柴油机共轨系统电磁阀电磁力的有限元分析

柴油机共轨系统电磁阀电磁力的有限元分析

0压力稳定性控制为了控制高压共轨系统中高压共轨腔压在目标压力下稳定，并具有一定的精度（压力波动3%5%），应确保高压源的供油量和喷油器所消耗的油量具有一定的适应性和随动性。通常实现上述目标有两种途径:溢流阀背压调节,即高压源供油量不变,使喷油器耗油量和轨腔溢油量的总和与供油量相配,从而保证轨腔的压力稳定;控制高压源的供油量,使高压泵的供油量与喷油器的耗油量总是处在动态的平衡下,从而保证轨腔压力的稳定。本文采用第二种方案,介绍了一种用于柱塞式高压泵流量调节控制的装置,针对流量控制装置的核心元件电磁阀进行有限元仿真,分析了电磁阀在不同的线圈窗口尺寸及位置、衔铁厚度及磁性材料下电磁力的大小,实现了电磁阀的优化设计。1电控高压泵流量控制装置本文的电控高压泵为直列式柱塞泵,沿泵体轴向布置了6只柱塞偶件。各套偶件不再采用柱塞斜槽式调节油量,而是在每套偶件上安装流量控制装置。电控高压泵流量控制装置基本结构如图1所示。由2个单向阀和1个电磁阀组成控制阀组件,完成对高压泵进油量的控制。具体的电控高压泵工作过程原理如下。1.1柱塞腔增大时燃油压力小柱塞下行,电磁阀通电打开,柱塞工作腔增大,使燃油压力减小,当小于输油泵输出的燃油压力时,单向阀A打开,燃油经过电磁阀、单向阀A进入柱塞腔。1.2柱塞腔内压压过随着油泵凸轮转动(转过基圆),使得柱塞上行,柱塞工作腔容积变小,燃油被压缩,压力升高,单向阀A关闭,低压油路关闭,柱塞腔形成密闭空间,当燃油的压力超过单向阀B弹簧力和背压之和时,单向阀B打开,燃油从柱塞腔进入共轨管。当柱塞升程到达上止点后,完成一次供油循环。1.3流量控制装置工作原理输油泵输出的燃油经过电磁阀进入柱塞腔,其流入的燃油流量大小由电磁阀的通电时间所决定,而电磁阀启闭由ECU脉冲信号控制,所以,可以通过控制脉冲信号占空比来控制流入柱塞腔内的燃油流量,达到控制共轨压力的目的。图2为流量控制装置工作示意图,其实质是高压泵有效吸油行程控制。工作方式的主要特点:(1)单次吸油行程的进油量可调,直接由电磁阀的启闭时刻控制;(2)电磁阀由单向阀A的作用,实现了高压泵的隔断,因此,其开、闭所需电磁力大小减小,降低了电磁阀设计难度,也减小了电磁阀落座冲力,改善工作环境;(3)对电磁阀的密封性要求降低;(4)通过控制低压燃油油量调节共轨压力,没有高压燃油的损耗,节省能量。2电磁阀的快速响应特性。对于高压泵喷油电磁阀是流量控制装置的核心元件。为了减小轨腔压力波动,应尽量使喷油器喷油脉宽与流量控制装置中电磁阀供油脉宽一致,以确保电控喷油器喷油的同时,高压泵能够供油,因此电磁阀应具备快速响应特性。电磁阀的快速响应特性也是实现最小油量供油和轨腔压力精确可调的前提和基础。柴油机起动或变工况时,电磁阀应满足高压泵最大供油的要求,因此电磁阀应具备大流量的要求。此外,电磁阀还应结构紧凑、具备工作稳定性和各缸流量一致性、良好的散热特性和密封性。2.1电磁阀的流量参数本文的高压泵为不带斜槽的直列柱塞泵,其每循环需要的最大工作油量计算式为:Vp=πD24×HVp=πD24×Η(1)式中,D为柱塞直径,本文取值为7mm;H为柱塞几何行程,本文取值为8mm。高压泵的最大供油量为307mm3/st.。此外,考虑到电磁阀、单向阀节流,柱塞偶件泄漏等因素,则:Vs=VpmaxηkVs=Vpmaxηk式中,ηk取值为0.80。高压泵转速为1000r/min时,单缸每循环电磁阀所需的工作油量Vs=383.75mm3/st.=0.056L/s。电磁阀锥阀阀口处的流量计算式为:Q=CdA2Δpρ−−−√Q=CdA2Δpρ(2)式中,Q为流经阀口的流量;Cd为阀口处的流量系数,取经验值为0.7;A为电磁阀的几何流通面积;Δp为阀口前后的压差;ρ为柴油密度。电磁阀阀口处的流通面积计算式为:A=πlsinθ(12d+lsinθcosθ)A=πlsinθ(12d+lsinθcosθ)(3)式中,d为阀芯的中径;l为阀芯行程;θ为锥阀锥角,取值为45°。不同d和l之间的配对值如表1所示。为了同时兼顾小的运动质量和阀芯行程,阀芯中径d取值为4mm,阀芯行程l取值为0.5mm。2.2电磁阀结构对响应特性的影响电磁阀结构为轴对称,其二维形式完全能够反映三维情况。为了减少计算量、提高计算精度,对电磁阀磁场的分析采用2D轴对称模型进行分析。Maxwell是Ansoft公司推出的大型电磁场有限元分析软件。在Maxwell2D求解器下,建立2D模型,给线圈指定copper材料属性,给衔铁指定stee1-1010材料属性,给背景指定气球边界条件,给流过绕组窗口施加3600A的源电流。图3为电磁阀二维有限元网格模型,其中最外包层为空气。电磁铁的电磁场受Maxwell方程式制约:∇·H=J∇·B=0B=rotA(4)式中,H为磁场强度;J为电流密度;B为磁感应强度;A为引入的矢量磁矢。二维情况下,通常假定J只有分量Jz,因此A只有z分量,由式(5)解得:∇⋅1η∇⋅Az=Jz∇⋅1η∇⋅Az=Jz(5)电磁力产生于线圈与衔铁的空气层中,其大小由空气中的磁感应强度B决定。圆柱坐标下磁感应强度B的各分量计算公式分别为:Br=1r∂Az∂θ-∂Aθ∂zBz=1r∂∂r(rAθ)-∂Ar∂θBθ=∂Ar∂z-∂Az∂r(6)二维情况下,圆柱坐标下面积元受力如图4所示。面积元受力F可分为z分量Fz和r分量Fr。圆柱坐标下的面积元受力计算式为:Fr=πμ0sinα∫r2r1[(B2r-B2z)cosα+2BrBzsinα]drFz=πμ0sinα∫r2r1[2BrBzcosα+(B2z-B2r)sinα]dr(7)积分后:Fr=π[(B2r-B2z)(r2-r1)(z1-z2)+2BrBz(r22-r21)]2μ0Fz=π[(B2z-B2r)(r22-r21)+2BrBz(r2-r1)(z1-z2)]2μ0(8)线圈窗口尺寸及其位置的变化对电磁阀的响应特性有一定的影响,由于电磁阀本身安装位置的要求,假设其外形尺寸保持不变,分析电磁阀铁芯结构对响应特性的影响。设置尺寸约束:电磁阀外径为19mm;内孔直径为5mm;磁阀铁芯高度为15mm;衔铁与铁芯间隙为0.5mm;绕组窗口的截面积一定,为22mm2;绕组截面的宽度范围为2～5mm,每隔0.3mm取一个样本;线圈绕组的内径范围为7～13mm,每隔0.6mm取一个样本。不同的线圈绕组截面宽度和内径的电磁力仿真结果如图5所示。仿真结果表明:绕组内径过小,会导致磁路磁阻大,使磁场强度减弱;绕组内径增大,磁场强度增加,磁力作用面积会减小;在绕组截面面积一定的情况下,存在一个最优的线圈截面形状,能使同样大小的电流产生的磁场强度最大。图6为相同绕组截面宽度、不同绕组内径下的磁场磁力线分布。图7为相同绕组内径、不同绕组截面宽度的情况下磁场磁力线分布。综合比较后,取值电磁阀绕组内径为10.6mm,线圈窗口面积为2.6mm2,此时,电磁力为97.2N,能够满足打开电磁阀所需的电磁力。2.3不同突出厚度时电磁力的变化理论上,衔铁厚度越小,则衔铁部分磁阻越大,磁势也越大,导致了空气气隙部分的磁势减小,电磁力越小;衔铁厚度越大则相反。图8为不同衔铁厚度时电磁力的计算结果。衔铁厚度增加后,阀芯的运动质量会增加,导致阀芯的响应变慢,且衔铁厚度增加到一定值后,电磁力增加不明显。因此,衔铁厚度应折中选取,兼顾大的电磁力和小的阀芯运动质量,保证电磁铁的快速响应特性。2.4材料电磁力的比较图9为在相同结构条件下两种不同电磁材料的电磁力对比曲线。在相同的工作气隙下,工业纯铁产生的电磁力大于铁镍合金产生的电磁力,这是两种材料性能差异导致的结果。电磁铁用磁性材料应采用具有高的饱和磁感应强度、低的剩磁感应和低的矫顽力的高性能电磁材料。3动态电磁力测试采用直径为0.6mm的高强度漆包线,绕制了75匝线圈,电流峰值为60A时,测得电磁力为83N。因为测试台架测量得到动态电磁力,所以比计算的静态电磁力要小。将优化后的电磁铁安装到流量控制装置内,在弹簧预紧力为70N的情况下,测得其开启响应时间为0.42ms,关闭相应时间为0.53ms。采用该流量控制装置,共轨压力在模糊PID控制算法下,高压泵转速为600r/min,目标共轨压力为70、1