CN112231905A - 一种高压共轨喷油器高速电磁阀动态响应特性计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种高压共轨喷油器高速电磁阀动态响应特性计算方法，包括如下步骤：对高速电磁阀的电磁场进行网络拓扑结构的划分，求解高速高速电磁阀的外电路模型部分，计算得出磁网络的连支磁通矩阵，并利用电路每个环集都有一条只属于自己的连支的特性，列出等效磁网络的环集矩阵，得到矩阵元磁通矩阵。本发明提供了高速电磁阀动态响应特性计算方法，该方法通过引入涡电阻和涡电感实现对磁性材料在高频磁场下涡流现象的考虑，从而使得该方法可以准确模拟电磁阀在打开过程关闭过程的动态特性，为开展精确的高速电磁阀性能预测和优化提供准确的计算模型。

Description

一种高压共轨喷油器高速电磁阀动态响应特性计算方法

技术领域

本发明涉及的是一种高速电磁阀，具体地说是柴油机高压共轨高速电磁阀。

背景技术

两位两通的高速电磁阀是高压共轨喷油器的核心部件，高速电磁阀的高动态响应特性是共轨系统实现燃油精确、柔性喷射的重要保证。由于高速电磁阀是在共轨系统的液力环境下工作的，因此电磁阀的动态响应特性和系统的机械、液压运动是相互耦合的。尽管采用三维电磁有限元软件可以进行高速电磁阀的仿真研究，但三维软件无法和系统内的液压、机械运动实现双向耦合研究。磁网络拓扑法被广泛应用于新型电机磁路的计算，但未被应用到两位两通的高速电磁阀磁路计算，更是缺少基于网络拓扑法的高速电磁阀动态响应特性的计算方法。

发明内容

本发明的目的在于提供可用于高压共轨喷油器不同类型的高速电磁阀开启和关闭响应特性优化的一种高压共轨喷油器高速电磁阀动态响应特性计算方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种高压共轨喷油器高速电磁阀动态响应特性计算方法，其特征是：

(1)对高速电磁阀的电磁场进行网络拓扑结构的划分：解析高速电磁阀结构特征推测出高速电磁阀实际工作过程中的磁感线的所有可能流向，包括磁性材料中的磁场分布、磁性材料发生磁饱和时的不同漏磁情、气隙中的磁场分布情况、以及在径向和轴向的磁场分布的区别，并用磁网络图进行表达；

(2)求解高速高速电磁阀的外电路模型部分，外电路特性用电感和电阻组成的RL电路描述，设定高速电磁阀线圈绕组的电阻R_inj，高速电磁阀驱动外电路的电阻R_c，其中线圈绕组的等效电感L_inj的求解表示为：

上式中N为线圈匝数，R_m是系统磁阻，即等效磁网络的总磁阻，总磁阻通过计算等效磁网络中各部分磁阻，再根据各磁阻的串、并联关系求得，各个部分的磁阻计算公式：

上式中l_k是磁路的长度，S_nT是磁路的有效流通面积，u_nT是磁导率，k＝1～n；根据基本电路方程求解该电路：

上式中U是高速电磁阀驱动电压，R是回路电阻，i是线圈通电电流，N是线圈匝数，φ是单匝线圈中的磁通量；

(3)根据步骤(2)等效磁网络中各部分磁阻的计算结果，计算得出磁网络的连支磁通矩阵F_iL0，并利用电路每个环集都有一条只属于自己的连支的特性，列出等效磁网络的环集矩阵C，则得到矩阵元磁通矩阵，即高速电磁阀元件磁通矩阵为：

F_iK＝C×F_iL0。

本发明还可以包括：

1、步骤(1)中，基于网络拓扑法对于磁阻元件的划分，明确区分重要边界线与材质分界线，在不同磁性材料的交界处，以及磁性材料与空气的边界。

2、步骤(2)(3)中，求解高速电磁阀的外电路模型部分，高速电磁阀线圈绕组的电阻R_inj、高速电磁阀驱动外电路的电阻R_c和线圈匝数N根据高速电磁阀具体实际参数值设定，磁性材料的涡流效应用并联一个涡流等效电感L_e和电阻R_e描述，其值由试验数据进行拟合获取。

3、计算等效磁网络中各部分磁阻的具体方法为：

a)输入磁阻计算基本结构参数，包括线圈匝数、气隙、真空磁导率、铁芯高度、线圈高度、铁芯内部中空孔直径、线圈内侧直径、线圈外侧直径、铁芯下端面靠近衔铁凹口处直径、衔铁直径、衔铁厚度，根据网络拓扑结构划分的磁路走向与磁感线走势，计算轴向、径向、曲向和漏磁各部分磁路面积，当有n部分磁路时，磁路面积矩阵S_nT具体表示为：

其中S₁～S_n为各部分磁路的有效流通面积；

b)设置等效磁网络的迭代初始磁导率u_nT＝[u₀,u₁…u_n-1,u_n]，其中气隙部分设置为真空磁导率，非气隙部分磁导率初值设置为1，输入以时间t为自变量的高速电磁阀外电路的电压曲线U，设置计算步长为Δt、计算总时长为t_T，在一个时间步长内，进行c)-d)的磁阻迭代；

c)根据u_nT的值和基本结构参数，运用公式

对轴向、径向、曲向和漏磁各部分磁路等效磁阻计算，获得等效磁阻矩阵Z_mnT：

根据各磁阻的串、并联关系计算获得等效磁网络的总磁阻R_m，并由公式

计算得出线圈绕组的等效电感L_inj，衔铁的位移导致外电路等效电感的变化，其变化率可以表示为：

上式中v_move为衔铁的运动速度，u_k和S_k分别为对应衔铁位置部分的气隙磁导率和有效流通面积，根据计算得出的L_inj和

运用基本电路方程得出等效外电路的电流I，根据线圈匝数N和电流I得出等效磁网络的磁势元矩阵F_i；

d)根据等效磁阻矩阵Z_mnT、磁势元矩阵F_i和环集矩阵C，求取等效磁网络的连支磁通矩阵F_iL0：

F_iL0＝(C^TZ_mnTC)^-1C^TF_i

则n部分磁路的磁场强度计算公式为：

上式中高速电磁阀元件磁通矩阵F_iK＝C×F_iL0，引入磁化曲线拟合公式，求得n个部分磁路的磁感应强度B(k)，则磁导率

将u_nT ^*中非气隙部分的值赋值到对应u_nT中，输入到步骤c)中重复以上计算，终止条件：

若达到终止条件则进行步骤e)步；

e)提取磁通矩阵F_iK中对应衔铁位置的磁通F_a、F_b，则该时间步长内产生的电磁力为：

对高速电磁阀衔铁运动进行受力分析，构建高速电磁阀的动态响应模型，分析衔铁受力情况，定义F_force是电磁力，F_fr是衔铁运动过程中的摩擦阻力，F_mass是衔铁所受重力，F_spr是弹簧弹力，衔铁和铁芯之间燃油液动力F_hyd，取衔铁向上运动为正方向，求解高速电磁阀的衔铁运动方程：

上式中，c是阻尼系数，M_arm是衔铁质量，v_arm是衔铁运动速度，a_arm是衔铁运动加速度，x_arm是衔铁位移，更新参数数据并返回步骤b)进行下一时间步长的计算，直至时间t达到计算总时长t_T，则计算终止；

f)输出自变量为时间的高速电磁阀衔铁升程曲线结果。

本发明的优势在于：本发明提供了高速电磁阀动态响应特性计算方法，该方法通过引入涡电阻和涡电感实现对磁性材料在高频磁场下涡流现象的考虑，从而使得该方法可以准确模拟电磁阀在打开过程关闭过程的动态特性，为开展精确的高速电磁阀性能预测和优化提供准确的计算模型。

附图说明

图1为高速电磁阀结构示意图；

图2为高速电磁阀网络拓扑分布图；

图3为高速电磁阀等效磁网络图；

图4为高速电磁阀衔铁受力示意图；

图5为高速电磁阀动态响应预测值和实验数据的对比图；

图6为本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1-6，本发明一种高压共轨喷油器高速电磁阀动态响应特性计算方法，其具体流程包括：

(1)根据图1高速电磁阀部分的结构示意图，对高速电磁阀的电磁场进行如图2所示的网络拓扑结构的划分：解析高速电磁阀结构特征可推测出高速电磁阀实际工作过程中的磁感线的所有可能流向，包括磁性材料中的磁场分布，磁性材料发生磁饱和时的不同漏磁情况，气隙中的磁场分布情况，以及在径向和轴向的磁场分布的区别，图3是划分后的磁网络表达；

(2)求解高速电磁阀的外电路模型部分时，外电路特性用电感和电阻组成的RL电路描述，设定高速电磁阀线圈绕组的电阻R_inj，高速电磁阀驱动外电路的电阻R_c，其中线圈绕组的等效电感L_inj的求解表示为：

上式中N为线圈匝数，R_m是系统磁阻，即等效磁网络的总磁阻，总磁阻通过计算等效磁网络中各部分磁阻，再根据各磁阻的串、并联关系求得，各个部分的磁阻计算公式：

上式中l_k是磁路的长度，S_nT是磁路的有效流通面积，u_nT是磁导率，k＝1～n。根据基本电路方程求解该电路：

上式中U是高速电磁阀驱动电压，R是回路电阻，i是线圈通电电流，N是线圈匝数，φ是单匝线圈中的磁通量。

(3)根据步骤(2)等效磁网络中各部分磁阻的计算结果，计算得出磁网络的连支磁通矩阵F_iL0，并利用电路每个环集都有一条只属于自己的连支的特性，列出等效磁网络的环集矩阵C，则得到矩阵元磁通矩阵，即高速电磁阀元件磁通矩阵为：

F_iK＝C×F_iL0 (4)

所述步骤(1)中，基于网络拓扑法对于磁阻元件的划分，必须明确区分重要边界线与材质分界线，在不同磁性材料的交界处，以及磁性材料与空气的边界；尽可能地包含有磁路所有可能的走势，保证足够的划分精度，使得划分区域内磁场特征可视为一致；磁路走向需与磁感线走势相符，使得磁路元件性质易于表达与计算。

所述步骤(2)(3)中，求解高速电磁阀的外电路模型部分，高速电磁阀线圈绕组的电阻R_inj、高速电磁阀驱动外电路的电阻R_c和线圈匝数N根据高速电磁阀具体实际参数值设定，磁性材料的涡流效应用并联一个涡流等效电感L_e和电阻R_e描述，其值由试验数据进行拟合获取。根据已划分的磁网络计算等效磁网络中各部分磁阻的具体方法为：

a)输入磁阻计算基本结构参数，包括线圈匝数、气隙、真空磁导率、铁芯高度、线圈高度、铁芯内部中空孔直径、线圈内侧直径、线圈外侧直径、铁芯下端面靠近衔铁凹口处直径、衔铁直径、衔铁厚度。根据网络拓扑结构划分的磁路走向与磁感线走势，计算轴向、径向、曲向和漏磁各部分磁路面积，当有n部分磁路时，磁路面积矩阵S_nT具体表示为：

其中S₁～S_n为各部分磁路的有效流通面积；

b)设置等效磁网络的迭代初始磁导率u_nT＝[u₀,u₁…u_n-1,u_n]，其中气隙部分设置为真空磁导率，非气隙部分磁导率初值设置为1。输入以时间t为自变量的高速电磁阀外电路的电压曲线U，设置计算步长为Δt、计算总时长为t_T，在一个时间步长内，进行c)-d)的磁阻迭代；

c)根据u_nT的值和基本结构参数，运用公式(2)对轴向、径向、曲向和漏磁各部分磁路等效磁阻计算，获得等效磁阻矩阵Z_mnT:

根据各磁阻的串、并联关系计算获得等效磁网络的总磁阻R_m，并由公式(1)计算得出线圈绕组的等效电感L_inj，由于衔铁的位移会导致外电路等效电感的变化，其变化率可以表示为：

上式中v_move为衔铁的运动速度，u_k和S_k分别为对应衔铁位置部分的气隙磁导率和有效流通面积。根据计算得出的L_inj和

运用基本电路方程可得出等效外电路的电流I，根据线圈匝数N和电流I得出等效磁网络的磁势元矩阵F_i；

d)根据等效磁阻矩阵Z_mnT、磁势元矩阵F_i和环集矩阵C，求取等效磁网络的连支磁通矩阵F_iL0:

F_iL0＝(C^TZ_mnTC)^-1C^TF_i (6)

则n部分磁路的磁场强度计算公式为：

上式中高速电磁阀元件磁通矩阵F_iK＝C×F_iL0，引入磁化曲线拟合公式，求得n个部分磁路的磁感应强度B(k)，则磁导率

将u_nT ^*中非气隙部分的值赋值到对应u_nT中，输入到c)中重复以上计算，终止条件：

若达到终止条件则进行e)步；

e)提取磁通矩阵F_iK中对应衔铁位置的磁通F_a、F_b，则该时间步长内产生的电磁力为：

对高速高速电磁阀衔铁运动进行受力分析，构建高速电磁阀的动态响应模型，受力情况如图4，其中F_force是电磁力，F_fr是衔铁运动过程中的摩擦阻力，F_mass是衔铁所受重力，F_spr是弹簧弹力，衔铁和铁芯之间燃油液动力F_hyd。根据牛顿第二定律，取衔铁向上运动为正方向，求解高速电磁阀的衔铁运动方程：

上式中，c是阻尼系数，M_arm是衔铁质量，v_arm是衔铁运动速度，a_arm是衔铁运动加速度，x_arm是衔铁位移。更新参数数据并返回b)进行下一时间步长的计算，直至时间t达到计算总时长t_T，则计算终止。

f)输出自变量为时间的高速电磁阀衔铁升程曲线结果。

图5表明了衔铁动态响应的计算数据和实验数据有良好的一致性，衔铁到达最大升程的时刻和完全关闭时刻总体误差范围不超过5％，符合工程应用的误差范围内，这说明本发明提供的基于网络拓扑法的高压共轨系统高速电磁阀动态性能计算方法的准确性和可靠性。

Claims (4)

1.一种高压共轨喷油器高速电磁阀动态响应特性计算方法，其特征是：

(1)对高速电磁阀的电磁场进行网络拓扑结构的划分：解析高速电磁阀结构特征推测出高速电磁阀实际工作过程中的磁感线的所有可能流向，包括磁性材料中的磁场分布、磁性材料发生磁饱和时的不同漏磁情、气隙中的磁场分布情况、以及在径向和轴向的磁场分布的区别，并用磁网络图进行表达；

(2)求解高速高速电磁阀的外电路模型部分，外电路特性用电感和电阻组成的RL电路描述，设定高速电磁阀线圈绕组的电阻R_inj，高速电磁阀驱动外电路的电阻R_c，其中线圈绕组的等效电感L_inj的求解表示为：

上式中N为线圈匝数，R_m是系统磁阻，即等效磁网络的总磁阻，总磁阻通过计算等效磁网络中各部分磁阻，再根据各磁阻的串、并联关系求得，各个部分的磁阻计算公式：

上式中l_k是磁路的长度，S_nT是磁路的有效流通面积，u_nT是磁导率，k＝1～n；根据基本电路方程求解该电路：

上式中U是高速电磁阀驱动电压，R是回路电阻，i是线圈通电电流，N是线圈匝数，φ是单匝线圈中的磁通量；

(3)根据步骤(2)等效磁网络中各部分磁阻的计算结果，计算得出磁网络的连支磁通矩阵F_iL0，并利用电路每个环集都有一条只属于自己的连支的特性，列出等效磁网络的环集矩阵C，则得到矩阵元磁通矩阵，即高速电磁阀元件磁通矩阵为：

F_iK＝C×F_iL0。

2.根据权利要求1所述的一种高压共轨喷油器高速电磁阀动态响应特性计算方法，其特征是：步骤(1)中，基于网络拓扑法对于磁阻元件的划分，明确区分重要边界线与材质分界线，在不同磁性材料的交界处，以及磁性材料与空气的边界。

3.根据权利要求1所述的一种高压共轨喷油器高速电磁阀动态响应特性计算方法，其特征是：步骤(2)(3)中，求解高速电磁阀的外电路模型部分，高速电磁阀线圈绕组的电阻R_inj、高速电磁阀驱动外电路的电阻R_c和线圈匝数N根据高速电磁阀具体实际参数值设定，磁性材料的涡流效应用并联一个涡流等效电感L_e和电阻R_e描述，其值由试验数据进行拟合获取。

4.根据权利要求1所述的一种高压共轨喷油器高速电磁阀动态响应特性计算方法，其特征是：计算等效磁网络中各部分磁阻的具体方法为：

a)输入磁阻计算基本结构参数，包括线圈匝数、气隙、真空磁导率、铁芯高度、线圈高度、铁芯内部中空孔直径、线圈内侧直径、线圈外侧直径、铁芯下端面靠近衔铁凹口处直径、衔铁直径、衔铁厚度，根据网络拓扑结构划分的磁路走向与磁感线走势，计算轴向、径向、曲向和漏磁各部分磁路面积，当有n部分磁路时，磁路面积矩阵S_nT具体表示为：

其中S₁～S_n为各部分磁路的有效流通面积；

b)设置等效磁网络的迭代初始磁导率u_nT＝[u₀,u₁…u_n-1,u_n]，其中气隙部分设置为真空磁导率，非气隙部分磁导率初值设置为1，输入以时间t为自变量的高速电磁阀外电路的电压曲线U，设置计算步长为Δt、计算总时长为t_T，在一个时间步长内，进行c)-d)的磁阻迭代；

c)根据u_nT的值和基本结构参数，运用公式

对轴向、径向、曲向和漏磁各部分磁路等效磁阻计算，获得等效磁阻矩阵Z_mnT：

根据各磁阻的串、并联关系计算获得等效磁网络的总磁阻R_m，并由公式

计算得出线圈绕组的等效电感L_inj，衔铁的位移导致外电路等效电感的变化，其变化率可以表示为：

上式中v_move为衔铁的运动速度，u_k和S_k分别为对应衔铁位置部分的气隙磁导率和有效流通面积，根据计算得出的L_inj和

运用基本电路方程得出等效外电路的电流I，根据线圈匝数N和电流I得出等效磁网络的磁势元矩阵F_i；

d)根据等效磁阻矩阵Z_mnT、磁势元矩阵F_i和环集矩阵C，求取等效磁网络的连支磁通矩阵F_iL0：

F_iL0＝(C^TZ_mnTC)^-1C^TF_i

则n部分磁路的磁场强度计算公式为：

上式中高速电磁阀元件磁通矩阵F_iK＝C×F_iL0，引入磁化曲线拟合公式，求得n个部分磁路的磁感应强度B(k)，则磁导率

将u_nT ^*中非气隙部分的值赋值到对应u_nT中，输入到步骤c)中重复以上计算，终止条件：

若达到终止条件则进行步骤e)步；

e)提取磁通矩阵F_iK中对应衔铁位置的磁通F_a、F_b，则该时间步长内产生的电磁力为：

对高速电磁阀衔铁运动进行受力分析，构建高速电磁阀的动态响应模型，分析衔铁受力情况，定义F_force是电磁力，F_fr是衔铁运动过程中的摩擦阻力，F_mass是衔铁所受重力，F_spr是弹簧弹力，衔铁和铁芯之间燃油液动力F_hyd，取衔铁向上运动为正方向，求解高速电磁阀的衔铁运动方程：

上式中，c是阻尼系数，M_arm是衔铁质量，v_arm是衔铁运动速度，a_arm是衔铁运动加速度，x_arm是衔铁位移，更新参数数据并返回步骤b)进行下一时间步长的计算，直至时间t达到计算总时长t_T，则计算终止；

f)输出自变量为时间的高速电磁阀衔铁升程曲线结果。

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