电控汽油喷射器电磁场仿真及结构优化

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3.0 侯斌 2024-11-19 11 4 4.29MB 68 页 15积分

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摘要

电控喷射器是电喷系统的核心部件，喷射器的动态性能直接关系电喷系统的

工作性能。本文通过 ANSYS 电磁场有限元分析对电控汽油喷射器进行了结构优化

设计，减轻了喷油耦合件的质量，增大了喷射器的电磁场力，提高喷射器的动态

响应特性。

电磁场是影响电控喷射器动态特性的主要因素，本文对喷射器球阀的开启、

落座过程进行了详细分析，建立了电路模型、磁路模型、液压模型和力学模型，

建立了电控喷射器开启、落座时间计算的数学模型，以此为基础开展电控喷射器

的动态响应研究。喷射器的电磁材料及结构对电控喷射器电磁性能影响很大。本

文通过 Solidworks 三维建模软件建立电控喷射器三维模型，在 ANSYS 仿真软件平

台对电控喷射器的磁场强度、磁力线分布、磁场密度及电磁力等进行了二维和三

维的电磁仿真分析。根据仿真结果磁体、铁芯、导磁体的结构尺寸进行优化，并

加工样品对仿真结果进行了验证。

为了研究导磁体材料对电控喷射器磁性能的影响，分别对磁体和铁芯材料

1J50 和1J117 材料进行仿真分析，对导磁体材料采用 FeCr13 及FeNi41 进行仿真

分析。在研究的过程中，为了使所选材料及所建立的模型具有可比性，选择 Bosch

电控喷射器为对比模型。通过对比发现，Bosch 电控喷射器的电磁力为 20N 左右，

而自行研发的电控喷射器所受的电磁力为 30N 左右；Bosch 电控喷射器的开启、

落座响应时间分别为 1.35ms、0.88ms，而自行研发的电控喷射器的开启、落座响

应时间为 1.25ms、0.5ms。

关键词：电控喷射器电磁场分析动态响应磁性能结构优化

ABSTRACT

Electronic Fuel Injector (EFI) is the core components of the Fuel Injection system.

Thrower's dynamic can directly EFI system work performance.In this paper, the ball

valve structure is used as the study object. Through electromagnetic analysis on ANSYS

finite element platform, the design for the structure of EFI is optimize. The weight of

the EFI is greatly reduced and the magnetic force is increased. These changes make

EFI`s dynamic response better.

Electromagnetic is one of the most important factors that influence on the

performance of the EFI. This paper detailed analyzed the time of opening and closing of

EFI’s ball valve. First establish the circuit model, hydraulic model, magnetic model and

mechanics model. And the using these models to establish the mathematic model of the

ball valve opening time and closing time. These work make the studying of the EFI

easily.

This paper detailed study how electromagnetic material and structure effect on the

performance of EFI. Using the CAD software to establish 3-D model, and do

electromagnetic simulations on the ANSYS software platform. Including simulation for

magnetic intension, magnetic density, magnetic flux distribution and magnetic force.

Then use the result of the simulation adjusted parameter of the structure. At last product

several EFI samples to vivificate the simulation`s result.

In order to study how the electromagnetic material influent on the magnetic

performance of the EFI. We chose 1J50 and 1J117 as the materials of iron core and

magnetic body and used FeCr13 and FeNi41 as the materials of magnetizer.

Established 2-D models and 3-D models as the simulation models, and optimized

the structure of iron cores, magnetizer, and magnetic body. Then use the ANSYS

electromagnetic Module to simulate the EFI’s electromagnetic field. On the bases of

cooperation of different structures’ results, generate the best model as independent

structure.

In the studying, in order to make cooperation with other models, choose Bosch’s

model as contrast model. Through the contrast we find that the magnetic force of

Bosch’s EFI is about 20N, but our is about 30N.And opening and closing time: Bosch is

1.6msand 0.88ms, our is 1.25ms and 0.5ms.

Key Words: Electronic Fuel injector, Dynamic Response, Analysis of

electromagnetic field magnetic, Structure optimization

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ................................................................................................................ 1

§1.1 电控燃油喷射系统简介 ............................................................................... 1

§1.1.1 电控燃油喷射系统发展历程 ............................................................ 1

§1.1.2 电控燃油喷射系统的优势 ................................................................ 2

§1.1.3 电控燃油喷射系统的结构 ................................................................ 3

§1.2 电控喷射器简介 .......................................................................................... 4

§1.2.1 电控喷射器结构分类 ........................................................................ 4

§1.2.2 影响电控喷射器性能的主要因素 ..................................................... 6

§1.3 电控喷射器国内外研究现状 ....................................................................... 8

§1.4 研究目的及意义 .......................................................................................... 9

§1.5 本课题研究内容 .......................................................................................... 9

第二章电控喷射器的结构及数学模型 .................................................................... 11

§2.1 电控喷射器结构模型 ................................................................................. 12

§2.1.1 Bosch 电控喷射器关键部件结构特点 .......................................... 13

§2.1.2 自主开发的电控喷射器关键部件结构特点 ................................... 14

§2.2 电控喷射器的数学模型............................................................................. 15

§2.3 电控喷射器的电路分析............................................................................. 17

§2.4 电控喷射器的磁路分析............................................................................. 18

§2.5 电控喷射器运动分析 ................................................................................ 20

§2.6 电磁参数对球阀开启特性的影响 ............................................................. 21

§2.7 本章小结 .................................................................................................... 23

第三章电控喷射器电磁材料选择 24

§3.1 电磁材料简介 ............................................................................................ 24

§3.2 软磁材料的性能参数 ................................................................................ 25

§3.3 电控喷射器磁性材料的要求 ..................................................................... 25

§3.4 材料对电控喷射器磁场性能的仿真研究 .................................................. 27

§3.5 本章小结 .................................................................................................... 29

第四章电控汽油喷射器二维电磁场仿真分析 30

§4.1 ANSYS 电磁场模块功能简介 .................................................................... 30

§4.2 电控汽油喷射器二维电磁场仿真理论.................................................... 30

§4.3 电控汽油喷射器 2-D 有限元模型建立 ................................................... 33

§4.3.1 创建物理环境 ................................................................................. 33

§4.3.2 有限元单元类型选择 ...................................................................... 34

§4.3.3 建立 2-D 实体模型 ......................................................................... 34

§4.3.4 赋予材料特性 ................................................................................. 35

§4.3.5 网格划分 .......................................................................................... 36

§4.3.6 加载励磁载荷 .................................................................................. 36

§4.4 电控汽油喷射器静磁场仿真结果分析.................................................... 36

§§4.5 本章小结 .................................................................................................. 41

第五章电控汽油喷射器三维电磁场仿真分析 42

§5.1 ANSYS 三维电磁场仿真模型 ................................................................. 42

§5.2 气隙厚度对电控汽油喷射器磁场性能的影响 .......................................... 44

§5.3 线圈匝数对喷射器电磁力的影响 ............................................................. 50

§5.4 本章小结 .................................................................................................... 52

第六章电控汽油喷射器实验研究 53

§6.1 流量特性测试 .......................................................................................... 53

§§6.2 动态特性测试 ........................................................................................ 54

§6.2.1 汽油喷射器开启时刻检测原理 ...................................................... 54

§6.2.2 喷射器落座时刻的检测原理 .......................................................... 56

§6.3 本章小结 .................................................................................................... 58

第七章全文总结和工作展望 ................................................................................. 59

§7.1 课题研究工作总结 .................................................................................... 59

§7.2 工作展望 .................................................................................................... 60

参考文献 .................................................................................................................... 61

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ........................................... 65

致谢 ........................................................................................................................ 66

第一章绪论

§1.1 电控燃油喷射系统简介

§1.1.1 电控燃油喷射系统发展历程

自20 世纪 70 年代以来，我国汽车数量不断增加，到 2010 年底，我国汽车产

销量均突破 1800 万辆。随着汽车数量的不断增加及对能源危机和环境污染的认识

逐渐加深，对汽车的排放和燃油经济性提出了更高的要求。

电喷系统最早出现于 1967 年，由德国保时捷公司研制的 D型电子喷射装置，

随后被用在大众、奥迪等德系轿车上。这种装置是以进气管里面的压力做参数，

但是它与化油器相比，仍然存在结构复杂，成本高，不稳定的缺点。针对这些缺

点，波许公司又开发了一种称为 L型电子控制汽油喷射装置，它以进气管内的空

气流量做参数，可以直接按照进气流量与发动机转速的关系确定进气量，据此喷

射出相应的汽油。这种装置由于设计合理，工作可靠，广泛为欧洲和日本等汽车

制造公司所采用，并奠定了今天电子控制燃油喷射装置的雏形。

总体而言，电喷供油系统的最大优点就是燃油供给控制十分精确，让引擎在

任何状态下都能有正确的空燃比，不仅让引擎保持运转顺畅，其废气也能合乎环

保法规的规范。然而，电喷供油系统并不是最科学的。由于内燃机构造的先天限

制，电喷喷嘴安装在气门旁，只有在气门打开时才能完成油气喷射，因此喷射会

受到开合周期的影响，产生延迟，因而影响 ECU 对喷射时间的控制。不过好在这

一问题已经被缸内直喷技术解决了。

电控燃油喷射系统通过对喷油量、燃油喷射时间、燃油喷射压力和喷油速率

的精确控制,实现汽油发动机机排放性能、动力性能和经济性能的最优化,因此，电

控燃油喷射系统汽油机燃油系统新的发展方向。为了满足日益严格的排放法规, 燃

油喷射系统还必须能够灵活精确地实现预喷射、主喷射、后喷射甚至更多次的喷

射, 这就对电磁阀的设计提出了更高的要求。在电控燃油喷射系统中, 为了实现这

一目标, 除了喷射器本身精密的制作工艺外, 还需要对电磁材料进行研究。

从电控汽油喷射技术的发展历程来看，电控汽油喷射器从最初的晶体管控制、

发展到后来的集成电路控制，再到目前所使用的微机控制,整个过程的发展是控制

系统具有高度的灵敏性、稳定性。通过发动机 ECU 控制汽车燃油喷射系统，可以

大大改善汽车的经济性和排放性，而新式喷射器的出现，更是提高了系统的控制

精度，是发动机的燃烧更加充分，有效的提高了燃油利用率，对于改善排放具有

积极的意义。汽油机燃油喷射系统发展历程如图 1-1 所示。

电控器有喷射器电磁场仿真及结构优化

图1-1 燃油喷射系统发展趋势示意图

电控汽油喷射系统在各方面显示出的优越性, 使之在年代和年代得到了迅速

发展。表 1-1 给出了不同年代各国生产轿车中采用电控汽油喷射的比重[5]。

表1-1 各年电喷系统使用比重

年份

国家 1976 1984 1985 1987 1990

日本 3% 18% / 46% 60%

德国 8% 42% / / 85%

美国 0% 39% 60% 78% 95%

§1.1.2 电控燃油喷射系统的优势

与传统的化油器发动机相比电喷发动机还具有以下优点[5-7]：

1.由于电喷发动机在进气系统中，不需要像化油器供油系统那样的吼管部位，

从而减少了进气压力的损失较。因此在对电喷发动机的进气管道进行设计时，只

要进气管道设计合理，充分利用发动机吸气时的空气惯性的增压作用，增大充气

量，提高发动机的输出功率，改善发动机的动力性。

2.当汽车在不稳定的工况运行时，电喷发动机可以精确而迅速的控制空燃比，

提高汽车的动态响应性能。

3.对于不同的工作环境，发动机 ECU 可根据氧传感器、进气温度传感器等传

感器发出的信号，综合计算处理后，调整燃油的喷射量，使汽车始终在合理的空

燃比下工作。

4.在发动机冷机启动时，根据发动机 ECU 的MAP 图，计算出起动时发动机的

耗油量，精确地燃油控制，可以使发动机暖机运转顺利。

5.电喷发动机能根据各种不同的工况提供最精确的混合气空燃比，与化油器采

用负压吸油的原理不同，电喷发动机由燃油泵提供稳定压力的燃油，所以且汽油

雾化效果好好，能精确控制各缸燃油分配，使燃烧效率提高。因此，可以提高车

第一章绪论

辆的燃油经济性。

6.电控喷射器发动机能实现减速断油功能，当汽车减速时，节气门处于关闭状

态，但发动机处于高速运转状态，此时进入汽缸的空气量会减少，在进气歧管内

形成负压。在化油器发动机中，此时粘附于进气歧管壁面的油膜会因为负压原因

而迅速进入汽缸，在气缸内形成过浓的油气混合气，使燃烧不充分，增加排气中

HC 的含量。但是在电喷发动机中，当节气门关闭而发动机仍处于高速运转时，此

时ECU 会发出停止喷油信号，由于喷油量的精确控制，气缸内不会出现过浓混合

气，从而降低汽油消耗，并可减少排气中的 HC 含量。

从中可以看出，电控汽油喷射发动机能很好的适应减少排放、降低油耗、提

高输出功率及改善驾驶性能等使用要求，因此，电控喷射发动机已成为现代汽油

发动机的主流。

§1.1.3 电控燃油喷射系统的结构

如图 1-2 所示，为 Bosch 汽油机电控燃油喷射系统的结构图[9]，浸于油箱中的

电动燃油泵为电控燃油喷射系统提供恒定压力的油压。燃油经过电动燃油泵加压

后，一定压力的燃油被送到燃油滤清器滤中去除杂质，最后经过调压阀进入燃油

分配油管。燃油分配管上根据发动机气缸的位置装有相对应的喷射器接头，燃油

经过喷射器进入到发动机气缸。喷射器的实质是一种电磁阀，是燃油喷射系统中

最终的执行部件，由发动机 ECU 的控制控制脉宽来控制其工作。当发动机给出通

电信号时，电磁阀开启，高压燃油经过喷射器特殊的结构以雾状喷入进气歧管中，

与进气歧管中的空气混合，在发动机进气行程中由负压的作用被吸进进气缸。燃

油在进入燃油分配管前需经过燃油压力调节器对进入燃油分配管中的燃油进行恒

压处理，减少燃油喷射过程中的波动。

发动机中的进气量由驾驶员通过加速踏板直接来控制节气门的开度。在不同

的工况下，驾驶员根据需要来调节节气门开度，从而控制发动机的进气量，此时，

进气歧管内的真空度也会发生改变。发动机在同一转速下，进气歧管真空度与进

气量成一定的比例关系[4]。发动机可根据进气管压力传感器将进气歧管内真空度的

变化转变成电信号的变化，并传送给 ECU，ECU 根据进气歧管真空度的大小计算

出发动机进气量，再根据曲轴位置传感器测得信号计算出发动机转速。根据进气

量和转速计算出相应的基本喷油量[6]。ECU 根据进气压力和发动机转速控制各缸

喷射器，通过控制喷油脉宽来精确控制喷油量。一般喷油脉宽为2～10ms。ECU

根据安装在离合器壳体上的曲轴位置传感器测得的位置信号来决定各缸的起始喷

油时刻。ECU 控制喷射器在发动机每个循环内喷油两次，喷油脉宽根据发动机工

作工况的不同而不同。

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摘要：

摘要电控喷射器是电喷系统的核心部件，喷射器的动态性能直接关系电喷系统的工作性能。本文通过ANSYS电磁场有限元分析对电控汽油喷射器进行了结构优化设计，减轻了喷油耦合件的质量，增大了喷射器的电磁场力，提高喷射器的动态响应特性。电磁场是影响电控喷射器动态特性的主要因素，本文对喷射器球阀的开启、落座过程进行了详细分析，建立了电路模型、磁路模型、液压模型和力学模型，建立了电控喷射器开启、落座时间计算的数学模型，以此为基础开展电控喷射器的动态响应研究。喷射器的电磁材料及结构对电控喷射器电磁性能影响很大。本文通过Solidworks三维建模软件建立电控喷射器三维模型，在ANSYS仿真软件平台对电控喷射器的...

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