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上海交通大学工程硕士专业学位论文 高速强力多极电磁阀的仿真研究 高速强力多极电磁阀的仿真研究 摘要 拨动机电喷技术以其无法替代的优越性和显著的环保功效被迅 速推广。随着环保法规的日益完善和严格，短短几年内，我国汽油 机车电喷技术从无到有迅速发展。目前大量使用的柴油机车同样面 临着采用电子控制燃油喷射技术，以提高发动机输出功率，降低油 耗，改善燃烧质量，清洁尾气排放，促进环境保护。 电控柴油喷射系统是柴油机电控系统的基础和难点。在直接数 控燃油喷射系统中，都要求控制执行元件高速强力电磁阀，具 有快速响应和强电磁作用力等基本性能，以保证系统控制精度和响 、 应速度。厂矿一 j ， 本论文通过对电控柴油喷射系统工作过程的分析，明确了电控 柴油喷射系统对高速强力电磁阀工作特性的要求。经过对现有环状 高速强力多极电磁阀的理论与结构分析，建立了该电磁阀的数学模 型。在m a t l a b 语言的s i m u l i n k 仿真环境下，根据本文所建立的数 学模型，在模型窗口上构造出控制系统模型，利用s i m u l i n k 提供的 ， 功能对该系统进行仿真研究。艋给定各种不同参数条件的基础上， 、 模拟电磁阀的实际工作状况，在各种不同的输入信号作用下，分别 改变高速强力电磁阀的各种不同参数，得到多条动态过程曲线，通 过分析、比较，确定了影响电磁阀动态响应特性的主要参数。通过 上海交通大学工程硕士专业学位论文 高速强力多极电磁阀的仿真研究 优化这些参数，从而能获得较理想的电磁阀动态响应特性以满足实 际需要。该方法可简化电磁阀的参数选择、修正及优化设计过程， 同时可及时给出并分析仿真结果。仿真结果在理论上达到了预期的 、 性能指标，证明了该动态响应特性模型的正确性。r 一了一“ 本论文还建立了描述环状高速强力多极电磁阀的动态特性的非 线性微分方程组，并对现有高速强力多极电磁阀进行数值计算分析。 i 数值计算分析侧重考虑漏磁通的影响因素，计算得出的电磁阀的动 、 态特性与采用仿真方法所得的结论相一致。厂一。 与现有试验结果对比，证明了该环状高速强力多极电磁阀的数 ， 学模型及动态响应仿真模型的正确性。由于仿真模型是由通用模块 、 构成的，数值计算采用的也是模块化编程方式，便于修改。同时， 具有实用性强等特点。 ) 关键词：高速强力电磁阀，动态响应特性，电控柴油喷射，数学模 型，仿真 i i 圭塑窒塑查兰三堡堡主童兰竺兰焦笙壅 童望塑查墨塑皇壁塑塑堕塞堕窒 slm u l a tio no nt h ehig h - s p e e dp o w e r f u lm u l t lp o l e s o l e n o l dv a l v e a b s t r a c t t h ee l e c t r o n i ci n j e c t i o nt e c h n o l o g yo f e n g i n ei ss p r e a dr a p i d l yf o ri t s a d v a n t a g e sa n de f f e c t s o fo b v i o u se n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n w i t ht h e l a w sa n dr e g u l a t i o n so fe n v i r o n m e n tp r o t e c t i o nb e i n gp e r f e c t e da n d s t r i c ti no u rc o u n t r yd a yb yd a y ，t h ee l e c t r o n i ci n j e c t i o nt e c h n o l o g yh a s b e e nd e v e l o p e dr a p i d l yw i t h i naf e w y e a r s n o w d i e s e lv e h i c l e sa r ea l s o f a c e dw i t ha d o p t i n gt h ee l e c t r o n i cc o n t r o l l e df u e li n j e c t i o nt e c h n o l o g yf o r i m p r o v i n go u t p u tp o w e r o f e n g i n e s ，s a v i n gf u e l ，i m p r o v i n gc o m b u s t i o n q u a l i t y ，r e d u c i n g e x h a u s te m i s s i o n ，p r o m o t i n ge n v i r o n m e n t p r o t e c t i o n e l e c t r o n i cd i e s e li n j e c t i o ns y s t e mi st h eb a s ea n dt h ed i f f i c u l tp o i n t o ft h ee l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e mo f e n g i n e a l ld i r e c tn u m e r i c a l c o n t r o l l e d f u e li n j e c t i o ns y s t e m sd e m a n dt h ec o n t r o lp e r f o r mp a r t - - h i g hs p e e da n d p o w e r f u l s o l e n o i dv a l v e ( h s p s v ) o fb a s i cc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sf a s t r e s p o n s e a n dp o w e r f u l e l e c t r o m a g n e t i s m f o r c et oe n s u r et h ec o n t r o l p r e c i s i o na n dr e s p o n s e t h ew o r k i n gp r o c e s so ft h ee l e c t r o n i cd i e s e l i n j e c t i o ns y s t e m i s a n a l y z e d i nt h i sp a p e ra n dt h ew o r k i n gs p e c i a ld e m a n d so ft h eh s p s v f o rt h ee l e c t r o n i cd i e s e li n j e c t i o ns y s t e ma r ek n o w n b y a n a l y s i so f t h e 1 1 1 圭塑壅塑查主三堡堡圭童些兰焦垒壅壹堕里垄玺塑皇堡塑塑堕塞堡塞一 t h e o r ya n ds t r u c t u r eo f t h ee x i s t i n gr i n gs h a p eh i g hs p e e da n dm u l t i p o l e s o l e n o i dv a l v e ，t h e c o r r e s p o n d i n g m a t h e m a t i c a lm o d e l i ss e t u p a c c o r d i n g t om a t h e m a t i c a lm o d e l ，c o n t r o l l e ds y s t e mm o d e li ss e tu p i nm o d e lw i n d o wo fs i m u l l n ks i m u l a t i o ne n v i r o n m e n t t h es y s t e mi s s i m u l a t e db ym e a n so ft h es i m u l i n kt o o l si nm a t l a be n v i r o n m e n t b ya n a l y s i s a n d c o m p a r i n g d i f f e r e n tr e s u l t ss i m u l a t e d i nv a r i a b l e p a r a m e t e r s ，t h e m a i n p a r a m e t e r sa f f e c t i n g t h e d y n a m i cr e s p o n s e c h a r a c t e r i s t i c so ft h eh s p s va r ed e t e r m i n e d b yo p t i m i z i n gt h e s e p a r a m e t e r s ，t h ei d e a ld y n a m i cr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c so f t h eh s p s va r e g a i n e d t h i sm e t h o d sa r ee a s yt ob eu s e dt os e l e c tp a r a m e t e r s ，m o d i 匆 p a r a m e t e r sa n do p t i m i z ed e s i g n t h es o l e n o i dv a l v e t h es i m u l a t i o nr e s u l t s c a nb e a c q u i r e da n db ea n a l y z e d i nt i m e t h es i m u l a t e dr e s u l t sa r e i d e n t i c a lw i t ht h ea n t i c i p a t e dt a r g e ti nt h e o r y i tp r o v e st h a tt h ed y n a m i c r e s p o n s em o d e l i sr i g h t n o n l i n e a rd i f f e r e n t i a l e q u a t i o n s w h i c hd e s c r i b et h e d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so ft h e r i n gs h a p eh i g hs p e e d a n dp o w e r 血l m u l t i p o l e s o l e n o i dv a l v ea r es e tu pi nt h i sp a p e r ，t h en u m e r i c a lc a l c u l a t i o no fa e x i s t i n gh i g hs p e e d a n d p o w e r f u lm u l t i p o l e s o l e n o i dv a l v ei s a c c o m p l i s h e d t h e n u m e r i c a lc a l c u l a t i o ne m p h a s i z eo nt h ea f f e c to ft h e f l u xl e a k a g e t h ec a l c u l a t e dr e s u l t sa r ec l o s et os i m u l a t e do n e s c o m p a r e d w i t ht h er e s u l t so ft h ee x i s t e de x p e r i m e n t ，t h em a t hm o d e l a n dt h ed y n a m i cr e s p o n s es i m u l a t i v em o d e la r er i g h t f o rs i m u l a t i o ni s c o n s t i t u t e db y g e n e r a lm o d u l e s a n dm o d u l a r p r o g r a m m i n g i sa d o p t e df o r n u m e r i c a lc a l c u l a t i o n ，i ti se a s yt om o d i f ya n di t sp r a c t i c a b i l i t yi sg o o d k e yw o r d s ：h i g h s p e e dp o w e r f u l s o l e n o i d v a l v e ，d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s ，e l e c t r o n i cd i e s e l i n j e c t i o n ，m a t h e m a t i c a l m o d e l ， s i m u l a t i o n v 上海交通大学工程硕士专业学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的意义 发动机电喷技术以其无法替代的优越性和显著的环保功效而迅速被推广。 在欧美f 1 等发达国家，由于环保呼声特别高，加上经济实力和技术条件许可， 发动机电子控制系统运用普及率在全球领先，汽油汽车安装发动机控制系统已 很普遍。在对空气环保要求特别严格的美国，在售新车早在1 9 9 3 年就全部实现 “电喷化”，德国在1 9 9 5 年紧随其后，实现所有产销汽车“电喷化”。随着我国 环保法规的日益完善和严格，电喷技术也从无到有发展迅速。通过研制和开发 具有高喷射压力的燃油系统并引入电子控制技术是可以改善柴油发动机燃油经 济性和清洁排放，提高发动机输出功率等性能。 目前世界上( 美国、日本、欧洲) 三个主导的排放标准限值现渐趋统一， 我国采用的标准与欧洲标准完全等同，只是实施时间上滞后。为了改善大气环 境质量，我国在实施排放法规方面逐渐向国际主导的排放标准限值靠拢，2 0 0 0 年等效采用欧洲经济委员会e c e r 8 3 0 1 ，e c e - - r 8 3 0 2 ( 欧洲于1 9 9 2 年开 始实施该标准) 。北京于1 9 9 9 年1 月1 日、上海则于1 9 9 9 年7 月1 日开始实施 该标准。排放标准的提高与e m s ( e n g i n em a n a g e m e n ts y s t e m 发动机管理系统) 技术进步是同步前进的。 用于柴油机电控系统的执行器主要有两种类型f l , “：一是电磁式执行器，它 用电磁力作为驱动力，一般用回位弹簧复位，控制信号为电流信号，这种执行器 的优点是结构简单、控制方便、响应速度快，但它的最大推力受到线圈匝数和最 大工作电流的限制，而只能用于中小功率的柴油机上；对于大功率柴油机一般 采用第二类，即电液式执行器，它主要由电液转换元件和液压缸组成。采用液压 作为驱动力，其特点是推力大，响应速度快，功耗低。其电液转换主要采用近 几年研制的高速开关数字阀，这种数字阀响应速度快，控制精度高，控制方式 简单，对于液压油的要求较低，可直接采用车用柴油作为油源，是理想的电液 转换元件。 电控柴油喷射系统是柴油机电控系统的基础和难点。在各类电控柴油喷射 系统中，发展最快的是采用高速强力电磁阀控制喷油过程而不改变传统喷油泵 脉动供油原理的直接数字式电控柴油喷射系统。这类直接数字式电控系统虽然 增添了新的电磁阀部件，但却省去了复杂的出油阀和油量调节机构等零部件， 大大简化了原有喷油泵和柱塞的结构，从而具有生产继承性强、喷油泵加工简 易和泵体承压能力高等优势。 在直接数字式电控燃油喷射系统中，控制执行元件一一高速强力电磁阀作 为系统电控单元与燃油喷射装置的直接接口，工作于高压油路中，控制燃油的 喷射量和喷油定时，对喷射过程直接实行数字控制，对喷射系统的各种基本性 能起着决定性作用。这就要求电磁阀具有快速响应和强电磁作用力等基本特性， 以保证系统的控制精度和响应速度。 高速强力电磁阀的设计制造与功率驱动技术是这类直接数字式电控燃油喷 射系统的关键。因此对其特性的研究具有重要的现实意义。 上海交通大学工程硕士专业学位论文第1 章绪论 1 2 国内外研究现状分析 1 2 1 高速强力电磁阀的结构设计 高速强力电磁阀不仅要求响应速度快，而且要密封压力为i o o m p a 以上的高 压燃油；安装体积不能大，还要能承受高温等，因而其结构设计有相当大的难 度。 电磁阀的设计涉及到电磁作用力与工作响应速度两者折衷的问题，其相互 关系可以通过研究常规“e ”型电磁阀【3 1 的工作特性作出定性的分析( 图1 1 ) 。 对于给定吸合作用面积的电磁阀，其最大电磁作用力由所用磁性材料的饱和磁 感应强度决定：对于给定磁性材料的电磁阀，其最大电磁作用力与吸合作用面 积成j 下比。当电磁阀功率驱动模块的参数一定时，电磁阀的响应速度主要由衔 铁运动的加速度值来表征。衔铁的加速度取决于衔铁质量和施加其上的作用力。 由图1 一l 可知口 ，常规“e ”型电磁阀衔铁质量与其体积6 x 3 成正比，而吸合作 用面积与4 x 2 成正比。当为了增大电磁作用力而加大尺寸x 值以增加吸合作用 面积时，衔铁加速度反而会降低，电磁阀作用响应时间加长，响应速度变慢。 w s f l u xl i n e s 图l 一1 常规“e ”型电磁阀 f i g 1 - 1c o n v e n t i o n a l e t y p es o l e n o i d 为了克服常规“e ”型电磁铁电磁作用力与响应时间之间的矛盾，国外有关 文献相继提出了多种高速强力电磁阀的设计概念，这些概念都是基于“e ”型电 磁铁的基本工作原理，对其进行拓展和变形而产生的，大致可概括为伸长式“e ” 型电磁阀o 、多极式电磁阀口3 和将前两种结构结合应用而形成的电磁阀。 伸长式“e ”型电磁阀”1 如图l 一2 所示，允许按照要求的衔铁运动加速度值 确定常规“e ”型电磁铁的x 值，然后将常规“e ”型电磁铁伸长来增大吸合作 用面积以得到所需的电磁作用力。此时，由于衔铁的质量与电磁作用力都随伸 长值同比例地增大，从而保证了衔铁加速度值不变，但随着“e ”型电磁铁的 伸长，衔铁刚度将逐渐下降，因此“e ”型电磁铁不能无限制地伸长。 2 上海交通大学工程硕士专业学位论文第1 章绪论 + ir x 图1 - 2 伸长式“e 型电磁阀 f i g 1 - 2e l o n g a t e d e s o l e n o i d 英国l u c a s 公司应用伸长式“e ”型电磁阀的原理，开发了h e l e n o i d t 5 1 与 c o l e n o i d i ”电磁阀( 图1 - - 3 ，图卜一4 ) 。这两种电磁阀分别采用筒状和锥状结构设 计，从而提高了阀体结构刚度，克服了伸长式“e ”型电磁阀衔铁刚度受到限 制的缺陷，使这两种电磁阀进入实用阶段。h e l e n o i d 电磁阀在电控泵一喷嘴燃油喷 射系统的高压油路工作时，阀的关闭与开启响应时间均在l m s 以内，极好地满 足了喷射系统的要求；但其结构较为复杂，工作行程极短，被严格限制在l m m 以内。c o l e n o i d 电磁阀设计思想与h e l e n o i d 电磁阀相似，只是采用锥形结构( 图 1 - - 4 ) ，但其工作行程大大提高，甚至可达到1 0 m m 。 a r l l i a t u r em o 、嘞匠n t 图1 3h e l e n o i d 电磁阀 f i g 1 - 3h e l e n o i dv a l v e a r m a t u r em o v e l d e n t j 卜 图1 4c o l e n o i d 电磁阀 f i g 1 4c o l e n o i d v a l v e 多极式电磁阀h ( 图1 - - 5 ) 是由多个单元“e ”型电磁铁组合而成，它所产生 的电磁作用力是全部单元“e ”型电磁铁电磁作用力的总和，要得到更大的电 磁作用力只需增大吸合作用面积，即增多单元个数即可。多极电磁阀的工作响 应时间与单元“e ”型电磁铁的相同，即响应时间只与单元“e ”型电磁铁的设 计参数有关。而与整个阀的尺寸和作用力大小无关。因此，多极电磁阀能很好 上海交通大学工程硕士专业学位论文第1 章绪论 地满足高速强力电磁阀的高响应速度和强电磁作用力等特性。 m a g n e t i f l u x lt n e s 图1 5 线性多极电磁阀 f i g 1 - 5l i n e a rm u l t i p o l es o l e n o i d 美国f o r d 公司应用多极电磁阀的原理，开发了环状多极电磁阀 4 1 f 图1 - 6 ) 。 该阀结构简单，刚度好，易加工，适合大批量生产。 图1 - 6 环状多极电磁阀 f i g 1 6r i n g - s h a p e dm u l t i p o l es o l e n o i d 图1 7“d i s o l e ”电磁阀截面图 f i g 1 7s e c t i o n a ld r a w i n g o f “d i s o l e 将伸长式“e ”型电磁阀和多极式电磁阀的基本概念综合形成了开发新型 高速强力电磁阀的基础。盘状外形的“d i s o l e ”电磁阀”1 7 1 ( 图1 - - 7 ) 和肋状三极式 电磁阀( 图1 - - 8 ) 就是基于此而开发出来的。 图卜8 肋状三极式电磁阀1 8 i f i g 1 - 8t h r e e - p o l el i n e a rs o l e n o i d 日本z e x e l 公司开发的“d i s o l e ”电磁阀_ 7 1 是一种高速、强力、结构简单的 4 9 上海交通大学工程硕士专业学位论文 第1 章绪论 电磁阀。该阀外形为盘状，充分考虑了线圈的输入能量与散热情况，有效地组 织磁路，最大限度地减少衔铁的质量。 c h r i sj g r e e n 等人研制开发的肋状三极式电磁阀陋3 结构简单，衔铁刚度 较好，已应用于气体燃料喷嘴执行器中。 由上述可知，国外已研究开发出多种高速强力电磁阀，它们各有特点，有不 同的适用范围。要根据系统对电磁阀的性能和安装尺寸的具体要求选择合适的 电磁阀结构设计。在保证工作性能的前提下，要求电磁阀体积小、质量轻、加 工工艺性好以及使用可靠性高必将是其发展方向。 国内高速强力电磁阀基本上是在上述基础上进行仿制或改进，如清华大学 研制的环状多极电磁阀；或是与国外合资生产，如贵州红林机械厂生产的高速 开关阀达到开启时间2 m s ，关闭时间3 m s 等旧1 。但是由于出于商业机密或技术 保密，其具体的设计制作是不公开的。同时国外的企业不管是为了抢占国际、 国内市场份额的经济目的，还是出于别的原因，都不可能轻易把产品技术转让 给我国。因此，企业为了在市场竞争中更好的生存下去，有必要进行这方面的 研究。 1 2 2 功率驱动模块能量输入方案 功率驱动模块能量输入方案 1 0 - 1 4 i 直接影响到电磁阀的工作性能，电磁阀工 作的快速响应和强作用力特性要求其功率驱动模块能够提供高能量，使电磁阀 得到较高的电流变化率和电流峰值。 常规功率驱动模块能量输入方案如图1 9 所示【4 】。通常是在电磁阀运动阶 段，驱动模块提供给电磁线圈一定常高电压，在这期间电流逐渐达到最大值， 工作气隙逐渐减小到最低值，磁通密度和作用力也逐渐增大，并在衔铁运动终 了时达到最大值。当电磁阀闭合进入保持阶段，驱动模块提供给电磁线圈一定 常低电压，电流被降低到仅仅维持衔铁处于闭合状态的数值。使用这种常规能 量输入方案工作的电磁阀，由于衔铁运动起始阶段电磁作用力很小，衔铁运动 非常慢，绝大部分衔铁运动行程是在运动末了短时间内才能完成的，因此响应 速度没有达到最大值。 图卜9 功率驱动模块的常规能量输入方案 f i g 1 9c o n v e n t i o n a ls o l e n o i da c t i v a t i o n 图1 10 功率驱动模块的优化能量输入方案 f i g 1 - 1 0o p t i m i z e ds o l e n o i da c t i v a t i o n d 上海交通大学工程硕士专业学位论文第1 章绪论 最优的能量输入方案是当衔铁运动刚开始时，就能得到最大作用力，在几 乎整个运动过程中衔铁都以最大加速度工作，衔铁吸合时间必将最短；因为电 磁作用力是由磁通密度和吸合作用面积决定的，所以要实现电磁阀上述工作过 程，需要当工作气隙仍然很大时磁通密度就达到饱和，这就要求电磁阀在初始 阶段电流要有很高的变化率并可达到很大的峰值；随着衔铁的运动，工作气隙 减小，磁阻降低，电流逐渐变低仍能保持电磁作用力不变，在运动阶段衔铁始 终以最大加速度工作( 图1 1 0 ) 【4 i 。 1 2 3 功率驱动模块类型 高速强力电磁阀功率驱动模块 1 0 - 1 4 1 的设计决定了外部能量以何种形式通过 电磁阀，亦即流经电磁线圈中的电流的变化波形。驱动模块的型式不仅影响输 入能量的大小，而且影响输入能量的变化速率，直接关系到电磁阀能否满足快 速响应和强作用力等性能要求。因为功率驱动模块能量输入方案直接影响电磁 阀的工作性能，国外各公司、科研单位及高等院校投入大量的人力、物力和财 力，已研制和开发出多种各具特色的驱动模块。 目前比较成熟的驱动模块类型可分为调压式、增压式和电容式驱动模块。 调压式功率驱动模块按工作方式不同又可分为线性调压式驱动和p w m 调 压式驱动。线性调压式驱动模块采用1 2 v 车用电平电压，对电平电压进行线性 调节以得到合理的电磁线圈驱动电流。e w m ( 脉宽调制) 调压式驱动模块与线性 调压式驱动模块相比，具有节约能耗、电路结构简单以及电路板所占体积小等 优点。在相同工作条件下，p w m 驱动模块可以调节电磁线圈中的维持电流，而 线性驱动模块却只能提供定常的维持电流。 增压式驱动模块是使用增压电路提供远高于1 2 v 的电压作为电磁线圈的驱 动电压。在控制阀初始运动阶段，增压式驱动模块往往提供电磁线圈9 0 v 左右 的高电压，使线圈中电流以极高电流变化率上升，保证电磁阀的快速响应性； 当控制阀关闭后，驱动模块提供低电压用以维持控制阀的工作状态。增压式驱 动模块可以提供快速、可预知和不受电平电压变化影响的线圈电流上升波形， 从而保证控制阀关闭始点的一致性，降低喷射定时的误差，但其电路设计比调 压式驱动模块复杂，能耗较高。增压式驱动模块的特点为对电平电压变化不敏 感；在大电流功率线束中使用更少的导线；对导线电阻变化不敏感；提高燃油 喷射的一致性。 电容式驱动模块通过高压电容放电，提供给电磁线圈瞬态的高变化速率的 电流使控制阀迅速达到工作位置；工作气隙减小到只需很低电流便能维持正常 工作时，由1 2 v 车用电平电压提供此维持电流。在该种驱动模块中可以使用 d c d c 转换器提供的高电压给电容充电。也可以不使用额外的高电压，而是通 过终止流经一附加电感线圈的电流产生的瞬态高电位差给电容充电。 高速强力电磁阀的功率驱动部分对电磁阀的工作性能起着重大作用，必须 对其合理设计和应用。如前所述，功率驱动模块可概括为调压式、增压式和电 容式。3 种驱动类型各有特色，又相互有交叉应用之处，为电磁阀提供高电流 变化率和电流峰值，降低对电平电压的敏感程度，驱动能量智能优化地输入以 降低能量消耗等是设计和开发高速强力电磁阀的功率驱动模块所必须考虑的。 电磁阀的快速响应和强作用力等工作特性要求电磁阀采用特殊的结构设计 和高能量输入的功率驱动模块。 合理选择磁性材料和电磁阀的结构设计，增大驱动模块的输入功率，改善 上海交通大学工程硕士专业学位论文第1 章绪论 驱动模块的电路结构及元件参数选配，优化电磁阀动态工作过程等是提高高速 强力电磁阀工作性能的有效措施。 1 2 4 国内、外高速强力电磁阀的应用研究情况 世界各国研究、开发电控柴油喷射系统用高速强力电磁控制阀近况 公司结构动态性能应用 名称型式指标 d i e s e lk i k i“d i s o l e ” = 1 1 m s 应用于r o t a r yp u m p ，但只是试验用 c ol t d t = 1 3 m s 品。 l u c a sh e l e n o i dt = o 8 m s 应用于电控泵喷嘴，做了大量实用化 c o l t d c o l e n o i d = o 7 5 m s开发和研究。 r o b e r tb o s c h下压式高低 t = 06 5 m s目前，b o s c h 公司电控e u i 、e u p 用 g m b h 压平衡型电 t t o 3 0 m s 电磁控制阀已不是下压式、高低压平 磁控制阀结衡结构，而改为上拉式“e ”型叠片 构设计式结构。 d e t r o i t 叠片式”e ” 、0 指标 底特律公司自7 0 年代开始研制并于 d i e s e l 型铁芯配平 不详 1 9 8 5 年推出d d e c i 产品，1 9 8 7 年 d i v i s i o n 板衔铁改进为d d e c i i 型，1 9 9 4 年又改进 为第三代d d e c 1 i i 产品。 c a t e r p i l l a r工作在中等 t = ll m sh e u i 开发是一个各大公司联合开发 l n c 压力条件，0 = o 6 m s项目的典范，集设计、仿真、测试、 压力变化范制造于一体。 围4 2 3 m p a b k m l n c 工作在中等t 。= 3 m s贵州红林机械厂与美国b k m 公司合 压力条件，t = 2 m s作，现已批量生产该种高速开关阀。 油压低于北京理工大学，天津大学都在应用此 1 0 0 b a r 开关阀。 n i p p o n d e n s ot w v 三通 t = o 4 m s还在研制之中。 c ol t d 阀= 0 3 5 m s f o r dm o t o r环状“u ” t = 1 3 m s应用于汽油机缸内直喷研究，未见产 c o 型电磁阀f ，= 1 1 m s品出现。 t s i n g h u a环状多极式t = 1 0 8 m s应用于p p v l 电控喷射系统。 u n i v e r s i t v 电磁阀t = o6 5 m s 1 3 本文的主要研究工作 本文主要从以下几个方面展开论文的研究工作： 1 进行高速强力电磁阀的资料查阅，了解国内外的研究现状； 2 明确电控柴油喷射系统对高速强力电磁阀的工作特性要求； 3 选择结构简单，刚度好，易加工，适合大批量生产的环状多极高速强力电磁 阀作为研究对象，进行高速强力电磁阀的理论分析及结构分析； 4 建立环状多极高速强力电磁阀的数学模型，利用m a t l a b 软件的s i m u l i n k 仿真工具建立相应的仿真模型，进行仿真模型的分析研究； 7 塑坚塑望塑堕主童些兰竺笙窭 塑! 兰竺堡 5 建立描述环状高速强力多极电磁阀的动态特性的非线性微分方程组，对现有 高速强力多极电磁阀进行数值计算分析； 6 两种仿真方法的分析结果对比及与现有实验结果对比。 上海交通大学工程硕士专业学位论文第2 章电控系统用高速强力电磁阀的结构与特性 第2 章电控系统用高速强力电磁阀的结构与特性 2 1 电控柴油喷射系统的工作过程 1 5 - 2 5 图2 1 电控柴油喷射系统示意图 f i g 2 - 1d i a g r a m o f e l e c t r o n i cd i e s e li n j e c t i o ns y s t e m 图2 1 示出了电控柴油喷射系统的总体构型 16 1 。整个电控柴油喷射系统可 分为电子控制系统和机械液力系统两大部分。而这两大部分之间的接口为高速 强力电磁阀，它取代了传统喷油泵和第一代电控系统中复杂的油量、定时控制 执行机构，可以实现对喷射过程的直接数字控制。 喷射系统的电子控制系统主要由逻辑模块和驱动模块两部分组成，逻辑模 块控制驱动模块，驱动模块再驱动执行器高速强力电磁阀，从而实现控制功 能。 机液系统由喷油泵、油管、喷油器三部分组成，电磁阀装在喷油泵与喷油 器之间的某一位置上，它将高压油管分成两段。喷油泵仍采用传统的机械式喷 油泵，但去掉了喷油提前器和调速器等机械式调节机构。系统工作时，齿杆固 定在最大油量位黄，保证整个工作过程中能有效地利用油泵的供油能力。喷油 器仍采用普通的喷油器或低惯量喷油器。电磁阀的位置及其两段油管的分配， 既要有利于实现喷射过程的有效控制，又必须减少喷油泵的功率损失。 电控柴油喷射系统的工作过程可简述如下： ( 1 ) 充油过程：当柱塞下移时，喷射系统内部压力将低于低压油路的供油压力， 同时控制阀处于开启状态，此时低压系统燃油将通过柱塞套上的进油口和控制 阀的进出油口进入高压喷射系统。 ( 2 ) 旁通过程：当柱塞上升时，柱塞腔压力上升，但由于控制阀仍没关闭，故 9 上海交通大学工程硕士专业学位论文第2 章电控系统用高速强力电磁阀的结构与特性 受压燃油又经控制阀口高速泄流，回到低压供油系统。 ( 3 ) 喷射过程：当电脑控制单元根据装在油泵凸轮轴上的传感器反馈的油泵速 度和位置信号，在一个特定的时刻发出控制脉冲，并通过功率开关电路接通电 磁铁时，控制阀吸合，阀口关闭，引起喷射压力急剧上升，当此压力高于喷嘴 开启压力时，针阀开启，产生喷射。 ( 4 ) 卸载过程：当命令脉冲终止，电磁铁失电，控制阀在回位弹簧作用下开启， 高压燃油经阀口向低压系统卸载，高压油路压力下降，喷射终止。 此后油泵供油行程结束，低压系统向柱塞套进油口充油，系统开始下一个 工作循环。 电控柴油喷射系统中，喷射切断过程是在电磁阀的控制下完成的。当电磁 阀快速打开时，高压燃油与低压燃油直接相通，形成高速泄流。而且由于电磁 控制阀溢流位置比传统柱塞溢流位置离喷嘴更近，因此，喷射被迅速终止，实 现了所谓“高压切断”。应当注意的是，如果仅仅是快速切断，燃油将可以降至 零压以下，出现空穴。值得庆幸的是，电磁阀打开所引起的减压波传到油泵需 要时间。在这段滞后期，控制阀处燃油压力虽在迅速下降，但油泵供油过程仍 在继续。这一压力波对高压卸载过程起到了缓冲作用。虽然在开始卸压时由于 电磁阀口两边过大的压差使油管压力迅速下降，但当压差逐步减小时，供油压 力波的缓冲作用将愈加明显，从而形成“先急后缓”的理想卸载特性。 2 2 喷射系统对高速强力电磁阀的工作特性要求 1 5 。1 7 由系统工作过程可以看出，高速强力电磁阀是系统电控单元与机液喷射装 雹的直接接口，对燃油喷射过程实行直接控制，其性能直接影响着整个燃油喷 射过程。为实现电控燃油喷射系统的预期喷射性能，高速强力电磁阀必须满足 以下工作特性。 ( 1 ) 阀座的可靠密封性 在电控柴油喷射系统中，高速强力电磁阀作为独立部件装在喷油泵与喷油 器之间的某一位置上，它将高压油管分成两段。在喷射系统喷射过程，只有控 制阀阀口能够可靠关闭，喷射系统中才能形成高压，当此压力高于喷嘴开启压 力时，针阀开启，产生喷射。因此，控制阀阀座的可靠密封是喷射系统的最基 本的硬件条件。 ( 2 ) 快速响应特性 高速强力电磁阀在电控柴油喷射系统中承担着所有的喷射控制功能。它的 闭合时刻决定喷射定时，闭合时间长短决定喷油量。 它必须快速关闭以实现有效的“油锤”效应，有利于保证喷射定时准确和 迅速形成高压。 它必须快速开启以保证高压喷射的快速切断和稳定卸载，减小由于管内压 力下降雾化变差的燃油从喷孔中喷出。阀的缓慢开启将会引起卸载过慢、后期 喷射不良等问题。 快速关闭和开启特性将减小电磁阀工作过程中形成的不可避免的工作“死 区”，为实现小油量喷射和预喷射提供必要的系统硬件保证。电磁阀的快速响应 特性是衡量其工作性能的一个重要指标。 ( 3 ) 强作用力特性 电磁阀的工作条件复杂、恶劣，为提高其工作性能的可靠性和稳定性，减 0 上海交通大学工程硕士专业学位论文第2 章电控系统用高速强力电磁阀的结构与特性 小对外部干扰的敏感程度，必须得使其具有足够的电磁作用力储备。 一方面，强电磁作用力可以保证电磁阀关闭过程中运动质量加速度更小地 受反作用力和附加运动质量变化的影响。即使反作用力或附加运动质量由于偶 然因素变化时，足够大的电磁作用力仍能确保控制阀关闭过程中运动加速度基 本不变。这样便增强了电磁阀快速响应的可靠性，可有效保证多缸电磁阀工作 的一致性，为多缸油量控制的均匀性提供必要的基础。 另一方面，强电磁作用力为电磁阀的高压密封提供了保证。旁通溢流阀形 成高压燃油的密封需要有两个密封面。一个为阀杆与阀体偶件导向段径向密封， 另一个为阀座面密封。导向段的径向密封主要取决于两者间的间隙和密封长度。 而阀座面处的密封是座面压紧密封，取决于电磁铁产生的上拉力和各种反作用 力在阀杆处的合力大小和方向，只有电磁铁产生足够的电磁作用力才能保证电 磁阀可靠的高压密封。 ( 4 ) 稳定的控制阀升程运动特性 当高速强力电磁阀关闭时，控制阀杆达到最大升程，具有最大动能，与阀 座座面接触时，必然会引起冲击和反弹。电磁阀开启时，在弹簧力作用下，控 制阀杆迅速下落，当控制阀挡铁与阀体上端面接触时也会引起冲击和反弹，当 然与上升过程相比，由于动能不很大，冲击、反弹的幅度较小。 电磁阀关闭时控制阀杆的冲击和反弹将导致供油特性的非线性( 使用等速 凸轮时的特性) ，限制了最小可控供油量。因此应尽力消除控制阀的不必要振动。 电磁阀运动过程中的冲击反弹将会引起喷射系统中压力的巨大波动，严重 影响喷射系统的正常工作。消除控制阀升程波动是保证喷射系统工作性能的重 要方面。 ( 5 ) 快速泄流特性 为实现喷射过程的有效控制，电磁阀开启时，要求旁通溢流阀能快速泄流， 使得高压油路压力迅速下降喷射过程终止。因此，旁通溢流阀必须保证有足够 的泄流面积，同时为提高泄流速率，阀的开启时间应尽可能缩短。 旁通溢流阀的泄流面积取决于阀的升程和密封座面的锥角。显然，升程越 大，流通面积越大。在升程相同的情况下，密封锥角越大，流通面积也越大。 然而，升程的增大会相应地延长阀的动态响应时间，加大运动质量的惯性力和 冲击作用；密封锥角增大，对旁通溢流阀的动态密封性不利。因此，阀的升程 和密封锥角必须合理选配，在保证良好的动态特性的同时，实现快速泄流。 ( 6 ) 良好的散热特性 在电控柴油喷射系统中，电磁阀的电磁线圈始终处在通电与断电交替循环 的情况下工作。在工作过程中，线圈由于本身的电阻损耗要发热，铁磁体在变 化磁场作用下产生涡流和磁滞损耗也要发热，旁通阀工作时的摩擦、撞击以及 高压燃油对旁通阀的冲击等也会产生一部分热量，所有这些热量的产生都会影 响到线圈的温度。线圈中绝缘材料的耐热性能限制了线圈使用的极限温度。如 果温度过高，超过了绝缘材料的允许工作温度，材料会急剧老化，其机械性能 和电介质强度迅速下降，绝缘性能变差，严重影响到电磁阀的正常工作。另外， 磁性材料的磁性能与温度也密切相关，温度的升高将导致磁性能下降。 高速强力电磁阀必须具有良好的散热特性，才能确保工作温度不至于过高， 使电磁阀在使用期内始终能安全、可靠地工作。良好的散热性能也为功率驱动 模块输入更高的能量提供可能。 上海交通大学工程硕士专业学位论文第2 章电控系统用高速强力电磁阀的结构与特性 2 3 电磁控制旁通阀 2 6 2 31 旁通阀的结构及功能 在时间控制式电控柱塞泵燃油喷射系统中，最关键的部件是电磁控制旁通 溢流阀，它是电控系统的控制执行器，所有喷射控制功能都是通过此电磁控制 阀来实现的，其工作性能直接影响燃油系统的喷射控制特性。电磁控制旁通溢 流阀由直接对高压燃油进行调节的旁通阀和驱动此阀的高速强力电磁铁两部分 组成。本文所研究的电磁控制旁通阀结构如图2 2 所示n “。 旁通阀的主要功能是形成高压燃油的密封和快速泄流。为了实现这一功能， 旁通阀必须质量小、运动灵活、密封严密、泄流通畅、动态响应迅速、工作稳 定可靠。 电磁铁作为旁通阀的驱动元件，对电磁控制阀的工作特性有着直接的影响。 为了实现对喷射过程的有效控制，要求电磁铁具有快速响应和强作用力特性。 此阀中采用的是环状多极式电磁铁，本文主要研究环状多极式电磁铁的应用特 性。 图2 - 2 电磁控制旁通阀的结构示意图 f i g 2 2c o n f i g u r a t i o nd i a g r a mo f s o l e n o i dc o n t r o l l e db y p a s sv a l v e 2 3 2 电磁控制旁通阀的工作特性 232 1 动态响应特性 根据喷射控制的要求，电控单元在确定的时刻发出控制脉冲给电磁铁的驱 动电路，以控制电磁阀的开关过程。电磁铁通电以后，对飞铁产生电磁吸合力， 当电磁吸合力大于控制阀回位弹簧的预紧力时，飞铁带动旁通阀阀杆一起向上 运动，快速关闭旁通阀，油泵提供的高压燃油流向喷油器，产生喷射。电磁铁 失电后，电磁吸合力消失，在回位弹簧的作用下，飞铁及旁通阀阀杆向下运动， 打开旁通阀，高压燃油经旁通阀快速泄流，喷射中止。电磁控制阀的关闭和开 启过程这一动态响应过程对系统喷射特性有着重要影响：动态关闭过程影响喷 射初期压力波形；动态开启过程影响高压燃油的泄流速率；动态响应的稳定性 影响循环的一致性；在控制阀动作过程中，阀处于不可控制的中间位置，影响 油量控制精度。因此，缩短动态响应时间是实现燃油喷射过程有效控制的必要 条件。 上海交通大学工程硕士专业学位论文第2 章电控系统用高速强力电磁阀的结