为何采用电控高压共轨燃油系统
徐铁钢
[摘 要]高速电磁铁是电控共轨燃油系统中的重要部件，为了实现高速电磁铁的发展，应该加强对电磁铁结构、材料等的研究，从而满足电控共轨燃油系统的使用需求。本文围绕高速电磁铁在高压共轨中的应用、电磁铁芯的结构选择、电磁铁芯材料的选择、计算电磁铁吸力的基本公式、用ANSYSA软件对电磁铁的磁场进行分析五个方面展开讨论，从而实现高速电磁铁性能不断提高的目标。
[关键词]电控共轨燃油系统；高速电磁铁；电磁铁芯材料选择
中图分类号：O441.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）48-0291-01
前言：电控共轨燃油系统具有较大的开发难度，因此发展较缓慢，其中高速电磁铁是保证系统发展的关键部件，通过利用事件控制系统直接控制高速电磁铁，有利于实现简化电控共轨燃油系统结构、控制方便等优势，并且时间控制系统能精确的判断出适当的供油量以及供油规律，是保证电控共轨燃油系统不断发展的重要手段。
一、高速电磁铁在高压共轨中的应用
柴油机在运行时会产生较大的噪音以及明显的振动，不利于满足用户体验，因此在利用电控执行器对柴油机进行主喷外，還应该实现预喷，两者的持续时间较短，其中主喷的持续时间只有几毫秒，并且两者间隔的时间较短，因此对电磁铁的灵敏度要求较高，通常称这种具有明显响应的电磁铁为高速电磁铁。电控执行器是由高速电磁铁与燃油控制阀两部分组成的，能有效满足电控共轨燃油系统的需求，为燃油控制阀的运行提供动力，保证控制阀灵敏、有效的控制喷油系统。高速电磁铁的工作原理是利用孔板腔与喷油器针阀腔里的压力差，控制喷油操作。当高速电磁铁不通电时，上述两部分腔内的压力相等，不存在压力差，因此针阀不抬起，不产生喷油操作。当电流通过时，由于孔板腔内的电流流通不顺畅，因此孔板腔内的压力会明显下降，而针阀腔内的压力不受电流的影响，导致两者之间出现油压差，喷油器在针阀抬起后会进行喷油操作。如果高速电磁铁处于断电的情况时，这时两者的压力将重新回到相等的状态，针阀落下，喷油器停止喷油，并等到下一次通电再进行喷油操作[1]。
二、电磁铁芯的结构选择
电磁铁芯的结构对高速电磁铁的性能有较大影响，因此应该加强对电磁铁芯结构的研究。目前，电磁铁芯的结构形式已经得到了极大的发展，最开始出现的电磁铁芯结构单E型，多个该结构的电磁铁芯组成高速电磁铁，由于该结构电磁铁具有线圈少、电流小的特点，因此能够满足高速电磁铁性能的需求，但是存在体积较大的弊端。E型铁芯有两种形式，分别是整体式和叠片式，整体式铁芯可利用棒料或者粉末冶金直接制作形成，叠片式铁芯是由多种合金片、铁片组合而成的。为了避免铁芯体积够大的缺陷，在E型铁芯的基础上又研发了菱形铁芯，有效减少了面积占有率，并且电磁铁芯经过不断的发展，有效面积不断增加，减少了铁芯的整体体积。目前应用最多的电磁铁芯是涡旋叠片铁芯，是由多片形状大小相同的涡旋状片紧密结合而成的，并且通过外观相同叠片的结合，可制作成一个结构较为完整的圆形状铁芯。这种铁芯具有结构紧密的特点，并且插片系数较高，对实现我国电控共轨燃油系统发展有良好促进作用。
三、电磁铁芯材料的选择
电磁铁芯的材料选择是保证高速电磁铁性能的重点，通常使用的是软磁材料，磁导率较高，能保证高速电磁铁具有较小的体积。高速电磁铁对铁芯的要求是，铁芯中的涡流以及磁损耗较少，从而保证高速电磁铁响应较高，使用时间较长。铁芯材料的特性可以通过磁感应强度以及磁场强度的关系曲线表示出来，其中曲线的形状与多种因素有关，包括材料成分、材料加工方法以及切割方向等。为了保证高速电磁铁具有良好的性能，可以通过关系曲线确定设置磁感应强度的工作值。其中粉末冶金材料是用来制作铁芯的主要材料，将硅加入到材料中，能有效提高铁的电阻率，并且减少涡流以及磁损耗产生的不利影响。
四、计算电磁铁吸力的基本公式
铁磁物体受到的吸力的大小与取决于磁场等的影响，例如磁力强度等。因为材料经过热处理会对材料的磁力有一定影响，因此理论值与计算值之间会存在一定误差，在计算开始前根据实际情况对电磁铁的吸力进行估算是有一定参考价值的[2]。例如假设电磁铁的气隙仅为0.15mm，将磁极表面的场强分布看做是均匀的，则电磁铁受到的吸力可以表示为F=（B/500）2S。其中S代表电磁铁受到吸力的总面积，B代表磁感应强度。
五、用ANSYSA软件对电磁铁的磁场进行分析
为了加强对共轨喷油器的研究，可以将其中的执行器中关键部分建模，如图一所示。首先将执行器中零件的实际尺寸以及材料的参数等输入到ANSYS软件中，之后在特定的电流条件下计算不同情况下的磁场分布以及流向。根据建模的结果可以看出：第一，磁通密度会随着气隙的增加而有所降低；第二，几乎全部的磁力线在铁芯以及衔铁间穿过，由于磁力线穿过的位置有利于实现高速电磁铁吸力的增加，因此证明电磁铁芯的结构和材料选择是符合高速电磁铁性能需求的；第三，电磁铁的外形尺寸对磁场密度有一定影响，通常电磁铁芯外圈磁场较密，容易产生磁饱和现象，因此需要根据这一特征进行改进。
结论
我国对高速电磁铁的发展给予一定的重视，并且高速电磁铁的发展目标是逐渐满足国内电控共轨燃油系统的使用需求，不断缩小与国外的高速电磁铁性能存在的差异。为了实现这一目标。研究人员从电磁铁芯、电磁结构等方面着手，根据应用在电控共轨燃油系统中实际出现的问题进行具体的分析，从而不断改进高速电磁铁的性能。
参考文献
[1] 杨海涛，郭立新，宋永平，居钰生.共轨喷油器控制阀流动分析[J/OL].现代车用动力，2016，（04）：1-5.
[2] 王伟宏.电控单体泵燃油系统及其电磁控制阀工作性能仿真研究[D].北京交通大学，2015.
