共轨喷油器高速电磁阀的材料选择研究_图文

1、第29卷第5期2005年10月武汉理工大学学报(交通科学与工程版Jou rnal of W uhan U n iversity of T echno logy(T ran spo rtati on Science &Engineering V o l .29N o.5O ct .2005共轨喷油器高速电磁阀的材料选择研究3收稿日期:20050423邹开凤:男,36岁,硕士,讲师,主要研究领域为动力机械工作过程的研究3国防预研项目资助邹开凤1李育学2(海军航空工程学院青岛分院1青岛266041(海军工程大学船舶与动力学院2武汉430033作为电控喷油器的控制执行元件电磁阀对喷油系统的各种

2、基本性能有着重要的影响.而喷油系统对电磁阀响应具有特殊的要求,要求开启时间不大于300s 1,从而保证系统的控制精度和响应速度.影响电磁阀的快速响应的因素众多2.目前,国内外进行高速电磁阀开发的单位,分别采用不同的材料进行试制研究2.文中以工业纯铁D T 24、铁镍合金1j 50、铁铝合金1j 6等3种材料试制的不同电磁阀,利用自行研制的高压共轨试验台,就电磁阀铁心材料的选择对其响应特性影响进行试验研究.1驱动特性及对材料要求由于高压共轨喷油系统每次喷油时间很短,因此需要驱动电路产生高电压和大电流来提高电磁阀的开启速度,同时也要求当发出停止喷油指令后,电磁阀能迅速关闭.因此,对电磁阀的驱动电路

3、有以下要求2.1为使电磁阀在极短的时间内达到必须的电磁力,必须使电磁阀在极短的时间内将电流升到最大值.2为避免电磁阀线圈过热,当电磁阀开启后,应迅速将电磁阀的电流降到一个较小的数值,这一电流称为维持电流.维持电流利于减小功耗,同时也便于及时关闭电磁阀,实现快速停喷.选用高磁导率材料(软磁材料,该材料可以在较低的外部磁场强度就可获得大的磁场强度和高磁感应强度.作为高速电磁阀的材料要求,应具有如下条件2.(1初始磁导率(i 、最大磁导率(m ax 等要高,目的在于提高功能效率.(2饱和磁感应强度(B s 要高,剩余磁感应强度(B r 要低.(3矫顽力(H c 要小,目的在于提高高频性能,可迅速响应

4、外界磁场的变化.(4电阻率(要高,目的在于提高高频性能,减少涡流损失.表1为工业纯铁D T 24、铁镍合金1j 50、铁铝合表1材料的磁学性能材料i m axB s TH c A m -1 8mB r T工业纯铁D T 24200300600090002.1548851011.4铁镍合金1j 504000700001.601014400.8铁铝合金1j 62000400015000500001.351.503248700.80.9 金1j 6等材料的磁学性能3.图1为纯铁和铁镍合金材料模式化磁滞回线的比较示意图,由图1可见铁镍合金是极为优秀的高磁导率材料,其特征是其在低磁场时就出现灵敏的反映,

5、而且回线所围的面积小,表明其耗损低,这些特点是文中选用它的理由.由图1又可以看出,纯铁具有较高的饱和磁感应强度,这是选用它进行研究的考虑点 .图1纯铁与铁镍合金的模式化磁滞回线1.2材料机械加工性能和热处理工艺mm 的限位间隙2.表23种材料推荐的热处理工艺材料牌号热处理工艺D T 249001050,保温3h ,以150 h 冷却,低于200出炉,用纯氢气(或真空保护1j 5010501150,保温36h ,以100 h 冷却,低于300出炉,用纯氢气保护1j 69001050,保温23h ,以100 h 冷却,低于250出炉,用纯氢气(或真空保护2B 2H 曲线的拟合处理及仿真结果在进行电

6、磁阀响应特性数值计算时,需要进行电磁力计算,磁性材料的磁化曲线是影响磁路计算的关键因素4.在磁路计算过程中,为了确定材料的磁阻,需要根据已知的磁场强度H ,通过查询材料的磁化曲线而得到对应的磁感应强度B .因此,需对B 2H 曲线进行拟合处理.通常用磁化曲线多项式近似表达B ,H 的关系,如用以下多项式作为磁化曲线的近似表达式H =a 0+a 1B +a 2B 2+a 3B 3+a 4B4式中:a 0,a 1,a 2,a 3,a 4为多项式系数.文中考虑到磁化曲线的特殊性,为了提高拟合精度,分段采用不同的多项式进行处理.图2为在AN SYS 中进行有限元分析时B ,H 值的输入和自动生成的 B

7、 2H 曲线的示意图.图2B 2H 曲线的自动生成电磁阀的实际工作情况复杂,漏磁的存在使磁场的空间分布更加复杂并影响电磁力的大小;驱动电路峰值电流较大也可能存在磁场饱和现象2,电磁阀线圈结构参数的变化及复杂的工作情况,给采用解析法分析带来困难;但这些复杂的因素均可在电磁场分析的有限元方法中得到充分的考虑.图3为3种材料在电磁阀工作过程中电磁力的变化过程的比较.由图可知1i 50和1j 6的电磁力 变化基本相同,而工业纯铁虽然在给脉冲的初期变化较缓,但其后期的增加较快,且峰值远高于另图3电磁吸力变化比较227武汉理工大学学报(交通科学与工程版2005年第29卷 两种材料.3试验研究分别试制了3种

8、材料的电磁阀,并对其开启响应特性进行了试验研究.开启响应时间是指开始给控制脉冲到电磁阀完全开启所对应的时间 .图4不同驱动电压下开启响应比较从图4可以看出,铁镍合金1j 50和铁铝合金1j 6两种材料制作的电磁阀在较低驱动电压下,响应特性要优于工业纯铁,但都在相对较低电压下出现了饱和现象,且两者的响应开启时间都较工业纯铁长,这主要是因为两种材料的最大磁感应强度B s 相对较低(B s 1.6T .另一方面工业纯铁虽然在电压较低时响应特性稍差,但随着电压的增加,其响应时间要远比1j 50和1j 6短,试验结果表明电磁阀开启响应时间可达0.354m s .这主要是因为其最大磁感应强度B s 较高(

9、B s =2.15T ,同时其达到饱和的电压值较大.在对驱动电路进一步优化设计时,当电磁阀线圈电流的变化速率进一步增大时,可使工业纯铁材料制作的电磁阀在较低的电压情况下,也能获得更大的电磁吸力,并提高其响应时间.4结论在驱动电路、电磁阀线圈匝数一定的情况下,电磁阀材料磁学性能对其响应特性有重要的影响,其中选用具有高饱和磁感应强度的材料应是一首选因素,其特性中的不利因素,如起始磁导率较低对开启响应的不利影响、矫玩力较大等对关闭响应的不利影响,可通过驱动电路有针对性的设计等方面进行弥补5.同时,材料机械加工性能和热处理工艺也是着重考虑的一个方面,严格的热处理工艺可获得最优磁学性能.参考文献1B i

10、anch i G M ,Pelloni P .Op ti m izati on of the so leno idvalve behavi o r in common 2rail injecti on system s .SA EPaper 200020122042,2000.213021382邹开凤.高压共轨电控喷油器的设计研究:学位论文.武汉:海军工程大学,20041989.48564M ichael M Schech ter .Fast response m ulti po le so le 2no id .SA E 820203,1982.8468575邹开凤,李育学,欧阳光耀.共轨喷

11、油器高速电磁阀驱动电路设计与仿真研究.武汉理工大学学报(交通科技与工程版,2004,28(3:378379M aterial Selecti on of H igh 2speedSo leno id V alve fo r Comm on R ail In jecto rZou Ka ifeng 1L iY uxue2(Q ing d ao B ranch of N ava l A eronau tica l E ng ineering Institu te ,Q ing d ao 2660411(S h ip and P o w er Colleg e ,N ava l U n iversi

12、ty of E ng ineering ,W uhan 4300332AbstractT he so leno id valve m aterial of comm on rail in jecto r shou ld have m agnetic perfo r m ance and m ach in ing perfo r m ance and its need of heat treatm en t techn ique is discu ssed in th is p aper .T hem agnetic p erfo r m ance of so leno id valve has i m po rtan t influence to m agnetic fo rce and respon se trait .T he test show s that the m aterial w ith h igh satu rati on m agnetic inducti on in ten si on can ob tain good open respon se .T he di