電控噴油器的一種新型磁路結構

盧金和 張振東 程 強 尹叢勃

上海理工大學，上海，200093

0 引言

電控噴油器作為汽車電子控制系統的核心零部件之一，它的性能直接影響到汽車的經濟性、動力性以及排放性。電控噴油器的動態響應特性與其驅動電路結構、磁路結構以及材料的性能有關［1-4］。理想的磁路結構應使所有的磁通量都通過銜鐵［5］。磁通量的利用效率越高，電磁力的上升速度就越快，噴油器的開啟滯后時間就越短。然而，Bosch、Delphi等公司生產的噴油器通常在其鐵芯上加工出薄壁凸緣結構與導向管相連接，以實現燃油密封等功能。但由于鐵芯與導向管都是導磁材料，因此線圈通電時會造成部分磁通量未經銜鐵就直接經鐵芯凸緣、導向管與磁路中其他部件形成回路，這在一定程度上降低了噴油器的電磁性能。

為進一步提高電控噴油器的電磁性能，改善其動態響應特性，本文以某款進氣道噴射式電控噴油器為對象，通過在其鐵芯與導向管之間增加由不導磁材料制成的隔磁環開發了一種新型磁路結構，通過電磁場仿真研究了改進前后噴油器電磁性能的變化特點以及軛鐵厚度對其電磁性能的影響規律，并根據仿真結果對其進行了綜合優化，最后通過實驗對噴油器的改進方案進行了測試驗證。

1 噴油器結構與工作原理

如圖1所示，電控噴油器主要由線圈、鐵芯、彈簧、銜鐵、導向管、鋼球、閥座、軛鐵等部件組成。電磁線圈通電時，電磁力隨著電流上升而迅速增大。當電磁力克服彈簧壓力等阻力時，銜鐵組件向鐵芯方向運動，噴油器開啟并噴油。電磁線圈斷電時，當電磁力下降到不足以克服彈簧力以吸住銜鐵組件時，銜鐵組件在彈簧力作用下向閥座方向運動，噴油器落座并結束噴油。

2 噴油器的理論分析

2.1 磁路分析

圖1 原噴油器的部分結構

電控噴油器的等效磁路如圖2所示，其中iN是線圈電流與匝數的乘積，它是磁勢;RM是磁路總磁阻;Φδ是磁通。根據麥克斯韋公式可得電磁吸力為

圖2 噴油器的等效磁路

式中，μ0為真空磁導率;S為氣隙截面積。

2.2 電路分析

圖3 噴油器的等效電路

噴油器的等效電路如圖3所示。其中U0是線圈電壓，R是等效電阻，L是等效電感。由基爾霍夫電壓平衡方程可得

式中，ψ 為磁鏈，ψ =Li。

2.3 銜鐵組件機械運動分析

銜鐵組件受到彈簧力、電磁力、液壓力的作用，這些力的大小決定了銜鐵組件的運動特性。一般銜鐵組件的行程不大于100 μm［6］，這相對于彈簧預壓量來說很小，因此可粗略認為在銜鐵運動過程中，彈簧壓力基本保持不變。在進氣道噴射噴油器中，燃油壓力對球閥的作用力以及球閥運動過程中的黏性阻力與機械摩擦力相對彈簧壓力來說都較小，因此，為了便于分析，忽略其影響。根據達朗貝爾公式可得球閥的運動方程為

式中，m為銜鐵組件質量;x為銜鐵位移;Fspr為彈簧預緊力。

2.4 動態響應特性分析

噴油器的動態過程是指從電磁線圈通電起到球閥達到最大行程止的開啟過程和從電磁線圈斷電起到球閥完全落座關閉的過程。動態響應特性指的就是球閥在線圈通電之后打開過程和斷電之后關閉過程的位移-時間規律。

如圖4所示，當電磁線圈通電時(O點)，電流迅速上升，電磁力也隨著電流的上升而迅速增大。當電磁力克服彈簧等阻力時(A點)，銜鐵組件開始向上運動。由于氣隙不斷減小，磁阻的變化使線圈的電感發生變化，產生了感應電動勢idL/dt，使線圈中的電流開始減小。當銜鐵組件到達最大行程時(B點)，由于氣隙不再變化，感應電動勢消失，電流又開始上升，直到穩定值。其中OA段稱為開啟觸動時間，用t1表示。AB段稱為開啟運動時間，用t2表示。t1和t2之和稱為開啟滯后時間。

圖4 噴油器動態響應電流曲線

當電磁線圈斷電時(C點)，電流迅速下降。由于磁滯效應的存在，電磁力并沒有立即消失而是逐漸減小。當彈簧力克服電磁力作用時(D點)，銜鐵組件開始下落。由于氣隙不斷變小，磁阻的變化產生了感應電動勢，使電流開始上升。當銜鐵組件回到原位(E點)，球閥關閉時，感應電動勢消失，電流又開始下降。其中CD段稱為落座觸動時間，用t3表示。DE段稱為落座運動時間，用t4表示。t3和t4之和稱為落座滯后時間。

提高噴油器的動態響應性能主要指的就是縮短噴油器的開啟滯后時間以及落座滯后時間。這兩個參數也是評定一款噴油器性能好壞的主要依據之一。因為噴油器的動態響應性能直接影響到其流量特性，而噴油器的流量特性對電控系統的匹配有很大的影響［7］，電控系統匹配的好壞將影響到整車的動力性、經濟性以及排放性，所以，提高噴油器的動態響應性能是噴油器設計過程中的關鍵問題。

3 磁路結構改進

3.1 磁路結構改進方案分析

由式(3)可知，噴油器的動態響應性能主要與電磁力Fmag、彈簧預壓力Fspr、銜鐵組件質量m等因素有關。在保證球閥關閉密封性的前提下，Fspr的取值應盡量小(約4～6 N)，以提高銜鐵組件的響應速度。當Fspr一定時，電磁力Fmag的上升速度越快或m越小，噴油器的開啟滯后時間越短。但由于銜鐵組件的質量m一般只有2～3 g，其重力遠遠小于彈簧預緊力Fspr，且銜鐵組件的行程小于0.1 mm，所以m的變化對噴油器動態響應性能的影響很微弱。本文主要從優化電磁力的角度對磁路結構進行改進，以提高噴油器的動態響應性能。

如圖5a所示，原噴油器在磁路中通過導向管與鐵芯上的薄壁凸緣互相接合以實現對燃油的密封。導向管與鐵芯都是導磁材料，當線圈通電時，由于工作氣隙處是空氣，磁阻較大，因此有部分磁通量將不會經過銜鐵而是直接經導向管、鐵芯、軛鐵等形成回路，從而降低了磁通量的利用效率。盡管通過在其工作氣隙附近加工出凹槽能減小磁通量的泄漏，但該結構仍不可避免地存在一定程度的磁通量泄漏。由于噴油器的工作周期極短，一般只有幾毫秒，且排放指標對噴油器的性能要求越來越高，因此，一定程度的磁通量泄漏對其電磁性能的影響也是不可忽略的。

為了解決因導向管與鐵芯互相連接造成磁通量泄漏的問題。如圖5b所示，筆者設計的新型磁路結構在導向管與鐵芯之間增加了由不導磁材料制成的隔磁環，隔磁環通過焊接的方式與導向管和鐵芯接合形成對燃油的密封。由于隔磁環不導磁，因此理論上所有的磁通量必須經銜鐵才能與其他部件形成回路，所以能提高磁通量的利用率。

圖5 改進前后磁路結構對比

3.2 改進前后電磁性能仿真對比分析

為了對改進前后噴油器的電磁性能進行對比分析，本文利用ANSOFT Maxwell仿真平臺建立了改進前后噴油器的仿真模型，由于噴油器的結構具有軸對稱的特點，因此可將其簡化為二維模型進行計算分析，并使用二維瞬態電磁場有限元技術對改進前后噴油器的電磁性能進行仿真計算。

如圖6、圖7所示，當線圈通電時，新磁路結構中線圈電流上升速度變快，使得電磁力的上升速度也加快，有效地縮短了噴油器的開啟滯后時間。然而，當線圈斷電時，新磁路結構中由于飽和電磁力增大而電磁力的下降速度基本不變，從而導致噴油器的落座滯后時間延長。

3.3 軛鐵厚度對動態響應性能影響的分析

如圖6、圖7所示，當噴油器完全開啟后，電磁力還會隨著電流曲線的上升而繼續增大。由于噴油器的退磁速度主要與磁路中使用的軟磁材料自身的性質有關，因此線圈斷電時電磁力越大，噴油器的落座滯后時間將越長。由式(1)可知，在保持其他因素不變的前提下，可通過增大磁阻或增加氣隙截面積的方式來減小飽和電磁力。為了研究增大磁阻對噴油器動態響應性能的影響，本文在新磁路結構的基礎上，分別對軛鐵厚度h為0.9 mm(初始厚度)、0.7 mm、0.5 mm、0.3 mm 時噴油器的電磁性能進行了仿真分析。

圖6 改進前后噴油器線圈電流的對比

圖7 改進前后噴油器電磁力的對比

如圖8所示，電磁力上升的速度基本與軛鐵厚度無關，但隨著軛鐵厚度的減小，飽和電磁力不斷下降且下降的幅度越來越大。

圖8 不同軛鐵厚度對電磁力的影響

如圖9所示，隨著軛鐵厚度的減小，噴油器的開啟滯后時間基本不變，落座滯后時間明顯縮短。當軛鐵厚度減小為0.3 mm時，飽和電磁力已經降低到不足以克服彈簧等阻力，不能使噴油器開啟的狀態。因此，在保證電磁力足以克服彈簧阻力使噴油器開啟并保持穩定噴油的前提下，可通過減小軛鐵的厚度來改善由于增加隔磁環帶來的落座滯后時間延長的問題，縮短噴油器的落座滯后時間。

4 實驗測試驗證

為了對磁路結構改進方案的有效性進行驗證，根據仿真結果對三種不同結構方案的噴油器進行加工試制并在噴油器動態響應特性測試儀上對其性能進行測試分析。其中方案1是軛鐵厚度為0.9 mm的原始磁路結構;方案2是軛鐵厚度為0.9 mm且增加隔磁環的新型磁路結構;方案3是軛鐵厚度為0.5 mm且增加隔磁環的新型磁路結構。

圖9 不同軛鐵厚度對動態響應時間的影響

電控噴油器動態響應特性測試儀主要由噴油器驅動模塊、線圈電流采集模塊以及數字示波器等構成，其測量原理是通過監測示波器上線圈電流的拐點來確定噴油器的開啟、落座滯后時間的，如圖10所示。

圖10 噴油器動態響應特性測試儀

如圖11所示，方案2與方案1相較，開啟滯后時間縮短了0.25 ms，但落座滯后時間增加了0.2 ms;方案3與方案2的開啟滯后時間相同，而落座時間縮短了0.5 ms;方案3與方案1相較，開啟滯后時間縮短了0.25 ms，落座滯后時間縮短了0.3 ms.

實驗結果表明:改進方法通過增加隔磁環以及減小軛鐵厚度，能同時縮短噴油器的開啟、落座滯后時間，全面提高噴油器的動態響應性能。

圖11 不同結構方案噴油器的動態響應性能對比

5 結論

(1)在磁路結構中增加隔磁環能提高磁通量的利用率，加快電磁力的上升速度，縮短噴油器的開啟滯后時間，但同時由于增大了飽和電磁力，會導致落座滯后時間延長。

(2)在保證電磁力足以克服彈簧阻力使噴油器開啟并且保持穩定噴油的前提下，減小軛鐵厚度基本不影響噴油器的開啟滯后時間，但由于降低了飽和電磁力，因此能縮短落座滯后時間。

(3)通過增加隔磁環、減小軛鐵厚度的綜合改進方法能同時縮短噴油器的開啟、落座滯后時間。該方法簡單有效，可為今后噴油器的設計改進工作提供一定的參考。

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