船用低速柴油机电控喷油器电磁阀仿真研究

姜盼龙，　张欢仁，　杨　明

(上海船舶运输科学研究所 航运技术与国家安全重点实验室，上海200135)

0　引　言

在船用低速柴油机电控燃油喷射系统中实现柔性控制的关键是喷油正时、喷油量和喷油规律的精确控制与调节。电磁阀根据发动机电控单元(Electronic Control Unit,ECU)发出的喷油控制信号，实现控制信号电-磁-机-液的转换，控制喷油器的针阀动作以实现喷油控制。因此，电磁阀响应特性是精确控制喷油正时、喷油持续期及实现多次喷射的关键，对其进行分析研究具有重要意义。电磁阀的工作过程涉及到电磁现象、液力过程和机械运动等方面，各参数间相互影响且关系复杂。

基于以上原因，对相应的模型进行简化，分析电磁阀的控制电压和控制伺服油压力对电磁阀开启响应速度的影响，可对以后电磁阀的设计与优化起着借鉴意义。

1　电控喷油器电磁阀工作原理

电控喷油器电磁阀的物理模型见图1，它是由电磁铁和两位三通开关阀芯等组成。

图1　电控喷油器电磁阀物理模型

以船用低速小缸径二冲程柴油机共轨式电控喷油系统为应用对象，设计的电控喷油器电磁阀用于电控液力增压式喷油器的喷油控制(见图2)。其原理如下：

图2　电控喷油器电磁阀工作原理

1)该电磁阀为两位三通常闭式结构，当把电磁阀安装在喷油器上时，线圈通电时，电磁阀上的伺服油进油控制孔A与喷油器增压泵的针阀控制腔连通，线圈断电时，伺服油回油口T与喷油器的针阀控制腔连通，且燃油阀喷射的启停过程中，控制伺服油始终保持伺服油共轨压力；

2)当电磁阀从驱动电路得电时，电磁阀的阀芯迅速动作，控制伺服油接通控制口 A与伺服油回油口T，使针阀控制腔的伺服油压力迅速通过泄油腔释放，喷油器的针阀在针阀腔高压燃油液动力作用下，克服复位弹簧及其他阻力迅速提升，对燃油增压腔内的燃油形成挤压，实现高压燃油的迅速喷射，且喷射过程一直持续至电磁阀失电；

3)当电磁阀从驱动电路上失电时，高压控制伺服油经电磁阀P口接入控制口A，高压伺服油在针阀控制腔内保持为高压，喷油器针阀在针阀控制腔内伺服油压力、复位弹簧预压力作用下迅速关闭，同时，燃油增压腔单向阀在低压燃油的压力作用下开启，增压腔从燃油泵中吸入燃油进行充油过程，为下次的燃油喷射做准备。

2　电控喷油器电磁阀的建模

2.1　模型假设

1) 假设在电路中的电阻为定值，不考虑由于温度升高对于电阻的影响；

2) 假设喷油器电磁阀不计漏磁对电磁铁工作过程的影响，且忽略电涡流的作用；

3) 忽略液压油路中(燃油、伺服油)流体运动的摩擦损失、惯性效应、容积效应及弹性模量对压力波传递的影响；

4) 忽略机械延迟和液力延迟对电磁阀开启响应的影响；

5) 忽略电磁阀中运动部件产生的弹性变形。

2.2　模型建立

1) 电控喷油器电磁阀电路数学模型为

(1)

式(1)中：U为线圈两端电压；i为电磁线圈中电流；∅为线圈中的磁通量；R回路中的有效电阻；N为电磁阀线圈匝数。

2) 电控喷油器电磁阀磁路的数学模型，根据麦克斯韦电磁吸力公式，电磁阀的吸力为

(2)

式(2)中：Fm为电磁力；Φ为工作气隙磁通量；σ为电磁阀工作气隙；μ0空气磁导率；S为气隙导磁面积。

3) 电控喷油器电磁阀运动学的数学模型为

δ)

(3)

式(3)中：Pe为作用在电磁阀承压面上的不平衡液压力；Se为电磁阀承压面面积；Fm为电磁力；Fsp为弹簧预紧力；δ为燃油流速；ε0为电磁阀的迎面阻力系数。

3　电控喷油器电磁阀的仿真及分析

3.1　电控喷油器电磁阀的仿真模型

根据电磁阀各部分的数学模型，利用MATLAB/Simulink进行仿真建模计算，电磁阀的Simulink模块仿真模型见图3。在建立电磁阀的仿真模型后，对电磁阀进行仿真,此处电路中电阻值为10 Ω，电磁阀匝数为60，其工作气隙不变，电磁阀阀芯升程为2 mm。仿真曲线图中横轴代表时间，纵轴代表位移。

图3　电磁阀Simulink仿真模型

3.2　控制电压对阀芯位移的影响

控制电压分别为10 V，15 V，20 V，25 V情况下，控制伺服油压力在300 bar(1 bar=100 000 Pa)下，观察电磁阀阀芯位移曲线(见图4)。

由图4可知，当控制电压为10 V时，阀芯的开启响应时间为5.1 ms。随着压力的增大，阀芯的开启响应速度不断增大。当控制电压为25 V时，阀芯开启响应时间为1.9 ms。由此可知，电压越大，电磁阀的响应速度越快。但电压不能过大，电压过大，将会导致线圈产生很大的热量，将严重影响电磁阀正常工作。

3.3　控制伺服油压力对阀芯位移的影响

控制伺服油压力分别在150 bar, 200 bar, 250 bar, 300 bar下，控制电压为10 V，电磁阀阀芯位移曲线见图5。

图4　工作电压对阀芯位移的影响曲线

图5　控制伺服油压力对阀芯位移的影响曲线

由图5可知，在不同的控制伺服油压力的作用下，阀芯位移开启响应速度是不同的。控制伺服油压力为150 bar时，电磁阀的开启响应速度为7.1 ms。随着伺服油压力的升高，当控制伺服油压力(对应图中的细实线)为300 bar时，对应的电磁阀的开启响应为5.1 ms。因此，控制伺服油压力越高，阀芯位移的开启响应速度越快。但伺服油压力不能无限加大，在实际项目应用中，伺服油压力最大为300 bar。

4　结　语

1) 根据模型的仿真结果可知，控制伺服油压力一定时，控制电压越大，电磁阀阀芯的开启响应速度越快。控制电压一定时，控制伺服油压力越大，电磁阀阀芯开启响应速度也越快。但控制电压和控制伺服油压力不能无限制地增加，实际控制电压和控制伺服油压力需根据具体实际工程需要给定。

2) 运用MATLAB/Simulink仿真软件，建立电磁阀的仿真模型。根据模型的仿真结果，可基本反映出电磁阀的开启响应速度特性，可为以后燃油喷射的控制策略提供指导作用。

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