柴油机喷油电磁阀的试验与研究毕业论文

2020-04-09 15:26:06

摘要

高速电磁阀是柴油机高压共轨电控喷油系统的核心部件。作为系统的核心部件，高速电磁阀的工作性能直接影响系统的控制精度，进而影响柴油机的动力性和经济性。柴油机高压共轨电控喷油系统实现喷射柔性调节的关键是对喷油始点、喷油定时和喷油率的精确控制，而高速电磁阀的快速响应特性是对喷油始点、喷油定时和喷油率进行精确控制的关键。本文主要研究工作和结论如下：

1、电与磁的基本知识进行了解，学习电磁阀的结构和工作原理，对电磁阀及其工作过程有初步的认识，高速电磁阀可以看做是由液、机、电和磁构成的系统，其工作过程就是液、机、电和磁之间的相互转换、相互作用，而磁场的作用是将电能转换为机械能，学习电磁阀动态数学模型，之后根据电磁阀的特点进行分类。

2、以日本电装公司的ECD-U2高压共轨喷油系统为例，学习共轨系统的组成及基本部件，学习高压共轨式电控喷油系统的基本原理及其工作过程，深入学习电磁阀的工作原理及其工作过程。通过电磁阀的静态和动态特性分析了解了流量和相关参数的关系。

3、对初步了解ANSYS软件，学习Ansys Maxwell 原理，学习Ansoft Maxwell 建模。了解电磁阀在不同的阶段的基本要求，学习电磁阀驱动电路，对基于PID控制的PWM驱动电路进行设计，对速电磁阀驱动电路快速响应特性理论分析。

关键词：电磁阀，工作原理，高压共轨，特性，有限元，驱动电路

Abstract

The high-speed solenoid valve is the core component of the diesel high pressure common rail electronically controlled fuel injection system. As the core component of the system, the working performance of the high-speed solenoid valve directly affects the control accuracy of the system, which in turn affects the dynamics and economy of the diesel engine. The key to achieve flexible injection control of diesel high pressure common rail electronically controlled fuel injection system is precise control of fuel injection starting point, fuel injection timing and fuel injection rate. The fast response characteristics of high-speed solenoid valve are the injection start point, fuel injection timing and The key to precise control of fuel injection rate. The main research work and conclusions of this article are as follows:

1. Understand the basic knowledge of electricity and magnetism, learn the structure and working principle of the solenoid valve, and have a preliminary understanding of the solenoid valve and its working process. The high-speed solenoid valve can be seen as a system consisting of liquid, machine, electricity and magnetism. The working process is the mutual conversion and interaction between liquid, machine, electricity and magnetism. The role of the magnetic field is to convert electrical energy into mechanical energy. The dynamic mathematical model of the electromagnetic valve is learned and then classified according to the characteristics of the electromagnetic valve.

2. Take the ECD-U2 high pressure common rail fuel injection system of Japan Denso Co., Ltd. as an example to learn about the composition and basic components of the common rail system, learn the basic principle and working process of the high pressure common rail type electronic fuel injection system, and study in depth. The working principle of solenoid valve and its working process. The relationship between the flow rate and related parameters is understood by analyzing the static and dynamic characteristics of the solenoid valve.

3, for a preliminary understanding of ANSYS software, learning Ansys Maxwell principle, learning Ansoft Maxwell modeling. Understand the basic requirements of the solenoid valve at different stages, learn the solenoid valve drive circuit, design the PWM drive circuit based on PID control, and analyze the fast response characteristics of the drive circuit of the speed solenoid valve.

Keywords: Solenoid valve, working principle, high pressure common rail, characteristics, finite element analyze, drive circuit

绪论 1
1. 研究的背景及意义 1
2. 柴油机电控喷油发展历史 1
3. 高速电磁阀的研究现状 2
4. 本文的主要内容 4
工作原理 6

2.1 电磁场基础 6

2.1.1 磁场 6

2.1.2 安倍环路定律 7

2.2 电磁阀工作原理 8

2.2.1 电路方程 9

2.2.2 磁路方程 9

2.2.3 运动方程 9

2.2.4 流量方程 10

2.2.5 电磁阀分类 10

2.3 本章小结 12

第三章高速电磁阀工作过程及特性 13

3.1 日本电装公司的ECD—U2高压共轨喷油系统 13

3.1.1 ECD—U2高压共轨式喷油系统概述 13

3.1.2 系统立本原理 14

3.1.3 ECD—U2高压共轨式喷油系统的主要部件及其作用 14

3.1.3.1 高压供油泵 14

3.1.3.2 压力控制阀 15

3.1.3.3 共轨 15

3.1.3.4 液流缓冲器 16

3.1.3.5 高压溢流阀 16

3.1.3.6 电控喷油器 17

3.1.3.7 喷油器电磁阀 17

3.2 高速电磁阀设计条件 19

3.2.1 工作压力 19

3.2.2 响应时间 19

3.2.3 流通能力 19

3.2.4 工作温度和工作一致性 19

3.3 电磁阀特性 20

3.3.1 高速电磁阀的静态特性 20

3.3.1.1 理想空载流量特性 20

3.3.1.2 实际负载流量特性 21

3.3.1.3 流量—压力特性 22

3.3.2 高速电磁阀的动态特性 22

3.3.2.1 高速电磁阀的阶跃特性 22

3.3.2.2 高速电磁阀的频率响应特性 23

3.4 高速电磁阀的结构简析 24

3.5 本章小结 25

第四章高速电磁阀有限元分析和控制策略研究 26

4.1 高速电磁阀有限元分析 26

4.1.1 仿真软件简介 26

4.1.2 Ansys Maxwell 计算原理 26

4.1.3 3D静磁场 26

4.1.4 3D瞬态磁场 27

4.2 驱动电路 29

4.2.1 驱动电路基本要求 29

4.2.2 高速电磁阀驱动电路三种形式 30

4.2.2.1 可调电阻式 30

4.2.2.2 双电源式 30

4.2.2.3 脉宽调制式（PWM） 31

4.2.3 基于PID控制的PWM驱动电路设计 32

4.3 高速电磁阀驱动电路快速响应特性理论分析 34

4.3.1 高速电磁阀快速开启原理分析 34

4.3.2 喷油器快速关断原理分析 35

4.3.2.1 缓慢卸流回路 35

4.3.2.2 雪崩卸流回路 36

4.3.2.3 储能卸流回路 37

4.4 本章小结 38

第五章结论与展望 39

5.1 结论 39

5.2 展望 39

参考文献 41

致谢 43

绪论

柴油机就是将柴油的化学能转换为热能，再将热能转换成机械能的动力机械设备。从能量转化的角度来看，柴油机的机械损失能量比较小，在热机领域具有最高的热效率，而且可以使用重油，费用低，经济性好。柴油机单机功率最低可以达到0.6kw，最高可以达到100000kw，功率范围宽广，基本可以满足不同船舶的使用要求。而且柴油机可以适应航行过程中的各种恶劣天气和工作条件，机动性好，方便维护与修理，因此柴油机已经无可替代。

1.1研究背景及意义

高速电磁阀是柴油机电控喷油系统的核心部件。在最先进的共轨式电控喷油系统中，高速电磁阀是对喷油始点、喷油定时进行精准控制的关键。在共轨式电控喷油系统中，喷油的控制是高速电磁阀把柴油机电控单元发出的控制信号转换特定的信号来实现的，所以高速电磁阀的快速响应特性是衡量其工作性能的一个重要指标。因此，对高速电磁阀进行试验与研究，使其性能满足喷油的控制要求，研究更加先进的高压共轨式电控喷油系统，提高燃油利用率，降低柴油机废气排放，保护地球环境方面具有重要意义。

1.2柴油机电控喷油发展历史

柴油机电控喷油系统的研究从上世纪七十年代就已经开始了，目前为止已经更替了三代^[1]。

为了提升柴油机系统的响应速度和控制精度，把机械调速器用电子控制替换，不更改柴油机的压送机构，即为第一代电控喷油系统。在第一代电控喷油系统中，柴油机的结构几乎不变，因此可以对传统柴油机进行升级。但是第一代电控喷油系统的喷油压力和喷油率还是难以控制。喷油压力因喷射特性无法改变而难以提高。

为了提高柴油机系统的控制精度和自由度，采用高速电磁阀对喷油始点、喷油定时进行控制，即为第二代电控喷油系统。由于高速电磁阀的使用，第二代的控制自由度上在第一代的基础上有了非常大的提高。时间控制就是让高速电磁阀控制系统在合适的时间点进行喷油。第二代电控喷油系统可以使用高压喷油系统，也可以使用传统喷油系统。利用高速电磁阀直接对喷油进行控制，既可以对喷油定时进行控制，又可以对喷油始点进行控制，显然第二代电控喷油系统系统对于喷油控制的自由度更大。在第二代电控喷油系统中，燃油压力由柱塞建立，喷油始点和喷油量由高速电磁阀控制两个结构相互独立，使喷油器结构更加简单，有利于提高喷油器的强度和设计自由度，有利于提高高压燃油喷射能力。但是由于第二代电控喷油系统没有改变供油方式，转速对供油的影响还是很大。

使发动机的转速和负荷与供油压力无关，让增压机构独立，一起对喷油时间和喷油量进行控制，压力由蓄压器-共轨独立控制，即为第三代电控喷油系统。第三代电控喷油系统中高压油由高压油泵输送到共轨，再由共轨输送到喷油器中。与传统的燃油喷射系统相比，在第三代电控喷油系统中，共轨系统压力的保持与调节由高压油泵进行控制，喷油过程由高速电磁阀进行控制。总体上来讲，第三代电控喷油系统的优点有：

可进行高压喷油，最高压力已达200MP。
柴油机转速不会对喷射压力产生影响。
喷射的控制自由度更大，可实现理想喷油规律。
喷油始点和喷油定时可以自由控制。
喷油特性更好，燃烧过程得到优化，柴油机的排放和燃料消耗得到改善，柴油机的扭矩特性得到改善。
结构简单，适应性强、可靠性好，可用于新老柴油机。

1.3高速电磁阀研究现状

由美国卡特彼勒开发的电控喷油系统使用的电磁阀，其结构如图1-1所示^[2]。电磁阀阀芯中径大，流通能力是电磁阀采用的是锥阀式结构来保证的，即可在短在行程内实现大流量。

图1-1 二位三通电磁阀

为了使响应速度提高，减少质量运动，电磁阀阀芯的设计采用空心轴结构。为了使工作压力适用性更大，减小了液压对阀芯的作用。这种电磁阀阀口密封性能较好，但是组装操作性能差。

由日本电装公司开发的ECD-U2高压共轨式电控喷油系统采用的电磁阀如图1-2所示。为了使响应速度快，运动质量小，电磁阀的外阀芯中空，内阀芯轴向自由安装。为了有足够的流通能力，进油口和回油口都是锥面，进油孔是内阀芯和外阀芯配合，回油孔是外阀芯和阀体配合。但是电磁阀工作时外阀芯受到的液压力较大，适用范围较窄。