共轨喷油电磁阀动态特性仿真与实验
电磁阀动态响应特性直接影响高压共轨喷油器的开启和关闭过程。首先对电磁阀驱动电流加载和卸载过程进行了实验研究，基于实验结果和驱动原理求取了不同气隙下电磁阀磁链与电流的关系，并根据磁链与电磁力的关系建立了电磁阀的电磁模型。然后根据电磁阀的工作原理建立了描述衔铁运动特性的电磁阀动力学模型。最后，在Matlab/Simulink仿真环境中建立了以驱动电流为输入的共轨喷油器电磁阀机电耦合模型，对模型进行了验证，仿真计算结果与实验结果显示了很好的一致性。
引言
电磁式共轨喷油器的开启和关闭由电磁阀控制，是衡量喷油器动态响应特性的重要指标，与电磁阀的动态特性紧密相关。国内外研究人员已经对电磁阀特性进行了大量的研究。
真空技术网(http://www.chvacuum.com/)之前的一篇文章中提出了一种估算衔铁位移的方法，该方法考虑了稳态电流对电磁阀电感的影响，适用于恒定电流作用下电感与衔铁位移一一对应的情况。文献采用有限元法对电磁阀静态特性以及气隙固定不变、控制电流动态变化情况下的电磁力与电流的关系进行了研究，采用初始磁化曲线描述铁芯材料的磁化特性。文献采用磁通分层磁阻模型研究了电磁阀的动态特性，考虑了磁通密度在磁路横截面内分布不均匀的影响，采用恒定的相对磁导率或者初始磁化曲线来描述铁磁材料的磁化特性。文献不考虑磁通密度在磁路横截面内分布不均匀的影响，基于磁路欧姆定律建立电磁阀的电磁模型，对电磁阀的动态特性进行了研究，同样采用恒定的相对磁导率或者初始磁化曲线来描述铁磁材料的磁化特性。
有限元法的缺陷在于不能模拟气隙的动态变化过程和磁滞的影响。不考虑磁通密度在磁路横截面内分布不均的磁阻模型的缺陷是不能反映磁通密度分布不均导致的磁导率的变化，无法考虑磁滞的影响。综上所述，国内外对控制电流加载和卸载过程中电磁阀特性变化的研究还不够深入。此外，建立的电磁阀模型没有考虑因磁滞导致的控制电流加载和卸载过程的区别。
基于以上研究，本文首先对控制电流加载和卸载过程中的电磁阀驱动电流和电源电压进行实验研究，并根据磁链与电磁力的关系建立电磁阀的电磁模型。然后，建立描述衔铁运动特性的电磁阀动力学模型，并在Matlab/Simulink仿真环境中建立以驱动电流为输入的共轨喷油器电磁阀机电耦合模型，对模型进行验证。
1、实验
1.1、电磁阀结构及工作原理
图1为共轨喷油器电磁阀结构图。工作过程中，铁芯和衔铁行程限制器固定不动。当电磁力和弹簧2对衔铁施加向上的力不足以克服弹簧1对衔铁施加向下的力时，电磁阀关闭，气隙最大。线圈中通过电流，当电磁力和弹簧2对衔铁施加向上的力能够克服弹簧1对衔铁施加向下的力时，衔铁向上运动，电磁阀打开。
图1 喷油器电磁阀结构图
1.衔铁 2.回位弹簧2 3.行程限制器 4.线圈 5.回位弹簧1 6.铁芯
1.2、实验设备
图2为实验系统原理图。通过气隙粗调旋钮和气隙细调旋钮来调节衔铁与电磁阀阀体之间的气隙，气隙的大小通过激光位移传感器来测量，激光位移传感器的精度为±0.1μm，量程为±1mm。电流传感器的测量范围0～70A，输出为100mV/A。驱动模块可以调整脉宽、高电流值、保持电流值。
图2 实验系统原理图
1.气隙粗调旋钮 2.激光 3.粗调锁紧旋钮 4.电流传感器 5.喷油器驱动模块 6.数据采集卡 7.工控机 8.激光位移传感器 9.气隙细调旋钮 10.细调锁紧旋钮 11.衔铁 12.电磁阀阀体
1.3、实验方案及结果
通过喷油器驱动模块可以调节燃油喷射脉宽、最大电流值以及驱动方式等。实验中通过调节驱动模块使驱动电流随时间的变化如图3所示。驱动电流随时间变化的过程分为3个阶段:电流快速上升阶段A、大电流保持阶段B和电流快速下降阶段E。在不同的气隙下采集A和E阶段的电流和电源电压。
图3 实验用共轨喷油器驱动电流曲线
4、结论
(1)对电磁阀的实验研究表明，电流发生同样大小的变化(18A)在A阶段所需要的时间大于E阶段所需要的时间，这说明A阶段电磁阀的电感在较大的电流范围内大于E阶段电磁阀的电感。另外，电磁阀电感在A阶段和E阶段均随电流的变化而变化。
(2)对A阶段和E阶段磁链的理论分析表明，气隙较小的情况下，在电流较小时磁链随电流的增加快速增大;电流增大到一定程度后，磁链随电流的增加而增大的速度变慢。气隙较大的情况下，随电流的增加磁链在整个电流范围内均快速增加，但磁链小于相同电流下较小气对应的磁链。电磁阀的这些特性是铁芯和衔铁材料的磁饱和造成的。磁滞的作用使得相同电流下对应的A阶段的磁链小于E阶段的磁链，E阶段电流下降为0A时，电磁阀的磁链远远大于0Wb。
(3)提出了基于电磁阀气隙、电流和磁链数据构成的二维表格查询和线性插值法的电磁阀电磁模型建立方法，即根据电磁阀气隙和驱动电流的大小，通过查表和线性插值法来确定电磁阀磁链，并根据磁链与电磁力的关系计算出电磁力。模型考虑了铁芯和衔铁材料的磁滞和磁饱和特性的影响。仿真计算结果与实验结果表现出了较好的一致性，该模型可以很好地模拟电磁阀的动态特性。
