0 引　言

冷起动的难易程度是柴油机的一个重要性能指标^[1]，对于船用柴油机来说，因可能服务于极限恶劣条件，甚至是最重要的安全与运行性能指标^[2]。对于一般的柴油机而言，在不加装电热塞、起动液、进气空气预热等特殊冷起动措施的情况下，一般要求在−5℃的环境下能迅速可靠起动，而在−40℃时利用一些辅助装置也能迅速起动^[3-4]。对于船用柴油机，根据船规要求，即使机舱温度低至5℃～8℃，可无须暖机也能快速顺利起动起来^[5]。大中型船用柴油机由于压缩比高、转动惯量和起动扭矩大等原因，通常采用压缩空气起动系统^[6]，即将具有一定压力（2.4～3.2 MPa）的压缩空气，按柴油机的发火顺序在其工作（膨胀）行程时引入气缸，代替燃气推动活塞，使柴油机达到起动转速，完成自行着火^[7]。其优点是产生起动力矩大，起动迅速可靠，对外界环境温度不敏感，可在–30℃的情况下可靠起动^[8]。另外，对于船用大功率发动机，在倒顺车运转时还可利用压缩空气来刹车和帮助操纵^[2]。

现代船用柴油机起动系统不仅要求保证柴油机能迅速可靠起动起来，同时还要求消耗的能量（压缩空气量）尽可能少，并易于实现机舱自动化和遥控，这只有在电控空气起动系统才能实现^[9-11]。起动电磁阀作为柴油机电控空气起动系统的关重件之一^[12]，其作用相当于原空气分配器，控制压缩空气启、闭缸盖起动控制阀；将压缩空气送入处于膨胀做功冲程中的气缸，压缩空气在气缸内膨胀并推动活塞向下止点运动，经连杆将活塞往复运动转换为曲轴旋转运动；随后在惯性作用下，柴油机自行压缩着火运转^[13]。

本文研究的起动电磁阀应用于某V型16缸船用柴油机的起动系统，如图1所示。其由电子空气分配器、起动电磁阀、缸盖起动控制阀、主起动阀、起动空气管路及高压气源等部件组成。电子空气分配器主要功能组件为8个按发火顺序排列的位置传感器，以及与凸轮轴相连的钢质飞块；当凸轮轴旋转时，对应位置的传感器获得接近信号，从而控制对应气缸电磁阀动作。信号放大器根据传感器获得的信号控制固态继电器导通或者断开，给对应气缸的起动电磁阀控制电流（24 V，1 A）。电磁阀为二位三通电磁阀，当得到控制电流时动作，使3.2 MPa主起动空气进入缸盖起动控制阀，控制缸盖起动控制阀开启；当失去控制电流时复位，使柴油机缸盖起动控制阀及其控制管路中的压缩空气泄放，从而使缸盖起动控制阀关闭。

1 起动电磁阀的结构与工作原理

本文研究的起动电磁阀是一种二位三通、常闭式、高压气动电磁阀，其内部结构如图2所示，主要由静磁阀芯、电磁线圈、动阀芯、复位弹簧、阀体和接线模块等组成。该阀有3个出入气口，其中进气口P为高压空气入口，与上游高压气源装置（泵站）连通；工作口A接负载，与阀控对象如气缸起动阀的控制腔室连通；排气口T为泄压排空口，与大气连通。

如图2所示，当电磁阀处于“关”位置时，即进气口P关闭，工作口A和排气口T连通，电磁线圈断电，复位弹簧带动动阀芯向下移动，并施加一定的密封力，使进气口下密封垫与阀体的刃口之间形成密封，从而使进气口P关闭。气流由工作口A进入，通过动阀芯外圆面的导流槽，进入动阀芯与磁静阀芯之间的间隙，最后通过排气口T排放。

相反，当电磁阀处于“开”位置时，即排气口T关闭，进气口P和工作口A连通，电磁线圈通电，磁静铁芯产生电磁力, 克服复位弹簧的阻力并在介质作用力下带动动阀芯向上移动,使排气口上密封垫与磁静阀芯的刃口形成密封，从而使排气口T关闭。气流由进气口P进入，通过阀体与动阀芯之间的空腔，进入工作口A，驱动负载工作。

2 起动电磁阀的建模 2.1 起动电磁阀的数学模型

根据上述起动电磁阀的结构和工作原理分析，其受力模型可简化成一个由质量、弹簀、阻尼组成的机械系统，如图3所示^[14]。

根据牛顿第二定律，起动电磁阀动阀芯受力的平衡方程为：

$ m{{\ddot y}}={F}_{e}-{F}_{l}-b{\rm{\dot y}}-ky，$

(1)

根据麦克斯韦电磁场方程组：

$ {F_e} = \frac{{{\phi ^2}}}{{2{\mu _0}A}}，$

(2)

$ B = \frac{\phi }{A}，$

(3)

$ \phi = \frac{{IN}}{{\sum {{R_m}} }}，$

(4)

$ \sum {{R_m} = \frac{l}{{\mu A}}} + \frac{\delta }{{{\mu _0}A}} \approx \frac{\delta }{{{\mu _0}A}}，$

(5)

从而得到：

$ {F_e} = \frac{{{\phi ^2}}}{{2{\mu _0}A}} = \frac{{{{(IN)}^2}{\mu _0}A}}{{2{\delta ^2}}} 。$

(6)

式中： $\phi $ 为磁通量， ${\text{Wb}}$ ； $B$ 为磁感应强度， ${\text{T}}$ ； $I$ 为电磁阀线圈的实际电流， ${\text{A}}$ ； $N$ 为线圈匝数； $A$ 为电磁铁的有效吸合面积， ${\text{m}}{{\text{m}}^2}$ ； $l$ 为磁回路的平均长度， ${\text{mm}}$ ； $\delta $ 为工作气隙， ${\text{mm}}$ ； $\sum {{R_m}} $ 为磁路的总磁阻， ${\text{H}}$ ； ${\mu _0}$ 为真空磁导率， $\mu $ 为磁铁导磁率，一般 $\mu $ $ \gg $ ${\mu _0}$ 。

2.2 起动电磁阀的仿真模型

Ansoft Maxwell 2D/3D软件利用有限元离散形式，将麦克斯韦电磁场微分方程组的计算变换为矩阵进行求解。该软件是目前处理低频电磁场问题的最常用软件之一，其仿真计算步骤主要包括10个部分^[15]。

1）问题定义：本文起动电磁阀中电磁铁的轴对称结构，决定了其磁力线分布为空间轴对称。对比二维和三维电磁铁模型的仿真计算过程及资源消耗，发现2种计算结果及计算精度基本一致，而二维（平面）模型尺寸小，可节省计算机资源，计算速度快、降低仿真时间成本。因此，对电磁铁仿真采用Ansys Maxwell 2D建模。

2）选择求解器类型：对起动电磁阀进行静态特性仿真计算时，主要分析电磁铁在稳态工况下的电磁性能，因而选用静磁场求解器；而在进行动态特性仿真时，需要研究阀芯的运动过程，其激励电流和磁场等属于瞬态场，因此选择瞬态求解器。

3）绘制几何模型：考虑到起动电磁阀内部的密封垫、O型密封圈等零部件为非磁性材料；复位弹簧材料虽然导磁，但考虑到其螺旋结构且弹簧力预加载在动阀芯上。因此在绘制几何模型时都可以忽略，起动电磁阀二维模型如图4所示。

4）设置材料属性定义：按照实际所用材料设置。将线圈骨架材料设置为Teflon（聚四氟乙烯），静阀芯、垫片、外壳设置为软磁材料DT4（工业纯铁），动阀芯设置为1Cr13，电磁线圈的材料设置为copper（铜）；由于空气和真空的磁导率相差很小，所以将求解域填充材料设置为Vacuum（真空）。

5）定义边界条件：Ansys Maxwell软件静磁场求解器中包含有主从、对称、矢量磁位、气球以及自然等5种边界条件，为对无穷远处进行求解，仿真模型采用气球（无穷远）边界条件。

6）添加激励源：起动电磁阀的工作电压为DC 24 V，因此激励源选定电压原，即可在电磁线圈上施加24 V直流电压激励。

7）运动选项设置：起动电磁阀的动阀芯作直线运动，最大行程1.1 mm，质量45 g，初速度为0；复位弹簧刚度1.6 N/mm、初始负载力为−20.8 N，且随着动阀芯的运动，弹簧负载逐渐增大。

8）网格划分：静磁场和涡流场选定自适应网格方法，瞬态场中也可导入静态场的自适应网格。即通过advanced import mesh中完成网格划分。

9）求解参数设定：仿真时间120 ms，步长1 ms；求解设置定义最大收敛步数为15，收敛百分比误差为0.2%；每步细化百分比为25%，非线性残差0.0001。

10）求解及后处理：完成上述参数设置好后进行模型自检，若所有步骤都正确，则可以开始求解。待求解结束后，即可执行命令查看相应仿真计算的结果。

3 起动电磁阀仿真模型的试验验证 3.1 起动电磁阀及专项试验台研制

自主研制的起动电磁阀，主要性能指标目标值如表1所示。为了模拟起动电磁阀的使用环境，研制了测试环境模拟装置^[16]，主要由温湿度控制器、空气加湿器、空气加热器、温湿度表和保温外罩等组成。试验测试结果表明，起动电磁阀的工作环境满足GJB 1060-1991《舰船环境条件要求》规定，即水面舰船舱内的柴油机等动力系统设备应满足温度55℃、相对湿度95%的环境条件。

自主研制的柴油机起动电磁阀综合性能测试平台，主要包括高压控制泵站（气源）、船用柴油机压缩空气起动系统模拟装置、传感器及试验平台测控系统等，各传感器的性能见表2。

3.2 起动电磁阀性能测试与仿真计算结果对比分析

为了验证所建起动电磁阀仿真模型的准确性，同时也为检验试验测试结果的正确性，将试验测试条件、试验工况及控制参数等信息加载到起动电磁阀Ansys Maxwell 2D仿真模型中，计算阀芯位移、控制腔压力、励磁电流及功率等参数，并与试验数据进行对比。

在起动电磁阀额定工作条件下，记录仿真计算和实验平台测试的控制腔压力曲线，如图5所示，其是该阀工作3个周期的对比图。为更清楚测量起动电磁阀的开启和关闭响应时间，对图5中第2个动作周期中的开启和关闭过程的压力曲线进行局部放大，如图6所示。

从图5可知，起动电磁阀阀腔压力仿真计算与实测曲线变化趋势基本一致。以第2个周期为例，计算其启、闭响应时间并于实测值对比，如表3所示。

可知，起动电磁阀启、闭响应时间的实测值均大于仿真值。这主要是因为起动电磁阀的物理模型作了部分简化，比如未考虑动阀芯等运动件摩擦力、不平衡气动力等因素；其次是忽略了电磁铁及电磁线圈中的磁滞效应和涡流效应。但阀腔压力实测与仿真曲线变化趋势一致，且计算得到的开启和关闭响应时间的误差较小（低于3%），可以验证所建起动电磁阀有限元模型的合理性和正确性，模型精度可以满足性能分析要求。

4 起动电磁阀的性能仿真分析 4.1 静态性能仿真分析

起动电磁阀静态特性反映了电磁铁的电磁学特性。它揭示了电磁铁工作的最大潜力，即电磁吸力极限值^[17]。在电磁阀结构形式及磁场一定情况下，电磁力主要取决于工作气隙（动铁芯与静铁芯之间的距离）和驱动电压。本文的起动电磁阀工作气隙范围为0～1.1 mm，驱动电压为DC24V±20%。为探究在不同工作气隙、不同驱动电压下电磁铁的工作能力，仿真计算结果如图7和图8所示。

由图7可知，电磁力随着工作气隙的增大而减小，同样工作气隙下，驱动电压越低，电磁力越小。根据指标要求，本文设计的电磁阀初始工作气隙为1.1 mm，可在工作电压24V±20%的范围内稳定工作。由图7还可知，在初始工作气隙1.1 mm、动阀芯收到的外部负载和自身重力45 g，以及弹簧力−20.8 N、刚度1.6 N/mm，工作电压分别为19.2 V、24 V和28.8 V时，其产生的电磁力分别为40.77 N、58.21 N和73.81 N，都大于外部负载阻力，满足工作要求。

4.2 动态性能仿真分析

起动电磁阀静态特性仿真分析，在一定程度上可以验证和优化电磁阀所产生的最大电磁力，但无法获知电磁阀具体的响应参数，如开启、关闭响应时间。在电磁阀实际工作中，电磁线圈受到电压信号激励后，励磁电流、动阀芯位移和电磁力等物理量都会随时间变化而变化，这种规律称为起动电磁阀的动态特性^[18]。动态特性分析可以很容易获取开启响应时间等关键参数。

4.2.1 起动电磁阀开启响应时间分析

起动电磁阀的关闭响应时间主要受复位弹簧的作用，本文只分析开启过程的响应时间。当柴油机起动控制系统发出起动指令后，起动电磁阀驱动电路接收起动信号后电磁铁通电，电磁线圈中电流（见图9）从零快速增长，但由于电磁线圈中电阻和电感（见图10）的存在，阻碍励磁电流的上升速度，励磁电流按指数曲线的规律逐渐上升。当励磁电流增加至300.54 mA时，电磁力（见图11）达到21.24 N，电磁吸力克服动阀芯负载阻力，动阀芯开始运动（见图12），此时，响应时间为22.4 ms，即为电磁延迟时间。经过电磁延迟时间后，动阀芯运动后使得静铁芯和动阀芯（衔铁）之间的工作气隙减小，进而使工作气隙内的磁阻减小，同时使线圈的电感直线陡升，引起一个反电动势，使电磁线圈中的电流减小；但由于工作气隙减小使得磁阻降低，因而电磁力仍将进一步上升，驱动阀芯运动。当动阀芯达到终点（限位）位置时，工作气隙达到最小值（即残余气隙），线圈电感不再变化，此时反电势不复存在。随后，电磁线圈中的励磁电流、磁通以及电磁力继续增加至最大值并维持不变。从动阀芯开始运动到停止运动，线圈内的电流处于下降过程，此段时间称为动阀芯机械运动时间，即机械延迟5 ms。因此，电磁阀的开启响应时间为27.4 ms。

4.2.2 驱动电压对开启响应时间的影响

船舶上供电电源的电压在工作过程中难免有波动，起动电磁阀要求在直流电源电压24 V±20%内都能正常工作，因此有必要探讨在电压上、下限值下的起动电磁阀的工作性能^[19]。图13、图14和图15分别为驱动电压为19.2 V、24 V和28.8 V时，电磁线圈励磁电流、电磁力和动阀芯位移随时间的变化曲线。由图13～图15可知，随着驱动电压的降低，电磁线圈中电流增长的速率及峰值降低，电磁力增长的速度及能达到的最大电磁力也减小，动阀芯虽然都可以达到最大开度但开启响应时间在增加，其对应的开启响应时间为20.1 ms、26.0 ms、38.2 ms。由此可见，电源压力波动过大会影响起动电磁阀的动态响应性能，在进行起动电磁阀性能优化设计时应考虑其宽电压的适应能力；另一方面，提高电源的驱动电压有利于缩短起动电磁阀的开启响应时间。

4.2.3 动阀芯行程对开启响应时间的影响

起动电磁阀在开启过程中，不同工作气隙下的励磁电流、电磁力和阀芯位移随时间变化而变化；且最大工作气隙（即动阀芯行程）不同时，其变化规律亦不相同。图16～图18分别为动阀芯行程为0.8 mm、1.0 mm和1.1 mm时，励磁电流、电磁力及动阀芯位移随时间的变化曲线。由图可知，随着动阀芯行程的增加，励磁电流和电磁力逐步减小，开启响应时间分别为21 ms、25 ms和26 ms。这是因为电磁吸力与工作气隙的平方成反比，即电磁力随着气隙的增大而迅速减小。同时，电磁铁磁路上的漏磁通也会随着气隙宽度的增大而增加，导致通过衔铁的主磁通量（即工作磁通）减小，使得电磁力进一步减小，导致开启响应时间增大。因此，在满足起动电磁阀流通能力（阀芯开度）要求下，可通过减小动阀芯行程（最大工作气隙）来缩短起动电磁阀的开启响应时间。

5 结　语

起动电磁阀是船用柴油机电控压缩空气起动系统的关键执行部件，通过本文研究可得如下结论：

1）利用Ansys Maxwell软件建立起动电磁阀有限元仿真模型，经过试验验证表明，起动电磁阀的开启、关闭响应时间的误差分别为2.3%和2.8%，利用该模型可以为起动电磁阀的性能预测、优化设计和配机试验提供技术指导。

2）提高起动电磁阀驱动电压，有利于提高电磁线圈电流和电磁力，从而缩短开启响应时间。减小静铁芯与动阀芯之间的工作气隙，有利于提升电磁线圈电流和电磁力增长速率，进而缩短开启响应时间。

3）自主研制的起动电磁阀在响应时间等关键指标上满足设计目标要求，且在宽域电压波动下，电磁力及响应时间仍可满足柴油机快速、可靠起动的要求。