基于Ansoft的SCR无气辅尿素喷嘴电磁阀的仿真分析

王 琪，来 鑫，胡 静，华 伦

（1.上海理工大学 机械工程学院，上海 200093；2.清华大学 苏州汽车研究院，江苏，苏州 215200）

基于Ansoft的SCR无气辅尿素喷嘴电磁阀的仿真分析

王 琪1，来 鑫1，胡 静1，华 伦2

（1.上海理工大学 机械工程学院，上海 200093；2.清华大学 苏州汽车研究院，江苏，苏州 215200）

为了提高选择性催化还原（Selective Catalytic Reduction，SCR）系统对尿素喷射量的精确计量，对无气辅式喷嘴的电磁阀响应时间进行研究，建立了基于Ansoft Maxwell仿真软件的电磁铁模型，分析影响电磁阀响应时间的相关因素，并通过试验验证。通过有限元分析找出电磁阀吸力和电磁阀参数之间的关系，再由动态仿真确定阀内回位弹簧刚度、线圈电阻等因素对整体电磁阀响应时间的影响，并在对各参数进行优化后缩短了电磁阀响应时间。研究结果表明，在一定范围内，改变工作气隙和回位弹簧刚度会对电磁阀开启和关闭时间产生相反的影响，而线圈匝数和线圈电阻对电磁阀的关闭时间影响更大。

无气辅式喷嘴，电磁阀；响应时间；动态仿真

SCR系统作为一种有效降低柴油机尾气中NOx含量的后处理手段，依靠其转化效率高，抗硫性强以及可以减少一定油耗等优点，已经在汽车后处理系统中得到了广泛应用。SCR系统主要采用无气辅喷嘴，因为它结构简单，并且无需压缩空气源。而无气辅喷嘴主要依靠电磁阀控制尿素喷射量，电磁阀作为一种新型流体控制元件，不仅结构简单、性能可靠，而且成本较低[1]。电磁阀的动态响应特性是评估电磁阀性能优劣的关键因素[2-3]。提高电磁阀的响应时间成为控制尿素喷射精度的主要手段[4-6]。

针对某款尿素喷嘴的电磁阀，利用Ansoft Maxwell仿真软件进行分析，可以准确地得到电磁阀动态响应曲线。对相关参数进行变参数研究，找出不同因素对电磁阀响应的影响规律，实现对电磁阀的响应特性优化。

1 电磁阀结构和数学模型

1.1 尿素喷嘴结构示意图

尿素喷嘴电磁阀部分结构如图1所示。线圈通入电流后，电磁阀开始工作，产生吸力使衔铁向铁芯处运动，从而让球阀打开，尿素溶液经开启间隙处流出，通过喷孔后形成喷雾。断开电流后，衔铁在回位弹簧的作用下返回将喷嘴关闭。

图1 尿素喷嘴电磁阀部分结构示意图

电磁阀的基本参数见表1。

表1 电磁阀基本参数

1.2 电磁阀数学模型

电磁阀作为一个机电液耦合的系统，数学模型包括了电路、磁路和动力学方程[7]。加载电压后，电磁阀线圈内产生电流，随之电磁阀内形成磁路，产生吸力。此时线圈回路的动态方程为：

式中：U为加载电压，V；i为回路中的电流，A；R0为回路电阻，Ω；Ψ为磁路总磁链，也称为磁势，Wb；N为线圈匝数；Φ为磁通，Wb。当各线圈磁通相等时，磁势Ψ等于ΨN倍的磁通Φ。

电磁阀吸力Fmag的方程如下：

磁阻计算以导磁体磁路为例，lc为导磁体磁路长度，Sα为导磁体当量截面积，μ0为真空磁导率，μr为导磁体相对磁导率。导磁体的相对磁导率参照对应材料的B-H曲线确定，而工作气隙和非工作气隙处磁阻的相对磁导率μr取1。

电磁阀响应时间可以分为以下三个阶段。

1.2.1 电磁阀吸合触动过程

电流从0开始增大时，电磁阀阀芯并不是立刻开始运动的。由于弹簧预紧力和阀内液体压力会作为初始阻力将阀芯压紧阀座，所以在加载电压后，电磁力需要一定时间增大，直到电磁吸力克服了初始阻力，阀芯才开始运动。从电流开始加载到电磁吸力等于初始阻力这一过程就称为电磁阀吸合触动过程[8]。

电磁阀初始阻力F0为：

式中：FS为弹簧预紧力，N；k为弹簧刚度，N/mm；x0为弹簧初始压缩量，mm；Ff为液体压力，N。

在触动过程中，电磁阀阀芯保持静止，电磁力只随电流大小而变化。设电流从0增加到icd时，电磁吸力等于初始阻力，由此结合式（2）可以求出触动时间：

1.2.2 电磁阀吸合运动过程

电磁阀阀芯克服初始阻力后开始运动，直至电磁阀完全吸合，这一过程所用时间记为阀芯吸合运动时间。

在吸合过程中，气隙减小，由于气隙变化，磁路此时有电流i和阀芯位移x这两个变量。此时线圈回路的方程变为：

而电磁阀阀芯的运动方程为：

式中：Ff记为液体压力造成的阻力，N；C为液体阻尼，N/(m·s-1)。结合电磁阀吸力方程式（2），可以求出阀芯从开始运动到完成吸合所用时间tyd。

至此，就可以得到从加载电流开始到电磁阀阀芯完全吸合所用的开启时间为tcd+tyd。

1.2.3 电磁阀复位过程

关闭电磁阀时，电流迅速归零，阀芯受弹簧力和液体压力的作用重新回到阀座。衔铁回位运动方程可表示为：

式中：δ为电磁阀工作气隙，mm。

2 电磁阀模型仿真

电磁阀仿真部分首先利用了Ansoft Maxwell静态仿真进行电磁力的分析，在确定电磁阀结构以后，找出电磁吸力在不同加载电流和电磁阀气隙大小下的变化规律。再由Ansoft Maxwell动态仿真计算出电磁阀实际工作过程中在一定的加载电压下电磁力、电流、衔铁位移随时间的变化曲线，并对电磁阀工作气隙、回位弹簧刚度、线圈匝数和线圈电阻进行变参数研究，找出电磁阀响应时间随各个因素的变化规律。

2.1 Ansoft Maxwell仿真

Ansoft Maxwell电磁阀仿真模型如图2所示。模型中各部分材料属性设置见表2，其中电磁阀气隙部分材料设置为空气，SUS430的材料磁化特性曲线可以手动设置，SUS304是非磁化钢，设置为不导磁即可。

设置完成后在求解器中定义加载电流和电磁阀气隙，进行变参分析，并求解阀芯所受电磁吸力。

图2 Ansoft Maxwell电磁阀仿真模型

表2 仿真模型各部件的材料设置

电磁吸力随电磁阀工作气隙和激励电流的变化曲线如图3所示，图中安匝数定义为电流和线圈匝数的乘积，在线圈匝数不变的情况下，安匝数的变化就是电流的变化。

图3 电磁力与气隙、电流之间的关系

电磁阀线圈电感随电流、工作气隙的变化规律如图4所示。

图4 电感与气隙、电流之间的关系

2.2 Ansoft Maxwell动态仿真部分

Ansoft Maxwell中电磁阀外电路模型比较简单，如图5所示，由一个方波电压源、线圈和电阻三部分组成。各部分参数设置好之后就可以导入Ansoft Maxwell模型中进行电磁阀动态仿真。设周期为0.01 s，占空比为50%，从0 s开始计算，激励电压如图5所示。电磁阀线圈电流、电磁吸力和衔铁位移随时间变化曲线如图6所示。

图5 Ansoft Maxwell仿真中电磁阀外电路给定激励电压

图6 电流、电磁吸力和衔铁位移随时间变化曲线

由图6可知，该电磁阀开启响应时间约为1.2 ms，关闭响应时间为1.4 ms。

2.3 电磁阀动态性能的影响因素分析

2.3.1 回位弹簧刚度对电磁阀衔铁位移的影响

仿真得到的不同弹簧刚度k下的电磁阀位移曲线如图7所示。可以看出当电磁阀回位弹簧刚度增大时，初始阻力增大，但由于增量较小，电磁阀开启时间并没有明显变化。由于电磁阀依靠弹簧回位，弹簧刚度对回位过程影响很大。可以明显看出，随着弹簧刚度增大，电磁阀回位明显加快。

图7 不同弹簧刚度下的电磁阀位移曲线对比

2.3.2 电磁阀工作气隙对动态响应的影响

仿真得到的不同工作气隙δ下的电磁阀位移曲线如图8所示。可以看出电磁阀气隙增大后，开启响应不断变慢，而电磁阀的关闭响应时间主要是由于工作气隙增大，电磁阀行程也随之变大，所以关闭时间变长。

图8 不同气隙下的电磁阀位移曲线对比

2.3.3 电磁阀线圈匝数对电磁阀动态响应的影响

仿真得到的不同线圈匝数N下的电磁阀位移曲线如图9所示。可以看出线圈匝数增加后，磁势增大，电磁阀开启时间减少，但当匝数超过600之后，由于电感加大，开启时间又逐渐变长，而衔铁回位的时间是随着线圈匝数的增加而不断变长的。

图9 不同线圈匝数下的电磁阀位移曲线对比

2.3.4 线圈电阻对电磁阀动态响应的影响

仿真得到的不同线圈电阻R0下的电磁阀位移曲线如图10所示。可以看出线圈电阻减小后，线圈中电流变大，电磁阀开启响应加快，但是由于线圈电流变大后剩磁也相应增加，导致电磁阀回位时间变长。

图10 不同线圈电阻下的电磁阀位移曲线对比

3 试验验证和优化

由实际电磁阀驱动电路向喷嘴发出脉冲信号，利用示波器检测线圈电流变化曲线，并与仿真结果对比，验证模型的合理性[9-10]。尿素喷嘴电磁阀测试原理如图11所示，测试结果和仿真结果对比如图12所示。

图11 尿素喷嘴电磁阀测试原理图

图12 电磁阀仿真电流曲线和试验数据对比

由试验结果对比可知，基于Ansoft Maxwell仿真软件建立的电磁阀仿真模型正确性得到验证，因此可以借助仿真结果优化部分参数（表3）。如图13所示，对电磁阀激励电压进行优化，在减小线圈电阻后，先以大电流驱动使电磁阀快速开启，再通过较小的电流维持开启状态，闭合时则通过加大回位弹簧刚度来加快电磁阀响应速度。

图13 电磁阀激励电压优化

表3 电磁阀部分参数优化前后对比

优化前后仿真电磁阀线圈电流变化曲线对比如图14所示。可以看出电磁阀的开启阶段电流变化速度加快。经优化后，电磁阀的开启时间从1.2 ms减少到0.95 ms，而关闭时间由1.4 ms减少到1.1 ms。

图14 优化前后仿真电磁阀线圈电流变化曲线对比

4 结论

本研究通过Ansoft Maxwell仿真软件对电磁阀进行动、静态仿真，确定了部分电磁阀参数对电磁阀响应时间的影响，对提高电磁阀动态性能有一定指导意义。

（1）电磁阀工作气隙的变化改变了电磁力的大小和电磁阀衔铁的运动行程，减小气隙可以有效提高电磁阀的动态响应速度。

（2）调整回位弹簧刚度可以加快电磁阀的关闭速度，但同时会导致开启时衔铁位移速度变慢。

（3）增加线圈匝数和减小线圈电阻可以增加电磁铁磁路中的磁势，但也会因为材料剩磁的原因造成衔铁回位延迟。

（4）激励电压做成阶梯方波的形式，确保电磁阀开启时提供较大的激励电流，再用较低的电流维持电磁阀开启，减小断电后磁路中的剩磁，可有效提高电磁阀的动态响应性能。

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作者介绍

Simulation Analysis of the Non Air Assisted SCR Urea Nozzles Solenoid Valve Based on Ansoft

WANG Qi1，LAI Xin1，HU Jing1，HUA Lun2
（1. College of Mechanical Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China；2. Suzhou Automotive Reseach Institute，Tsinghua University，Suzhou 215200，Jiangsu，China）

In order to improve the accuracy of the selective catalytic reduction system (SCR) for the injection of urea, the response time of solenoid valve of the urea nozzle were studied. The relevant factors affecting the response time of the solenoid valve were analyzed based on the model of the solenoid in Ansoft, and the result s were verified by experiments. The relationship between the electromagnetic valve suction and the electromagnetic valve parameters were found through the finite element analysis, and we determine the valve return spring stiffness, coil resistance and other factors on the response time of the solenoid valve by dynamic simulation. The response time of the solenoid valve was shortened, after optimizing the parameters. The results show that, in a certain range, changing air gap and back spring stiffness will produce the opposite effect on opening and closing time, and the number of turns in the coil and the coil resistance will produce greater influence on closing time.

non air assisted nozzle; solenoid valve; response time; dynamic simulation

责任作者：来鑫（1976-），男，江苏安徽人。博士，讲师，主要研究方向为汽车电子控制技术。Tel：13918394287E-mail：laixin@126.com

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A

10.3969/j.issn.2095-1469.2017.01.05

王琪（1992-），男，江苏南京人。硕士研究生，主要研究方向为汽车排放控制技术。 Tel：15901825070 E-mail：2873559152@qq.com

2016-09-07 改稿日期：2016-10-08

国家自然科学基金（51505290）

用格式：

王琪，来鑫，胡静，等. 基于Ansoft的SCR无气辅尿素喷嘴电磁阀的仿真分析[J]. 汽车工程学报，2017，7(1)：030-036.

WANG Qi，LAI Xin，HU Jing，et al. Simulation Analysis of the Non Air Assisted SCR Urea Nozzles Solenoid Valve Based on Ansoft [J]. Chinese Journal of Automotive Engineering，2017，7(1)：030-036. (in Chinese)