电控泵喷嘴和电控单体泵的电磁阀性能分析

1.电磁阀的作用

电磁阀是柴油机电控喷油系统中常用的一种微动执行器，它的本质是开关，因此，又名为高速开关电磁阀，其开关特性决定了时间控制系统的定时和定量。

在多缸发动机上采用的泵喷嘴或单体泵，每缸都安装一个控制喷油过程的电磁阀。与此同时，传统柱塞上的斜槽被取消，柱塞的运动只能建立高压，不再具有油量调节功能，实现油量调节的功能已由电磁阀执行。电磁阀已成为柴油机电控喷油系统中的重要部件之一，不论是泵喷嘴、单体泵、分配泵及高压共轨系统，电磁阀已成为它们能否正常工作的最关键、最核心的部件。

2.对电磁阀的要求

电磁阀在各种柴油机电控喷油系统中的结构原理都有很大的区别，但其对电磁阀的要求具有一定的共性：

1）高速响应能力。柴油机正常工作时，每循环中各缸都需喷油一次，电磁阀相应就要控制动作一次，即开关一次。上述各种电控喷油系统大多数应用在高速柴油机上，其开关频率极高，开关一次的时间以毫秒为单位，因此，要求电磁阀具有极高的响应能力，故有时称其为高速电磁阀。

2）高压承受能力。为满足严格的排放法规，高速直喷式柴油机普遍采用很高的喷油压力，一般都在100MPa以上，最高要超过200MPa。在这样高压环境下，不但要求电磁阀能正常工作，而且还要有良好的密封性。这就要求电磁阀具有承受高压的能力，因此，柴油机电控电磁阀均为高压电磁阀。

3）高的控制精度。为了改善柴油机的性能，在喷油规律中常采用预喷、主喷、后喷等多次喷射，其中预喷量很小，通常约为全负荷油量的3%，这样小的喷油量对电磁阀的控制精度提出了很高的要求。

3.电磁阀的结构与工作原理

在柴油机电控喷油系统中使用的电磁阀，都可谓高速电磁阀，对其要求很高，要实现电磁阀的快速响应过程，需要在衔铁运动刚开始气隙很大时磁通密度就达到饱和，这就要求电磁阀在初始运动阶段，电流就要求有很大的变化率，并达到很高的峰值，随着衔铁的运动，气隙的减小，磁阻的降低，电流虽然逐渐减小，但仍能保持足够的电磁吸力，使衔铁在整个运动过程始终以最高加速度工作。

电磁阀的快速起动，直接影响电磁阀的响应特性，要实现快速起动，对起动电流提出了特别的要求，必须利用陡峭的电流上升速度，才能实现快速起动，就是在尽可能短的时间内，提供足够高的能量，使电磁阀得到很高电流变化值和电流峰值，才能获得高的响应速度。以下将通过泵喷嘴和单体泵系统采用的高压电磁阀加以介绍。

（1）泵喷嘴和单体泵高压电磁阀结构 电控泵喷嘴和电控单体泵采用的电磁阀的结构和工作原理基本相同，以商用车泵喷嘴系统为例，如图3-84所示，主要由电磁阀弹簧1（回位弹簧）、电磁阀阀芯4、线圈5、衔铁6、铁心10和电线接头9等部件组成。

图3-84 商用车电控泵喷嘴电磁阀结构原理图

a）阀芯与阀座间密封座面全开 b）阀芯与阀座间密封座面关闭(www.xing528.com)

1—电磁阀弹簧 2—低压油路 3—高压油路 4—电磁阀阀芯 5—电磁阀线圈 6—衔铁 7—柱塞高压腔 8—柱塞 9—电线接头 10—铁心 11—电磁阀阀体

A—阀体座面 B—阀芯座面

1）电磁阀阀芯与阀座间密封面结构。为使电磁阀在高压条件下工作能有良好的密封性，电磁阀阀芯与阀座间的密封面采用锥面密封结构，并使阀芯座面A的锥角略大于阀座座面B的锥角，这样在密封面关闭时，不是面接触，而是线接触。这是由于面接触时，要求电磁阀阀芯与电磁阀座中整个密封锥面完全贴合，这就很难保证在高压状态下无泄漏；密封锥面以线接触时，在电磁力的作用下，接触应力很大，会产生一定的弹性变形，形成一圈良好的密封带。因此，阀芯与阀座间的密封面关闭后不易泄漏，高压油路能迅速产生高压。

2）电磁阀阀芯与阀座密封面间的间隙。在电磁阀阀芯座面B和阀座座面A间开启时的最大间隙Δ与阀芯行程有关，过大的间隙Δ，就要求电磁阀阀芯移动较大的行程，才能到达关闭位置，同时由于间隙Δ大，衔铁与铁心间的气隙δ相应要大，通常气隙δ必须略大于间隙Δ的轴向尺寸，否则无法密封。过大的气隙δ会加大磁阻，减小磁吸力。通常在密封面间的间隙Δ最大时，气隙δ约为0.2mm，而阀芯密封面关闭时，即Δ等于零，气隙δ仍应有0.05～0.10mm的间隙。

上述间隙Δ和气隙δ的加大都会影响电磁阀阀芯与阀座间密封面的座面关闭时间，直接影响电磁阀的响应速度，但阀芯密封面全开时的间隙Δ也不宜过小，过小的间隙会造成高压油卸压时，因节流阻力过大而影响卸压速度，使停油不能干脆。

（2）泵喷嘴和单体泵电磁阀控制工作原理 柴油机时间控制方式电控喷油系统包括喷油前的准备、喷油始点、喷油脉宽及喷油结束的整个喷油全过程，都是由电子控制器通过电流调节实施的，其工作原理见图3-84。

1）供油前。在供油前，电磁阀未通电，无电磁力存在，电磁阀阀芯4在电磁阀弹簧1的作用下被压在图3-84的最右方，阀芯座面B与阀座座面A间的密封面处于全开状态，高压油路无法建立高压。

2）供油。油泵供油必须在柱塞高压腔内能产生高压后，才能向喷油器提供高压油，而高压油又必须在柱塞压油行程中对低压油做功后才能形成。

在时间控制的电控喷油系统中，由于供油过程主要是在电磁阀控制下进行，因此，柱塞压油虽能使燃油产生高压，但这只是一个必要条件，而不是充分条件。当电磁阀阀芯和阀座间的密封面存在间隙Δ时，由于高、低压油路相通，即使柱塞进入压油行程，高压腔内也无法建立高压，因此，电磁阀对供油控制成为又一重要因素。

当电磁阀不通电时，阀芯座面是开启的，不能向喷油器供油。只有当柱塞在供油行程时，控制器向电磁阀发出通电信号，电流迅速上升，磁通将通过铁心10、衔铁6及两者间的空气间隙δ构成一闭合磁路，该磁路对衔铁所产生的电磁吸力，将衔铁吸向铁心10方向，同时带动电磁阀阀芯4，克服了电磁阀弹簧1的预紧力向左移动（图3-84），使阀芯与阀座密封面A和B间的间隙Δ及衔铁6和铁心10间的气隙δ同时减小，当阀芯与阀座密封面间的间隙Δ为零，高低压燃油通道切断后，高压油路才能形成高压，向喷油器供油。通常阀芯密封面向关闭方向移动，衔铁与铁心间还有很小的余隙时，阀芯座面B与阀座座面A间的燃油通道，必须提前关闭，使间隙等于零，只有这样才能确保座面间有良好的密封面。如果气隙δ等于零时，才开始关闭或尚未关闭高、低压燃油通道，必然会引起油路关闭不严，而造成泄漏的不良后果，从而影响油路的压力升高。

在喷油延续期内，高压燃油是不允许产生压降的，因此，要求座面A和座面B间紧贴无间隙（图3-84b），为确保关闭着的阀芯座面处有良好的密封性，座面B和座面A接触后，磁吸力应保持大于电磁阀弹簧1的作用力（即电磁阀阀芯因左移后，弹簧被进一步压缩而增大了的反作用力）及燃油压力对其的影响，这就要求在喷油延续期内始终通电，提供足够的电流。

由于高压电磁阀的控制是通过调节电流来实现的，根据电流产生的电磁吸力与气隙δ大小平方成反比的特性，在座面接触时，衔铁与铁心间的气隙δ最小，电磁吸力却最大，因此，座面关闭时所需的维持电流明显小于使电磁阀阀芯起动时所需的电流，维持电流虽已减小，但仍能使电磁阀阀芯座面与阀座座面保持在良好的关闭状态。由于维持电流较小，因此，能耗较低，电路不会过热，并使电磁阀复位时电磁力消退加快，能实现快速回位停油。

3）供油终点。当供油结束后，由控制器发出指令，使电磁阀断电，电磁吸力随之消退，电磁阀阀芯在电磁阀弹簧1的作用下迅速回位，并打开密封座面，高压油路3与低压油路2连通，高压油路迅速卸压，喷射随之终止。

电磁阀通电后，电磁阀阀芯移到密封面开始关闭的时刻，决定了喷油定时，电磁阀通电时间长短，决定了喷油脉宽，即决定了柴油机的负荷大小和转速高低，可见对电磁阀实施的控制在时间上要求十分严格，这也是为什么此类系统叫“时间控制式”的主要原因。