Расчет и проектирование быстродействующих электромагнитных приводов топливных систем двигателей с электронным управлением

Аннотация

Приведен метод расчета быстродействующих электромагнитных приводов, встраиваемых в комплексную модель и программу расчета сопряженных гидромеханических, теплофизических, электромагнитных процессов, применяемых для проектирования и оптимизации высоконапорной топливоподающей аппаратуры современных бензиновых, дизельных и газовых двигателей. Рассмотрены особенности функционирования быстродействующих электромагнитных приводов, проанализированы используемые подходы к описанию протекающих в них процессов. Приведены математические модели нестационарных электрических процессов с питанием от бустерного источника, намагничивания магнитомягких материалов с учетом статического и динамического гистерезисов, а также модель привода для сопряженной задачи процессов в топливных высоконапорных системах. Результаты, полученные с помощью модели электромагнитного привода в составе комплексной математической модели топливной системы, сопоставлены с данными эксперимента и 3D-моделирования в среде ANSOFT Maxwell, что подтвердило ее достоверность. Описано проектирование привода управляющего клапана топливного насоса высокого давления среднеоборотного двигателя. Рассмотрены особенности расчета и проектирования быстродействующих приводов: влияние повышенной температуры, динамического гистерезиса, полного размагничивания на завершающей стадии процесса. Приведен вывод об эффективности предлагаемых моделей для задач анализа и создания быстродействующих приводов со временем срабатывания 0,1 мс для топливных систем двигателей с электронным управлением

Исследование поддержано грантом РНФ № 21-49-00012 и выполнено с использованием оборудования УНЦ "Пучок-М" МГТУ им. Н.Э. Баумана

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Грехов Л.В., Онищенко Д.О., Фурман В.В. и др. Расчет и проектирование быстродействующих электромагнитных приводов топливных систем двигателей с электронным управлением. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение, 2023, № 4 (147), c. 106--123. DOI: https://doi.org/10.18698/0236-3941-2023-4-106-123

Литература

[1] Liu P., Fan L., Xu D., et al. Multi-objective optimization of high-speed solenoid valve based on response surface and genetic algorithm. SAE Tech. Pap., 2015, no. 2015-01-1350. DOI: https://doi.org/10.4271/2015-01-1350

[2] Филиппов Е. Нелинейная электротехника. М., Энергия, 1976.

[3] Лохов С.Л., Сивкова А.П. Распределенная модель гистерезиса с вихревыми токами. ЮУрГУ. Сер. Энергетика, 2007, № 20, с. 27--31.

[4] Jiles D.C., Atherton D.L. Theory of ferromagnetic hysteresis. J. Magn. Magn. Mater., 1986, no. 61, no. 1-2, pp. 48--60. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/0304-8853(86)90066-1

[5] Azzaoui S., Srairi K., Benbouzi M.E.H. Non linear magnetic hysteresis modelling by finite volume method for Jiles --- Atherton model optimizing by a genetic algorithm. J. Electromagn. Anal. Appl., 2011, vol. 3, no. 6, pp. 191--198. DOI: https://doi.org/10.4236/jemaa.2011.36032

[6] Jaafar M.F. Magnetic hysteresis modeling and numerical simulation for ferromagnetic materials. CoDIT, 2013, pp. 516--523. DOI: https://doi.org/10.1109/CoDIT.2013.6689598

[7] Li H., Li Q., Xu X.B., et al. A modified method for Jiles --- Atherton hysteresis model and its application in numerical simulation of devices involving magnetic materials. IEEE Trans. Magn., 2011, vol. 47, no. 5, pp. 1094--1097. DOI: https://doi.org/10.1109/TMAG.2010.2072493

[8] Grekhov L., Zhao J., Ma X. Fast-response solenoid actuator computational dimulation for engine fuel systems. ICIEAM, 2017. DOI: https://doi.org/10.1109/ICIEAM.2017.8076413

[9] Kartigeyan J., Ramaswamy M. Effect of material properties on core loss in switched reluctance motor using non-oriented electrical steels. J. Magn., 2017, vol. 22, no. 1, pp. 93--99. DOI: https://doi.org/10.4283/JMAG.2017.22.1.093

[10] Guerrier P., Nielsen K.K., Hattel J.H. Temperature dependence and magnetic properties of injection molding tool materials used in induction heating. IEEE Trans. Magn., 2015, vol. 51, no. 9, art. 6000507. DOI: https://doi.org/10.1109/TMAG.2015.2428215

[11] Li S., Wu P., Cao L., et al. CFD simulation of dynamic characteristics of a solenoid valve for exhaust gas turbocharger system. Appl. Therm. Eng., 2017, vol. 110, pp. 213--222. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2016.08.155

[12] Guerrier P., Tosello G., Nielsen K.K., et al. Three-dimensional numerical modeling of an induction heated injection molding tool with flow visualization. Int. J. Adv. Manuf. Technol., 2016, vol. 85, no. 1-4, pp. 643--660. DOI: https://doi.org/10.1007/s00170-015-7955-8

[13] Bai Y., Fan L.Y., Ma X.Z., et al. Effect of injector parameters on the injection quantity of common rail injection system for diesel engines. Int. J. Automot. Technol., 2016, vol. 17, no. 4, pp. 567−579. DOI: https://doi.org/10.1007/s1q2239-016-0057-2

[14] Кадочников А.И. Динамическое перемагничивание магнитопроводов из электротехнической стали под воздействием напряжения различной формы. Электричество, 2003, № 9, с. 62--66.

[15] Zhao J., Grekhov L.V., Fan L., et al. Description of operation of fast-response solenoid actuator in diesel fuel system model. IOP Conf. Ser.: Mater. Sc. Eng., 2018, vol. 327, no. 5, art. 052015. DOI: https://doi.org/10.1088/1757-899X/327/5/052015

[16] Kuleshov A.S., Grekhov L.V. Multidimensional optimization of DI diesel engine process using multi-zone fuel spray combustion model and detailed chemistry NO_x formation model. SAE Tech. Pap., 2013, no. 2013--01--0882. DOI: https://doi.org/10.4271/2013-01-0882

[17] Grekhov L.V., Gabitov I.I., Negovora A.V. Konstruktsiya, raschet i tekhnicheskiy servis toplivopodayushchikh sistem dizeley [Design, calculation and technical service of fuel supply systems of diesel engines]. Moscow, Legion-Avtodata Publ., 2013.

[18] Kadochnikov A.I. Dinamicheskie petli magnitnogo gisterezisa [Dynamic magnetic hysteresis loops]. Ekaterinburg, RAN UO Publ., 2007.

[19] Zhao J., Lu X., Grekhov L. Experimental study on the fuel heating at the nozzle of the high pressure common-rail injector. Fuel, 2021, vol. 283, art. 119281. DOI: https://doi.org/10.1016/j.fuel.2020.119281

[20] Zhao J., Grekhov L. Effect of fuel temperature on operation of high-speed electromagnetic actuator common rail injector. ICIEAM, 2019. DOI: https://doi.org/10.1109/ICIEAM.2019.8743073