电控喷油器喷油特性研究(1)

1、电控喷油器喷油特性研究摘要：本文通过自行编程的方式对电控喷油器进行了建模仿真，通过Matlab/Simulink完成对其电磁液力耦合建模，并通过计算得出合理的电磁阀运动规律、控制阀芯运动规律以及喷油规律；然后又讨论了电磁阀主要参数以及喷油压力对喷油器喷油特性的影响。1 前言：汽油机通过量调节的方式完成对其功率的调节，即通过改变节气门的开度来改变进入气缸的混合气量。发动机燃料供给系统的主要任务就是按照运行工况的需要，控制喷射的燃油量，使其与吸入气缸的空气量相适应，以形成恰当空燃比的可燃混合气1。喷油器作为发动机燃油供给系统中的重要元件，在发动机的工作过程中，其喷射的燃油对混合气体的形成以及燃烧过

2、程产生重要的影响。喷射系统的优劣直接影响到发动机的动力性、经济性、排放性等，因此对电控喷油器的仿真计算具有很重要的意义。2 喷油器工作原理：本喷油器的工作原理如下：高压燃油通过外套上的进油孔进入，然后通过阀体、阀芯、垫片2的油孔，充满控制阀座下的整个容腔；当喷油器处于关闭状态，没有电流输入到电磁阀线圈中，控制阀芯在控制阀弹簧的作用下被压在控制阀孔上，回油道被关闭。阀芯上下表面所受油压相等，其在弹簧预紧力的作用下紧贴阀座。当ECU给予信号线圈通电后，线圈中的电流逐渐升高，作用在衔铁上的电磁力不断增大，最终控制阀衔铁在电磁力的作用下带动控制阀芯克服控制阀弹簧弹力抬起并保持一段时间，由于控制阀座上的

3、孔径大于阀芯上的小孔和垫片2上的小孔，整个控制腔内的压力补充比较缓慢，控制腔内的油压迅速降低，这样在阀芯的上下端就产生了一个压差，阀芯克服弹簧弹力离开阀座，燃油在阀芯与阀座之间的环形间隙喷出。通过控制阀孔进入上方的燃油通过各部件之间的间隙排出，完成回油。3 电磁喷油器的工作特性讨论喷油器的工作特性，主要是讨论其响应特性，由于喷油器响应受到针阀惯性、电磁线圈的滞后性以及液力传递滞后性的影响，直接导致喷油行为相对于电流或者电压的变化有一定的滞后效应。当喷油脉冲加载在喷油器电磁线圈后，针阀升至最大升程时刻相对驱动脉冲滞后的时间为；脉冲完全消失后，针阀完全落座关闭相对驱动脉冲滞后。阀门开启的滞后时间较

4、阀门关闭的滞后时间长，故与的差值称为无效的喷射时间2。本文要验证的是给定其不同的电压和电流信号后验证针阀的运动规律以及相应特性。文章要研究出一种适合加载在该电磁线圈的脉冲信号，使其满足以下要求。1）、精准性要求根据ECU传输的信号，能够精准的控制喷射时间，从而控制喷油量和喷油率。2）、响应性要求由于发动机工况时刻在变化，从各个传感器收集信号到ECU处理信号发出指令再到针阀开启进行喷油，不可避免的会有一定的延迟作用，因此要尽量的降低延迟的时间，即提高响应性，并尽量缩短无效喷射时间。这就要求电磁铁从脉冲一加载就应该具有最大的电磁力吸引衔铁运动。3）、运动合理性线圈通电后，衔铁克服控制阀弹簧弹力抬起

5、，随着气隙的减小，磁阻大大减小，因此此时只需保持一个较小的电流就能保持足够的电磁力。为了尽量减小衔铁关闭以及针阀关闭时的落座力，延长使用寿命，在衔铁触及电磁铁铁前应该有一个减速过程，减小其速度进而减小撞击力，这就要求电磁力不能够太大，以便使控制阀的弹力可以足够抵消一部分；同理，在回程时靠弹簧弹力闭合，因此在这个过程中也保持一个小的电流信号，以减少控制针阀对阀座的力的作用。4、电磁铁计算过程4.1 控制阀芯运动模型设控制阀衔铁、控制阀垫片和控制阀芯总质量为，弹簧刚度为，电磁力为，位移为，则可根据牛顿第二定律可建立平衡方程：其中P为相对压强，为小孔面积；为衔铁上方油压，为衔铁上表面积。4.2 电路

6、方程电磁阀的运动规律取决于电磁阀的驱动电路和驱动形式，电路和输入能量的大小及其变化率，会影响到电磁阀的动态性能。根据电路的等效简化原则，可以将电磁阀的电路写成：；即可表示为：其中，表示电磁阀驱动电压，表示为线圈电感，为电路中电流，为电路中的等效电阻，为系统磁链。在电磁阀运动的过程中，为了在通电开始阶段就能使衔铁获得最大的电磁力，使其响应性达到最佳，应该加载一个比较大的电压；而随着衔铁的运动，气隙逐渐减小，导致磁阻减小，使电磁阀保持高加速度需要的电压也会减小，因此此时只需加载一个较小的电压。即：4.3 磁路方程：计算磁路模型，主要是为了建立求解电磁力的计算方程，如下图所示表示的是衔铁与电磁线圈的

7、相对位置，未通电时，衔铁与线圈之间的气隙为。磁动势计算：E=IN，其中匝数N；绕线长度=N；根据I=求出I；故磁动势N；磁动势在磁路中往往有不同的磁降，但每一圈的磁降和应等于磁动势，即：其中：磁场强度（A/m）；L-该段磁介质的长度（m）一般情况下。电磁阀除气隙处外，其余部分均采用导磁性能良好的材料，绝大部分磁动势降是在气隙处，即：IN=其中：H0-气隙处磁场强度（A/m）；气隙长度（mm）即行程而H0=其中：B0-气隙中磁感应强度（特斯拉）；导磁率，4所以：IN又因为：NB0=电磁力的计算：F=其中：0-气隙中的磁感应强度（T）；-导磁率，4又因为：B0=所以：F=其中：-导磁率，4；S0-

8、气隙面积（）；d-漆包线直径（mm）；U-电压（V）；气隙长度（mm）即行程电磁力方向朝着气隙减小的方向。4.5 喷油器各腔室在喷油器控制阀腔、油槽、针阀腔以及压力室内，其控制孔开关规律决定了各个腔室内的压力变化。根据流量的连续性准则，得到控制阀腔内的流量方程：其中，表示的是油从泄油孔流出的流量，表示的是油从阀芯内部流入腔室内部的流量，表示流量系数，表示进油孔面积，表示泄油孔面积。4.6 针阀运动模型针阀的开启时刻与开启时间由其运动规律决定，因此对其的受力和运动状况进行分析十分必要。针阀的受力比较复杂，受到针阀上部弹簧的压力和油压，针阀腔内的压力，油槽压力，针阀座处液压力，压力室压力。由牛顿第

9、二定律，喷油器针阀的运动方程为：其中，为针阀和垫片2的总质量，为回位弹簧的刚度，为阻尼系数。各作用力表示式：，喷油器是燃油供给系统中最关键的工作部件，在其工作的过程中电、磁、机、液系统高度相关，因此在计算过程中需要将各个系统进行耦合计算，本文应用SIMULINK对该喷油器进行系统计算。该发动机的燃油喷射压力一般为0.3-0.5MPa，本文初次选取其喷射压力为0.5MPa， 针对此喷油器的电磁线圈，文章采用的线圈线径为0.15mm，带上绝缘皮的线圈直径为0.17mm，该规格铜线电阻为993/KM，预计算中初步设定绕线圈数为30圈，该铜线尺寸对于喷油器的尺寸结构来说，比较合适，也便于试验过程中对于

10、线圈圈数的增减也是切实可行的3。图5.2.1 喷油器整体模型6计算结果分析电磁阀响应性及运动规律分析以下是取的线圈匝数为N=30圈，电阻为0.6951的衔铁响应，可以得出在30圈的线圈的响应曲线，本计算结果是在燃油供给压力为5bar恒压、驱动电压为12伏特，保持电压为4伏特时控制阀芯的运动规律，在下图所示可以看出，控制阀芯的开启时间为0.54ms，彻底关闭的时间为0.26ms，其开启与关闭时间均满足燃油供给系统对于喷油器相应迅速的要求。控制阀芯的运动规律直接影响到泄油孔的开启节流面积，从而影响到弹簧腔内的压力变化，从而影响到阀芯的运动规律，因此，控制阀芯的响应速度对整个喷油器的性能影响很大。图

11、5.3.1电磁阀时间响应特性阀芯的运动规律接下来再分析该针阀的运动规律，在控制针阀打开时由于弹簧腔内燃油压力的减小，作用在针阀垫片的压力将减小，结果导致针阀上下产生负的压力差，阀芯克服弹簧压力被顶起，燃油便通过阀芯与阀座之间的环形孔隙进入到压力室中，进而通过喷油孔喷射出去。控制阀孔关闭时，弹簧腔内的压力迅速恢复，在弹簧压力和液体压力的共同作用下针阀向下运动，最终被压在阀座上。图5.3.2针阀运动规律由上图可知，针阀的开启与关闭时间特性基本符合理论的分析，在前2ms针阀始终处于上升行程，并且在电磁阀完全开启后针阀开启速度变大，大约在1.5ms时针阀的位移达到最大；在电磁阀关闭的同时，弹簧腔内压力

12、逐渐增大，针阀开始向下运动，在3.5ms时针阀被压在阀座上，根据电磁阀的运动规律可知，其较电磁阀的彻底关闭延迟了0.5ms。喷油规律计算将进气道内的压力设为0.8bar，即喷油器喷孔的工作背压为80000Pa，喷孔的流量系数为0.8，将参数代入，可以得到喷油器的喷油量率如图所示。图5.3.3 喷油器的喷油率7喷油器关键参数对性能的影响喷油器作为一个系统产品，其参数不仅仅受到结构参数的影响，同时也与电磁阀的驱动特性有关，在本节通过对不同参数调节研究其对喷油器整体性能的影响。1）、电磁阀参数对喷油器性能影响分析在电磁阀对参数性能影响分析过程中，主要研究的是线圈匝数对该喷油器控制阀芯的响应特性影响。

13、线圈匝数是影响电磁阀最重要的参数之一。按照基本的原理，线圈的匝数越小，线圈电感小，电流上升速度快，响应速度也快，反之亦然，但是需要注意的是，线圈的匝数需要控制在一定的范围内，不能过小，太小的结果是不能产生足够大的电磁力，太大的结果是电磁阀开启关闭反应迟缓，造成对喷油器整体性能的恶化。表7.1线圈匝数与电磁阀响应特性的关系线圈匝数线圈电阻开启时间关闭时间300.69510.54ms0.26ms601.39020.69ms0.37ms902.08530.83ms0.54ms根据上表可以得出，电磁阀开启时间要大于关闭时间，并且线圈匝数对于电磁阀的开闭均有一定程度上的影响，总的来说，线圈匝数越大，开启

14、关闭所用的时间越长，即对响应性产生负的效果。这也印证了理论分析的正确性。电磁阀开启关闭的时间直接影响到针阀的运动规律，因此研究线圈匝数对针阀运动的规律也很有必要，这样可以得出系统整体的时间相应特性。在电磁阀开启后，由于弹簧腔的泄压作用，针阀将产生上下的压力差，将针阀顶起；在阀门关闭后，弹簧腔以及各腔内压力迅速恢复，在液力的作用下针阀重新被压在阀座上。根据理论分析，线圈匝数越大，电磁阀开启关闭时间变长，弹簧腔内的压力变化稍缓，针阀的运动速度也将受到一定的影响。表2表示的是针阀的开启关闭时间响应，其中开启时间表示的是从针阀开始运动到到达最大行程所需要的时间，关闭时间表示的是在电磁阀开始关闭到针阀完

15、全被压在阀座上所需要的时间。表7.2 线圈匝数与针阀响应特性的关系线圈匝数开启时间关闭时间302.02ms0.74ms602.19ms0.92ms902.33ms1.08ms根据上表可以得出，针阀开启与关闭的时间相较于电磁阀的开关普遍有一定的延迟，其中，开启时间的延迟较大，而关闭时间的延迟较小。这是由于开启时电磁阀响应比较缓慢，在其开启的过程中各腔体内的压力变化比较缓慢，弹簧在液力的作用下产生了克服弹簧压力升起，而在电磁阀关闭时，电磁阀的反应比较迅速，弹簧腔内压力恢复比较迅速，针阀在弹簧压力和液压的双重压力下回位，因此反应比较迅速4。2）、喷油压力对喷油器性能影响的分析喷油器的喷油压力也是对喷

16、油器喷油量产生重大影响的因素，喷油压力大，作用在各个部件上的压力大，响应时间变得迅速，从而对喷油率也产生一定的影响。图7.1各压力下喷油率的对比分别选取燃油供给压力为5bar、4bar和3bar进行对比计算，可以得出压力越高，由于喷油压差和阀芯升程的增加，产生效果是喷油率越高，同理，单次喷油量也越大。8 结论本文通过Matlab/Simlink工具完成了电控喷油器的电磁液力系统耦合仿真，得到了电磁阀运动规律，针阀运动规律以及喷油器喷油规律等一系列喷油器特性，结果表明该电磁阀响应迅速，喷油规律合理可靠。另外，文章也分析了电磁阀线圈匝数对系统响应性的影响，得到系统响应性与线圈匝数之间一系列规律；文章还分析了喷油压力对喷油特性的影响，结果表明，压力越高，由于喷油压差和阀芯升程的增加，喷油率越高，单次喷油量也越大。参考文献：1 周龙保. 内燃机学M. 北京:机械工