(yīng)盡量減小銜鐵氣隙以提高電磁力，從而降低噴嘴的開(kāi)啟時(shí)間，通常情況下尿素噴嘴的銜鐵氣隙設(shè)計(jì)為70～100 μm。

圖2 磁性材料的磁化曲線

電控尿素噴嘴的開(kāi)啟電磁力一般要大于3倍的彈簧預(yù)緊力，以確保噴嘴球閥能夠快速開(kāi)啟。文中彈簧預(yù)緊力為4.5 N，所以電磁力應(yīng)大于13.5 N。從圖3可見(jiàn)，如果噴嘴的氣隙設(shè)計(jì)為125 μm時(shí)，驅(qū)動(dòng)電流需大于1.5 A才能滿足要求。但較大的電流會(huì)使線圈產(chǎn)生大量的熱量，影響噴嘴的工作特性，因此需對(duì)磁路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)?？赏ㄟ^(guò)增加線圈匝數(shù)、提高磁通截面、更換磁性材料、減小磁路漏磁等手段實(shí)現(xiàn)。

圖3 銜鐵受到的電磁力

電磁閥的磁感應(yīng)強(qiáng)度B分布如圖4所示，可直觀地觀測(cè)整個(gè)磁路中的漏磁現(xiàn)象，以便進(jìn)行磁路優(yōu)化。

圖4 磁感應(yīng)強(qiáng)度分布

2.2 動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性

尿素噴嘴的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析，具體參數(shù)為：線圈電阻為12 Ω，驅(qū)動(dòng)電壓9～32 V，銜鐵氣隙100、150 μm，其他條件同第2.1節(jié)。圖5為不同驅(qū)動(dòng)壓力下噴嘴的開(kāi)啟時(shí)間，可見(jiàn)隨著驅(qū)動(dòng)電壓增加，噴嘴開(kāi)啟時(shí)間逐漸降低。通常尿素噴嘴要求開(kāi)啟時(shí)間小于1.5 ms，以滿足噴嘴動(dòng)態(tài)小流量一致性要求。對(duì)于24 V系統(tǒng)而言，驅(qū)動(dòng)電壓一般為18～32 V，噴嘴可滿足開(kāi)啟響應(yīng)要求。驅(qū)動(dòng)電壓為32 V、氣隙100 μm時(shí)，噴嘴開(kāi)啟時(shí)間僅為0.81 ms。

圖5 噴嘴開(kāi)啟時(shí)間

對(duì)于12 V系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)電壓一般為13.8 V，開(kāi)啟時(shí)間分別為1.62和1.81 ms，不能滿足要求，需要對(duì)磁路進(jìn)行優(yōu)化。以氣隙100 μm為例，要使開(kāi)啟時(shí)間小于1.5 ms,驅(qū)動(dòng)電壓需大于15 V，對(duì)應(yīng)的電流為1.25 A，所以12 V系統(tǒng)推薦采用Peak-Hold驅(qū)動(dòng)方式，Peak電流1.5 A，Hold電流0.5 A，可滿足使用要求。

圖6為氣隙100 μm、驅(qū)動(dòng)電壓16 V時(shí)的銜鐵運(yùn)動(dòng)曲線?？梢?jiàn)：當(dāng)驅(qū)動(dòng)線圈開(kāi)始通電時(shí)，內(nèi)部電流逐漸增加，存在一定的開(kāi)啟延時(shí)，延遲時(shí)間約為1 ms。這個(gè)延遲由線圈的電阻和電感的磁滯引起，與文獻(xiàn)[1]中得到的結(jié)論一致。1 ms后銜鐵開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，完全開(kāi)啟時(shí)間為1.42 ms。

圖6 銜鐵運(yùn)動(dòng)曲線

圖7為線圈電感和電磁力曲線，同樣電磁力存在一定的延遲，時(shí)間約為0.5 ms。

圖7 電感和電磁力

3 噴嘴開(kāi)啟響應(yīng)測(cè)量

本文作者采用了兩種方法測(cè)量了噴嘴開(kāi)啟響應(yīng)時(shí)間，分別為高速攝像測(cè)量和電流曲線測(cè)量。

方法一：通過(guò)高速攝像機(jī)同步NI驅(qū)動(dòng)板卡間接測(cè)試噴嘴開(kāi)啟時(shí)間。由于銜鐵氣隙較小，假設(shè)噴嘴完全打開(kāi)時(shí)噴嘴開(kāi)始噴射。圖8為不同時(shí)刻噴霧圖像，t=0 ms時(shí)噴嘴通電，此時(shí)噴嘴關(guān)閉；t=1.5 ms時(shí)噴嘴開(kāi)始噴射，認(rèn)為此時(shí)噴嘴已全部打開(kāi)；t=2 ms時(shí)噴霧還未完全形成；t=3 ms時(shí)噴霧形成完整的霧化形態(tài)。

圖8 不同時(shí)刻噴霧圖像

測(cè)試了10支噴嘴的開(kāi)啟時(shí)間，噴射壓力550 kPa，采用Peak-Hold電流驅(qū)動(dòng)，電流值分別為1.5、0.5 A。測(cè)試結(jié)果如圖9所示，開(kāi)啟時(shí)間范圍為1.39～1.52 ms,均值1.48 ms，滿足使用要求。

圖9 噴嘴開(kāi)啟時(shí)間

方法二：通過(guò)示波器測(cè)量噴嘴驅(qū)動(dòng)電流可間接測(cè)量噴嘴的開(kāi)啟時(shí)間。圖10為采用電流鉗測(cè)得的電壓波形，噴嘴開(kāi)啟時(shí)間為1.4 ms，與方法一相近。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文作者基于商業(yè)仿真軟件，計(jì)算分析了線圈匝數(shù)、驅(qū)動(dòng)電流、銜鐵氣隙對(duì)靜態(tài)電磁力的影響；線圈匝數(shù)、驅(qū)動(dòng)電流增加，電磁力增加；銜鐵氣隙對(duì)電磁力影響較大，氣隙由100 μm增至125 μm，電磁力降低了80%；隨著驅(qū)動(dòng)電壓增加，噴嘴動(dòng)態(tài)開(kāi)啟時(shí)間逐漸降低。驅(qū)動(dòng)電壓為32 V、氣隙100 μm時(shí)，噴嘴開(kāi)啟時(shí)間僅為0.81 ms。此外，還通過(guò)高速攝像機(jī)接和示波器測(cè)試噴嘴開(kāi)啟時(shí)間，測(cè)試結(jié)果與計(jì)算值基本相同，滿足使用要求。