基于试验数据的高速电磁阀建模及动态响应特性分析

李汝宁， 高怡， 吕帆， 李华乐， 徐春龙， 赵中余

(中国北方发动机研究所(天津)， 天津 300400)



基于试验数据的高速电磁阀建模及动态响应特性分析

李汝宁， 高怡， 吕帆， 李华乐， 徐春龙， 赵中余

(中国北方发动机研究所(天津)， 天津 300400)

高速电磁阀的响应特性对高压共轨喷油器的喷油特性具有决定性影响。为了更合理和准确地预测高速电磁阀的电磁特性，基于高速电磁阀理论分析，进行了大量不同驱动电流强度和气隙情况下的电磁力试验，采用多项式拟合的方法，对试验数据进行拟合，结合高速电磁阀的工作原理，应用Amesim软件建立高速电磁阀一维仿真模型，并研究分析了驱动电流、阀芯弹簧预紧力和刚度对高速电磁阀动态响应特性的影响。研究结果表明：所采用的基于试验数据的高速电磁阀建模方式为其动态响应特性的研究提供了一个新思路，它能快速、准确得到高速电磁阀各参数对其响应特性的影响。

高速电磁阀； 电磁特性； 多项式拟合； 仿真； 动态响应特性

在压力时间控制式柴油机高压共轨燃油喷射系统中，需要利用高压共轨喷油器中高速电磁阀的“开/关”动作，形成控制腔与针阀腔的压差，从而实现对针阀的驱动，进而完成燃油喷射特性的控制。因此，高速电磁阀的工作状态，尤其是其动态响应特性将对高压共轨喷油系统的喷油规律产生直接影响[1-2]。

高速电磁阀参数的匹配对其动态响应特性至关重要，以往对高速电磁阀参数的匹配多采取试验的方法，工作繁重且具有一定的盲目性。本研究以高压共轨喷油器用高速电磁阀为研究对象，采用试验的方法，获得大量不同电流驱动强度和气隙下的电磁力试验数据，并以此为基础，结合对高速电磁阀工作原理的研究，应用Amesim软件，针对电磁力试验数据采用多项式拟合的方法建立了高速电磁阀动态响应特性仿真模型。通过不同参数下的高速电磁阀动态特性仿真研究，获得各驱动参数对高速电磁阀动态特性的影响规律，为高速电磁阀驱动参数的选择及与共轨喷油器的特性匹配提供了依据，同时为高压共轨喷油器动态特性建模和仿真奠定了基础。

1 高速电磁阀结构及动态响应特性

图1示出高速电磁阀结构简图。由图所示，其主要由电磁线圈、衔铁、阀芯、阀芯弹簧和调整螺钉等元件组成。高速电磁阀动态响应特性是指电磁阀的电磁线圈在受到特定电流激励时衔铁的位移响应特性[1-2]。

图1 高速电磁阀结构简图

图2示出高速电磁阀响应特性的示意。高速电磁阀的驱动电流采用阶梯波叠加三角颤振波的形式，阶梯波形使得在不降低安全系数的条件下，电磁铁的功耗大幅度降低，并且温升小，效率高；而三角颤振波减小了电磁铁的摩擦滞环，对提高电磁阀的响应速度和控制精度十分有益[3]。根据高速电磁阀工作时衔铁的受力和运动情况可将衔铁的运动过程分为3个阶段[4-7]。

1) 吸合过程：对高速电磁阀施加驱动电流前，在弹簧预紧力作用下，高速电磁阀处于关闭状态。施加驱动电流后，当衔铁上作用电磁力大于弹簧预紧力时，衔铁克服弹簧预紧力开始运动，直至达到最小气隙。为了实现高速电磁阀的快速开启，驱动电流需要达到开启电磁阀的电流强度I1。

2) 保持吸合过程：衔铁达到最小气隙后，驱动电流降到维持电磁阀开启状态的电流强度I2，此时，作用于衔铁的电磁力仍大于弹簧力。高速电磁阀处于完全开启状态，理论上衔铁处于静止状态，此时衔铁受力平衡。

3) 衔铁复位过程：驱动电流迅速减小到0，作用于衔铁的电磁力也迅速减小，衔铁在弹簧力的作用下开始复位，直至达到最大气隙L，此时高速电磁阀处于关闭状态。

由图2可知，开启延迟为驱动电流开始增加至衔铁开始运动的时间间隔，关闭延迟为驱动电流开始下降至衔铁开始复位时的时间间隔。高速电磁阀的动态响应特性可用开启延迟和关闭延迟时间来表示[8-10]。

图2 高速电磁阀响应特性示意

2 高速电磁阀模型的建立

2.1 电磁力的多项式拟合

图3示出高速电磁阀静态特性测试系统结构原理。该系统主要由工业控制计算机、控制电流发生器、电磁力和位移传感器等元件组成。可以通过对工业计算机的控制实现对被测高速电磁阀电磁力、试验电流和试验气隙的自动测量和记录[1-2]。

应用该测试系统对高速电磁阀样件进行了静态特性测试。测试内容包括：气隙不变，电磁力与驱动电流之间的关系；驱动电流不变，电磁力与气隙之间的关系。高压共轨喷油器用高速电磁阀驱动电流强度一般小于15 A,气隙范围为0.05～0.2 mm，因此试验中，驱动电流强度测试范围为0～25 A，气隙测试范围为0.05～0.29 mm。试验结果见图4和图5。

图3 高速电磁阀静态特性测试系统结构原理

图4 气隙不变，电磁力与驱动电流关系曲线

图5 电流不变，电磁力与气隙关系曲线

为了得到任意气隙和驱动电流强度下的电磁力，采用多项式拟合的方法，对以上试验数据进行拟合。图6示出气隙分别为0.15 mm，0.19 mm和0.27 mm，电磁力与驱动电流关系拟合数据和试验数据的对比；图7示出驱动电流分别为5 A，15 A和21 A，电磁力与气隙关系拟合数据和试验数据的对比。由图6和图7可以看出，试验曲线和拟合曲线一致性较好，因此对试验数据采用多项式拟合得到任意气隙和驱动电流强度下的电磁力的办法可行，而且精确度高。

图6 电磁力与驱动电流关系拟合数据和试验数据对比

图7 电磁力与气隙关系拟合数据和试验数据对比

2.2 一维仿真模型的建立及验证

高速电磁阀工作过程为衔铁在电磁力和弹簧力以及阻尼力共同作用下运动的过程，根据高速电磁阀的结构及工作原理，应用Amesim软件，采用对试验数据进行多项式拟合的办法，建立了高速电磁阀一维仿真模型(见图8)。

如图8所示，根据某时刻驱动电流强度和气隙，在数据库中通过多项式拟合得到电磁力，并作用于衔铁。衔铁在电磁力作用下，克服弹簧力以及阻尼力运动，同时衔铁的运动位移通过位移传感器获得，经过变换转换为气隙，并同该时刻的驱动电流信号一起反馈给数据库，拟合得到该时刻电磁力，继续作用于衔铁，循环往复，直至仿真结束。

表1示出开启电流为17 A，维持电流为12 A，弹簧预紧力为30 N，弹簧刚度为5 N/mm，最小气隙为0.05 mm的条件下，衔铁位移仿真数据和试验数据的对比。由仿真数据和试验数据的对比可以看出，两者趋势基本一致，误差最大为4.2%，因此高速电磁阀一维仿真模型具有较高准确度。

图8 高速电磁阀一维仿真模型

时间/ms仿真数据/mm试验数据/mm误差/%0.620.0001460.000152.60.700.0034780.00363.41.040.098430.11.61.200.10.101.490.10.0964.21.930.015230.01473.6

3 系统参数对阀动态响应特性的影响

3.1 驱动电流对阀动态响应特性的影响

表2示出弹簧预紧力为30 N，弹簧刚度为5 N/mm，最小气隙为0.05 mm，维持电流为15 A的条件下，开启电流对衔铁开启延迟时间、吸合过程时间、高速电磁阀吸合时间及保持吸合过程时间的影响对比。图9示出此条件下，高速电磁阀的仿真结果。

表2 开启电流对阀动态特性的影响

图9 开启电流对阀动态特性影响仿真结果

由表2和图9可以看到，随着开启电流减小，开启延迟时间小幅增大，吸合过程时间明显增大，因此造成电磁阀的吸合时间明显增大，而由于衔铁关闭延迟和复位时间几乎没有变化，造成保持吸合时间减小。因此提高高速电磁阀驱动电流的开启电流，可以明显缩短高速电磁阀的吸合时间，但同时高速电磁阀功耗也会升高。

表3示出弹簧预紧力为30 N，弹簧刚度为5 N/mm，最小气隙为0.05 mm，开启电流为25 A的条件下，维持电流对衔铁关闭延迟时间、复位过程时间以及高速电磁阀保持吸合过程时间的影响对比。图10示出此条件下，高速电磁阀的仿真结果。

表3 维持电流对阀动态特性的影响

图10 维持电流对阀动态特性影响仿真结果

由表3和图10可以看到，随着维持电流减小，高速电磁阀的保持吸合时间明显变小，尤其是维持电流小于11 A时，产生的电磁力不足以克服弹簧力，造成衔铁在维持电流信号结束前开始复位行程。同时，随着维持电流的逐渐减小，复位过程时间也有延长。因此对于高速电磁阀，为降低功耗和温升，维持电流强度应小于开启电流强度，但随着维持电流的减小，保持吸合时间会减小，复位时间也会延长，因此高速电磁阀的维持电流强度需要根据实际应用工况及高速电磁阀类型进行匹配。

3.2 阀芯弹簧预紧力对阀动态响应特性的影响

表4示出开启电流为25 A，维持电流为13 A，弹簧刚度为5 N/mm，最小气隙为0.05 mm的条件下，阀芯弹簧预紧力对阀动态特性的影响对比。图11示出此条件下，高速电磁阀的仿真结果。

表4 阀芯弹簧预紧力对阀动态特性的影响

由表4和图11可以看到，随着阀芯弹簧预紧力的增大，衔铁的开启延迟时间和吸合过程时间逐渐增加。当阀芯弹簧预紧力从30 N增大到45 N，衔铁的关闭延迟时间和复位过程时间减小，但当阀芯弹簧预紧力增大到57 N后，维持电流产生的电磁力不足以克服弹簧力，造成衔铁提早复位，如果阀芯弹簧预紧力继续加大，可能会出现高速电磁阀不能关闭或者关闭后维持不住的情况。因此选择阀芯弹簧的预紧力，应在保证高速电磁阀正常工作前提下，尽量缩短开启延迟和吸合过程时间，同时要选择相应的驱动电流强度与其匹配。

图11 阀芯弹簧预紧力对阀动态响应特性影响仿真结果

3.3 阀芯弹簧刚度对阀动态响应特性的影响

表5示出开启电流为17 A，维持电流为12 A，阀芯弹簧预紧力为30 N，最小气隙为0.05 mm的条件下，阀芯弹簧刚度对阀动态特性的影响对比。图12示出此条件下，高速电磁阀的仿真结果。

表5 阀芯弹簧刚度对阀动态特性的影响

由表5和图12可以看到，随着阀芯弹簧刚度的增大，衔铁保持吸合时间显著减小，尤其当阀芯弹簧刚度大于33 N/mm后，维持电流产生的电磁力不足以克服弹簧力，造成衔铁提早复位，如果阀芯弹簧刚度继续加大，会出现高速电磁阀不能关闭的情况。因此阀芯弹簧刚度的选择和阀芯弹簧预紧力比较类似，要选择相应的驱动电流强度与其匹配。

4 结论

a) 采用多项式拟合的方法对高速电磁阀任意气隙和驱动电流强度下的电磁力试验数据进行拟合，试验数据和拟合数据的对比分析表明，此方法准确度高，基于此方法建立的高速电磁阀模型也具有较高的准确度；

b) 高速电磁阀开启电流对高速电磁阀的吸合

时间有较大的影响，而维持电流则会直接对高速电磁阀的保持吸合时间和复位时间产生影响；

c) 阀芯弹簧的预紧力和刚度均会对高速电磁阀的吸合时间和复位时间产生影响，但是单方面加大阀芯弹簧预紧力和刚度会造成高速电磁阀不正常工作，需要合适的驱动电流与其匹配。

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[编辑： 潘丽丽]

LI Runing, GAO Yi, LV Fan, LI Huale, XU Chunlong, ZHAO Zhongyu

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

The dynamic response characteristics of high-speed solenoid valve had a critical influence on injection characteristics of high-pressure common-rail injector. In order to predict the electromagnetic characteristics of high-speed solenoid valve more accurately, a great deal of electromagnetic force tests under the conditions of different current intensities and air gaps were carried out based on theoretical analysis of high-speed solenoid valve, the test data were fitted with the polynomial fitting method, and finally one-dimensional simulation model of high-speed solenoid valve was built with AMEsim software according to the working principles of high-speed solenoid valve.Then the influences of three parameters such as drive current, preload and elastic strength of valve element spring on the dynamic response characteristics of high-speed solenoid valve were studied. The results show that the modeling method based on test data offers a new idea to study the dynamic response characteristics of high-speed solenoid valve, which can acquire the influences of each parameter on the dynamic response characteristics fast and accurately.

high-speed solenoid valve; electromagnetic characteristic; polynomial fitting; simulation; dynamic response characteristic

2015-06-24；

2015-11-10

李汝宁(1981—)，男，博士，副研究员，从事内燃机燃油喷射技术研究；liruning@foxmail.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.02.014

TK421.4

B

1001-2222(2016)02-0076-05