油泵试验台(电控柴油喷射系统用高速强力电磁阀的性能研究)

一、概要

电控柴油喷射系统是电控柴油机的基础和难点。本文重点研究采用高强力电

磁阀控制喷油过程,而不改变传统喷油泵脉动供油原理的时间控制式电控柴油喷

射系统。这类电控系统虽增添了新的电磁阀部件,却省了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点。

在时间控制式电控柴油喷射系统中,控制执行元件——高速强力电磁阀作为

系统电控单元与机液喷射装置的直接接口,对燃油喷射过程实行直接控制,对喷

射系统的各种基本性能起着决定性作用。这一特殊的关键性作用要求电磁阀具有

快速响应和强电磁作用力等基本特性,从而保证系统控制精度和响应速度。

本文以清华大学正在开发研制的 PPVI 型(Pump-Pipe- Valve- Injector)电

控柴油喷射系统作为应用目标,对系统中应用的高速强力电磁阀的性能进行探讨

和研究。

二、高速强力电磁阀的功能与结构

图 1 示出 PPⅥI 型电控柴油喷射系统的总体构型。在系统中高速强力电磁阀

作为一个独立部件放置在喷油泵和喷油器之间的高压油道适当位置,形成电磁阀

的动态响应与燃油压力波传播过程的耦合,从而对喷油规律和卸载过程进行调

节。

在电控柴油喷射系统工作过程中高速强力电磁阀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

保证喷射定时准确和迅速形成高压,快速开启以保证高压喷射的快速切断和稳定

卸载。阀的快速开启和关闭特性为实现最小油量喷射和预喷射提供了系统的硬件

保证。阀的缓慢开启将会引起卸载过慢、后期喷射不良等问题。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。电控柴油喷射用电磁阀的工作条件复

杂、恶劣,为提高其工作性能的稳定和可靠性,减小它对外部干扰的敏感程度,必

须使其具有足够的电磁作用力储备。强电磁作用力不仅可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,而且能进一步提

高旁通溢流阀高压密封的可靠性。

1.凸轮 2.增量式凸轮轴角度编码器 3.简化式喷油泵 4.油管

5.旁通溢流阀 6.高速强力电磁铁 7.电子控制单元 8.喷油器

9.低压系统

高速强力电磁阀由直接对高压燃油进行调节的旁通溢流阀和驱动此阀的高

速强力电磁铁两部分组成。

高速强力电磁铁作为旁通溢流阀的驱动元件,直接决定整个电磁阀的工作特

性。它由静铁芯和与旁通溢流阀杆装配在一起的衔铁(动铁芯)组成。只有合理选

择电磁铁的结构设计,才能保证电磁阀工作过程实现快速响应和强作用力特性的

统一。

常规“E"型电磁铁结构简单、紧凑,很适合执行开关功能。但由于其结构设

计的局限会产生电磁作用力与开关响应速度的矛盾,即电磁作用力的提高会导致

开关响应速度的降低。为克服常规“E”型电磁铁的这种矛盾,满足电控柴油喷射

用电磁阀的快速响应和强作用力特性的需要,相继提出了多种高速强力电磁铁的

设计概念。作者设计开发了串联型环状多极式高速强力电磁铁,它由多个单元“E”

型电磁铁串联组合而成,产生的作用力是全部单元“E"型，电磁铁电磁作用力的

总和,而其工作响应速度与单元“E"型电磁铁相同,这便满足了电控柴油喷射用电

磁阀所需的高响应速度和强电磁作用力等特性要求。井且,环状多极式电磁铁结

构简单、刚度好、易加工,适合大批量生产。图 2 为几种不同结构的串联型环状

多极式高速强力电磁铁试验样品的实物照片。

旁通溢流阀的最主要功能是实现高压燃油的密封和快速泄流,为此在结构设

计上必须综合考虑这两方面的要求。旁通溢流阀形成高压燃油的密封需要有两个

密封面,一为阀杆与阀体偶件导向段径向密封,二为阀座面密封。为实现喷射过程

的有效控制,电磁阀开启时,要求旁通溢流阀能实现燃油的快速泄流,使高压油路

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。

三、高速强力电磁阀的电磁性能研究

电控柴油喷射系统用高速强力电磁阀工作在脉冲激励条件下,既不属于直流

电磁系统也不属于交流电磁系统,而是兼有两种系统的工作特性,研究其电磁性

能时必须同时考虑电磁系统的静态特性和动态特性。

静态特性的研究主要描述系统工作状态不变或只有缓慢变化时系统各参量

间的关系。动态特性的研究主要是描述存在涡流和磁饱和等影响时系统各参量间

的关系。静态特性绐出的是电磁系统在一定的工作气隙、一定的线圈励磁电流情

况下所能得到的电磁作用力的极限值,它揭示的是电磁系统工作的最大潜力。实

际上,在电磁系统衔铁的运动过程中起决定作用的是动态吸力而不是静态吸力动

态特性才能表征电磁系统动作时的真实过程。

为研究电磁阀的电磁性能,作者设计开发了专用的电磁测量系统。测量系统

由系统电源、信号发生器、驱动电路测量装置、传感器、电荷放大器、示波器、

打印机等组成。电磁阀工作过程中产生的电磁作用力经传感器测量,由电荷放大

器将电荷量转换为电压值,通过示波器显示、记录,并由打印机实时打印出试验结

果。

电磁系统静态特性的试验研究

在高速强力电磁阀的静态特性试验中,测取了电磁作用力 Fd 与工作气隙δ

(衔铁与铁芯之间的距离)的关系;F4=f(δ),线圈励磁电流 I=常数;还测取了电

磁阀的电磁作用力 Fd 与线圈励磁电流 I 的关系:Fd=f(Ⅰ),工作气隙δ=常数。测

量结果如图 3、图 4 两组曲线所示。

图3示出的电磁作用力F4与工作气隙δ关系曲线,接近于二次双曲线函数曲

线;图 4 示出的电磁作用力 Fd 与线圈励磁电流 I 关系曲线,接近于二次幂函数曲

线。这是因为,由麦克斯韦电磁吸力简化公式知

又

于是可推得

若忽略电磁阀磁路中的铁磁阻，则磁路中总磁阻近似为工作气隙的磁阻，即

最后整理得

其中

当电磁阀的结构确定后,S、μo、W 等参数均为定值,此时, (C。为

常数)。因此,当Ⅰ为定值时,Fd 与δ关系式为 ( 为常数),即二次双

曲线函数关系;当δ为定值时, ( 为常数),即=次幂函数关系。实际上,

导磁体内总会有磁阻,并随着工作气隙8的减小或线圈激磁电流I的增大,导磁体

会出现磁饱和,电磁作用力特性曲线将严重偏离双曲线或幂函数曲线。二次双曲

线函数中二次幂函数曲线变化很陡,即是在导磁体未出现较深度饱和时电磁作用

力将随着工作气隙的增大而减小得很快,随着线圈励磁电流的增大而迅速增大。

基于对高速强力电磁阀电磁静态特性的研究,可明显看出,它非常适合用于

工作行程要求不大、开关响应速度要求很高的情况。利用试验测取的 Fd=f(δ)

和 F=f(I)曲线族数据,结合电磁阀工作性能要求,还可确定出电磁阀中所需回位

弹簧的刚度和预紧力的大小。但静态特性数据由于没有考虑电磁阀工作时的动态

影响,所以只能作为确定电磁阀参数的参考。

电磁动态特性的试验研究

在单脉冲电压作用下,利用电磁测量系统对电磁阀哇磁动态特性进行研究,

分析线圈电流I及电磁作用力Fd随时间t的变化规律,亦即着重探讨在涡流和磁

饱和等现象影响下电流和电磁作用力上升与下降过程的延迟效应。

图 5 示出在 12V 脉冲方波电压作用下,工作气隙为 0.05mm 时,电磁阀线圈电

流 I 和电磁作用力 Fd 变化规律的示波器实测记录曲线。观察作用力、电流变化

波形,会发现作用力的变化比电流变化要滞后一段时间。电流几乎瞬时切断,而电

磁作用力是按照一定的衰减速率逐渐下降。这种滞后现象主要是由导磁体中产生

的涡流引起的。电磁阀在脉冲电压激励作用时,线圈电流的变化引起磁路磁通的

变化,导磁体内会出现涡流,而涡流的作用总是使磁通的变化落后于线圈电流的

变化,随之导致电磁作用力的变化滞后电流变化一段时间。

线圈电流和电磁作用力从零值变化到稳态值需一定的上升延迟时间。图 6

总结了电流上升延迟时间 tr 随外加驱动电压 U 和工作气隙δ的变化规律。这变

化规律因为在较低驱动电压作用时,工作气隙只有在很小时电磁阀导磁体才会趋

于磁饱和,磁饱和的出现使导磁体磁阻突然加大,电路中的电感值迅速变小,线圈

电流上升时间常数随之变小,而电流上升速度的加快又促进导磁体的进一步磁饱

和,直到电流达到稳态值;工作气隙较大时,在低驱动电压作用下导磁体不会出现

磁饱和,此时导磁体的磁阻非常小,而工作气隙磁阻决定着整个磁路磁阻的大小,

线圈电流上升延迟时间随着工作气隙的加大而缩短。当外加驱动电压较高时,工

作气隙即使较大,导磁体也会出现磁饱和,此时电流上升延迟时间受工作气隙的

影响变小,但仍有较为明显的变化趋势,即工作气隙减小,上升延迟时间缩短。

当外加电压切断后,由于驱动电路采取特殊措施,电磁线圈中的电流可迅速

降为零值,但电磁阀电磁作用力却不能突变至零值,而是先急后缓地按一定规律

下降。图 7 示出设计开发的高速强力电磁阀电磁作用力下降延迟时间 tr 随外加

电压 U 和工作气隙δ的变化规律。从中可见:当外加电压一定时,下降延迟时间随

工作气隙增大而减小;当工作气隙一定时,下降延迟时间随外加电压的降低而减

小。

通过对高速强力电磁阀电磁动态特性(上升与下降过程的延迟效应)的试验

研究,从确定电磁阀参数角度考虑可得如下重要结论:充分利用磁饱和作用加快

线圈电流的上升过程,即加大外加驱动电压,使电磁阀在工作气隙较大时,便能得

到很大的电流上升速率,从而缩短上升延迟时间;降低维持驱动电压,可有效降低

下降延迟时间。

四、电磁阀在电控燃油喷射系统中的应用特性

将高速强力电磁阀安装在 PPⅥ型电控柴油喷射系统中,在油泵试验台上对

其机液性能进行测试研究。

通过大量油泵台试验,得出如下高速强力电磁阀参数匹配调整规律:

(1)增大电磁阀的残余间隙,阀动态过程的上升时间加长,下落时间缩短。

(2)增大回位弹簧的预紧力,阀动态过程的上升时间加长,下落时间缩短。

(3)增大电磁阀的升程,阀动态过程的上升、下降时间都加长。

(4)电磁阀的快速关闭有利于迅速形成高压。

(5)电磁阀的快速开启有利于高压喷射的迅速切断和稳定卸载

为满足电控柴油喷射系统工作性能的要求,综合分析上述因素的影响,制定

出高速强力电磁阀参数匹配调整规范,最终可保证电磁阀机械运动具有很好的快

速响应特性。图 8 示出了喷油泵转速 500r/min 时电磁阀的机械运动动态响应过

程和喷射系统的嘴端压力波形。从图中可见,电磁阀关闭时间仅为 1ms,而开启时

间更短,仅为 0.56ms,这样高的机械运动响应速度为 PPⅥ型电控柴油喷射系统实

现灵活、可靠、理想的液压过程控制提供了保证。图中理想的嘴端压力波形证明

了所设计开发的高速强力电磁阀具有很好的机液特性,完全可满足电控柴油喷射

系统的工作要求。

五、结论

高速强力电磁阀是 PPⅥ型电控柴油喷射系统的关键部件,直接决定着系统

的工作性能。通过对电磁阀的电磁与机液性能的研究,制定出参数,确定与匹配调

整规范,确保其具有快速响应和强作用力等基本特性。油泵台架试验结果表明,

自行设计开发的高速强力电磁阀完全可满足电控柴油喷射系统的工作要求,并具

有良好的性能指标。

· The End ·

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