论文总字数：18087字

摘 要

以小缸径低速柴油机高压共轨电控喷油系统为对象，设计用于喷油控制阀（WUT电磁阀）。通过对电磁阀的结构和原理的分析，在Maxwell软件中搭建了电磁阀仿真模型和驱动电路模型，通过仿真计算分析不同触发电流、维持电流对电磁阀动态响应的影响，为基于电磁阀动铁响应目标的驱动电流优化提供理论依据。

论文主要研究自制电磁阀驱动电流对电磁阀动态响应的影响，为基于电磁阀动铁响应目标的驱动电流优化提供理论依据。

研究结果表明：不同的开启、保持电流对电磁阀响应的影响很大，驱动电流与电磁阀动铁芯响应时间、开启关闭速度、位置变化等参数存在着规律性变动。

本文的特色：使用ANSYS软件进行了电磁阀的仿真计算。

关键词：电磁阀；瞬态仿真；驱动电流；动态响应

Abstract

Taking the small-bore low-speed diesel engine high-pressure common rail electronically controlled fuel injection system as an object, it is designed for fuel injection control valves (WUT solenoid valves). Through the analysis of the structure and principle of the solenoid valve, the solenoid valve simulation model and the drive circuit model are built in Maxwell software. The effect of different trigger current and maintenance current on the dynamic response of the solenoid valve is analyzed through simulation calculation. It is based on the solenoid valve. The optimization of drive current in response to the target provides a theoretical basis.

The thesis mainly studies the influence of the self-made solenoid valve drive current on the dynamic response of the solenoid valve, and provides a theoretical basis for the optimization of the drive current based on the solenoid valve moving iron response target.

The research results show that different opening and holding currents have a great influence on the response of the solenoid valve. There are regular changes in the driving current and the response time of the solenoid valve moving iron core, opening and closing speed, position change and other parameters.

Key Words：The electromagnetic valve；Transient simulation；Drive current；Dynamic Response

目 录

第1章 绪论 1

1.1 目的及意义 1

1.2 国内外柴油机高速电磁阀的研究现状 2

1.3 研究内容 8

1.4 论文组织 9

第2章 电磁阀工作原理介绍 10

2.1 电流参数的测量 10

2.2 电磁阀工作原理 13

2.2.1 空气动力学模型 14

2.2.2 等效电路模型 14

2.2.3 磁路等效模型 15

2.2.4机械运动模型 16

2.3 本章小结 16

第3章 电磁阀计算校核及仿真模拟 17

3.1 仿真软件介绍 17

3.2 电磁阀稳态电磁力校核及仿真模拟 17

3.3 电磁阀稳态电磁力参数化仿真 21

第4章 电磁阀瞬态响应特性仿真 23

4.1 电磁阀瞬态特性仿真 23

4.2 不同驱动电流和维持电流对电磁阀响应的影响 26

第5章 总结与展望 31

参考文献 32

致谢 34

第1章 绪论

1.1 目的及意义

众所周知，当代人民对于科技设备的要求日益提高是当今科技发展的主要动力。对于设备要求具有自动化、低能耗、更加环保等特点。而设备的执行机构有相当一部分是由电磁阀进行控制。因此，电磁阀作为系统的关键部件，对其进行系统的研究具有很大的现实意义，也对电磁阀能够更加广泛的应用提供一定的理论依据。

一般电磁阀具有以下特点：功率小、结构及工作原理简单、结构成熟、安全性高、可以方便地与计算机连接从而更加智能化。

电磁阀的动态响应是最重要的关键参数之一，直接关系到柴油机喷油的精准性，减轻动衔铁质量、选择合适的复位弹簧、合适的驱动电流都能优化电磁阀的动态响应。研究驱动电流对电磁阀动铁响应的影响，一方面，加大电流可以增强电磁场强度，增加电磁力，从而对电磁阀的动态响应产生有利影响；另一方面，增大驱动电流会增加线圈的热负荷，影响电磁阀的可靠性。本研究旨在搞清楚自制电磁阀（下称WUT电磁阀）驱动电流对电磁阀动态响应的影响，为基于电磁阀动铁响应目标的驱动电流优化提供理论依据。

电磁阀的工作过程直接决定了电控单体泵燃油喷射系统的性能，而电子控制单元产生的驱动电流直接控制电磁阀的工作过程，因此研究电磁阀驱动电流对喷油过程的影响具有十分重要的意义^[1]。经过50多年的不断发展，仿真技术已经成为了现代工程应用学当中的一门有举足轻重地位的学科，也已成为工程人员必备的工作技能。经过多年的发展，仿真与建模技术已经成为以模型理论、相似原理、计算机技术、系统工程技术以及应用仿真技术为基础，以计算机系统、相关效应设备及仿真软件为工具，对搭建好的模型进行计算、分析的一门综合技术。

仿真的基础是模型的建立，模型根据其模拟的对象不同可以分为，如火箭模型、涡轮模型等等。仿真模型的搭建对仿真结构极为重要，其模型的准确程度直接影响仿真结果的准确度。 

在仿真技术未应用到该领域时，电磁阀的设计的主要是通过理论计算和实验测量而得出的。由于电磁阀的影响因素较多，计算公式较为复杂，计算量也较大；通过多次实验方法来优化电磁阀的设计，则需要实验设备和加工相关试验件，这些都会导致费事费力，效率低下、成本较高，不容易方便快捷的得到相关数据。随着仿真技术的发展和应用，通过计算机强大的计算能力，可以更加方便快捷的得到结果，极大的降低成本。

由于我国在电控高压共轨技术上的起步较晚，技术基础薄弱，以及国外在此技术的封锁等原因，使得我国的一些企业和研究机构等目前主要集中于学习和仿制国外产品与技术，并长期处于落后的地步。目前，已经有一些高校和企业研发机构投入到电控系统的开发当中，其中对于高速喷油电磁阀的研究是其重要的一部分，因为电磁阀的性能好坏直接影响到柴油机的喷油状态，所以研究开发高速大流量喷油电磁阀，使其动态响应特性和流通能力满足现代高压共轨喷射系统的技术要求，是我们在研究开发中需要关注和解决的关键问题，这将对我国的船用低速柴油机自主电控高压共轨喷射技术的发展起到促进和推动作用。

1.2 国内外柴油机高速电磁阀的研究现状

电磁阀在当今的电控喷油系统中扮演着重要角色，而衡量一个电磁阀性能好坏的关键指标就是它的响应速度和流通能力。这就要求电磁铁有足够的电磁力和响应速度，阀芯在尽可能短的行程内达到足够的阀口流通面积，同时还要兼顾整个电磁阀的运动质量和良好的加工工艺性等^[2]。

E型结构电磁铁。这是最早开发和运用的电磁铁，如图1-1。该型电磁铁结构简单，形状规则，应用于对响应速度要求较高的场合，可大大减小铁芯涡流的影响。然而，这种电磁阀的响应速度和电磁力之间存在矛盾。因此，在设计时要平衡好两者的关系。

图1-1 E电磁铁

为了规避这种设计缺陷，研究机构设计出了更为复杂的电磁阀结构，其中最常见的是E型螺线管式电磁铁，如图1-2。这种电磁铁采用了环形结构而非之前的方形结构，是各类电磁阀中运用最多的一类电磁铁。

图1-2 E型螺线管式电磁铁

Helenoid电磁铁，如图 1-3 所示^[3]。这种电磁铁开启关闭响应时间都小于1ms，适用于喷油控制。

图1-3 Helenoid电磁铁

塔型结构的Colenoid电磁铁，这是对Helenoid电磁铁的改进款。如图 1-4 所示^[4]。两者原理基本一致，只是结构不同。Colenoid电磁铁衔铁最大行程可达到20mm，不再受到铁芯结构的限制。这款电磁阀的开启和关闭响应时间分别为 0.75ms 和 0.80ms，响应速度更快^[5][6]。

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