电控燃油喷射系统复合磁路高速电磁阀设计与特性研究

发布时间：2020-06-21 01:10

【摘要】：高速电磁阀作为电控燃油喷射系统的关键控制部件,其强电磁力和快速响应特性直接影响燃油喷射的控制精度及灵活喷射规律。而传统高速电磁阀难以解决其有限设计空间与驱动力、低功耗与驱动力以及高响应速度与低功耗间的矛盾问题,制约了电控燃油喷射系统的发展。本文提出了一种具有低功耗、强电磁力和高响应特性的永磁/电磁复合磁路新型高速电磁阀,但其实际开发与应用仍存在以下难题亟待突破:一是缺乏永磁/电磁复合磁路新型高速电磁阀数值仿真模型,无法开展其静、动态特性的仿真研究;二是永磁/电磁复合磁路新型高速电磁阀的电磁力输出特性以及其特征结构的作用机理尚未全面掌握,难以进行优化设计;三是永磁/电磁复合磁路新型高速电磁阀磁场瞬变以及能量转换对其动态特性的影响规律未完全揭示,无法对其实施优化控制;四是高速电磁阀是一个电、磁、机、液多物理场耦合系统,存在场内、场间多参数交互作用,永磁/电磁复合磁路的引入使得系统更加复杂,如何实现多物理场耦合与参数交互作用环境下,永磁/电磁复合磁路新型高速电磁阀多目标多参数的优化匹配。为此,本文主要开展了以下几个方面的研究:(1)永磁/电磁复合磁路新型高速电磁阀数值建模研究。阐明了永磁/电磁复合磁路新型高速电磁阀的结构与工作原理,设计了其原理样件。采用磁网络拓扑分析法构建了永磁/电磁复合磁路新型高速电磁阀静态仿真模型,通过利用软磁材料磁导率与磁通间的连续特征函数提高了对磁网络变截面单元磁阻的计算精度,同时考虑了系统的漏磁与边缘磁通,实现了高效计算与数值精度的兼顾;同时应用场-路耦合时步有限元法创建了其动态仿真模型,考虑了电、磁、机、液多物理场耦合的作用以及磁滞与涡流效应,并对驱动电路进行了详细的建模。试制了永磁/电磁复合磁路新型高速电磁阀样件,并通过试验对仿真模型进行了验证与校核,静态仿真模型最大误差为6.5%,动态仿真模型最大误差为4.3%,结果表明:永磁/电磁复合磁路新型高速电磁阀仿真模型具有较高的精度,为其静、动态特性的研究提供了有利工具。(2)永磁/电磁复合磁路新型高速电磁阀静态特性研究。为揭示永磁/电磁复合磁路新型高速电磁阀的电磁力输出特性,分析对比了新型与传统高速电磁阀的力-电流和力-位移特性,得出永磁/电磁复合磁路新型高速电磁阀具有更宽范围的工作行程以及更强的电磁力输出。为全面掌握永磁/电磁复合磁路新型高速电磁阀特征结构的作用机理,开展了其特征结构参数对电磁力的影响研究,揭示了特征结构的作用机理;并考虑了永磁/电磁复合磁路下系统参数间的交互作用,采用响应面法构建了电磁力响应面模型,得到了影响电磁力的关键参数及交互作用显著因子;同时揭示了交互作用显著因子的作用机理及其对电磁力的影响规律,得出了交互参数间的优化匹配原则。(3)永磁/电磁复合磁路新型高速电磁阀动态特性研究。为揭示永磁/电磁复合磁路新型高速电磁阀磁场瞬变以及能量转换对其动态特性的影响规律,分析了永磁/电磁复合励磁磁场的动态变化特性,揭示了复合磁场的瞬变规律。开展了复合磁场下系统能量变化与转换研究,揭示了永磁/电磁复合磁路新型高速电磁阀工作过程能量变化与转换规律,得出了高速电磁阀优化策略。并进一步从能量角度分析了驱动、铁芯材料、装配等参数对永磁/电磁复合磁路新型高速电磁阀动态响应特性的影响,发现峰值激励电压、峰值电流、一阶维持电流以及一阶维持电流时间等参数不仅对电磁阀开启响应时间产生影响,而且对关闭响应时间产生影响,加大了驱动控制参数的优化匹配难度;同时得出应尽量保证系统磁场状态在电磁阀衔铁刚到达最大位移时刻和断电时刻的差异最小,以减小不同喷射脉宽下电磁阀关闭响应时间的不一致,降低系统油量控制的非线性程度。(4)永磁/电磁复合磁路新型高速电磁阀多目标优化研究。为实现电、磁、机、液多物理场耦合与参数交互作用环境下永磁/电磁复合磁路新型高速电磁阀多参数多目标的优化,提出了基于序贯整定组合近似模型的多目标优化方法;构建了以最小化开关响应时间、电磁阀热损耗为目标,驱动参数、结构参数以及装配参数作为设计变量的永磁/电磁复合磁路新型高速电磁阀多目标优化数学模型;基于遗传算法获得了Pareto解集,并采用最大距离法得出了优化解,使得开启响应速度提升了38%,关闭响应速度提升了44.5%,电磁阀热损耗降低了27.7%。本课题研究为电控燃油喷射系统低功耗、强电磁力、高动态响应电磁阀的设计与优化提供了理论支撑,对提升电控燃油喷射系统的性能具有重要理论意义和实用价值。
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U664.58
【图文】：

示意图,共轨,喷油器,原理

Fig. 1.1 Common rail injector in operation电磁阀国内外研究现状电磁阀作为柴油机电控燃油喷射系统的关键部件，一直是学术界和产众多学者和科研人员开展了大量的研究工作，目前高速电磁阀的相关

电磁阀,多极式,铁芯,环状

铁芯图 1.4 环状多极式电磁阀图 1.5 Disole 电磁阀Fig. 1.4 Multiple electromagnetic valve Fig. 1.5 Disole electromagnetic valve

【参考文献】