高压共轨系统高压泵进油计量阀仿真研究

姜伟， 杨显锋， 徐春龙， 赵中余， 靳范萍

(中国北方发动机研究所(天津)， 天津 300400)



高压共轨系统高压泵进油计量阀仿真研究

姜伟， 杨显锋， 徐春龙， 赵中余， 靳范萍

(中国北方发动机研究所(天津)， 天津 300400)

根据高压共轨高压泵进油计量阀的结构，建立计量阀的比例电磁铁及液力阀的仿真计算模型，利用仿真分析方法，研究比例电磁铁的工作特性，比例电磁铁结构、材料等因素对比例电磁铁性能的影响以及不同形状节流孔液力阀的流通特性。结果表明：在理想工作气隙内，电磁吸力与激励电流成正比；在允许的设计范围内，比例电磁铁定铁端部的锥角越尖锐越有利于提升其电磁吸力的水平特性；比例电磁铁理想工作气隙的长度随定铁锥面的长度增大而增大，而电磁吸力随定铁锥面的长度增大而减小；在一定的衔铁长度内，比例电磁铁的电磁吸力随衔铁长度的增大而增大；三角形节流孔的计量阀比圆形和矩形的计量阀流量控制性好。研究的结果可以为高压共轨高压泵进油计量阀设计提供依据。

高压共轨； 高压泵； 进油计量阀； 仿真

对于高功率密度车用柴油机，采用更高的喷油率是系统动力性能要求的关键，高压共轨燃油系统以其高的喷射压力和灵活的喷射方式成为高功率密度柴油机理想的燃油系统选择[1-2]。

高压共轨泵进油计量阀是高压共轨系统的重要部件之一，其作用是根据共轨压力的需求对进入高压共轨变量泵柱塞腔内的燃油量进行计量，控制高压泵的进油量，使输送到油轨的燃油量与系统的需求量一致，满足轨压稳定的要求[3-4]。

计量阀的设计是高压共轨系统设计工作中的重要一环，进油计量阀应具备以下性能：1) 满足高压泵最大流量的需求；2) 具有良好的控制性能，流量随激励电流线性可调；3) 满足工作温度[5-6]，保证运行的可靠性；缩小尺寸，节约材料，以提高其经济性指标。

本研究通过仿真方法分析影响计量阀性能的重要因素，为高压共轨系统高压泵计量阀的设计及研究提供参考及依据。

1 进油计量阀工作原理

按不通电条件下的状态计量阀可分为常开式和常闭式两种，本研究针对常开式进油计量阀进行仿真分析。当计量阀不通电时,在阀内的回位弹簧作用下,节流口的开度最大,此时供油量最大。计量阀主要由比例电磁铁和液压阀两个部分组成，详细结构见图1。图2示出进油计量阀的工作原理。

计量阀的比例电磁铁由脉宽调制波(PWM)驱动，调节占空比，使电磁铁的平均驱动电流产生变化。占空比越大，产生的驱动电流越大，电磁铁产生的电磁力也越大，电磁铁克服阀芯弹簧力运动，推动阀芯使节流口的流通截面减小，从计量阀到高压泵的油量减少，从而使高压泵供入油轨内的燃油减少；当电磁铁的驱动力使阀芯将节流孔完全关闭时,高压油泵就停止向油轨供油。

2 比例电磁铁仿真分析

计量阀电磁铁为轴对称结构，在Ansoft仿真软件中建立轴对称坐标内的几何图形，并设定求解类型为轴对称的二维静磁场[7]。模型见图3。比例电磁铁主要参数见表1。

表1 比例电磁铁主要参数

根据表1参数对电磁场各参数和电磁吸力求解。磁力线和磁感应强度的分布计算结果见图4和图5，在此条件下，衔铁受到的轴向力为7 N，计算结果与在电磁力检测平台的测试结果偏差在±1 N，模型计算所得结果基本可信。图6示出不同气隙长度下电磁吸力随激励电流的变化规律，由图可见，在不同的气隙长度下，电磁吸力均随激励电流的增加而增大，呈线性变化。

3 比例电磁铁电磁吸力影响因素分析

在仿真模型的基础上，分析比例电磁铁关键零件材料、工作气隙以及结构参数等对电磁力的影响，为计量阀的设计提供参考及依据。

3.1 材料对电磁吸力的影响

图7至图9给出了衔铁、定铁和外壳采用的电工纯铁(DT4A)、10号钢和冷轧钢材料的B-H曲线。表2至表4列出了衔铁、定铁和外壳的材料分别为电工纯铁(DT4A)、10号钢和冷轧钢时衔铁所受电磁力的仿真值。从表2至表4可见，在其他条件相同的情况下，衔铁为电工纯铁、定铁为10号钢、外壳为电工纯铁时的电磁吸力最大。

表2 外壳采用DT4A时的电磁吸力 N

表3 外壳采用10号钢时的电磁吸力 N

表4 外壳采用冷轧钢时的电磁吸力 N

综合所有的计算结果可见：衔铁和定铁其中一种的材料为冷轧钢时，电磁吸力均小于两零件均不为冷轧钢时；而衔铁和定铁材料相同时小于材料不同时的电磁吸力；衔铁为电工纯铁且衔铁和定铁材料不同时，电磁吸力均大于衔铁不为电工纯铁时。

通过上述比较，比例电磁铁关键部件材料的选择可按如下方案:1) 衔铁采用电工纯铁(软磁材料)为优；2) 衔铁和定铁尽量不要采用冷轧钢类的材料;3) 外壳宜选用电工纯铁(软磁材料)。

3.2 衔铁工作气隙对电磁吸力的影响

图10示出电磁铁在1.5 A激励电流作用下电磁吸力随衔铁气隙的变化规律。从图中可见，当衔铁和定铁轴向间隙很小时(<0.5 mm)，电磁吸力随着气隙长度的减小急剧增大(与开关式电磁铁的力-位移特性相同)。当气隙长度在0.5～4.8 mm的范围内，电磁力在6.5～10 N范围内平稳变化，此段的力-位移特性曲线趋于水平，在此范围内电磁吸力随气隙长度的变化很小，电磁吸力的大小可认为仅随激励电流变化，此气隙长度是电磁铁的理想工作气隙。在理想工作气隙外，随着气隙长度的增加，电磁吸力快速下降，已不适用于计量阀。

通过多种方案计算可知，为达到比例电磁铁的比例特性，最小工作气隙设计值应大于0.5 mm，而且电磁铁理想工作气隙不能无限延伸，需控制在特定范围内。

3.3 激励电流对电磁吸力的影响

图11示出不同激励电流下的电磁吸力随气隙长度的变化。从图中可见，不同激励电流下，各条曲线没有相交，衔铁受到的电磁吸力随着激励电流的增大而增大。另外，各条曲线所示的力-位移特性的变化趋势相同，均呈现出水平特性。

3.4 衔铁长度对电磁吸力的影响

图12示出激励电流1.5 A、气隙1 mm时，衔铁受到的电磁吸力随衔铁长度的变化。从图中可见，总体上电磁吸力随衔铁长度增加而增大，而电磁吸力的增长幅度变缓。

产生这种现象的原因，主要是衔铁长度的变化引起了整体磁路闭合路径的变化，由图13所示的衔铁长度为24 mm和图14所示的衔铁长度为29 mm磁力线分布仿真结果可以说明。长的衔铁留在电磁铁尾部的面积更大，更多的磁力线能从这相对小的间隙中进入外壳，形成闭合回路，从而使漏磁(穿过衔铁的磁力线)更少，电磁吸力因而增大。

作为比例电磁铁内唯一可运动部件，衔铁对电磁吸力的影响很大，由以上分析可知衔铁越长电磁吸力越大，但在有限的运动空间内过度增加衔铁的长度不仅影响电磁铁的理想工作气隙的长度，还会增加衔铁质量而延长电磁阀的响应时间，设计时要综合权衡。

3.5 定铁结构对电磁吸力的影响

3.5.1 锥面角

为研究定铁端部的锥形角(见图15)对衔铁所受电磁吸力的影响，将定铁端部的形状从尖形(L=0mm)变化为完全平齐(L=1.75mm)，形成了L分别为0mm，0.25mm，0.5mm，0.75mm，1mm，1.25mm，1.5mm，1.75mm的不同锥角。

图16示出激励电流1.5A、长度L为4mm时，不同锥角下电磁吸力随气隙长度的变化。从图中可见，定铁端部的L越大(即平齐的长度越长)，电磁吸力-位移曲线的变化越大，水平特性越差，因此，锥形的定铁端部有利于提升比例电磁铁吸力的水平特性，有利于增加电磁铁的理想工作气隙，故在结构允许范围内，定铁的端部要尽量尖锐。

3.5.2 锥面长度

为研究定铁端部的锥面长度(见图17)对衔铁所受电磁吸力的影响，定铁端部的锥面长度l分别取2.5mm，3.5mm，4.5mm，5mm和5.5mm进行仿真分析。

图18示出激励电流1.5A，L为0mm时，不同锥面长度下电磁吸力随气隙长度的变化。从图中可见，不同锥面长度下的力-位移特性曲线形状基本相同，但随锥面长度l的减小电磁铁的理想工作气隙的长度也随之减小；在理想工作气隙内，电磁吸力随锥面长度l的减小而增大。

图19示出激励电流1.5A、气隙长度为0.9mm时，不同锥面长度下电磁吸力的变化。从图中可见，随着锥面长度l的增加电磁吸力减小。锥面长度l较短有利于增大电磁吸力，但较短的锥面长度l会导致电磁铁理想工作气隙缩短，因此锥面长度的设计要综合考虑比例电磁铁的设计要求。

4 液力阀仿真分析

进油计量阀的液力阀与比例电磁铁的连动是通过阀芯弹簧实现，流量控制是通过液力阀节流孔的流通面积控制。

4.1 液力阀阀芯弹簧分析

电磁铁工作时，产生最大电磁吸力F(电流为1.8A时，计算值为10N)，根据比例电磁铁结构，设定衔铁的最大位移为3.8mm，弹簧预压缩量为0.5mm，所以衔铁位移最大时弹簧压缩量δ为4.3mm，由胡克定律可知弹簧刚度K：

(1)

由弹簧弹性系数经验公式(2)可以计算出弹簧主要结构参数。

(2)

式中：d为弹簧钢丝线径；n为弹簧有效圈数；D2为弹簧中径。

图20示出在比例电磁铁理想工作气隙下比例电磁铁电磁力-位移曲线与弹簧曲线，弹簧力曲线与比例电磁铁特性曲线有许多交点，在这些交点上弹簧力与电磁力相等，在电磁吸力和弹簧回复力的作用下，阀芯能停留在某一位置，阀芯节流孔也能保持一定的开度，从而实现计量阀对流入高压泵燃油的计量。

4.2 节流孔形状对流量特性的影响

图21示出使用AMESim软件建立的计量阀一维仿真计算模型[8]，模型建立过程中作了以下处理：1) 不考虑喷油过程中的热量传递，燃油温度保持不

变，为40 ℃；2) 本系统结构件的容积视为刚性容积，各容积腔压力均匀分布；3) 不考虑泄漏；4) 将上文计算出的比例电磁铁吸力随电流和位移的变化规律导入比例电磁铁模型中，作为不同电流下的电磁铁输出力的依据。

在通常使用的计量阀中，节流孔的形状主要有圆形、三角形、矩形等，表5列出3种节流孔形状与主要参数。

表5 3种节流孔形状与主要参数

图22示出其他条件相同、3种节流孔面积相同时计量阀输出流量随电磁铁激励电流的变化规律。由于3种节流孔形状不同，流通面积的大小随开度的变化规律也不同，以致计量阀输出规律不同。从图中可见，阀芯节流孔为三角形时，电磁阀输出流量随激励电流在工作范围内几乎呈线性规律变化，特别是在低电流段(I≤1A),输出流量随激励电流的变化较圆形、矩形节流孔变化敏感，控制效率高。圆形节流孔在激励电流1～1.5A时输出流量随激励电流呈现出了线性变化规律，但在低电流段和高电流段(I≥1.5A)，输出流量随激励电流的变化过于缓慢。矩形节流孔输出流量的变化率随激励电流的增大而增大，控制性较差。综上所述，电磁阀阀芯节流孔形状宜采用三角形结构。

5 结论

a) 比例电磁铁的力-位移特性曲线呈现出明显的水平特性，在理想工作气隙内，电磁铁的输出力与激励电流成正比；

b) 比例电磁铁定铁端部的锥角越尖锐越有利于提升其工作气隙内的水平特性，在允许的设计范围内，定铁端部尽量尖锐；

c) 比例电磁铁理想工作气隙的长度随定铁锥面的长度增大而增大，而电磁吸力随其增大而减小，锥面长度的设计要权衡考虑比例电磁铁的设计要求；

d) 在一定的衔铁长度内，比例电磁铁的电磁吸力随衔铁长度的增大而增大；衔铁长度增加，势必增大衔铁质量，影响电磁阀的响应，衔铁长度的设计需两者兼顾；

e) 阀芯节流孔宜采用三角形结构，计量阀流量随激励电流的变化规律较圆形和矩形线性程度高，控制性好。

[1] 张玉申.高功率密度柴油机及其关键技术[J].车用发动机，2004(3):5-7,11.

[2] 顾宏中.大功率柴油机的技术发展[J].柴油机，2005，27(1)：1-4.

[3] 王尚勇.现代柴油机电控喷油技术[M].北京：机械工业出版社，2013.

[4] 徐家龙．柴油机电控喷油技术[M].2版.北京：人民交通出版社，2011．

[5] 韩成春.电液控制单元控制线圈的温度预测建模与仿真[J].测控技术，2012，31(7)：136-139.

[6] 周兰.阀用螺管式电磁铁的双线圈优化设计[J].磁性材料及器件,2012(2)：68-71.

[7] 费烨.基于Ansoft的比例电磁铁建模与仿真[J].机械工程师，2014(9)：74-76.

[8] 宋国民.直列式共轨高压供油泵PCV响应特性分析[J].现代车用动力，2012，147(3)：1-4.

[编辑: 李建新]

Study on Inlet Metering Valve of High Pressure Common Rail Pump Based on Simulation

JIANG Wei， YANG Xianfeng， XU Chunlong， ZHAO Zhongyu， JIN Fanping

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

According to the inlet metering valve structure of high pressure common rail pump, the proportional solenoid and hydraulic valve model of inlet metering valve was established. With the model, the working characteristic of proportional solenoid, the influence of solenoid structure and material on proportional solenoid performance and the flux characteristic of hydraulic valve with throttle holes of different shapes were researched. The results show that the electromagnet force is proportional to the excitation current in the ideal working air gap range. The smaller taper angle of proportional solenoid magnetic core end is more helpful to improve the horizontal characteristic of electromagnet force in allowed design scope. With the increase of magnetic core taper length, the area of ideal working air gap increases and the electromagnet force decreases. In a certain length of armature, the electromagnet force increases with the increase of armature length. The inlet metering valve with triangular throttle hole is better than that with circular or rectangular throttle hole in flux control. The results provide the reference for the design of inlet metering valve in the high pressure common rail pump.

high pressure common rail; high pressure pump； inlet metering valve； simulation

2015-05-17;

2015-10-19

姜伟(1979—)，男，副研究员，硕士，研究方向为柴油机供油系统研究；jw_0622@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.05.003

TK421.44

B

1001-2222(2015)05-0013-07