高速电磁开关阀的研究与应用_施光林

高速电磁开关阀的研究与应用

施光林,钟廷修

(上海交通大学机电控制研究所,200030)

摘要:本文介绍了高速电磁开关阀的研究现状和两个典型的应用实例,并对高速电磁开关阀今后的研究与开发前景进行了展望。

关键词:高速电磁开关阀;研究现状;响应时间;电控燃油喷射;防抱制动装置

0 引言

进入二十世纪八十年代以来,由于人们对高频响、抗污染能力强、成本低廉的电液控制系统的日益新需求,特别是由于汽车工业的蓬勃发展,包括汽车发动机电控燃油喷射、车身悬架控制、车轮防抱制动装置、以及离合器自动操纵等在内的众多新技术,都是采用高速电磁开关阀这一数字式控制元件作为电子计算机与被控对象间的联系桥梁,从而使得人们能够直接利用电子计算机来完成对被控对象的控制任务。正因为如此,近二十多年来对高速电磁开关阀的理论与应用研究也就越来越得到人们的重视,并首先在少数工业发达国家得到了优先开展。

顾名思义,高速电磁开关阀是借助于控制电磁铁所产生的吸力,使得阀芯高速正、反向运动,从而实现液流在阀口处的交替通、断功能的电液控制元件。高速响应能力是高速电磁开关阀应具备的最重要的特性。目前大多数高速电磁开关阀的响应时间一般在几ms和几十ms之间,而响应时间小于1ms的高速电磁开关阀产品还只在日本、美国、德国和英国等少数国家有报道。在我国有关高速电磁开关阀的研究始于二十世纪八十年代后期,到目前为止,还不曾有响应时间不大于1ms的高速电磁开关阀产品的报道。

本文旨在介绍高速电磁开关阀的国内外研究现状和两个典型的应用实例,并对我国高速电磁开关阀今后的研究与开发前景进行展望。

1 国内外研究现状

自二十世纪七十年代末起,英国Lucas公司的A.

H.Seilly率先开始了高速电磁开关阀的研究,并开发出两种特殊结构的高速电磁开关阀,即Helenoid阀 1 和Colenoid阀 2 。Helenoid阀的电磁铁为螺管形结构,而Colenoid阀的电磁铁则为圆锥形结构。这两种高速电磁开关阀的共同特点就是通过采用特殊结构形状的电磁铁,克服了传统电磁开关阀 电磁作用力越大衔铁加速度反而越小 的矛盾,使得当阀芯行程小于1m m时,阀的响应时间不大于1ms。然而,Helenoid阀和Colenoid阀的结构都相当复杂,加工与制造难度大且成本高。因此,这也就限制了这两种阀在以后的实际应用。

与此同时,德国的G.Mansfeld、J.Terstee gen 3 和K.Engelsdaf、P.Dnnken 4 也开始开发研究高速电磁开关阀。他们所研制的阀的响应时间均在2ms左右,而且阀的结构也相当复杂。在这之后,又有许多外国学者和专家在致力于高速电磁开关阀的研究。

1982年,美国Ford Motor公司的专家们开发了一种环状多极高速电磁开关阀,阀的响应时间为2ms 5 。美国BK M公司则于1984年推出了一种三通球形插装式高速电磁开关阀 6 。据文献 6 报道,该阀的响应时间为:开启时间3ms;关闭时间2ms,工作压力为10MPa。这种阀主要被用在柴油机中压共轨电控燃油喷射系统中。而在日本,Diesel KiKi公司研制出名为 DISOLE ,电磁铁呈盘状结构的高速、强力电磁开关阀,当阀中衔铁达最大行程0 4m m时的响应时间为0 74ms 7 。不过此阀的结构也相对偏大。

另外,日本的田中裕久等人于1984年前后研制了两种高速电磁开关阀,其中的二通阀在工作压力为15MPa时,阀的响应时间为:开启时间3 3ms;关闭时间2 8ms 8,9 ;三通阀在工作压力为7MPa时,阀的响应时间不足3ms 10,11 。还有日本的川崎忠幸也提出了一种球形阀芯结构的高速电磁开关阀,当该阀工作压力为4 9MPa时,其开启与关闭时间均为2 5ms 12 。

到了二十世纪八十年代中期,由于柴油机电控燃油喷射技术的迫切需要,响应时间小于1ms的超高压高速电磁开关阀是人们竟相研究的一大热点。据文献 13,14 报道,日本的宫本正彦等人成功地研制出工作压力为120MPa,开启和关闭时间分别为0 35ms和0 4ms的三通型超高压高速电磁开关阀。德国Bosch公司也成功地开发出一种适用于超高压下工作的高速电磁开关阀,该阀的开启时间为0 3ms,关闭时间为0 65ms 15 。日本川崎重工的鹿宗等人撰文介绍了他们所研制的高速电磁开关阀,此阀为三位四通滑阀结构,最高工作压力为50MPa,响应时间为1ms 16,17 ,它也是用于柴油机的电控燃油喷射,旨在降低柴油机的污染排放量、噪声和节能。另据文献 18 介绍,德国Daimler-Benz公司与其它三家公司合作,为其开发的柴油机新型高压共轨式喷油系统研制出了响应时间为0 2ms,工作压力为135MPa的超高压高速电磁开关阀。值得注意的是,上述几种超高压高速电磁开关阀的工作流量都甚小。

与国外相比,我国的高速电磁开关阀的开发研究工作则起步相对较晚,所开展的工作大致可以分为两个方面,即一方面是跟踪国外的研究,探索电磁开关阀实现高速响应能力的基础理论研究 19 27 ;另一方面则是自主或合作开发高速电磁开关阀样机及与之配套的驱动控制装置 28 34 。其中,具有代表性的是贵州红林机械厂与美国B KM公司合作并经过三年多的努力,研制成功了HSV系列高速电磁开关阀 28 。根据文献

7

机床与液压 2001 No 2

28 介绍,该阀为螺纹插装式结构,阀的开启时间为3ms;关闭时间为2ms;最高额定工作压力为20MPa;额定流量为2~9L/min 。

另有文献报道,北京理工大学的王尚勇等 29

、黄官升等 32,33

曾分别于1996年和1998年前后研制了两种不同结构的高速电磁开关阀。前者的阀是采用盘式电磁铁、锥阀芯结构的二通型高速电磁开关阀,通过实测的电磁阀铁芯线圈的电流曲线获知,此阀的吸合时间为1 2ms 左右,释放时间为0 4ms 左右 29 。但文献 29 并未给出实际的工作压力值,以及阀芯位移与时间的关系曲线或数值。后者的阀则是采用螺管式电磁铁、球阀芯结构的二通型高速电磁开关阀。由文献 32 获知,该阀的最高工作压力为5MPa;额定流量为4L/min;电流响应时间为24ms,另外,通过改变线圈电参数而不改变阀结构尺寸,就可以得到几种更快的响应速度,但一般不超过6ms 。

此外,清华大学的卢启龙等人在研制柴油机第二代电控燃油喷射系统时,也开发了一种多极盘式 高

速强力电磁开关阀 30

。无锡油泵油嘴研究所的谢云臣等在文献 31 中介绍了一种拍合式(盘式电磁铁)高速电磁开关阀的设计、分析与试验结果。之中,他们重点进行了 工作电压对最高响应频率的影响 、 工作电压对响应滞后时间的影响 和 弹簧预压力的影响 等试验工作,并得到了一些有益的结论。

最近,洛阳工学院的周福章等人也撰文介绍了他们所研制的新型二级高速开关阀 34 。这种阀采用日本不二越公司生产的高速电磁开关阀(HS-G01-AR-D1)作为先导级,通过第二级锥阀的液压放大,使阀所能控制的最大流量超过80L/min,不仅保持了阀有较高的切换速度,而且通过使用 降幅双压驱动 较好地解决了大流量与快速性之间的矛盾。此阀的主阀开启时间为0 8ms,关闭时间为3ms 。

综上可见,过去二十多年来国内外的学者和专家们为丰富高速电磁开关阀的设计理论和提高其响应性能,开展过大量的理论研究与实践工作,所取得的研究成果对新一代高速电磁开关阀的开发研制仍然有着积极的指导作用。2 应用实例

(1)在柴油机电控燃油喷射技术中的应用 13,14,18 随着人们对环境保护的愈来愈重视,柴油机无污染排放控制也越发显得迫切。目前,许多国家都相继在寻找和探究更有效的技术措施来主动地减少柴油机的尾气排放量。其中,共轨式电控燃油喷射技术正是一项较为成功地控制柴油机污染排放的新技术。

该技术不再采用传统的柱塞泵脉动供油的原理,而是借助于集成在每个喷油器上的高速电磁开关阀的开启与闭合,定时、定量地控制喷油器将来自共轨中的恒定的高压燃油(或中压燃油被增压到高压后)喷

射进柴油机燃烧室,从而保证柴油机达到最佳的燃烧

比和良好的雾化,以及最佳的点火时间,足够的点火能量和最少的排放污染。图1是柴油机共轨式电控燃油喷射系统的原理图。

图1 共轨式电控燃油喷射系统原理图

这一系统主要由电控输油泵、共轨(恒压蓄油箱)、高速电磁开关阀、喷油器、电子控制装置(EC U)及各类传感器等组成。按照喷油高压形成的不同,目前共轨式电控燃油喷射系统有两种基本形式,即高压共轨式和中压共轨式。在高压共轨系统中,输油泵为高压泵(压力在120MPa 以上),它直接产生高压燃油后输送至共轨中消除压力的脉动,再分送到各个喷油器。当电子控制装置按需要发出指令信号后,高速电磁开关阀(响应在0 5ms 左右)迅速打开或关闭,进而控制喷油器工作,亦迅速按设定的要求把高压燃油喷出或停喷。与之相比,在中压共轨系统中,输油泵为中压输油泵(压力在10~13MPa),它是将产生的中压燃油输送至共轨中消除压力的脉动,再分送至带有增压柱塞的喷油器中。当高速电磁开关阀接受到电子控制装置发送的指令信号后,就迅速开启或关闭,从而控制喷油器工作,迅即通过增压柱塞的增压作用,把从共轨中来的中压燃油加压至高压(120~150MPa)后喷出或停喷。

显然,在共轨式电控燃油喷射系统中,高速电磁开关阀起着举足轻重的作用。这是因为: 高速电磁开关阀正是作为电子计算机与被控对象间的数字接口元件,实现了电子计算机对喷油器的直接控制作用,从而使得柴油机喷油过程真正实现了时间控制,并且控制十分方便; 高速电磁开关阀所具有的高速响应能力和控制灵活性,使得共轨式电控燃油喷射系统能方便地实现预喷射、后喷功能,而且喷油量控制较准确,从而有利于柴油机燃烧质量的提高以及尾气排放量的减少。所以,包括象德国Bosch 公司、美国BKM 公司、英国Lucas 公司和日本Die sel KiKi 公司在内的众多世界知名公司一直在致力于高速电磁开关阀产品的研究与开发工作。

(2)在汽车车轮防抱制动装置中的应用

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汽车车轮防抱制动装置,俗称 AB S ,它一般由电子控制器、轮速传感器和液压调节器三大件组成。其主要作用就是防止汽车在潮湿的柏油路上或在积雪道路上紧急制动时发生侧滑和调头旋转现象,从而改

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