高速电磁阀在电动喷油系统中的应用

魏洪元，张 超，徐京京

（枣庄科技职业学院，山东枣庄 277599）

0 引言

随着内燃机技术的发展，节能减排[1]、提高燃油效率[2]成为汽油机和柴油机优化设计的重要目标，也是新技术研发的重点方向。目前，多数内燃机采用油液处理Tier三代技术，具有电动微量喷油引燃[3]特点，其喷油过程表现出显著的柔性调控需求，对于喷油系统的功能性和结构性的匹配要求较高。为获得更佳的喷油效果，整个油液在电动喷射过程中的压力、轨迹、速度、时刻点都需要精准的控制[4]。为满足以上要求，本文将高速电磁阀应用于柴油机喷油系统，实现高压共轨效应[5]，使得喷油系统的响应效率、极限喷射压力、量化控制等方面有着显著的提升，最终实现节能降耗的效果。

为适应喷油系统的工作环境，将高速电磁阀的内部结构改进为永磁与励磁可调节配比提供电磁力的方式，从而衍生出磁极分离和凸缘独立控制的结构。柴油机喷油系统内采用的高速电磁阀为软磁材料，相比传统硬磁材料更便于组合式提供动力，其磁感应饱和敏感度较高，因此对磁力的响应更迅速。因此，高速电磁阀在提升响应效率、电磁力的前提下，可实现更小的体积和功耗，有着良好的应用前景。

1 电磁力变化规律

1.1 工作原理

高速电磁阀特有的机械属性决定了其具有良好的控制精度、响应效率以及工作可靠性。无论是在静态承载还是连续动作过程中，其均能够表现出较高的磁力和反馈敏感度。低发热功耗、稳定驱动力和快速反应作为柴油机喷油系统最重要的性能要求之一，主要由复合型的磁路来实现。目前，螺线管是高速电磁阀普遍的基本框架结构，在国内外内燃机喷油系统中均有广泛的应用。在螺线管结构框架下，高速电磁阀可分为3个基本部件：驱动线圈及外围连接件、铁心和衔铁。基本部件之间主要由具有不导磁外壳、高温不分解的密封树脂、排线以及定位组件进行连接，以实现不同工作环境下的喷油控制要求。

高速电磁阀内部的结构具有功能性，比如，不同位置的阻尼孔结构不同，以适应载荷变化，缓解衔铁的形变问题；衍生出的凸缘结构有效地增大磁力接触面积，提高整体空间的利用效率，从而减小框架尺寸。这些显著的功能性结构有效地改善传统电磁阀出现的问题，使得其在电喷系统中的应用效果更佳，整体的质量和燃油阻力更小，功耗也明显降低。

1.2 电流与受力特性

通过电磁阀动态响应试验的测试，可得出高速（新型）电磁阀和传统电磁阀的电磁力在不同线圈电流下的变化特性，如图1所示。研究结果表明：电磁铁的铁心与挡铁的两端面之间在断电和通电两种状态时的距离对电磁力的影响较为显著；当不同电磁阀的电磁组为恒定数值时，电磁阀受力与线圈电流的二次方表现出正比例关系；当线圈电流的数值较小时，磁场达不到饱和状态，导致磁阻不受其他因素影响，而载荷显著增大；随着线圈电流的增强，内部磁场的范围增大，将涵盖整个区域，使得磁强趋于饱和，导致磁阻显著增大，而载荷出现降低趋势；由于高速电磁阀具有复合性，在电流作用下的磁场为永磁结构和电磁结构结合的结果，因此，工作时的整体磁通量更大，对于磁力的可控范围更大；当电磁铁行程为0.18 mm时，电磁力的变化量相比0.1 mm条件下的电磁力降低了30%以上。由于高速电磁阀的功率较大，因此应满足严格的线圈散热标准，通过电磁阀功耗的优化，提升工作稳定性。

图1 不同电磁铁驱动电流下的电磁力变化

1.3 气隙特性

高速电磁阀的气隙主要表现为电磁铁的行程，是影响阀口位移的关键参数，在一定程度上也表征着载荷和位移的相互关联[6]。根据试验测试，可得出不同气隙下的电磁力变化规律，如图2所示。图中可以看出：在相同的气隙条件下，高速电磁阀所驱动的磁力值明显大于传统电磁阀，平均值提升10%左右；随着气隙增大，电磁阀的驱动力急剧下降，这是由于较大的气隙将显著提升磁阻的大小；虽然新型高速电磁阀受到综合磁场的激励作用，但是由于气隙对磁通量的影响显著，因此不同类型电磁阀的电磁力在较高的气隙条件下的数值非常接近。

图2 不同气隙下的电磁力变化

根据以上分析结果可知，采用高速电磁阀进行喷油控制，可通过气隙、电流的有效控制，最终实现喷油参数的精准调节[7]。在复合磁场的控制下，电磁力的稳定性更高，因此，阀内衔铁与铁心之间的结合更易于控制。喷油系统内的燃油阻力也是电磁力控制的重要参数之一，通过高速电磁阀的响应速度控制，可有效地降低燃油阻力，提高被控参数的动态响应效率。

1.4 永磁特性

在高速电磁阀中，永磁特性是确保基础电磁的关键参数。通过试验测试，可得出不同磁环高度下的电磁力变化规律，如图3所示。图中可以看出：电磁力总体上随着永磁环高度的增大而显著增大；工作气隙的增大不会影响永磁力的变化趋势，但在数值上呈比例倍数地减小。

图3 不同磁环高度下的磁力变化规律

在高速电磁阀中，永磁效应可视为串联性的磁动力来源。当磁环的高度逐渐累加时，磁通量的面积线性增大，但工作磁路受内部磁阻的影响，复合之后的磁场与单独永磁条件下的磁力有着较大的差异。

2 电喷系统中的磁场瞬态特性

2.1 运动条件下的磁通特性

在新型高速电磁阀应用下的电喷系统中，电动执行元件的稳定性和耦合磁场状态[8]是决定电喷效果的关键因素。在运动条件下，磁通的变化规律如图4所示。可以看出：当电磁阀内的线圈电流极值处于单阶维持阶段时，不同工作气隙条件对磁通的影响非常小；由于高数值电压对电流极值的激励作用显著，为确保电流响应速率，需降低或弱化涡流效应[9]，此时表现出的磁通量较为稳定；运动磁场一定程度上会降低衔铁的动态响应速度，当线圈电流增大至二阶维持阶段时，线圈磁场产生的涡流效应降低，可有效改善衔铁运动特性；当电磁阀线圈不导通时，线圈电流将急剧下降，工作气隙稳定在0.1 mm左右；随着时间的延续，线圈运动磁场的涡流效应会逐渐降低，弱化的磁通有利于较高工作气隙的可靠性，因此耦合条件下的高气隙稳定更高。

图4 运动磁通的对比

2.2 磁力响应

喷油系统中的磁力最大值主要受峰值电流特性影响，这也是决定磁力响应效率的关键因素之一。不同峰值电流下的磁力响应如图5所示，可以看出，随着峰值电流的增大，电磁力呈非线性增大，但增长率显著变大。从衔铁的动作时间上看，随着峰值电流的增大，电磁铁释放的响应时间变长，但主运动时间变化不大。当系统处于较高的线圈电流时，虽然磁力响应效率较好，但各个电子器件的工作功率提升，热损耗[10]也就显著增大，不利于衔铁触动性动作的可靠性。因此，在保证热功率正常的情况下，可一定幅度地增大电流极值。

图5 不同峰值电流下的磁力响应

在柴油机喷油系统中，油液的流动通道有多个，其中主通道以维持共轨压力、计量燃油效率为关键功能，同时其工作参数也受电磁阀磁力响应控制的影响。在实际喷油控制时，需要考虑多个外界因素，比如进气、水温、油门开度，均以影响系数的形式来计算喷射参数，对于电磁阀所控制的提前角与喷油量非常重要。

3 结束语

柴油机在燃油效率、驱动功率和可靠性等方面均高于汽油机，通过喷油系统的优化，可有效地提升柴油机的应用率。将高速电磁阀应用在电动喷油系统，可显著改善共轭压力的控制精度，简化电动喷油系统的机械结构。通过研究结论可知，高速电磁阀相比传统的电磁阀能够加速电磁能的存储速度，从而降低衔铁触发的响应时间，并且给予精准的反馈；较高的峰值电流可有效地抑制磁力衰减，进而缩短喷油全过程的释放响应周期。