车用燃气喷嘴响应时间分析

摘 要：燃气喷嘴作为天然气汽车控制系统中重要的零部件之一，作为电-机转换器件，它能够精确的控制喷射流量。文章阐述了燃气喷嘴的工作原理，提出燃气喷嘴电磁力及时间响应特性的计算思路。

关键词：时间响应；电磁力；动芯

1 工作原理

图1 典型燃气喷嘴结构

燃气喷嘴本身是一个常闭的开关阀 （见图1所示），由一个动芯上下运动来控制阀的开闭。当ECU下达喷气指令时，其电信号会使电流流经燃气喷嘴内的线圈，产生磁场来把动芯吸起，让阀门开启好使燃气能自喷嘴出气接头喷出。当电信号消失时，电磁力也随之消失。此时，复位弹簧推动动芯，关闭喷嘴。

燃气喷嘴采用PWM信号控制，当线圈通电后，电流从零逐渐增大，由于线圈中电感的存在，电流的上升不能一下就达到稳定值。通常情况下，电流的上升呈指数曲线，如图1所示。电流的激励产生磁通，所以，磁通的上升和电流的规律相同。当电流增长到一定阶段时，此时的电流产生的电磁力刚好和作用在动芯上的反作用力平衡时，这时的电流为开启触动电流，从电流开始至触动电流所需时间，称为触动时间。在触动时间内，动芯一直处于静止状态。当动芯开始运动后，导致气隙减小，磁阻也会发生变化，这会导致线圈电感发生变化，产生一个反电势，使线圈电流减小。当动芯达到终点位置时，磁阻不再变化，线圈电感也不再变化，此时，反电势消失。随着电流持续上升到稳定值，磁通也相应的上升到达稳定状态。当线圈断电，线圈电流和磁通逐渐下降，由于动芯的涡流的阻尼作用，电磁力逐渐减小。当电磁下降不足以吸住动芯时。动芯开始运动。从电流下降到动芯开始运动这段时间称为释放触动时间。当动芯从最小运动到最大位置时，同样也会产生一个电动势，使用线圈电流增大。当动芯运动到最大位置时，气隙不再变化，由电感产生的电势消失。线圈中的电流随着时间的推移，逐渐降低到零。

2 响应时间的计算

在燃气喷嘴的设计中，电磁阀的响应速度是系统响应快慢的关键因素。如何提高燃气喷嘴的开启时间是燃气喷嘴设计的关键内容之一。而燃气喷嘴的开启时间和电磁力的设计和磁性材料的运用息息相关。

产品初始设计参数：设计要求响应时间小于2.5ms，气隙？啄=0.4mm，动芯直径为d=16mm，作用在动芯上的电磁力只考虑表面吸力，而螺管力可以忽略不计。运动部分质量1.15×10-3kg，弹簧初始压缩长度为1.7mm，可得弹簧的初始弹力F弹=2.3N，额定工作电压UN=24V，动芯的有效密封面积S=50.24m2，最大开启压力为0.6MPa，F气=30.2N。

喷嘴的响应时间

由公式（6）（7）可取W=119，电阻约为1.2欧，将所有参数代入公式（1）（2）（3），经过验算喷嘴的开启响应时间约为2ms，与实际测试数据设计指标制定合理。

3 结束语

本设计开启压力高、响应速度快、出气流量大、安全可靠和密封性好的优点，同时，采用软磁不锈钢材料、采用进气过滤网过滤设计、优化的阀口设计、直动式优化结构，能够对喷嘴内部的燃气的流量进行精确控制。此外，采用内置式封闭线圈结构，提高了喷嘴的抗电磁干扰能力。结构简单、生产成本低及使用寿命长的优点，适用于各类型燃气发动机和车型，并适合大规模生产。

参考文献

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