柴油机高压共轨电控系统喷油器电磁系统仿真研究

2005 年第 1 期 内 燃 机 工 程
·7 ·
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 A 1n = A2n ,则向量磁位的控制方程为 :
图 1 喷油器电磁阀原理设计
第 26 卷 第 1 期
内 燃 机 工 程
Vol. 26 No . 1
2005 年 2 月 Chinese Internal Co mbustio n Engine Engineering Feb. 2005
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 , Fm 为电磁力 ; Fsq 为电磁 阀座或止位挡板对衔铁阀的燃油挤流作用力 ; Ff 为 燃油从泄流室向背压室流动过程中对衔铁阀的液动 力 ; Fp 为自由活塞室燃油对衔铁阀的有效作用力 ; Fsp 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 :
Fm -
Fsp -
Fp -
Ff -
Fsq
=
m
d2 x d t2
(1)
3 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 =μ·H 为磁感应强度向量 , T ; D =ε·E 为电位移 ,A/ m2 ; H 为磁场强度向量 ,A/ m ; J 为电流密度向量 ,A/ m2 ; E 为电场强度 ,V/ m ;μ为磁 导率 , H/ m ;ε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
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
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
收稿日期 :2004201207 作者简介 :杨 林( 1969 - ) ,男 ,副教授 ,主要研究方向为汽车新型动力系统及其电子控制 , E2mail :yanglin @sjtu. edu. cn 。
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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
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) = I0 ,因此加电过程的激磁电 流 Ic 与加电过程的激磁电流 I d 的解析解为 :
Ic
=
U R
(1
-
e-
) R
L
t
(7)
I d = I0 e - RL′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
方程可简化为
u
=
i
·R
+
L
·di 。在电磁线圈的加 dt
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
YANG Lin , GUO Ha i2tao , MAO Xiao2jian , ZHUO Bin
( School of Mechanical and Power Engineering , Shanghai J iaoto ng U niver sit y , Shanghai 200030 , China)
文章编号 :1000 - 0925 (2005) 01 - 006 - 05
260002
柴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 200030)
Mathematical Simulation of Fuel Injector Electromagnetic System Used in High Pressure Common Ra il Fuel Injection System of Diesel Engines
摘要 :在对柴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 Key Words :I. C. Engine ;Diesel Engine ; High Pressure Co mmo n Rail Fuel
Abstract :A simulation model based on the theory of magnetic field and the mathematical solution method are
developed to optimize the structure and the parameters of the fuel injector magnetic system ( FIMS) used in the high pressure common rail fuel injection system of diesel engine. With the model , the simulation result s are compared to the measured result s , 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.
(5)
i =1
j =1
nx
ny
Fy = ∑Δ F1 y , i + ∑Δ F2 y , j
(6)
i =1
j =1
式中 , nx 、ny 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 50μm ,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
衔铁阀的内部结构如图 5 所示 ,记 pe 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 Fp 为 :
Fp =π·( d22 - d21 ) / 4 ·pe
(9)
nx
ny
Fx = ∑Δ F1 x , i + ∑Δ F2 x , j
9 9x
(νy
9A 9x
)
+
9 9y
(νx
9A 9y
)

=
-
( J + 99Dt )
(2)
B x
=
9A 9y
, Hx
=νx
9A 9y
,B y
=
-
9A 9x
, Hy
=
- νy
9A 9x
式中 ν, = 1/μ为介质的磁阻率 ,νx 和νy 分别为 x 和 y 方向的磁阻率 。
为了产生预喷射 ,喷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 :
Injectio n System ; Fuel Injecto r Magnetic System ; Simulatio n
中图分类号 : T K421. 4 文献标识码 :A
1 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 ,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 。