电液比例进油节流阀特性优化分析

1.电液比例进油节流阀的结构和工作原理

高压共轨喷油系统中目前常用的轨压控制元件之一是电液比例进油节流阀，如图5-57所示。它装在低压输油泵的输出口上，通过控制该电液比例进油节流阀的阀口开度，控制实际进入高压油泵柱塞腔的流量，进而控制共轨管的燃油压力。

图5-57 电液比例进油节流阀

a）电液比例进油节流阀的结构 b）产品实物 1—电插头 2—塑料封装 3—轴承 4—带推杆的衔铁（动铁心） 5—励磁线圈 6—节流阀外壳 7—调整垫圈 8—阀体（静铁心） 9—O形圈 10—滑阀芯 11—复位弹簧 12—弹簧座

如图5-57所示，该节流阀主要包括：螺线管型比例电磁铁（包括：静铁心8、动铁心、即衔铁4—也是推杆，励磁线圈5），圆柱形的滑阀芯10，阀芯的复位弹簧11，节流阀的外壳6等。圆柱形的动铁心的中孔安装一个推杆4，该推杆4下端面直接和阀芯10的上端面贴合。当电磁铁没通电时，滑阀芯10在内孔中的复位弹簧11的作用下抬起，并推动推杆4向上运动，进而带动动铁心也向上运动，一直到推杆4接触到节流阀的外壳6的内壁，停止运动。此时，如果是常开式的节流阀，阀芯的开度最大，即节流阀处于最大流量状态，如果是常闭式节流阀，则此时阀芯的开度为零，即此时节流阀处于无流量状态。

当电磁铁通电后，动铁心4和静铁心（阀体）8会产生电磁吸力，在电磁吸力的作用下动铁心开始带动推杆4向下运动，并推动阀芯10向下运动，如果驱动电磁铁的电流不大，则电磁铁产生的电磁吸力也不大，当电磁铁产生的电磁吸力和阀芯10的复位弹簧11大小相等时，阀芯10就平衡在一个位置上，此时对应着阀口的一个开度，即对应着节流阀的一个流通截面，随着电磁铁的驱动电流的增长，电磁吸力也增长，动铁心在电磁铁的带动下，继续向下运动，直到阀芯10的复位弹簧11产生的向上的弹簧力和电磁吸力相等时，阀芯又平衡在一个新的位置，此时又对应着阀口的一个开度，即对应着节流阀的一个流通截面。因此通过改变电磁铁的驱动电流就可以控制阀芯的位移，进而控制阀芯的开度，实现可流量的调节。由于驱动比例电磁铁的电流可以通过PWM的方式连续的调节，因此就可以实现比例节流阀的流量的连续的调节和控制。

对应常开式的比例节流阀，随着比例电磁铁的驱动电流的增长，阀芯10的阀口的开度的不断减小，即阀口对应的流通截面的面积不断减小，因此通过该阀口的流量也不断的减小，直到阀口的开度为零，即无液流能通过该节流阀。

对应常闭式的比例节流阀，随着比例电磁铁的驱动电流的增长，阀芯10的阀口的开度的不断增加，即阀口对应的流通截面的面积不断增大，因此通过该阀口的流量也不断的增大，直到阀口的开度最大，即节流阀实现最大的工作流量。

目前在高压共轨喷油系统中，常开式和常闭式的比例节流阀都应用。

2.电液比例进油节流阀节流口的结构型式和特点

现在高压共轨喷油系统中使用的电液比例进油节流阀的节流口的结构型式如图5-58所示，其中的阀芯为圆筒形滑阀芯，在该圆筒形滑阀芯上沿轴向开矩形或三角形阀口，此阀口和阀体上的沉割槽配合形成节流口，图5-58a是矩形节流口，其阀口的通流面积的表达式为

图5-58 电液比例节流阀的阀口形式

a）矩形阀口 b）三角形阀口

式中 n——阀口数；

b——阀口宽度。(www.xing528.com)

这种矩形阀口的面积梯度为nb，即为常数，也就是说该阀口的通流面积与阀芯位移的关系是线性关系。

图5-58b是三角形的节流口，其阀口的流通截面积的表达式为

A（x）=nx²tanβ （5-64）

式中 n——阀口数。

这种三角形阀口的面积梯度为2nxtanβ，即该阀口的通流面积与阀芯位移的关系是二次函数的关系。这种阀口的优点是在小开度时，流量调节特性尚可，但是它的面积梯度的增长太快，因此在大开度时的流量的调节精度不太理想。

由于矩形阀口的通流面积与阀芯位移的关系是线性关系，因此流过该阀口的流量的变化与阀口的位移成正比，也可以说流过该阀口的流量的变化与驱动比例电磁铁的电流成正比。结果，使得由该节流阀提供给高压油泵的流量和发动机的负载和转速成正比。

这种情况在发动机的低速运行时，由于高压油泵的吸油时间大于发动机在高速运行时的吸油时间，所以在发动机低速运行时，进油节流阀阀口微小的变化，会引起高压油泵的泵油量比较大的变化，而且，在发动机低速运行时，即便是转速变化很小，但节流阀的流量变化却比较大，因此这种矩形节流口的比例节流阀在发动机的低速运行工况，其高压油泵的泵油量的控制比较困难。

因此日本电装公司提出了一种改进的设计，如图5-59所示^[19]，这是一种复合型的节流阀阀口，两段矩形阀口通过梯形阀口连接形成，第一段小通流截面的矩形阀口和梯形阀口的小端连接，而梯形阀口的大端和大通流截面的矩形阀口连接。三段阀口沿阀体的轴向分布。

日本电装公司的这种电液比例进油节流阀是常闭式的节流阀，即在比例电磁铁断电时，节流阀的阀芯40在复位弹簧33的作用下被抬起，并被抬到最高位，同时，动铁心58也在与其固连在一起的推杆57的作用下，被抬到最高位。此时从低压输油泵2输出的低压燃油，从节流阀的最下端的轴向进油口32a进入节流阀的阀体30的复位弹簧腔，然后再进入阀芯40的中心孔41，并经过与中心孔41垂直的径向孔42流向阀体30的输出节流口，此节流口即位前面介绍的复合型的节流口。由于此时电磁铁断电，阀芯40被复位弹簧抬到最高位，使得阀芯40上的径向孔42与阀体30上的节流口的连接通道被隔断，因此，低压输油泵的输出油液被截住，不能继续流向高压油泵的进油阀66。

当电磁铁通电后，如果PWM脉宽控制信号的脉宽比较小，则比例电磁铁的驱动电流不大，此时电磁铁产生的电磁吸力也不大，因此阀芯40在电磁铁的动铁心58和推杆57的推动下，克服复位弹簧33的作用力向下运动，当比例电磁铁的电磁吸力和复位弹簧33的作用力平衡时，阀芯40固定在一个位置上，此时节流阀的阀口的开度局限在小通流截面的矩形阀口上，或者说局限在小通流面积梯度的区域内，如图5-59c所示，尽管在此区域内，节流阀口的通流截面与阀口的位移成正比，但是由于此时是小通流面积梯度的矩形阀口，即随阀口开度的增加，其通流截面的面积的增大速率却不大，这样就可以使发动机在低速运行时，当发动机的转速变化或发动机的负荷变化时，流经节流阀口的流量不会有比较大的变化，这样就控制了高压油泵的泵油量的大幅度的变化。

当驱动比例电磁铁的电流进一步增大，电磁铁的电磁吸力也会进一步增大，因此阀芯40会进一步向下运动，结果阀芯40的阀口会和阀体30上的复合型节流口的中间过渡阶段的梯形阀口对应，梯形阀口的通流截面面积与阀芯40的位移之间的关系是二次函数的关系，因此流过此阀口的流量也是和阀芯40的位移是二次函数的关系。

如果比例电磁铁取得电流继续增加，电磁吸力会继续增加，因此阀芯40继续向下运动，结果阀芯40的阀口会和阀体30上的复合型节流口的大通流截面的矩形阀口对应，而矩形阀口的通流截面面积和阀芯40的位移之间的关系仍然是正比关系。但此时，大通流截面矩形的阀口的面积梯度比较大，即阀芯40的位移微小的变化会引起该矩形阀口的通流截面面积比较大的变化，这恰好可以满足发动机在高速运行或者高负荷工况时，高压油泵的高泵油量的需要。

如图5-58c所示，这种复合型节流口的工作流量与阀芯40的位移之间的关系是非线性的，是由两段斜率不同的直线和一段二次函数曲线组合而成。

但是电液比例节流阀如前所述，当其前后的压力差变化时，通过节流口的流量就会变化，因此其流量特性的刚性比较差，为了改善流量特性的刚性，必须有相应的压力补偿机构。

图5-59 DENSO公司的复合型的节流阀阀口

a）复合型节流阀口的比例节流阀的结构 b）复合型节流阀口的结构 c）不同节流阀口流量特性比较 1—油箱 2—低压油泵 3—电液比例节流阀总成 6—高压油泵的泵油单元 61—低压油管 62—泵油柱塞 63—泵油柱塞腔 64—高压油泵驱动轴 65—高压泵泵油柱塞驱动凸轮 66—高压油泵泵油单元的进油阀 67—高压油泵泵油单元的出油阀 68—高压油管 7—共轨管 71—喷油器 72—低压回油管 8—电气插头 81—电极 9—连接套 11—吸油管 30—节流阀的阀体 31—复合型节流孔 311—小流通截面矩形阀口 312—大流通截面矩形阀口 313—梯形流通截面阀口 32—节流阀下端面 32a—节流阀进油孔 33—复位弹簧 40—阀芯 41—中心孔 42—径向孔 53a—环形腔 54—线圈骨架 55—隔磁套 56—衔铁限位块 57—推杆 58—动铁心 581—衔铁上端面垫圈 582—衔铁下端面垫圈 59a、59b—轴承 100—电控单元