为何采用电控高压共轨燃油系统

徐铁钢

[摘 要]随着各个国家用于交通运输的车辆、船舶数量的急剧增加，柴油机排放的尾气已经成为了地球环境的主要污染源，节能减排成为了工业领域最热门的话题。本文针对这一问题，对电磁铁的材料和结构进行了研究和分析，详细阐述了和高速电磁铁的设计制造有关的内容，并对电磁铁各个方面的特性进行了测试，希望能为实现电控共轨燃油系统高速电磁铁的国产化提供帮助。

[关键词]柴油机；燃油系统；高速电磁铁

中图分类号：TK401 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）48-0270-01

引言：在柴油机的电控系统中，燃油系统的电控化起着最为关键的作用。电控汽油喷射系统早已被广泛应用于汽车领域，其传感器与控制单元可以适用于任何汽车的发动机，早已不是发展中的难点问题。由于柴油机电控系统的喷射压力达到了100～200MPa，这个数值是汽油喷射压力的几十倍，所以对电子控制系统的要求较高，给开发增加了很大的难度，因此导致柴油机的电控技术在发展上与汽油机相比慢上很多。

1.高速电磁铁的设计与制造

1.1 高速电磁铁在高压共轨中的应用

为了实现柴油机的降噪，电控执行器要进行主喷和预喷。主喷一般会持续几毫秒的时间，而预喷的时间则更短，两者间只有几毫秒的间隔。这些工作想要实现，需要电磁铁拥有很高的响应能力。以共轨喷油器为例，图1为这种喷油器的结构简图。当电磁铁处于断电状态时，孔板腔内的油压和喷油器针阀腔内的油压相等，针阀不会抬起。当电磁铁开始通电时，由于孔板上的小孔具有节流作用，孔板腔内的油压会快速地下降，而针阀腔内部的油压则不会下降，这种压差的产生会造成针阀抬起，喷油器开始进行喷油。而当电磁铁再次断电时，孔板腔内会快速建立同针阀腔相等的油压，针阀会在弹簧的控制下快速落座，喷油工作停止。

1.2 电磁铁芯的结构选择

铁芯的结构会直接影响到电磁阀的性能。在上个世纪八十年代，国外的一些公司研发出了由很多单E型小电磁铁所构成的高速电磁铁，由于单E型小电磁铁的线圈数量较少，这种电磁铁内的电涡流也很小，其响应速度较快，作用合力大，但体积也较大。后来一些公司又批量生产出了电控单体泵，采用的是单E型铁芯，这种铁芯非常容易制造，但其有效面积的利用率很低。后来经过不断的研究和创新，人们终于研制出了涡旋叠片E型铁芯，这种铁芯的有效面积利用率和之前相比提高了大约25%，使得电磁铁的总体积减少了很多。目前，我国也已成功研制出了涡旋叠片铁芯。

1.3 电磁铁芯的材料选择

通常情况下，制造电磁铁芯所使用的都是软磁材料，高速电磁铁的铁芯涡流和磁滞损耗要控制在很小的范围内。磁性材料的特性可以用磁场强度与磁感应强度间的关系曲线来表示出来[1]。目前应用较为广泛的软磁材料有电工纯铁、坡莫合金、硅钢带、特种粉末冶金等。其中，电工纯铁只适用于整体结构，涡流和磁滞损耗较大；坡莫合金的磁导率较高，但饱和磁感应强度很低；特种粉末冶金材料在国内还尚处于研制阶段。而硅钢带则具有很高的磁感应强度和磁导率，涡流和磁滞损耗均较低，是目前最为合适的软磁材料。

2.电磁铁的性能测试

2.1 电磁铁的静态吸力测试

在电磁铁生产出来以后，首先要测试其驱动电流I、吸力F、气隙S三者之间的关系曲线，即I一定，F=f（S），或S一定，F=f（I），从而给电磁铁性能的研究提供理论依据。设计人员开發出了电磁阀的静态特性试验台，原理如图2所示。电磁阀驱动器可产生0至15A的电流，当电磁阀和衔铁之间的气隙经过合适的调整之后，就可以根据步长为电磁阀输送电流，再使用力传感器测出吸力，并使用计算机软件根据电流不变、气隙改变或气隙不变、电流改变的方式进行采样。

2.2 电磁铁温度特性试验

当发动机开始工作时，发动机的温度变化范围非常大，最高温度甚至会达到120℃，而电磁铁是装置在喷油器上面的，所以电磁铁对温度的变化非常敏感，其特性也会随温度的变化而变化。为了探究电磁铁的温度特性，可以在静态实验台上增加一些加温、调温、控温装置，使电磁铁能保持一定的温度，从而测试出电流气隙和吸力间的关系，如图3、图4所示。从图中可以看出，随着试验温度的提高，吸力在增大，这是由于磁导率和电阻率随温度变化所引起的，吸力增加会导致喷油量的增加，使发动机的工作情况发生改变，这是设计人员不希望看到的场面。通过本曲线，设计人员可从电控硬件及软件上采取措施来使喷油量趋于稳定。

2.3 提高电磁阀的动态响应

根据电磁吸力和驱动电流间的关系可知，电流越大，电磁吸力就越大，对应电磁阀的响应速度就越快，位于线圈上的电感阻碍电流到达其最大值所用的时间，由电压平衡方程可知，增大驱动电压，就能够增大线圈中电流的变化率，从而增快电磁阀响应的速度，但在高压电流的驱动下，衔铁在吸合之后，若没能及时将电源切断，则会让铁芯变成饱和状态，线圈温度上升过高，所以在实际工作时一定要迅速降低电流，从而让衔铁可以一直维持在吸合状态[2]。

总结

综上所述，使用国产高速电磁铁的电控共轨燃油系统在经过了反复的改进和设计之后，已经能够完成电磁铁的静态吸力试验、温度特性试验以及电磁阀的动态响应试验。而根据试验结果可以确定，国产的高速电磁铁以及能够满足电控共轨燃油系统的需求，并能小批量的应用在汽车领域。我国的下一步工作就是凭借现有的条件，进一步对电磁铁的性能加以完善，为电控共轨燃油系统的国产化和商品化做准备。

参考文献

[1] 王正严.高压共轨柴油机电控系统的研究与分析[D].大连理工大学，2009.

[2] 李扬.高速强力电磁铁的设计与仿真[D].清华大学，2012.