摘 要：应用有限元分析软件建立了进口高压电磁阀进油流量控制阀的仿真计算模型，进口高温电磁阀自主开发了共轨泵用进油流量控制阀。确定了基本结构参数并进行优化，缩短了开发周期。设计开发了试验系统验证了进油流量控制阀的性能。试验结果表明：自主开发的进油流量控制阀电流－流量曲线线性度好，电流上升和电流下降的电流－流量曲线误差小，进油流量控制阀的轨压调节响应特性在0.2s以内，完全能满足共轨系统的工作要求。

关键字：内燃机 柴油机 高压共轨 共轨泵 进油流量控制阀

0 概述

柴油机对燃油喷射系统的要求包括四大要素：定时喷射、定量喷射、定压喷射和多次喷射。目前，柴油机的燃油喷射系统主要有机械式喷油泵、电控单体泵、电控泵喷嘴和电控高压共轨系统等型式，其中只有电控高压共轨系统能够满足以上四点要求，其他系统只能实现定时和定量喷射，因此电控高压共轨系统成为燃油喷射系统的主要发展方向。

目前电控高压共轨系统定时、定量和多次喷射由电控喷油器实现，定压功能由高压共轨泵实现。高压共轨泵根据发动机工况需求控制供到共轨管中的油量，从而实现系统压力的任意控制。高压共轨泵的流量控制方式多采用进油计量比例控制，即在高压油泵上安装比例流量阀来控制进油量，这种流量控制方式明显优于断缸＋高压溢流、进油开关式，控制方式精确，阀的尺寸小且成本低，同时可最大程度地避免能量浪费。比例流量阀作为高压共轨系统的关键零部件，其核心技术基本被德国的博世公司、日本的电装公司和美国的德尔福公司等大公司垄断，其生产的阀结构尺寸比较小，控制精度高，响应速度快。国内共轨泵用比例流量阀研究起步晚，发展程度与先进产品有较大的差距，且无大批量生产的自主产品。

1 比例流量阀的流量调节原理

图1为比例流量阀流量调节原理图。系统燃油在共轨系统输油泵作用下通过比例流量阀，经过进油阀再进入柱塞腔。比例流量阀的驱动电流通过ECU的脉宽调制波控制，当比例流量阀驱动电流为零时，在复位弹簧的作用下阀开度达最大，系统的燃油供油量最大；增大比例流量阀的驱动电流，可以增大比例流量阀中衔铁所受的电磁力，从而可克服复位弹簧力减小阀的开度；驱动电流最大时，比例流量阀关闭，系统的燃油供油量为零。系统供油量可以根据需求在开度最大和最小之间任意控制。

图1 比例流量阀的流量调节原理

2 比例流量阀的结构设计

本文开发的比例流量阀由比例电磁铁部件和阀偶件部件组成，如图2所示。

图2 比例流量阀的结构

比例电磁铁部件主要由壳体、进口低温电磁阀导套、衔铁、极靴、线圈、推杆及轴承等零件组成，推杆和衔铁通过过盈配合压配成一体，推杆衔铁可以在两轴承中间沿轴向运动。壳体、导套、衔铁和极靴均为磁性材料，推杆为非导磁材料。

阀偶件部件主要由阀体、阀芯、复位弹簧和弹簧座组成。阀体上开有流量孔，阀芯可以在阀体内沿轴向运动，当阀芯盖住阀体上的流量孔时，即改变了阀的流通面积。该比例流量阀具有结构简单、加工成本低等优点。

该比例流量阀工作原理如图3所示。当线圈通电时，在线圈的周围产生磁场，磁力线经过壳体、导套、衔铁和极靴形成闭合回路，该回路可以分为两条：一条沿着壳体、导套、衔铁进入极靴盆腔底部，形成回路1；另一条沿着壳体、导套、衔铁进入极靴锥形侧边，形成回路2。磁力线具有总是沿着磁阻最小的路径闭合并力图缩短磁通路径以减小磁阻的趋势，该趋势即为电磁力，回路1形成轴向力F₁，回路2形成轴向力F₂，电磁铁的输出力即为F₁和F₂之和。电流为零时，电磁产生的轴向力为零，阀处于最大开启状态；随着电流的增大，电磁力增加，推动阀往开口变小的方向运动。

图3 比例电磁铁的磁路

3 性能试验与分析

3.1 比例流量阀的电流－流量特性试验

为检测比例流量阀的电流－流量特性，设计试验系统如图4所示。试验台中装有输油泵可以提供足够的稳定压力，控制系统可以输出脉宽调制波控制比例流量阀的电流。比例流量阀前后装有压力传感器。控制系统可以控制溢流阀来调整比例流量阀前后的压力差。通过该系统检测比例流量阀在不同压差下的电流和流量的关系曲线，可以分析比例流量阀的调节范围和重复性等基本性能。

图4 比例流量阀测试原理图

本文开发的比例流量阀在不同压差下的电流－流量特性如图5所示。电流上升和下降的电流－流量曲线如图6所示。由图中可以看出，流量曲线的线性度和重复性都较好。

图5 不同压差下的电流－流量曲线

图6 电流上升和下降的流量曲线（压差0.5MPa）

3.2 油泵的电流－流量试验

为了进一步检测比例流量阀在高压油泵上的性能，将比例流量阀装配到油泵中，进行油泵的电流－流量（I－Q）特性试验研究。油泵I－Q特性试验即将油泵安装于测试台，测试得到的不同转速和不同轨压下的比例流量阀控制电流和油泵高压流量的关系曲线。该曲线可以反馈比例流量阀调整范围和流量调整的顺畅性等重要性能。图7和图8分别为轨压100MPa和160MPa时的检测结果，结果证明其性能良好。

图7 油泵上的I－Q特性曲线（100MPa）

图8 油泵上的I－Q特性曲线（160MPa）

3.3 动态响应性能

为了研究比例流量阀的动态响应性能，对比例流量阀的比例电磁铁部分进行力响应特性试验，如图9所示。由图9可见，比例电磁铁从上电到输出力的响应时间约为0.02s。

图9 比例电磁铁的力影响特性

为了分析比例流量阀在系统中的流量响应特性，将比例流量阀装配于油泵中进行动态测试。将轨压从20MPa逐步提升到160MPa，每次上升20MPa，记录比例流量阀的响应时间，试验结果如图10所示。由图10可见，响应时间基本为0.2s左右。

图10 比例流量阀的动态响应曲线

4 仿真分析及其应用

4.1 仿真计算模型

在比例流量阀的设计过程中，对电磁铁部件进行了有限元分析，建立的仿真模型如图11所示。电磁铁为轴对称结构，所以建模时采用2D轴对称形式。壳体、衔铁、导套、极靴采用软磁材料，推杆和轴承为非导磁材料。

图11 有限元模型

图12为电磁铁输出轴向力的仿真计算结果和测量结果的对比。在低电流时，相对误差较明显；在高电流时，相对误差较小。误差产生的原因主要是计算模型材料的理论磁化曲线与实际材料的磁化曲线有误差。总体来说，仿真计算模型的曲线与实测曲线趋势一致，仿真模型可以反映电磁铁的行程力特性。

图12 电流－力计算结果和测量结果对比

4.2 仿真计算的应用

仿真模型在设计中起到很重要的作用，电磁铁的所有初始结构及参数都依据仿真结果确定，节省了大量设计开发时间。本文利用仿真计算对比例电磁铁的各结构参数进行了计算分析。

图13为电磁铁在不同电流下的全行程输出力特性。由图13可见，电磁力的线性较好，基本为水平状。电磁铁在各种电流工况下的全行程输出力与弹簧力都只有一个交点，说明比例流量阀不会出现失调的情况。

图13 电磁铁在不同电流下的全行程输出力特性

图14和图15分别为不同的比例电磁铁导套长度及导套厚度对电磁铁电磁力的影响。由图14可以看出，导套长度对电磁铁的影响不大，不需要精确控制该尺寸。由图15可以看出，导套的厚度对电磁铁的电磁力有影响，特别是在行程比较大时影响较大。其原因是：导套越厚，磁阻越小，电磁力越大，而在大行程下导套在磁路中的作用越大，因而影响越大。

图14 电磁铁不同导套长度对电磁力的影响

图15 电磁铁不同导套厚度对电磁力的影响

5 结论

（1）通过对比例流量阀的理论研究，设计开发了一种新型共轨泵用比例流量阀，其结构简单，可以灵活控制进入共轨泵的流量。设计开发了共轨泵比例流量阀的测试设备和测试方法。试验结果表明：该比例流量阀电流－流量曲线线性度较好，电流上升和电流下降的电流－流量曲线误差小，比例流量阀的轨压调节响应时间在0.2s左右，完全能满足共轨系统的工作要求。

（2）采用仿真软件对比例流量阀进行了有限元分析。仿真计算结果表明：电磁铁导套长度对电磁力影响较小，导套厚度对电磁力有较大的影响。开发的共轨泵用比例流量阀全行程输出力特性曲线平稳。