高速电磁阀是共轨喷油器的核心控制部件，其动态响应特性直接影响循环喷油量、喷油定时和喷油规律的精确控制。由于高速电磁阀在高压共轨系统中的重要作用，越来越多的学者开展了电磁阀电磁特性的研究工作，更多的研究工作涉及的是高速电磁阀静态电磁转化的影响机理^[1-5]。Sun等^[6-7]研究了E型电控单体泵高速电磁阀结构参数对静态电磁力的影响。Cheng等^[8]对GDI喷油器电磁阀软磁材料对电磁力影响开展了仿真分析。Al-Jaber等^[9-10]分析了驱动电流或电压对电磁阀最大电磁力的影响规律。

上述电磁阀静态电磁力的研究是不考虑弹簧预紧力、燃油液力、运动件质量和控制参数等因素，只聚焦静态条件下电磁阀结构参数和驱动电流对最大电磁力的影响规律。然而，实际中共轨喷油器高速电磁阀的工作过程涉及电场、磁场、机械运动场和燃油液力场，这些物理场瞬变耦合、相互作用，共同决定电磁阀的动态响应，因此，开展高速电磁阀动态响应特性的研究具有更重要的科学意义。Takeo等^[11-12]研究了电磁阀开启响应和结构形式之间的关系。Wang等^[13]为获得更高的开关响应，在设计电磁阀时应用新型的Al-Fe软磁材料。李丕茂等^[14]基于实验结果和驱动原理，根据磁链和电磁力的关系建立了电磁阀的动态电磁模型。范立云等^[15]采用仿真手段研究了最大升程、运动件质量等结构参数对电磁阀动态响应特性的影响。Lu等^[16]研究了预励磁控制策略以实现加速电磁阀的开关响应。

上述研究较少涉及驱动参数和电磁铁与衔铁间燃油液力对电磁阀动态响应影响规律，并且缺少相关的有价值的定量研究结果。因此，本文基于试验手段，在电、磁、机、液耦合条件下开展驱动参数和燃油液力对高速电磁阀动态试验研究。

1 高速电磁阀动态响应试验研究 1.1 共轨喷油器高速电磁阀工作原理

共轨喷油器高速电磁阀的结构如图 1所示，主要由电磁铁、衔铁、阀杆、衔铁复位弹簧、衔铁缓冲弹簧、缓冲弹簧座、球阀、阀座和电磁阀阀体组成。电磁铁主要由铁芯、线圈和壳体组成。

在高速电磁阀运动时，电磁阀运动件受到三个向下的作用力(弹簧力F_spr、电磁铁和衔铁间燃油液力F_hyd、电磁阀运动件的重力F_mass)和两个向上的作用力(控制室内高压燃油压力F_fuel和电磁吸力F_mag)，此外还受到和运动方向相反的摩擦力F_fr，如图 2所示。当电磁阀通电后，电磁阀线圈内产生驱动电流，于是电磁阀产生吸引衔铁向上运动的电磁力F_mag。随着线圈通电时间的增加，F_mag逐渐增大，当F_fuel+F_mag>F_sp+F_hyd+F_fr+F_mass后，衔铁开始向上运动, 球阀离开阀座，喷油器开始喷油。当电磁阀线圈断电后，电磁铁产生的F_mag迅速减小，当F_fuel+F_mag < F_sp+F_hyd+F_fr+F_mass后，衔铁和球阀一起向下运动，直到球阀落座为止，此时喷油器停止喷油。

1.2 高速电磁阀动态响应试验台

在高速电磁阀动态响应研究中，常忽略电磁铁和衔铁间燃油液力F_hyd对电磁阀打开过程和关闭过程的影响。实际上，当电磁阀快速动作时，高压燃油会通过阀杆间隙从控制室向衔铁所在的容腔泄漏，尽管该容器内燃油会通过回油油路流回到油箱，但电磁阀的快速运动造成燃油泄漏的累积，衔铁容器内燃油回油的不迅速会造成电磁铁和衔铁间燃油压力F_hyd不断增大。那么，在衔铁上升时，F_hyd会阻碍衔铁的快速上升；在衔铁下落时，F_hyd则会使得衔铁下降缓慢。因此，开展F_hyd对电磁阀响应特性影响的试验研究具有重要的意义。

图 3所示为本文高速电磁阀动态响应试验台系统图及电磁阀部分放大图。在高速电磁阀工作过程中，燃油通过球阀阀杆流入到电磁阀阀腔内，经过多次循环，阀腔内的燃油压力越来越高，通过电磁阀壳体和阀座配合实现一个密封的电磁阀阀腔，利用小型伺服油泵向这个密封的阀腔内供油，从而模拟电磁阀阀腔内残留的燃油，而燃油压力则通过精密调压阀精确调节。由于电磁阀工作过程中电流高频瞬变导致电涡流很大，并且电磁阀的衔铁是浸泡在燃油内，因此采用霍尔式位移传感器测量电磁阀衔铁升程。在进行测量时，需要在电磁阀阀杆尾端安装一段磁钢，霍尔式位移传感器和磁钢的位置呈垂直状态，以保证位移测量的精度。表 1所示为高速电磁阀动态响应试验台主要装置的技术指标。

试验台采用图 4所示的peak-hold电流驱动形式，在驱动电流控制参数上可灵活设定峰值电压值U_boost、峰值电压持续时间T_boost、一阶维持电流值I_hold1、一阶维持电流持续时间T_hold1、二阶维持电流值I_hold2和电磁阀总的通电时间T_total。为实现高速电磁阀的快速打开，驱动电流向电磁阀供给高电压U_boost，而该U_boost是通过升压电路对24 V电压进行升压获得的。一阶维持电流I_hold1确保衔铁达到最大升程，二阶维持电流I_hold2则是用来维持衔铁处于最大升程，I_hold1和I_hold2是驱动电路对24 V电压进行PWM调节产生的。这两个较小的维持电流使用的好处在于，一方面减小电磁阀线圈的温升，另一方面降低电磁阀驱动电路的升压负荷和电路制造成本。此外，为保证电磁阀驱动电路的安全性和使用寿命，电磁阀最大驱动电流设定为25 A。

1.3 开启和关闭响应时间定义

开启响应时间T_open和关闭响应时间T_close是评价高速电磁阀动态特性的重要技术指标，响应时间包括电流延迟时间和电磁阀衔铁机械运动延迟时间。图 5所示为高速电磁阀T_open和T_close的定义示意图，定义从驱动电流信号给出时刻到衔铁升程达到最大升程h_max的10%的持续时间为T_open，定义从驱动电流信号切断时刻到衔铁下降到h_max的10%的持续时间为T_close。本文针对一种高速电磁阀开展研究，电磁阀的结构参数见表 3所示。

2 结果和讨论 2.1 电磁铁和衔铁间燃油液力的影响

电磁铁和衔铁之间燃油液力在以往的研究工作中很少涉及，该液力对电磁阀开启和关闭响应时间产生重要的影响。在表 2所示的试验研究条件下开展燃油液力对电磁阀响应特性影响的试验研究。从图 6和7看到，在燃油压力从0 MPa增加到0.18 MPa的过程中，电磁阀开启响应时间和关闭响应时间均明显增大，而且燃油压力对电磁阀开启响应时间增大的影响程度更大。这是因为，在衔铁上升过程中，处在电磁铁和衔铁间的燃油压力成为衔铁上升的阻力，阻碍衔铁的快速抬起，而在衔铁回落过程中，衔铁下端面的燃油压力又会阻碍衔铁的下降，延缓电磁阀的快速关闭。

电磁铁和衔铁之间的燃油对电磁阀的打开和关闭均产生负面的影响，从提高电磁阀动态响应的角度来看，应该最大程度地降低该部分的燃油液力。但是，衔铁所在容腔内的这部分燃油在球阀落座过程中起到“缓冲垫”的效果，会明显减小球阀落座后的反弹和反复震荡，如图 8所示。因此，通过对电磁铁和衔铁间燃油压力的合理控制，可在不明显恶化电磁阀动态响应的前提下实现抑制球阀落座后的反弹，从而保证球阀可靠落座。这会减小多次喷射之间的最小喷射间隔，有利于多次喷射控制策略的实现。

2.2 峰值电压的影响

峰值电压U_boost对电磁阀开启响应时间和关闭响应时间影响较大，因为峰值电压直接影响电磁阀内铁芯和衔铁磁性材料的磁化过程。表 3所示为试验过程中电磁阀驱动电路设定参数。

从图 9看到，在U_boost从42 V增加到80 V的过程中，随着U_boost的增加，电磁阀开启响应时间T_open迅速减小，当U_boost>72 V后，U_boost的增加对开启响应时间减小的正面效应变得不明显。上述现象产生的原因是:在峰值电压持续时间T_boost不变的情况下，U_boost的增加会提高电磁阀驱动电流的增加速率，这导致电磁阀电磁力的快速增大，因此观察到，在U_boost开始增加阶段，T_open随U_boost的增加而快速减小。然而，当U_boost增大到一定值后，高电压下的电磁阀软磁材料产生磁饱和，此时，U_boost的继续增大已经很难明显减小电磁阀的T_open，因此出现了图 9所示的在较大U_boost时T_open减小的不明显的现象。过大的U_boost会显著增大电磁阀驱动电路的负荷，降低驱动电路工作可靠性。因此，在满足电磁阀开启响应时间的前提下，尽量选择较小的U_boost。

电磁阀开启响应时间主要受到电磁力特性决定，而电磁力增加过程实际上是电磁阀的磁化过程，在峰值电压一定的条件下，峰值电压持续时间T_boost决定电磁阀的磁化过程，因此，在表 4所示的驱动电路参数条件下，开展T_boost对电磁阀动态响应影响规律的试验研究。

从图 10看到，在T_boost从100 μs增加到350 μs的过程中，高速电磁阀开启响应时间先快速减小，在T_boost>150 μs后，随T_boost增加，电磁阀开启响应时间减小的程度已不明显。产生上述现象的原因如下：随着电磁阀线圈内驱动电流的增加，电磁阀开始磁化，磁化过程发展，衔铁受到电磁铁产生的电磁力逐渐增大，在T_boost增大的初始阶段，峰值电压持续时间的增加为电磁阀的磁化进行提供了充分的磁化时间，这使得衔铁受到的电磁力迅速增大，因此出现了开启时间随峰值电压持续时间的增加而快速减小的现象。然而，电磁阀完全磁化所需时间是一定的，当T_boost从150 μs继续增大时，尽管峰值电压持续时间明显增大(图 11所示)，但该持续时间对电磁阀完全磁化所需的时间是过量的，电磁阀电磁力的增大受峰值电压持续时间的影响变得微弱，自然，在较大的T_boost范围内，电磁阀开启响应时间随T_boost的增加而减小的程度较小。过大的峰值电压持续时间不仅无益改善电磁阀开启时间，而且还增大驱动电路的负荷。因此，需要在结合峰值电压值的前提下进行峰值电压持续时间的合理选择，在满足电磁阀开启响应时间的前提下，需选择较小的峰值电压持续时间。

3 结论

1) 电磁铁和衔铁间的燃油液力对电磁阀开启响应时间和关闭响应时间均起到负面的作用，为提高电磁阀动态响应，需要减小该部分的燃油液力。电磁铁和衔铁间的燃油液力可作为“缓冲垫”防止球阀落座后的反弹，保证球阀可靠落座。

2) 峰值电压的增加有利于电磁阀开启响应时间的减小，但过大的峰值电压使得电磁阀过早产生饱和，当电磁阀软磁材料产生饱和后，峰值电压对开启响应时间的影响变得很弱。

3) 峰值电压持续时间的增加对减小电磁阀开启响应时间起到正面作用，但这种影响程度在持续时间较大时变得不明显。