柴油机高压共轨电控系统喷油器电磁系统仿真研究

1、文章编号:1000-0925(200501油机高压共轨电控系统喷油器电磁系统仿真研究杨林,郭海涛,冒晓建,卓斌(上海交通大学机械与动力工程学院,上海200030Mathematical Simulation of Fuel Injector Electromagnetic System Used in HighPressure Common R ail Fuel Injection System of Diesel EnginesYANG Lin ,GU O H ai 2tao ,MAO Xiao 2jian ,ZHU O Bin(School of Mechani

2、cal and Power Engineering ,Shanghai Jiaotong U niversity ,Shanghai 200030,China Abstract :A simulation model based on the theory of magnetic field and the mathematical solution method aredeveloped to optimize the structure and the parameters of the fuel injector magnetic system (FIMS used in the hig

3、h pressure common rail fuel injection system of diesel engine.With the model ,the simulation results are compared to the measured results ,the response of the magnetic system is analyzed.The model has high predictive precision ,can be used to design the FIMS ,and the drive signal from the ECU.摘要:在对柴

4、油机高压共轨系统喷油器电磁系统的工作过程与受力分析的基础上,采用电磁场仿真的方法建立了喷油器电磁系统的仿真模型与数值求解方法,进行了电磁阀动态响应的仿真分析,与实测结果进行了对比。结果表明,该模型与数值求解方法具有较高的计算精度,可用于喷油器电磁阀的结构优化与参数设计、以及喷油器驱动信号设计。关键词:内燃机;柴油机;高压共轨电控系统;喷油器电磁阀;仿真研究Injection System ;Fuel Injector Magnetic System ;Simulation中图分类号:T K421.4文献标识码:A1概述喷油器电磁系统仿真是研究喷油器性能、进行喷油器电磁系统结构优化设计的重要手段

5、,电磁阀阀芯的性能直接影响了喷油器最小稳定喷油量、多段喷射能力、喷油器针阀动态响应、燃油泄漏量、高压油泵功耗及系统燃油温度等,从而对发动机的动力性,经济性,排放性能和驾驶性能等各项指标具有重大影响。本文采用“场”的方法,建立喷油器电磁系统的数学仿真模型。由于高压共轨式喷油器一般为螺管式电磁阀,具有轴对称的结构特点,且其边界条件也较简单,因此本文将采用有限差分法数值求解喷油器电磁阀的磁场分布,分析喷油器电磁系统的动态收稿日期:2004201207响应、驱动信号特征及一些结构参数的影响。2喷油器电磁系统工作原理根据柴油机对高压共轨电控系统喷油器特性的要求,设计的喷油器电磁系统基本结构如图1所示。在

6、电磁线圈掉电过程中,衔铁阀在回位弹簧力作用下克服各种液压力落座,控制活塞杆在控制室高压油作用下使喷油器针阀开速可靠落座,由于自由活塞室内的高压燃油对衔铁阀的作用力,衔铁阀在任意燃油压力下的密封可靠、在衔铁阀关闭位置时的电磁阀弹簧预紧力以及在衔铁阀最大升程时的电磁阀弹簧力勿需太大。在电磁线圈上电过程中,衔铁阀在电磁力、电磁阀弹簧力以及各种液压力的图1喷油器电磁阀原理设计合力作用下,衔铁阀离座而开启,泄流室、自由活塞腔内的高压燃油快速卸压,同时由于衔铁阀头部受轴向液动力作用,而且电磁阀弹簧的预紧力较小,衔铁阀的质量也较小,所以电磁阀的动态响应快。一旦衔铁阀升起,电磁阀的吸力就远大于电磁阀的反力,维

7、持衔铁阀在最大升程位置所需激磁电流较小,所以电磁阀的能量消耗甚小、温升小。衔铁阀的受力分析如图2所示。图中,F m为电磁力;F sq为电磁阀座或止位挡板对衔铁阀的燃油挤流作用力;F f为燃油从泄流室向背压室流动过程中对衔铁阀的液动力;F p为自由活塞室燃油对衔铁阀的有效作用力;F sp为回位弹簧力;x为衔铁阀的位移。设衔铁阀的质量为m,则衔铁阀的运动方程为:F m-F sp-F p-F f-F sq=m d2xd t2(13电磁力计算模型3.1喷油器电磁阀控制方程及其数值求解电磁系统控制方程组包括麦克斯韦方程与磁场连续性方程。记B=H为磁感应强度向量,T;D =E为电位移,A/m2;H为磁场强

8、度向量,A/m;J 为电流密度向量,A/m2;E为电场强度,V/m;为磁导率,H/m;为电容率,F/m。为了便于磁场的数值求解和磁场边界条件的确定,引入向量磁位A。由于B =rot A且div A=0,则在均匀、各向同性、磁导图2电磁阀衔铁的受力分析率不同的两种介质分界面上向量磁位的切向分量满足边界条件A1t=A2t,A的法向分量满足边界条件A1n=A2n,则向量磁位的控制方程为:99x(y9A9x+99y(x9A9y=-(J+9D9t(2B x=9A9y,H x=x9A9y,B y=-9A9x,H y=-y9A9x式中,=1/为介质的磁阻率,x和y分别为x和y方向的磁阻率。为了产生预喷射,喷

9、油器电磁阀应能在小电流作用下产生很大的电磁提升力,电磁阀阀芯中的磁感应强度必然很大,并趋于阀芯材料的极限磁感应强度。因此,电场对电磁阀磁场的影响相对较小,喷油器电磁阀磁场的数值模拟可不考虑时变电场对磁场的作用;另外,喷油器电磁阀线圈的电感系数近似为一常数,电磁阀的磁场数值模拟实际上是一个恒定电流磁场的边值问题。因此,方程(2可简化为: rot(rot A=J(3对控制方程采用有限差分法进行离散、采用交替方向迭代解法即可求得图3所示计算网格各点的向量磁位A(i,j与各点的磁感应强度B x1、B x2、B y1与B y2。磁场中某一网格内的磁感应强度B可由该网格四个节点的磁感应强度求得:B=12(

10、B x1+B x22+12(B y1+B y22(4数值计算中,由于在喷油器电磁阀的介质分界面上不存在面电流密度,故介质分界面上的节点可当作内部节点处理;由于喷油器电磁阀的工作气隙很小(约0.1mm,故采用非均匀网格,空气隙中的网格尺寸较其他网格小;由于电磁阀的向量磁位在72005年第1期内燃机工程 图3计算网格轴线上必然为零,故将电磁阀的轴线处理成了一边界,电磁阀磁场的数值求解区域减小一半,且x =0、x =1、y =0与y =h 处均有A =0,其中x 为求解区域的长度、y 为求解区域的高度。3.2电磁力计算根据麦克斯韦电磁吸力公式,对图4所示的计算单元,假设积分表面S 沿x 轴方向,则沿

11、积分途径1-1上表面应力p 1的分量为p 1x =1B y B x ,p 1y =12(B 2y -B 2x ,该矩形单元沿该积分途径的作用力F 1为F 1x =p 1x (r 2j +1-r 2j 、F 1y =p 1y (r 2j +1-r 2j ;沿积分途径2-2表面应力p 2的分量为p 2x =12(B 2x -B 2y 、p 2y =1B x B y ,沿积分途径的作用力分量F 2为F 2x =p 2x 2r j y 、F 2y =p 2y 2r j y 。因此,x 方向、y 方向的电磁力分别为:F x =nxi =1F 1x ,i +nyj =1F 2x ,j (5F y =nxi

12、 =1F 1y ,i +nyj =1F 2y ,j (6式中,n x 、n y 分别为积分途径穿过的x 方向与y 方向的单元总数。3.3激磁电流由于高压共轨系统中喷油器电磁阀的线圈在一次电流脉冲作用下温升甚少,且在工作一段时间以后,电磁阀的温度将趋于稳定,可以认为其电阻值在工作过程中保持恒定;另外,喷油器电磁阀衔铁的最大行程很小(只有50m ,可以认为电磁阀磁链只是激磁电流i 的函数。因此,喷油器电磁线圈的电路方程可简化为u =i R +L d id t 。在电磁线圈的加图4二维矩形单元电过程中电流初始值I (0=0,在电磁线圈的断电过程中电流初始值I (0=I 0,因此加电过程的激磁电流I

13、c 与加电过程的激磁电流I d 的解析解为:I c =UR(1-e -R L t(7I d =I 0e-R L t(8式中,R 是为了缩短电磁阀断电后电磁线圈中电流的衰减过程而给电磁线圈附加衰减电阻与电磁线圈的电阻值之和。3.4自由活塞室燃油对衔铁阀的作用力衔铁阀的内部结构如图5所示,记p e 为量孔2后部的燃油压力,则可根据喷油器内的流动仿真计算获得。由于上下承压面积的不同,自由活塞室燃油对衔铁阀的作用力F p 为:F p =(d 22-d 21/4p e(9 图5衔铁阀头部结构3.5衔铁阀吸盘的挤流作用力为简化衔铁阀吸盘挤流效应的计算,并考虑到衔铁吸盘挤流运动可能产生的最坏结果,将衔铁阀吸

14、盘的图1结构简化成如图5所示的物理模型。设吸盘以速度V 向下运动,由于间隙内液体的轴向流8内燃机工程2005年第1期动远小于径向流动,可忽略液体的轴向运动,间隙中的液体呈轴对称径向流动,在图6的半径r 处取一薄层d r ,此薄层展开以后可近似看作宽b =2r 的平行平板间隙,由平行平板间隙流动的流量公式,得间隙中燃油压力分布的解析式为:P =-1lne -p 0-60V h3×(r 222-r 21ln r 2-r22+r 21ln r (10式中,=2×10-83×10-8(1/Pa ,=0e p 。图6衔铁吸盘的简化模型对公式(10积分即为间隙中液体对衔铁吸盘

15、的作用力为:F spL =p 2r d r(11衔铁吸盘背部的燃油压力分布的计算公式类似公式(10,但V 值的符号与上述公式中的符号相反,积分后得F sqU 。两者的差值即为作用于衔铁吸盘上的挤流作用力F sq 。3.6作用在电磁阀衔铁头部的液动力衔铁阀在电磁阀的电磁吸力作用下升起,燃油在电磁阀中的流动方向和流速大小都将发生变化,从而对衔铁阀产生液动力。电磁阀泄流阀为外开式圆锥阀,如图7所示。由于电磁阀衔铁的升程很小,可认为液流角等于阀芯的半锥角。由沿轴线方向的动量方程推导可得:F f =V q +p 1d 21/4+F 0-q V 2cos <-A 2p 2cos <(12式中,

16、V 2=C 2p ,p =p 2-p 1,q =C d A 22p ,C为流速系数,C d 为流量系数,A 2为最小出流面积;F 0为为衔铁与阀座的重合锥面对控制体内燃油的轴向作用力。由于液体在圆锥环形间隙中沿圆锥母线流动时,可将圆锥环形间隙展开成扇形平行平板间隙,并把扇形平行平板间隙流动看成平行圆环形平板间隙流动的一部分,因此:F 0=r 22p 2-r 21p 1+2(r 22-r 21p ln (r 2/r 1(13式中,r 1=d 1/2;r 2 =d 2/2。图7喷油器泄流阀3.7作用在电磁阀衔铁上的弹簧力取衔铁回位弹簧的刚度为C ,弹簧的预压缩量为S 0,衔铁阀行程为h s ,则弹

17、簧对衔铁阀作用力为:F sp =(S 0+h s C(144数值模拟结果及分析利用上述模型、物理模型和数值解法,对柴油机高压共轨系统喷油器电磁阀进行了数值模拟。图8所示为喷油压力对电磁阀开启与关闭响应时间的影响。由于随着喷油压力的提高,使衔铁阀关闭的液压合力增大,故电磁阀开启延迟时间增加;由于喷油器衔铁阀位于最大升程期间作用于电磁阀衔铁上的液压力基本处于平衡状态,一旦喷油脉冲结束,电磁吸力立即消失,衔铁阀就会立即落座,其关闭过程只在衔铁回位弹簧的作用下进行,故在不同系统燃油压力下电磁阀衔铁的关闭过程基本一样。从图中可以看出,计算与实测的响应时间一致,说明本文模型具有较高的计算精度,可用于喷油器

18、电磁阀的设计。图9是不同空气间隙时的电磁力与激磁电流的关系。从图中可以看出,电磁力随着空气间隙的增大而减小,随着激磁电流的增大而增大;10A 的激磁电流产生的电磁力基本接近喷油器电磁阀的饱和电磁力,并比电磁阀最小开启电磁力的最大值大许92005年第1期内燃机工程 图8喷油压力与响应时间的关系计算开启延迟实测开启延迟计算关闭延迟33实测关闭延迟多;2A 的激磁电流为电磁力急剧上升区域的上限电流,产生的电磁力远大于电磁阀最小保持电磁力(图10所示的最大值。因此,该喷油器电磁阀宜采用提升保持型电流驱动,其提升阶段的峰值激磁电流为10A ,保持阶段的激磁电流为2A 。结合图7中的开启延迟时间,提升阶段的持续时间应随喷油压力的提高而延长,但只要大于0.15ms 即可满足各种油压要求。采用这样的驱动方式,可最大限度的提高电磁阀动态响应速度,并可同时降低电磁阀温升,延长电磁阀的使用寿命 。图9空气间隙与激磁电流对电磁力的影响空气间隙45m 空气间隙95 m图10喷油压力与电磁力需求5结论本