（轮机工程专业论文）柴油机中压共轨系统大流量高速电磁阀的优化研究.pdf

武汉理工大学博士学位论文 摘要+ 大流量高速电磁阀是中压共轨电控燃油喷射系统和进排气系统中的关 键执行器件。本文以2 0 0 型单缸柴油机电控燃油喷射系统和1 3 5 型柴油机可 变气门系统为应用对象，对二位三通双自由度内锥阀芯大流量高速电磁阀进 行了较为全面的研究，提出了该类电磁阀的开发设计方法。 为对电磁铁的性能进行研究，开发了一套电磁阀电磁铁性能试验装置， 实现了对电磁铁静态电磁力、阀芯运动特性、励磁电流和阀芯运动合力的测 量，在此基础上对电磁铁进行了试验研究，分析了电磁铁驱动电压、工作气 隙和复位弹簧对电磁铁开关速度的影响。 在l a b v i e w 虚拟仪器开发平台上开发了电磁阀综合测控系统，具体介绍 了测控系统的功能以及各个子模块的实现方式。对电磁阀高低压驱动电路进 行了设计。以试验研究和p r o t e l 软件仿真为手段，着重分析了驱动电路中 高电压部分的控制方式以及电路中关键元件的参数选取，并提出了驱动电路 的调试方法。 以a n s y s 软件为开发工具，对电磁阀电磁铁电磁场进行了三维有限元分 析，编制了环状多极式电磁铁的开发程序。在电磁铁性能试验装置上验证了 计算结果的正确性。借助电磁铁开发程序对电磁铁的极柱数、磁性材料、 励磁线圈高度、有效吸合面积以及衔铁厚度进行了系列研究，得出了各参数 对电磁力的影响规律。以2 0 0 型单缸柴油机电控燃油喷射系统为应用对象， 进行了大流量高速电磁阀的设计。对设计的电磁阀进行了响应速度和流通能 力试验，试验结果表明：所开发的电磁阀性能基本满足喷油系统要求。 对开发的电磁阀在2 0 0 型单缸柴油机中压共轨电控燃油喷射系统中的 应用进行了试验研究，分析了电磁阀对喷油系统的控制能力和控制效果。探 讨了利用电磁阀在中压共轨系统中实现燃油预喷射的可能性。对电磁阀在 1 3 5 型柴油机可变气门系统中的应用性能进行了试验研究，分析了电磁阀对 气门正时、气门持续时间和气门升程的控制能力和控制效果。 在h y d s i m 软件平台上建立了中压共轨电控燃油喷射系统的仿真模型， 着重分析了喷油系统实现燃油高压喷射的途径。 关键词：电磁阀，有限元，喷油系统，可变气门系统，仿真研究，试验研究 交通部应用基础研究项目资助( 编号：2 0 0 4 3 2 9 8 1 1 0 8 ) ； 清华大学汽车安全与节能国家重点实验室开放基金项目资助( 编号：k f 2 0 0 5 0 0 9 ) i 武汉理工大学博士学位论文 a b s t r a c t t h ee l e c t r o m a g n e t i cv a l v ew i t hg r e a tf l o wa n df a s tr e s p o n s ei so n eo ft h e k e ya c t u a t o r si nt h em e d i u mp r e s s u r ec o m m o nr a i ls y s t e mo fd i e s e le n g i n e t h i sp a p e rd e t a i l sw i t ht h ed e s i g na n dr e s e a r c ho nt h i sk i n do fv a l v et h a ti su s e d b o t hi nt h ee l e c t r o n i c a l l yc o n t r o l l e df u e li n j e c t i o ns y s t e mo fd i e s e le n g i n et y p e 2 0 0a n dt h ev a r i a b l ev a l v es y s t e mo f d i e s e le n g i n et y p e1 3 5 ak i n do ft r i a ld e v i c eo ft h ee l e c t r o m a g n e tw a si n t r o d u c e d i tw a su s e dt o m e a s u r et h es t a t i cm a g n e t i cf o r c e ，t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h ea r m a t u r e ， t h ec o i lc u r r e n ta n dt h ea c c e l e r a t i o no ft h ea r m a t u r e b a s e do nt h i sd e v i c e ， e x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u tc o n c e r n i n go nt h ei n f l u e n c eo ft h eb o o s tv o l t a g e ， t h ea i rg a pa n dt h e s p r i n gt ot h er e s p o n s eo ft h ev a l v e e x p e r i m e n t a lr e s u l t s p r o v e dt h ec r e d i b i l i t yo ft h et r i a ld e v i c e ，w h i c ho f f e r e dau s e f u lp l a t f o r mt o d e v e l o pt h eh i g hp e r f o r m a n c ee l e c t r o m a g n e t l a b v i e ww a su s e dt od e v e l o pt h em e a s u r ea n dc o n t r o ls o f t w a r ef o rt h e e l e c t r o m a g n e tv a l v e t h ef u n c t i o na n di t sr e a l i z a t i o no fe a c hs o f t w a r em o d u l e w e r ei n t r o d u c e d m e a n w h i l e ，t h ed r i v e nc i r c u i tw i t hh i g ha n dl o wv o l t a g e si n d i f f e r e n ts t a g e sw e r ed e s i g n e df o rt h ee l e c t r o m a g n e tv a l v e t h ew a ya b o u th o w t oc o n t r o lt h eh i g hv o l t a g ew a sa n a l y z e d t h ef l o a t i n gv o l t a g eo ft h es o u r c ee n d i nm o s f e tw a sc o u p l e db yac a p a c i t a n c ew h o s ei n f l u e n c et ot h ec i r c u i tw a s a n a l y z e di nd e t a i lt h r o u g ht h es i m u l a t i o nm o d e lb u i l tb yu s i n gp r o t e ls o f t w a r e t h ep a r a m e t e r so ft h ee l e c t r i c a l p a n sw e r eo p t i m i z e dr e s u l ti ni n c r e a s i n gt h e c r e d i b i l i t yo ft h ec i r c u i t 3 de l e c t r o m a g n e t i cf i e l d sa n a l y s i so ft h ee l e c t r o m a g n e tw a sc a r r i e do u tb y u s i n ga n s y ss o f t w a r e s o m ef a c t o r ss u c ha sw o r k i n ga r e a ，c o i lt u r n s ，c o r e n u m b e r ，a r m a t u r ed e p t ha n di r o nm a t e r i a lt h a ti n f l u e n c e dt h em a g n e t i cf o r c e w e r ed i s c u s s e di n d e t a i l e x p e r i m e n t r e s u l t sp r o v e dt h ec o r r e c t i o no ft h e c a l c u l a t i o n ，b yw h i c ht h ee l e c t r o m a g n e tv a l v ew a st h e nd e v e l o p e da c c o r d i n gt o t h e f u e l i n j e c t i o ns y s t e m t h et e s tr e s u l t so ft h er e s p o n s ea n df l o wc a p a b i l i t y d e m o n s t r a t e dt h a tt h ev a l v eb a s i c a l l ym e tt h ed e s i g nt a r g e t i i 武汉理工大学博士学位论文 e x p e r i m e n t sw e r ea r r a n g e da b o u tw h e t h e rt h ev a l v ew a sa b l et oc o n t r o lt h e f u e li n j e c t i o ns y s t e mf o rd i e s e le n g i n et y p e2 0 0a n dh o wi tc o n t r o l l e d a tt h e s a m et i m e ，p i l o ti n j e c t i o nw a sr e a l i z e db yad i f f e r e n tw a yt h a td i s t i n g u i s h e d f r o mt h ep r e v i o u s a st ot h ev a r i a b l ev a l v es y s t e mf o rt h ee n g i n et y p e1 3 5 ，t h e e x p e r i m e n tw o r ka b o u th o wt h ee l e c t r o m a g n e tv a l v ec o n t r o l l e dt h ev a l v et i m i n g ， t h ev a l v ed u r a t i o na n dt h ev a l v ei i f th a sb e e nd o n e t h es i m u l a t i o nm o d e lo ft h ee l e c t r o n i c a l l yc o n t r o l l e df u e li n j e c t i o ns y s t e m w a sb u i l tb a s e do na v lh y d s i ms o f t w a r e w a y sa b o u th o wt oi n c r e a s et h e i n j e c t i o np r e s s u r ew a ss u m m a r i z e d k e yw o r d s ：e l e c t r o m a g n e t i cv a l v e ，f i n i t ee l e m e n t ，f u e li n j e c t i o ns y s t e m ， v a r i a b l ev a l v es y s t e m ，s i m u l a t i o nr e s e a r c h ，e x p e r i m e n tr e s e a r c h i i l 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生c 签名k 弛! 曼幽日期：兰壁塑! ：! 关于论文使用授权的说明 本文完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 内容，可以采用影印、缩印和其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 一雠，：迎翩c 够魄 r ， 拦进塑塑 武汉理工大学博士学位论文 第1 章绪论 电控燃油喷射系统是现代柴油机燃油系统的发展方向，其中发展最快的 是采用高速电磁阀控制喷油过程的共轨控制式电控燃油喷射系统，在这类系 统中，电磁阀直接控制喷油量、喷油正时和喷油率。共轨系统的另外一个特 点是喷油压力可独立于柴油机转速调节，特别是在低负荷时可大幅改善柴油 机的燃烧和排放性能。当前无论在柴油机高压共轨系统还是中压共轨系统 中，电磁阀都是关键的执行器件。 柴油机电控燃油喷射系统用电磁阀大致可分为二位二通式和二位三通 式两类。对于二位二通式电磁阀来说，因其阀芯、阀体结构简单，研究重点 一般放在电磁阀的电磁部分( 电磁铁和电磁线圈) 以及功率驱动电路的设计 上。而对于二位三通式电磁阀来说，不仅要考虑电磁阀的电磁部分和驱动电 路部分，还要考虑阀芯、阀体的结构，以实现电磁阀的高速动态响应特性和 大流量特性，同时还要解决好材料及工艺上的问题。本章着重探讨了国内外 内燃机工作者在电磁阀结构设计方面所作的工作，同时对几种较典型的结构 进行了分析。 1 1 电磁铁的国内外研究状况 按照产生电磁力的原理，高速强力电磁阀电磁铁的结构大体上可以分为 三种：拍合式、吸入式和旋转式。电控喷油系统用的电磁阀一般采用拍合式 电磁铁。从结构设计的先后顺序来讲，国内外高速电磁阀电磁铁结构的发展 经历了以下几个阶段。 1 1 1 常规“e 型电磁铁 常规“e ”型电磁铁是最早开发的一类电磁铁，其结构简单、紧凑，电磁 线圈一般绕制在阀中心部分的凹槽中，具有磁路集中、作用力大等特点。其 典型结构如图1 1 所示。 但有关研究表明，由于自身结构设计的局限性，这类电磁铁会产生电磁 作用力与响应速度之间的矛盾，即电磁作用力的提高会导致开关响应速度的 武汉理工大学博士学位论文 降低，因此设计中存在着两者折中的问题。为了克服常规“e ”型电磁铁的 这种不足，国内外在单e 型电磁铁的基础上开发了几种复杂的“e ”型电磁 铁，但实际上都是常规“e ”型电磁铁某种程度的延伸和扩展。 线圈辞铁芯 图1 1 常规“e ”型电磁铁 1 1 2 伸长式“e ”型电磁铁 为了获得较大的电磁作用力，将常规“e ”型电磁铁伸长以增大有效吸 合面积。由于电磁力随吸合面积的增大而增加，尽管衔铁质量有了一定的增 加，但由于电磁力也同比例增大，衔铁的响应速度不会因此有所改变，这样 既可以保证有较高的响应速度，且具有较大的电磁作用力。但是，随着“e ” 型电磁铁的伸长，衔铁的刚度将逐渐下降，因而这种电磁铁不可能无限制地 伸长。英国l u c a s 公司应用伸长式“e ”型电磁铁原理开发了h e l e n o i d 和 c o l e n o i d 电磁铁( 如图1 2 和图1 3 所示) ，这两种电磁铁分别采用筒状、锥 状结构设计来提高阀体的结构刚度，克服了伸长式“e ”型电磁铁对刚度的 限制【2 4 。h e l e n o i d 电磁阀在电控泵一喷嘴燃油系统的高压油路工作时，阀 的关闭与开启响应时间均在1 m s 以内，满足了喷射系统的要求，但其结构 较为复杂，工作行程被严格限制在l m m 以内。该电磁铁的静铁心选取了铁 钻合金，衔铁采用价格便宜的低碳钢材料，其铁心结构壁很薄，不需要采用 叠片方式就可以很好的减少涡流的影响。c o l e n o i d 电磁铁的设计思想与 h e l e n o i d 电磁阀相似，只是采用了锥型结构，却大大提高了工作行程。这种 电磁铁被用在该公司的电控泵喷嘴( e u i ) 系统中，其关闭时间可达到 o 8 0 m s ，开启时间可达到o 7 5 m s 。 2 武汉理工大学博士学位论文 l i 铁运动方向 图1 2h e l e n o i d 电磁铁示意图图1 3c o l e n o i d 电磁铁示意图 1 1 3 多极式“e ”型电磁铁 多极式电磁铁由多个单元“e ”型电磁铁组合而成如图1 4 所示，其所 产生的电磁力是各个单元“e ”型电磁铁的电磁作用力的矢量和，要得到更 大的电磁作用力只需要增大有效吸合面积，即增加单元个数即可。多极式电 磁铁的工作响应速度与单元“e ”型电磁铁相同，能够较好地解决高速响应 特性和电磁作用力相矛盾的问题。 美国f o r d 公司采用这种设计原理设计出了环状多极式电磁铁( 图1 5 ) ， 这种电磁铁的静铁芯和衔铁均采用低碳钢材料，经过机加工后进行退火处 理，线圈绕制在耐高温的骨架上，并且采用压配方式将绕制好的线圈安装到 铁心中。该种电磁铁具有结构简单、刚度好、加工制造容易、生产成本低等 优点，适合大批量生产。 磁嚯争 电磁线圈 静铁芯 图1 4 多极e 型电磁铁图1 5 环状多极式电磁铁 武汉理工大学博士学位论文 1 1 4 伸长多极式电磁铁 将伸长式“e ”型电磁铁和多极式电磁铁的设计概念相结合，就形了开 发新型高速强力电磁阀的基础。盘状外形的d i s o l e 电磁铁( 图1 6 ) 和肋 状三极式电磁铁( 图1 7 ) 就是基于这种设计概念而开发出来的【5 i 。 d i s o l e 电磁铁是日本z e x e l 公司研究开发的一种高速、强力、结构简 单的电磁铁。电磁线圈绕制完后直接嵌入到静铁芯的沟槽中，然后灌入环氧 树脂固定，提高了工作的可靠性；嵌入沟槽中的电磁线圈有三个散热面，使 线圈有充足的散热面积：相邻沟槽的电磁线圈绕制方向相反，磁通路径组织 合理，减少了漏磁通。该电磁铁的试验表明：电磁阀的关闭时间为1 1 m s ， 开启时间为1 3 m s ，已经被广泛用于该公司的m o d e l 一1 型电控分配泵中。 电磁线盈 衔铁 _ 、，i 凶凶凶凶l 可。h 凶凶凶凶 静铁芯 图1 6d i s o l e 电磁铁示意图图1 7 肋状三极式电磁铁示意图 加拿大多伦多大学的c h r i s j g r e e n 等人研究开发的肋状三极式电磁铁 结构简单、衔铁刚度好1 8 1 ，已经运用在气体燃料喷嘴执行器上。电磁铁的结 构如图17 所示。 1 2 阀体、阀芯的国内外研究现状凹1 高速开关电磁阀阀芯、阀体的结构设计直接影响到电磁阀的流量特性和 动态响应特性，而且阀芯、阀体结构的合理性与加工工艺性能密切相关，如 何合理设计阀芯和阀体的结构对便于生产加工、降低制造成本等具有重大的 意义。 对于液压阀来说，按阀芯形状分类大致可分为滑阀式阀芯、球阀式阀芯、 锥阀式阀芯和喷嘴挡板式阀芯四类。 4 武汉理工大学博士学位论文 ( 1 ) 滑阀式阀芯结构容易获得液压平衡和液动力补偿，可以在较大的 压力和流量下工作，但滑阀式结构行程长、响应慢、密封性能差，不适宜作 高速开关阀； ( 2 ) 球阀式阀芯结构简单，密封可靠，具有自动对中功能，工艺性好， 它的行程短，动作灵敏，因而动态特性好，适宜于作高速开关阀。但是球阀 式结构由于作用在钢球上的液压力不平衡，电磁铁直接承受液压力，所以只 能做成小通径阀或先导阀，在流量要求较大的场合不适宜： ( 3 ) 喷嘴挡板式阀芯由于结构的原因，存在静力功率损失，无法用来 控制功率较大的系统，只用作先导控制阀； ( 4 ) 锥阀式阀芯结构可以克服滑阀式阀芯行程长和泄漏问题，也可以 克服球阀式阀芯的液压力不平衡等问题，是高速开关式阀的一种较理想的阀 芯结构形式。但是，由于受其工艺性能的影响，一般只做成二位二通式高速 开关阀，而做成二位三通高速开关式锥阀较为少见m 】。 由以上分析可知，国内外对电控柴油机喷射系统用电磁阀作了大量的研 究工作。电磁阀的研究涉及到材料、电子、控制、机械液压耦合等许多方面 的内容，是一个综合性很强的学科。目前，其研究方向正在向体积小、响应 快、能承受高压、噪音低、加工工艺简单、可靠性高、节能等方向发展。 1 3 典型结构分析 我国贵阳红林集团与美国b k m 公司合作研制了一种螺纹拆装式高速强 力电磁阀如图1 8 所示。 进油口 静铁芯 线圈 动铁芯 图1 8 高速电磁阀结构原理图 该阀为球阀式结构。当电磁铁通电时，衔铁产生的电磁力通过推杆和分 武汉理工大学博士学位论文 离销使回油球阀一起向左运动，直到回油球阀紧靠在其密封座面上，此时， 回油口关闭，进油口打开，控制油口出现高压；当电磁铁断电时，进油球阀 和回油球阀在液压力的作用下，向左运动，直到进油球阀紧靠在其密封座面 上，此时，进油口关闭，回油口打开，控制油口为低压。该阀的结构设计具 有以下几个特点：两球阀具有自动对中功能：没有采用弹簧复位，消除了因 弹簧疲劳破坏而引起寿命减短的可能；选用推杆和分离销结构，易于调整球 阀开度。该阀的响应速度一般：开启时间约为3 5 m s ，关闭时间约为2 5 m s 。 但其重复性好，重复精度为0 0 5 m s 。该电磁阀系列已经广泛应用在许多液 压系统的流量和压力控制中。 同时，由于该电磁阀采用球阀式结构，通径很小，通流能力差，其在额 定工作压力下( 1 0 m p a ) 的空载流量小于9 l m i n ，使该阀的应用受到一定的 限制。因此，该电磁阀在流量要求较大的时候，常用来做先导级控制阀，如 应用于b k m 公司开发的s e r v o j e t 系统中时，它是一个先导级控制阀，对于 一个流量大得多的增流滑阀进行控制，以满足系统对流量的要求。但是，它 使整个电控燃油喷射系统的动态响应速度变慢，系统的可控制性能变差。 图1 9 为美国c a t 公司开发的中压共轨液力增压式电控燃油喷射系统 h e u i 上用的一种高速大流量二位三通常闭式电磁阀，它采用锥阀式结构， 当电磁铁通电时，阀芯向右运动，进油口打开，回油口关闭，控制油口出现 高压。当电磁阀断电时阀芯在弹簧力的作用下复位，即进油口关闭，回油口 打开，控制油口出现低压。该阀在l l o v 的电压下，以脉宽调制方式工作， 开启延迟时间和关闭延迟时间均为l m s 左右，所以它具有很高的响应速度。 并且由于该阀通径大，因而具有很大的空载流量特性，在阀的结构设计中， 阀芯设计成高低压平衡式，消除了液动力的影响，因此该阀可以在很宽的压 力范围内工作，另外阀芯采用空心结构，减小了它的运动质量，从而可以加 快其动态响应速度。从图中可以看出，该结构要求阀芯和前后阀座三者有严 格的同轴度要求，并且，初始气隙、阀芯行程调整困难，需要很高的机加工 能力和装配工艺水平，所以，该阀的工艺性能较差，无法维修，调整。 图1 1 0 为日本电装公司开发的高压共轨电控燃油喷射系统e c d 一0 2 前期 使用的二位三通常开式电磁阀，该阀也属于一种锥阀式结构，由内外阀组成。 当电磁铁通电时，外阀向上运动，直到与内阀压紧为止，此时进油口关闭回 油口打开，控制油口由高压变成低压。当电磁铁断电时外阀在弹簧力的作用 6 武汉理工大学博士学位论文 下向下与内阀做相对分离运动，直到外阀与阀体压紧。此时，回油口关闭， 进油口打开，控制口由低压变成高压。该阀由于采用了内阀和外阀方式，且 内阀为一自由体，所以该阀的工艺性能好，加工容易，制造成本低。 进油口回油口 控制口 图1 9h e u i 二位三通电磁阀图1 1 0e c d u 2 电磁阀结构图j ： 但是，由于该阀结构的局限性，当做为二位三通常闭阀使用时，因受液 动力影响较大，而无法工作，所以它只能做为二位三通常开式阀使用，限制 了它的使用范围。 高速强力电磁饿 拖割阀轩 青遁荫豌 垒制诲 图1 1 l高速强力电磁阀结构图 我国清华大学开发研制的适应其p p v i 系统的高速电磁阀直接控制高压 燃油的喷射，具有很好的响应特性i l o - n ! ：开启延时0 5 6 m s ，关闭延时 1 0 0 m s 。高速电磁阀的基本结构见图1 1 1 ，该电磁阀采用环状多极式“e ” 型电磁铁结构，由直接对高压燃油进行调节的旁通溢流控制阀和驱动此阀的 高速强力电磁铁两部分组成，当衔铁的下端面与外铜套内台面接触时，旁通 武汉理工大学博士学位论文 阀口达到最大开度，工作中，可以通过调整旁通阀体与铜套之间的垫片厚度 来改变电磁阀的升程，通过调整静铁芯与铜套之间的调整垫片的厚度来改变 电磁阀闭合时静铁芯与衔铁之间的残余间隙，是一个机、电、磁、液的耦合 组件。 同时，清华大学还对电磁铁的磁性材料、静铁芯和衔铁的结构、电磁线 圈以及功率驱动等方面作了系统的研究，得出：电磁铁所使用的软磁材料应 具有高的磁导率、高的饱和磁感应强度和低的矫顽力；静铁芯和衔铁的结构 采用“大铁芯小衔铁”的原则；电磁阀的功率驱动采用双电压驱动等一些具 有实际指导意义的结论。 1 4 本文的选题背景及意义 通过上述分析可以看出，国外在时间控制式电控燃油喷射系统及其高速 强力电磁阀的研究与开发方面已经积累了丰富的经验，同时已有较为成熟的 产品投入市场。国内同行在这些方面也纷纷展开研究，并取得了一定的成绩， 但与国外相比还存在一定的差距，与日、德、美等国家开发的电磁阀相比， 主要存在以下不足： ( 1 ) 响应速度慢。国外最快响应速度可达o 2 m s 。 ( 2 ) 寿命低。国外产品寿命可达几千万次乃至几亿次，而国内产品要 想达到一千万次还是非常困难的。 ( 3 ) 品种少。国外电磁阀品种繁多，基本能适应各种场合的需要，而 国内产品品种规格较少，在一些领域还存在着空白。 ( 4 ) 机加工工艺、热处理工艺及设备等落后致使国内产品上不了等级。 虽然国外已经基本解决了高速电磁阀的设计与制造等技术问题，但电磁 阀的响应速度和流通能力直接与所配套的系统相关，不可能从国外购买到适 合国内某系统的电磁阀，因此如要开发具有自主知识产权的电控燃油喷射 系统，则作为系统关键执行部件的高速电磁阀，是必须首先解决的问题。 在课题组前期的工作中，曾针对2 1 3 5 g 型柴油机开发了套中压共轨 液力增压电控燃油喷射系统和进排气系统，并研制了一种与此相适应的二 位三通双自由度大流量高速电磁阀。该电磁阀与国内外同类产品相比具有 如下特点【”】： 武汉理工大学博士学位论文 ( 1 ) 采用了双自由内锥阀芯结构，可降低左、右锥阀座的同轴度要求， 工艺性能好，加工工艺简单。 ( 2 ) 双自由内锥阀芯在使用过程中，有效利用了系统液压力，在无须 电磁力驱动的情况下，两自由内锥阀芯便已处于工作位置，工作时只有外 阀套做往复运动，这样就减小了运动件的质量和数量，有利于提高电磁阀 的性能。 ( 3 ) 双自由内锥阀的阀芯结构可以方便地调整外阀的行程和电磁铁的 工作气隙，二者独立调节，调节精度高，容易保证电磁阀的工作一致性。 ( 4 ) 由于阀的结构和尺寸的合理性，外阀承受的液动力很小，在结构 不作改变的情况下，既可以作常闭式，又可以作常开阀用，拓宽了其使用 范围。 ( 5 ) 电磁铁采用环状多极式结构，电磁力大，响应速度快，与阀芯、 阀体互相配合，使电磁阀既具有高速动态响应性能，又具有大流量特性。 试验证明，这种电磁阀能较好的满足前期所配1 3 5 喷油系统的要求。但 当电磁阀的应用对象改变后，如针对2 0 0 型单缸柴油机电控喷油系统，前期 的电磁阀可能满足不了要求，如何对新系统所需的电磁阀进行设计是本文研 究工作的重点。 1 5 本文的主要研究工作 针对双自由度内锥阀芯二位三通电磁阀，本文的主要研究工作为： ( 1 ) 优化设计高速电磁阀专用性能试验装置，实现对电磁阀电磁铁的 静态电磁力、阀芯运动规律、线圈电流和阀芯运动合力的测量； ( 2 ) 开发电磁阀、电控燃油喷射系统以及进、排气综合测控系统，优 化设计电磁阀高低压驱动电路； ( 3 ) 采用a n s y s 软件对环状多极式电磁铁电磁场进行三维有限元分 析，研究电磁铁电磁之间的转换机理，在此基础上系统的提出了针对各种 使用对象的需要进行大流量高速电磁阀的设计步骤和方法，并对中压共轨 2 0 0 型单缸柴油机电控燃油喷射系统和1 3 5 型柴油机可变气门系统所采用的 电磁阀进行设计； ( 4 ) 采用h y d s i m 软件对开发的电控燃油喷射系统进行仿真研究，分 9 武汉理工大学博士学位论文 析各参数对喷油系统性能的影响，以提高喷油压力为目标提出中压共轨系统 实现燃油喷射高压化的途径： ( 5 ) 进行该电磁阀在中压共轨电控燃油喷射系统中的应用性能试验， 研究电磁阀对喷油系统的控制能力和调节效果并探索利用该电磁阀实现燃 油预喷射以及高压喷射的可能性； ( 6 ) 进行所开发的电磁阀在柴油机电控进排气系统中的应用性能试验， 研究电磁阀对气门特性的控制能力和控制效果。 具体研究内容见如下各章节。 1 6 本章小结 分析了国内外高速电磁阀电磁铁及阀芯阀体的研究现状并对几种典型 的电磁阀结构进行了分析。指出了自行开发的二位三通双自由度内锥阀芯大 流量高速电磁阀的特点。在此基础上，提出了本文的主要研究内容。 0 武汉理工大学博士学位论文 第2 章电磁铁性能试验装置的开发及其试验研究 中压共轨系统对电磁阀的性能要求是高响应、大流量。以电控喷油系统 为例，要实现多种喷油模式，如预喷射、后喷射等，电磁阀需有很高的开关 速度( 通常为零点几毫秒) 。同时中压共轨系统中的喷油压力需要通过增压 获得，增压比和流量增加比同步，因此只有在电磁阀流通能力足够的情况下， 喷油压力才能最大限度的提高。为满足响应速度和流通能力的综合要求，电 磁阀的电磁铁需要有很强的驱动能力，如何进行电磁铁的设计是大流量高速 电磁阀开发的难点。 本文介绍的电磁铁性能试验装置是针对前期开发“双自由度内锥阀芯二 位三通式电磁阀”【13 j ( 中国发明专利，专利号：z l0 011 5 9 1 6 x ) 电磁铁 而设计的。该电磁铁采用环状多极式结构，具有磁路集中，电磁力大的特点。 电磁阀的快速响应特性决定于电磁铁，而高速电磁铁的设计研发是一个极其 复杂的过程，主要集中在电磁场这一环节上。电磁铁的设计包括电磁铁的磁 路布局设计、电磁铁的空间尺寸设计、电磁铁的磁性材料选择、励磁线圈和 电磁铁的励磁方式设计几个子环节。在进行新一轮电磁阀的设计之前，首先 需了解电磁铁工作机理，因此有必要设计一套测试装置对电磁铁的性能进行 测试。本章的主要内容首先介绍了开发的电磁铁性能试验装置的结构和测试 原理，然后利用该测试装置进行了相关参数的测试试验，并对测试装置的测 量精度进行了定性分析。 2 1 电磁铁性能试验装置的设计及测试原理 2 1 1 测试装置的结构设计 电磁铁的性能参数主要是指：电磁铁的励磁电流、电磁铁衔铁的动态特 性、电磁铁的静态电磁吸力以及衔铁的运动合力。电磁铁性能试验装嚣的设 计应满足这四个参数的测量。设计的电磁铁性能试验装置如图2 1 所示。 武汉理工大学博士学位论文 图2 1电磁铁性能试验装置原理图 l 螺母；2 弹簧垫块；3 电磁铁：4 线圈；5 间隙凋节垫块；6 弹簧；7 衔铁；8 上锥阀 芯：9 间隙调节螺母：1 0 弹簧垫圈：1 1 螺母；1 2 紧固螺钉：1 3 位移传感器：1 4 紧固 螺钉：1 5 螺钉：1 6 活塞压紧块：1 7 传力活塞；18 承力钢球：1 9 力传感器：2 0 底座； 2 1 弹簧垫圈；2 2 平垫圈；2 3 电流传感器：2 4 电磁铁上盖：2 5 电磁铁下盖；2 6 外阀 芯：2 7 间隙调节螺母安装块；2 8 传力杆；2 9 位移传感器安装块：3 0 紧固螺钉；3 1 支撑杆：3 2 锁紧螺母：3 3 弹簧座；3 4 一单簧：3 5 活塞套筒：3 6 螺钥：3 7 螺钉 测试装置各部分的连接关系如下 1 2 武汉理工大学博士学位论文 底座( 2 0 ) 与活塞套筒( 3 5 ) 、支撑杆( 3 1 ) 之间采用螺钉连接；传力 活塞( 1 7 ) 和活塞套筒( 3 5 ) 之间研配，使传力活塞能在活塞套筒中自由转 动与滑动；承力钢球( 1 8 ) 和传力活塞( 1 7 ) 、力传感器( 1 9 ) 之间直接接 触，起传力作用；力传感器( 1 9 ) 和底座( 2 0 ) 之间为平面接触；通过活塞 压紧块( 1 6 ) 、紧固螺钉( 3 0 ) 、弹簧座( 3 3 ) 、弹簧( 3 4 ) 将传力活塞压紧 在承力钢球上，压紧后用锁紧螺母( 3 2 ) 锁紧，防止传力活塞与力传感器脱 离：传力杆( 2 8 ) 与传力活塞( 1 7 ) 之间采用螺纹连接，起传力作用：位移 传感器( 1 3 ) 与位移传感器安装块( 2 9 ) 之间通过螺纹连接，旋合后，再整 体通过紧固螺钉( 1 4 ) 固定在传力杆( 2 8 ) 上；电磁铁( 3 ) 与电磁铁上盖 ( 2 4 ) 之间为间隙配合，电磁铁与上盖装配后，通过螺母( 1 ) 、弹簧垫圈( 2 1 ) 、 平垫圈( 2 2 ) 与电磁铁上盖紧固；电磁铁下盖( 2 5 ) 与传力杆( 2 8 ) 之间通 过同型号的螺母( 1 1 ) 紧固；外阀芯( 2 6 ) 与电磁铁下盖( 2 5 ) 之间为间隙 配合；上锥阀芯( 8 ) 与外阀芯( 2 6 ) 之间研配；间隙调节垫块( 5 ) 与上锥 阀芯( 8 ) 之间为间隙配合；弹簧垫块( 2 ) 与电磁铁( 3 ) 之间为过渡配合， 且与间隙调节垫块平面接触；弹簧( 6 ) 分别与弹簧垫块( 2 ) 和衔铁( 7 ) 直接接触：间隙调节螺母安装块( 2 7 ) 通过螺母( 1 1 ) 安装在支撑杆( 3 1 ) 上；间隙调节螺母( 9 ) 通过精密螺纹与间隙调节螺母安装块( 2 7 ) 连接， 且与外阀芯( 2 6 ) 平面接触：紧固螺钉( 1 2 ) 与间隙调节螺母安装块( 2 7 ) 之间平面接触，将间隙锁定；弹簧垫圈( 1 0 ) 、螺母( 1 1 ) 通过螺纹连接将 外阀芯( 2 6 ) 紧固在间隙调节螺母( 9 ) 上，限制衔铁和外阀芯的运动；电 磁铁上盖( 2 4 ) 和电磁铁下盖( 2 5 ) 之间采用螺钉连接；衔铁( 7 ) 和外阀 芯( 2 6 ) 之间采用激光焊接，二者具有相同的动态特性。 2 1 2 测试装置的测量原理 测试台架的测试原理为： 励磁电流的测试原理 将电磁铁线圈导线一端穿过电流传感器，即可实现电流信号的测量。 外阀芯位移测试原理 将弹簧垫圈( 1 0 ) 和螺母( 1 1 ) 卸下，当电磁铁通电后，衔铁( 7 ) 在 电磁力的作用下克服弹簧预紧力与外阀芯( 2 6 ) 一起向上运动，通过非接触 位移传感器( 1 3 ) 测出位移信号。调节间隙调节螺母( 9 ) 改变电磁铁的初 武汉理工大学博士学位论文 始工作气隙：调节位移传感器安装块( 2 9 ) 的高度来调整传感器和被测面之 间的安装间隙，调节完毕后用分别用紧固螺( 1 2 ) 和紧固螺钉( 1 4 ) 紧固， 可实现衔铁行程的灵活调节。 静态电磁力测试原理 - 电磁铁通电后产生的电磁力，作用于衔铁( 7 ) 上，根据牛顿第三定律， 电磁铁( 3 ) 将受到大小相等方向相反的作用力，并通过电磁铁上盖( 2 4 ) 、 电磁铁下盖( 2 5 ) 、传力杆( 2 8 ) 传力活塞( 1 7 ) 、承力钢球( 1 8 ) 传递到力 传感器上，此信号经放大器输出到信号采集系统。弹簧垫圈( 1 0 ) 、螺母( 1 1 ) 将外阀芯( 2 6 ) 和间隙调节螺母( 9 ) 紧固，使其一起运动。通过调节间隙 调节螺母改变衔铁和电磁铁之间的气隙长度，气隙调节完毕后，用紧固螺钉 ( 1 2 ) 将间隙调节螺母锁紧，防止其松动导致气隙发生改变。紧固螺钉( 3 0 ) 为给力传感器加预载荷，防止在间隙调节螺母调节过程中传力活塞与承力钢 球发生脱离，可测得不同间隙下的电磁力。 衔铁运动合力的测量原理 当衔铁处于运动状态时，力传感器上即可感知衔铁运动的合力，同时还 可以测量衔铁运动止位和落座时的冲击力。 2 1 3 测试装置的传感器选型 针对需测量的参数，相应选择合适的测试传感器。 1 ) 静态电磁力测试传感器：测试装置在测量电磁力时是在一定的工作 气隙下进行的，研究在不同工作气隙下电磁力随电流的变化关系，在参考国 内外测量力所选用的传感器后，确定选用5 1 1 0 型压电式力传感器。该种传 感器具有强度高、刚度大、动态响应快等优点，可以用于测量动态力、准静 态力和冲击力，适合本测试系统对静态电磁力变化规律的测量。 压电式力传感器的主要技术指标如下： 测量范围：一4 0 0 5 0 0 0 n 非线性：1 f s 电荷灵敏度：4 p c n 刚度：5x 1 0 8 n m 谐振频率：4 0 k h z 绝缘电阻： 1 0 ”q 1 4 武汉理工大学博士学位论文 选择传感器配套的5 1 1 0 型电荷放大器，将电荷信号转换为电压信号输 出。 2 ) 电流传感器：在现有测量电流的元件中，如分流器或电流互感器等 已经不能够准确对具有中、高频率、高电流变化率、宽频谱的电流波形进行 测量。霍尔传感器弥补了这一缺陷，成为具有以上特点的电流波形的检测元 件。本测试系统中电磁阀驱动电流的变化率很大，且该电流为非正弦、非直 流信号。选用k t 5 0 a p 型磁平衡式霍尔电流传感器，对电磁铁的励磁电流进 行测量。该传感器的主要技术参数如下： 额定电流：5 0 a ； 测量范围：0 7 5 a ； 线性度：0 1 ； 输出：o 1 0 0 m a ： 电源电压：1 5 v ； 绝缘性能：3 k v ； 精度：1 。 用一个1 0 0 q 的采样电阻将电流信号转换为电压信号输出。 3 ) 位移传感器：电磁阀在工作过程中，衔铁和外阀芯处在一种往复运 动状态，对这种变化的位移进行测量，需采用非接触式传感器。本测试系统 采用非接触电涡流位移传感器o h 8 5 0 0 实现对衔铁动态特性的测量。 传感器的主要技术指标如下： 探头直径：中= 8 m m ： 量程：2 m m ； 灵敏度：8 m y um ； 线性度：1 ； 温度灵敏度：o 0 5 ( ) ； 稳定度：1 年； 频率响应：o 5 k h z ： 温度范围：( 探头) ：一1 8 1 7 0 ； 2 2 测试装置的初步试验及结果分析 电磁阀采用高低压驱动，以p w m 为控制方式，衔铁和外阀芯的动作由给 武汉理工大学博士学位论文 定的一定频率和占空比的脉冲信号来控制。试验中采用美国t e k t r o n i x 四线 数字示波器来采集控制脉冲信号、静态电磁力信号、励磁电流信号、外阀芯 位移信号和外阀芯运动合力信号。 为了验证测试装置设计的正确性，首先对电磁铁进行了特性参数测试试 验。 控盥j 腻冲 | l l l 随芯ii 砬合血 r 砰 f - r ! 1 5 b 磁电流j 厂一r 阀芯位移 图2 2电磁铁的性能参数测试1 控狲麟挣 1 一 k 电磁力 图2 3电磁铁的性能参数测试2 图2 2 为在试验装置上测得的电磁铁控制脉冲、外阀芯运动合力( 含冲 击力) 、励磁电流和外阀芯位移信号。外阀芯运动合力反应了外阀芯运动的 1 6 武汉理工大学博士学位论文 加速度。可见，随着励磁电流的增大，外阀芯运动的加速度增大，当阀芯运 动到最大位移时与阀座发生碰撞，运动合力曲线上发生高频振动并衰减；此 后外阀芯将维持在最大位移位置，运动的加速度为零；当控制信号切断时， 励磁电流很快衰减到零，外阀芯在弹簧的作用下迅速复位，复位过程中的加 速度与开启过程方向相反，直至阀芯与另一端阀座发生碰撞而复位。可见， 图2 2 很好的反应了这一动态变化过程，试验结果符合理论分析。 本文的研究中除了对以上常规性能参数的测试外，还实现了在试验装置 上对电磁铁的静态电磁力进行测量，即在一定的工作气隙下，测量电磁力随 励磁电流的变化规律。 图23 为电磁铁阀芯固定不动工作气隙为2 m m ，驱动电压分别为 1 i o v 1 2 v 的条件下，测得的电磁力随励磁电流的变化曲线。结果表明，电 磁力随电流的增大而增大，随电流的减小而减小，但电磁力的变化要落后于 电流的变化，这是由于磁性材料的非线性特性所致。试验结论与电磁阀吸力 特性的理论分析相吻合，验证了电磁阀试验装置设计的合理性。 对比图2 2 和图2 3 中的阀芯运动合力曲线和电磁力曲线，阀芯运动合 力曲线在外阀芯开启和关闭时存在强烈的振动和衰减过程，这是由于碰撞 时，阀芯阀座的质量、弹性环节和阻尼环节所致。电磁力曲线未出现振动现 象，是由于电磁力是在阀芯没有运动的情况下测得的。图2 2 和2 3 的试验 结果表明，电磁铁性能试验装置实现了对电磁铁性能参数的测试，可用于对 电磁铁性能进行研究。 2 3 电磁铁性能试验研究 利用开发的电磁铁性能试验装置对电磁阀干阀进行试验，研究电磁阀电 能一磁能一机械能之间的转换机理。 2 3 1 驱动电压对电磁铁开启响应速度的影晌 电磁铁是在高压驱动低压维持的交变电压下工作的，高电压会影响到电 磁铁衔铁的开启运动过程。在相同的维持电压下，针对3 6 v 、6 0 v 、7 2 v 和 1 1 0 v 不同的高压驱动电压，对同一个电磁