共轨喷油器高速电磁阀的材料选择研究.docx
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共轨喷油器高速电磁阀的材料选择研究
共轨喷油器高速电磁阀的材料选择研究
第29卷 第5期2020年10月
武汉理工大学学报(交通科学与工程版
JournalofWuhanUniversityofTechnology
(TransportationScience&Engineering
Vol.29 No.5Oct.2020
共轨喷油器高速电磁阀的材料选择研究3
收稿日期:
20200423
邹开凤:
男,36岁,硕士,讲师,主要研究领域为动力机械工作过程的研究 3国防预研项目资助
邹开凤1 李育学2
(海军航空工程学院青岛分院1 青岛 266041(海军工程大学船舶与动力学院2 武汉 430033
摘要:
论述共轨喷油器高速电磁阀材料具有的磁学性能、机械加工性能及热处理工艺要求,电磁阀材料磁学性能对电磁吸力及其响应特性有重要的影响.试验表明高饱和磁感应强度的材料可获得较好开启响应.电磁阀材料特性中的不利因素,可通过驱动电路有针对性的设计等方面进行弥补.关键词:
共轨喷油器;电磁阀;材料;响应特性中图法分类号:
TK421
作为电控喷油器的控制执行元件——电磁阀
对喷油系统的各种基本性能有着重要的影响.而喷油系统对电磁阀响应具有特殊的要求,要求开启时间不大于300Λs[1],从而保证系统的控制精度和响应速度.影响电磁阀的快速响应的因素众多[2].目前,国内外进行高速电磁阀开发的单位,分别采用不同的材料进行试制研究[2].文中以工业纯铁DT24、铁镍合金1j50、铁铝合金1j6等3种材料试制的不同电磁阀,利用自行研制的高压共轨试验台,就电磁阀铁心材料的选择对其响应特性影响进行试验研究.
1 驱动特性及对材料要求
由于高压共轨喷油系统每次喷油时间很短,
因此需要驱动电路产生高电压和大电流来提高电磁阀的开启速度,同时也要求当发出停止喷油指令后,电磁阀能迅速关闭.因此,对电磁阀的驱动电路有以下要求[2].
1为使电磁阀在极短的时间内达到必须的
电磁力,必须使电磁阀在极短的时间内将电流升到最大值.
2为避免电磁阀线圈过热,当电磁阀开启后,应迅速将电磁阀的电流降到一个较小的数值,这一电流称为维持电流.维持电流利于减小功耗,同时也便于及时关闭电磁阀,实现快速停喷.
在驱动电路、电磁阀结构参数一定的情况下,电磁阀的铁心和衔铁的材料性能将决定电磁阀的性能,在选材时应考虑以下两方面情况.1.1 材料的磁学性能
选用高磁导率材料(软磁材料,该材料可以在较低的外部磁场强度就可获得大的磁场强度和高磁感应强度.作为高速电磁阀的材料要求,应具有如下条件[2].(1初始磁导率(Λi、最大磁导率(Λmax等要高,目的在于提高功能效率
.(2饱和磁感应强度(Bs要高,剩余磁感应强度(Br要低.(3矫顽力(Hc要小,目的在于提高高频性能,可
迅速响应外界磁场的变化.(4电阻率(Θ要高,目的在于提高高频性能,减少涡流损失.
表1为工业纯铁DT24、铁镍合金1j50、铁铝合
表1 材料的磁学性能
材 料ΛiΛmax
BsT
HcA・m-1
ΘΛ8・m
BrT
工业纯铁DT24200~3006000~90002.15
48~85
101~1.4铁镍合金1j504000700001.6010~14400.8铁铝合金1j6
2000~4000
15000~50000
1.35~1.50
32~48
70
0.8~0.9
金1j6等材料的磁学性能[3].图1为纯铁和铁镍合金材料模式化磁滞回线的比较示意图,由图1可见铁镍合金是极为优秀的高磁导率材料,其特征是其在低磁场时就出现灵敏的反映,而且回线所围的面积小,表明其耗损低,这些特点是文中选用它的理由.由图1又可以看出,纯铁具有较高的饱和磁感应强度,这是选用它进行研究的考虑点
.
图1 纯铁与铁镍合金的模式化磁滞回线
1.2 材料机械加工性能和热处理工艺
材料的应力对磁学性能的影响十分明显,在机械加工过程中,合金内部会产生应力,这种应力使合金的磁导率下降,损耗增加.另一方面,外力如压力、振动等作用,即使尚未使合金发生塑性变形,也足以在一定程度上危害其性能.磁学性能下降的程度取决于外力的大小和合金本身的特点.一般来说,高导磁合金对外力很敏感.应用中的电磁阀,要采用减振保护措施,如在电磁阀的铁心与衔铁之间留有一定值的限位间隙,文中留有0.05
mm的限位间隙[2]
.
退火处理,可以消除或减小磁性材料由于机械加工或其他原因所产生的应力,由于采取一定的热处理工艺,有助于晶粒长大,有利于提高材料的磁学性能.退火处理的介质通常为氢气或真空.通过氢气热处理,在高温保温一定时间,内部的杂质由于获得足够高的动能,便扩散到金属表面与氢气合成气体而被带走,可以改善磁学性能;通过真空处理,把那些与金属离子组成了化合物的气体原子从合金中去掉,对改善磁学性能有利.总之,热处理的作用是为了消除加工硬化,消除应力,促使再结晶以获得大的晶粒.有利于改善材料的磁学性能.表2为3种材料推荐的热处理工艺.
表2 3种材料推荐的热处理工艺
材料牌号
热处理工艺
DT24 900~1050℃,保温3h,以150℃h冷
却,低于200℃出炉,用纯氢气(或真空保
护
1j50 1050~1150℃,保温3~6h,以100℃h冷却,低于300℃出炉,用纯氢气保护1j6
900~1050℃,保温2~3h,以100℃h冷却,低于250℃出炉,用纯氢气(或真空保护
2 B2H曲线的拟合处理及仿真结果
在进行电磁阀响应特性数值计算时,需要进
行电磁力计算,磁性材料的磁化曲线是影响磁路计算的关键因素[4].在磁路计算过程中,为了确定材料的磁阻,需要根据已知的磁场强度H,通过查询材料的磁化曲线而得到对应的磁感应强度B.因此,需对B2H曲线进行拟合处理
.通常用磁化曲线多项式近似表达B,H的关系,如用以下多项式作为磁化曲线的近似表达式
H=a0+a1B+a2B2+a3B3+a4B
4
式中:
a0,a1,a2,a3,a4为多项式系数.
文中考虑到磁化曲线的特殊性,为了提高拟合精度,分段采用不同的多项式进行处理.图2为在ANSYS中进行有限元分析时B,H值的输入和自动生成的
B2H曲线的示意图
.图2 B2H曲线的自动生成
电磁阀的实际工作情况复杂,漏磁的存在使磁场的空间分布更加复杂并影响电磁力的大小;驱动电路峰值电流较大也可能存在磁场饱和现象[2],电磁阀线圈结构参数的变化及复杂的工作情况,给采用解析法分析带来困难;但这些复杂的因素均可在电磁场分析的有限元方法中得到充分的考虑.
图3为3种材料在电磁阀工作过程中电磁力的变化过程的比较.由图可知1i50和1j6的电磁力
变化基本相同,而工业纯铁虽然在给脉冲的初期变化较缓,但其后期的增加较快,且峰值远高于另
图3 电磁吸力变化比较
・227・武汉理工大学学报(交通科学与工程版2020年 第29卷
两种材料.
3 试验研究
分别试制了3种材料的电磁阀,并对其开启响应特性进行了试验研究.开启响应时间是指开始给控制脉冲到电磁阀完全开启所对应的时间
.
图4 不同驱动电压下开启响应比较
从图4可以看出,铁镍合金1j50和铁铝合金
1j6两种材料制作的电磁阀在较低驱动电压下,响应特性要优于工业纯铁,但都在相对较低电压下出现了饱和现象,且两者的响应开启时间都较工业纯铁长,这主要是因为两种材料的最大磁感应强度Bs相对较低(Bs≤1.6T.另一方面工业纯铁虽然在电压较低时响应特性稍差,但随着电压的增加,其响应时间要远比1j50和1j6短,试验结果表明电磁阀开启响应时间可达0.354ms.这主要是因为其最大磁感应强度Bs较高(Bs=2.15
T,同时其达到饱和的电压值较大
.在对驱动电路进一步优化设计时,当电磁阀线圈电流的变化
速率进一步增大时,可使工业纯铁材料制作的电磁阀在较低的电压情况下,也能获得更大的电磁吸力,并提高其响应时间.
4 结 论
在驱动电路、电磁阀线圈匝数一定的情况下,电磁阀材料磁学性能对其响应特性有重要的影响,其中选用具有高饱和磁感应强度的材料应是一首选因素,其特性中的不利因素,如起始磁导率较低对开启响应的不利影响、矫玩力较大等对关闭响应的不利影响,可通过驱动电路有针对性的设计等方面进行弥补[5].同时,材料机械加工性能和热处理工艺也是着重考虑的一个方面,严格的热处理工艺可获得最优磁学性能.
参考文献
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valvebehaviorincommon2railinjectionsystems.SAE
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[学位论
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海军工程大学,2004
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378~379
MaterialSelectionofHigh2speed
SolenoidValveforCommonRailInjector
ZouKaifeng1
LiYuxue
2
(QingdaoBranchofNavalAeronauticalEngineeringInstitute,Qingdao2660411
(ShipandPowerCollege,NavalUniversityofEngineering,Wuhan4300332
Abstract
Thesolenoidvalvematerialofcommonrailinjectorshouldhavemagneticperformanceandmachiningperformanceanditsneedofheattreatmenttechniqueisdiscussedinthispaper.
The
magneticperformanceofsolenoidvalvehasimportantinfluencetomagneticforceandresponsetrait.Thetestshowsthatthematerialwithhighsaturationmagneticinductionintensioncanobtaingoodopenresponse.Thedisadvantagefactorofmaterialtoresponsecanberepairedbydesigningthedrivingcircuit.
Keywords:
commonrailinjector;solenoidvalve;material;response
・
327・ 第5期邹开凤等:
共轨喷油器高速电磁阀的材料选择研究
项目七燃油供给系统检修
任务二汽油发动机燃油系统压力过高检修
知识点喷油器和油轨的检测
内容提要
1.喷油器检查
2.喷油器清洗剂检查
一、喷油器检查
1.喷油器工作状况检查:
发动机运转时,可以通过查听喷油器工作的声音来判断其是否工作,亦可用手指触摸感觉喷油器工作的震动来判断。
2.用万用表测量喷油器电磁线圈的电阻:
低阻值的喷油器阻值为2~3欧姆,高阻值得喷油器阻值为12~17欧姆。
如检测出超标的阻值,则应更换。
3.喷油质量的检测:
喷油质量的检查主要包括喷油量、雾化质量和泄漏。
此项试验应在专用试验台上进行。
a.在试验台上检测各缸喷油嘴喷油量的差别,相差越小,发动机运转越平稳,相差过大,则应更换。
b.检测各喷油嘴雾化情况,不能有集束情况,不能有喷歪现象。
c.停止喷射时,不能有燃油泄漏发生,规定
分钟内,泄漏不能超过1滴,否则更换。
d.单位时间内的喷油量应在规定值范围内。
无试验台,亦可用高压软管从供油支管引出高压油,软管顶部接上喷油嘴,直接用电瓶电压驱动,观察以上各项。
二、清洗机检测
1)把电源线插在本机右侧插座上,接通220V交流电,打开本机右侧的电源开关(显示窗最终显示2000)。
2)把要检测的喷油嘴安装到本机,按阻抗键即可判断喷油嘴高低阻。
3)检查检测液液面高度,可从本机左侧观察液面高度,正常时本机应加检测液1.5L。
未达到标准液面的,从加液口进行加注。
4)选择检测项目
(1)检测喷油嘴的滴漏。
(2)检测喷油嘴的常喷油量、喷油角度、雾化程度、喷油均匀度。
(3)检测喷油嘴的在各工作环境中的工作状态。
5)自动检测清洗分析,自动检测喷油角度、雾化程度和自动测试清洗。
使用自动检测清洗分析,先按油泵键启动油泵,并把压力调至被检车系统油压规定的范围(最好高10%),然后按自动检测键,在自动检测清洗分析过程中其它任意键处于锁死状态,只有按复位选择键,系统才可恢复到初始状态。
6)可编程序检测清洗分析
选择键一次,转速信号灯,脉宽信号灯,喷油次数信号灯,喷油时间信号灯循环显示。
当信号灯亮时,表示处于当前工作状态选项。
按住“+”或“一”,选则好合适转速、脉宽、喷油时间、喷油次数,然后按手动键。
程序既记录下此时选择数据并执行命令。
7)超声波清洗
超声波清洗:
把要检测的喷油嘴与脉冲输入信号线相连接,将超声波电源线与主机开关插座连接,然后把喷油嘴插在超声波清洗槽架上,清洗液加至规定(液面高度一般是清洗槽深度的二分之一),按下超声波清洗机开关,再按主机面板上“手动”键,灯亮即可开始清洗。
三、喷油器控制电路的检查
喷油器控制电路一般均由点火开关直接或通过继电器间接提供电源,再由ECU控制喷油器的搭铁回路。
其检查内容与方法如下:
1.检测喷油器电源供给电路。
首先拔下喷油器连接器插头,再接通点火开关,不要启动发动机。
通过数字式万用表直接测量喷油器连接器电源端子的电压,应为12V。
若无电压,则应检查点火开关及熔丝或继电器及线路。
2.检查喷油器控制电路。
检查ECU中喷油器的搭铁线搭铁是否良好。
可将用发光二极管做的试灯串接到喷油器连接器两插头上,启动发动机,试灯应闪烁。
若不亮或不闪烁,则说明控制回路有故障,应检查喷油器至ECU的线路和ECU是否有故障。
也可通过示波器检测喷油脉冲波形,对喷油器控制电路进行检查。
简介
电磁阀是用来控制流体的方向的自动化基础元件,属于执行器;通常用于机械控制和工业阀门上面,对介质方向进行控制,从而达到对阀门开关的控制。
工作原理
电磁阀里有密闭的腔,在不同位置开有通孔,每个孔都通向不同的油管,腔中间是阀,两面是两块电磁铁,哪面的磁铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边,通过控制阀体的移动来档住或漏出不同的排油的孔,而进油孔是常开的,液压油就会进入不同的排油管,然后通过油的压力来推动油缸的活塞,活塞又带动活塞杆,活塞杆带动机械装置动。
这样通过控制电磁铁的电流就控制了机械运动。
新型多功能电磁阀:
安装管路:
兼具手动功能,省去三只手动阀,可以在线维修,大大降低成本。
1、介质粘度适用范围可调:
调节可实现气、水、油通用,方便采购、贮存、安装和维护。
2、阀门开启关闭时间可调:
满足各种不同要求,有效防止水锤破坏。
3、阀门开度可以调节:
最大和最小开度可预置,提高自动控制精度。
4、主阀磨损可以补偿:
:
延长阀门使用寿命,经受长期考验。
结构原理
本阀巧妙地将先导电磁阀、手动阀和节流阀组合于一体,先导阀接受电信号开关后带动主阀动作。
调节螺钉A、B可调节介质粘度适用范围和主阀开关时间,并可在主阀磨损后进行补偿。
导阀需维修时只要旋紧调节螺钉B和隔离螺钉C,即可拆下,并可用手动螺杆操作。
该螺杆还可用来预置电磁阀自动控制时的最大或最小流量。
分类
1.电磁阀从原理上分为三大类:
1)直动式电磁阀:
原理:
通电时,电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起,阀门打开;断电时,电磁力消失,弹簧把关闭件压在阀座上,阀门关闭。
特点:
在真空、负压、零压时能正常工作,但通径一般不超过25mm。
2)分步直动式电磁阀:
原理:
它是一种直动和先导式相结合的原理,当入口与出口没有压差时,通电后,电磁力直接把先导小阀和主阀关闭件依次向上提起,阀门打开。
当入口与出口达到启动压差时,通电后,电磁力先导小阀,主阀下腔压力上升,上腔压力下降,从而利用压差把主阀向上推开;断电时,先导阀利用弹簧力或介质压力推动关闭件,向下移动,使阀门关闭。
特点:
在零压差或真空、高压时亦能可*动作,但功率较大,要求必须水装。
3)先导式电磁阀:
原理:
通电时,电磁力把先导孔打开,上腔室压力迅速下降,在关闭件周围形成上低下高的压差,流体压力推动关闭件向上移动,阀门打开;断电时,弹簧力把先导孔关闭,入口压力通过旁通孔迅速腔室在关阀件周围形成下低上高的压差,流体压力推动关闭件向下移动,关闭阀门。
特点:
流体压力范围上限较高,可任意安装(需定制)但必须满足流体压差条件。
2.电磁阀从阀结构和材料上的不同与原理上的区别,分为六个分支小类:
直动膜片结构、分步直动膜片结构、先导膜片结构、直动活塞结构、分步直动活塞结构、先导活塞结构。
3、电磁阀-功能分类
水用电磁阀
大通径燃气电磁阀
蒸汽电磁阀
制冷电磁阀
三通电磁阀
带信号反馈电磁阀
超低温电磁阀
先导式电磁阀
低温电磁阀
燃气电磁阀
脉冲铝合金电磁阀
膜片式电磁阀
消防电磁阀
氨用电磁阀
气体电磁阀
零压启动电磁阀
超高温电磁阀
液体电磁阀
喷泉电磁阀
微型电磁阀
高压活塞电磁阀
内螺纹电磁阀
常闭电磁阀
热水电磁阀
脉冲电磁阀
二位五通电磁阀
液压电磁阀
常开电磁阀
油用电磁阀
直流电磁阀
二位三通电磁阀
耐腐蚀电磁阀
信号电磁阀
进水电磁阀
高压电磁阀
直角脉冲电磁阀
不锈钢电磁阀
法兰电磁阀
塑料电磁阀
防爆电磁阀
可调流量电磁阀
直动式电磁阀
黄铜电磁阀
真空电磁阀
电磁阀在选型时的注意事项
一:
适用性
管路中的流体必须和选用的电磁阀系列型号中标定的介质一致。
流体的温度必须小于选用电磁阀的标定温度。
电磁阀允许液体粘度一般在20CST以下,大于20CST应注明。
工作压差,管路最高压差在小于0.04MPa时应选用如ZS,2W,ZQDF,ZCM系列等直动式和分步直动式;最低工作压差大于0.04MPa时可选用先导式(压差式)电磁阀;最高工作压差应小于电磁阀的最大标定压力;一般电磁阀都是单向工作,因此要注意是否有反压差,如有安装止回阀。
流体清洁度不高时应在电磁阀前安装过滤器,一般电磁阀对介质要求清洁度要好。
注意流量孔径和接管口径;电磁阀一般只有开关两位控制;条件允许请安装旁路管,便于维修;有水锤现象时要定制电磁阀的开闭时间调节。
注意环境温度对电磁阀的影响
电源电流和消耗功率应根据输出容量选取,电源电压一般允许±10%左右,必须注意交流起动时VA值较高。
二、可靠性
电磁阀分为常闭和常开二种;一般选用常闭型,通电打开,断电关闭;但在开启时间很长关闭时很短时要选用常开型了。
寿命试验,工厂一般属于型式试验项目,确切地说我国还没有电磁阀的专业标准,因此选用电磁阀厂家时慎重。
动作时间很短频率较高时一般选取直动式,大口径选用快速系列。
三、安全性
一般电磁阀不防水,在条件不允许时请选用防水型,工厂可以定做。
电磁阀的最高标定公称压力一定要超过管路内的最高压力,否则使用寿命会缩短或产生其它意外情况。
有腐蚀性液体的应选用全不锈钢型,强腐蚀性流体宜选用塑料王(SLF)电磁阀。
爆炸性环境必须选用相应的防爆产品。
四、经济性
有很多电磁阀可以通用,但在能满足以上三点的基础上应选用最经济的产品。
电磁阀的选型
电磁阀选型首先应该依次遵循安全性,可靠性,适用性,经济性四大原则,其次是根据六个方面的现场工况(即管道参数、流体参数、压力参数、电气参数、动作方式、特殊要求进行选择。
选型依据:
一、根据管道参数选择电磁阀的:
通径规格(即DN、接口方式
1、按照现场管道内径尺寸或流量要求来确定通径(DN尺寸。
2、接口方式,一般>DN50要选择法兰接口,≤DN50则可根据用户需要自由选择。
二、根据流体参数选择电磁阀的:
材质、温度组
1、腐蚀性流体:
宜选用耐腐蚀电磁阀和全不锈钢;食用超净流体:
宜选用食品级不锈钢材质电磁阀。
2、高温流体:
要选择采用耐高温的电工材料和密封材料制造的电磁阀,而且要选择活塞式结构类型的。
3、流体状态:
大至有气态,液态或混合状态,特别是口径大于DN25订货时一定要区分开来。
4、流体粘度:
通常在50cSt以下可任意选择,若超过此值,则要选用高粘度电磁阀。
三、根据压力参数选择电磁阀的:
原理和结构品种
1、公称压力:
这个参数与其它通用阀门的含义是一样的,是根据管道公称压力来定。
2、工作压力:
如果工作压力低则必须选用直动或分步直动式原理;最低工作压差在0.04Mpa以上时直动式、分步直动式、先导式均可选用。
四、电气选择:
电压规格应尽量优先选用AC220V、DC24较为方便。
五、根据持续工作时间长短来选择:
常闭、常开、或可持续通电
1、当电磁阀需要长时间开启,并且持续的时间多余关闭的时间应选用常开型。
2、要是开启的时间短或开和关的时间不多时,则选常闭型。
3、但是有些用于安全保护的工况,如炉、窑火焰监测,则不能选常开的,应选可长期通电型。
六、根据环境要求选择辅助功能:
防爆、止回、手动、防水雾、水淋、潜水
1、爆炸性环境:
必须选用相应防爆等级的电磁阀(我公司现有:
dIIBT4、dIICT5、ExmI/IIT4。
2、当管内流体有倒流现象时,可选择我公司OK71-N、OK72-N系列带止回功能电磁阀。
3、当需要对电磁阀进行现场人工操作时,可选择我公司OK71-S、OK72-S系列带手动功能电磁阀。
4、露天安装或粉尘多场合应选用防水,防尘品种(防护等级在IP54以上。
5、用于喷泉必须采用潜水型电磁阀(防护
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