中國報告大廳網訊，在當前工業領域，電磁閥作為汽車、船舶及製造業等多個領域的關鍵控制部件，其性能直接影響燃油系統、燃氣控制及製冷系統的運行效率。尤其是在高壓供油系統中，電磁閥承擔著控制高低壓油路通斷的重要職責，通過接收系統輸入信號，實現對噴油量、噴油壓力、噴油速率和噴油定時的柔性控制，是推動動力系統向高速化、輕量化及高強度方向發展的核心組件。隨著行業對電磁閥響應速度和運行穩定性要求的不斷提升，深入研究電磁閥內部擠壓流動特性，優化關鍵結構參數，成為2025年電磁閥行業技術突破的重要方向。其中，銜鐵運動過程中與電磁鐵間油膜的擠壓流動所產生的緩衝作用，會導致電磁閥關閉延遲，如何通過結構優化減小這一影響，成為當前研究的重點課題。以下是2025年電磁閥行業技術分析。
《2025-2030年中國電磁閥行業市場調查研究及投資前景分析報告》指出，為精準探究電磁閥氣隙內擠壓流動特性，搭建了由流體擠壓裝置和光學觀測裝置組成的試驗系統，用於模擬電磁鐵吸合過程中銜鐵對間隙內柴油的擠壓行為。流體擠壓裝置通過調節電壓控制銜鐵運動速度，同時藉助示蹤粒子(選用直徑約 13-270μm 的聚苯烯顆粒，兼具化學穩定性、無毒無害特性及良好的成像可見性)測量流體速度;光學觀測裝置採用改進後的粒子圖像速度測量法，以 1200W 鏑燈為光源，搭配顯微鏡頭和 Phantom FASTCAM nova S6 高速相機(拍攝頻率 4000-8000Hz，曝光時間 60μs，像素 1024×896，空間解析度 2.13μm / 像素)，清晰捕捉氣隙內流體流動狀態。所得圖像通過 Matlab 工具箱 Pivlab 進行後處理，計算流體速度時，確保窗口內粒子數保持 5-25 個，粒子直徑占 2-6 像素，且同一粒子在相鄰時間間隔內仍處於窗口中。
在仿真模型構建方面，簡化後的電磁閥三維模型僅包含銜鐵、擋塊上表面和流體域，銜鐵與擋塊間隙設定為 0.9mm。運用 ICEM 進行網格劃分，流域採用八叉樹方法劃分非結構化網格，全局網格尺寸 0.50mm，圓孔表面網格局部加密至 0.05-0.10mm。通過網格無關性驗證可知，當網格數量大於 4.00×10⁶後，最大射流速度基本保持穩定。在湍流模型選擇上，對比標準 κ-ε 模型、RNG κ-ε 模型和 Realizable κ-ε 模型的仿真結果，發現 RNG κ-ε 模型計算出的擠壓流動出口水平速度與試驗值吻合度最高，因此確定採用該模型進行後續仿真分析。
在直流電壓 12V 條件下，擬合得到銜鐵加速度為 54.9m/s²，以此為基礎探究電磁閥隙間液體擠壓流動規律。銜鐵向下運動時，間隙內柴油受擠壓向外流動，在銜鐵邊緣(擠壓出口處)形成射流;當 t=5.625ms 時，銜鐵運動至下止點，其側壁面流體產生複雜旋渦，但擠壓出口流動穩定，射流方向保持水平。從壓力與速度變化規律來看，當銜鐵速度一定時，在 0.5-2.0ms 期間，銜鐵速度小於 0.11m/s，孔處流動為層流，柴油從銜鐵邊緣和孔中順暢流出，流域壓力梯度小;2.0-3.5ms 時，銜鐵速度增大至 0.2m/s，銜鐵下表面邊緣及孔邊緣出現旋流，孔中部產生湍流，銜鐵上表面中心最先出現負壓，下表面壓力增大，中心壓力最大達 5kPa;5.0ms 時，銜鐵速度增至 0.27m/s，下表面邊緣、孔上下表面邊緣形成漩渦，壓力梯度進一步增大，中心漩渦處壓力降至 - 17kPa，同時孔邊緣射流在中部相互干擾導致流動不暢，間隙內壓力迅速升至 35kPa。
通過調節電壓改變銜鐵運動加速度，重點分析了加速度為 29.9m/s²、42.4m/s²、54.9m/s²、67.4m/s² 時電磁閥的擠壓流動特性。當銜鐵運動至間隙為 0.14mm 時，對應的銜鐵速度分別為 0.21m/s、0.25m/s、0.29m/s、0.32m/s。
從壓力分布來看，受擠壓後的流體主要通過銜鐵邊緣和孔排出，這兩個區域壓力較小，流體無法及時排出的區域形成 「工」 字型高壓區;隨著銜鐵加速度增大，高壓區壓力和面積均呈上升趨勢，且不同加速度下的壓力分布差異主要集中在間隙區域，對銜鐵上表面流動情況影響較小。在速度與渦量變化方面，加速度為 29.9m/s² 時，下表面邊緣射流速度約 8.00m/s，僅在孔邊緣形成小渦量旋渦，孔中部射流相互影響小，流動通暢;隨著加速度增加，射流合速度增大，流體速度梯度和壓力梯度同步上升，孔邊緣射流在中部的相互干擾逐漸增強，導致開口處流體流動紊亂，流出受阻。此外，最大壓力和最大渦量隨銜鐵位移變化的趨勢基本一致：當銜鐵位移為 0-0.45mm 時，各加速度下銜鐵速度較小，流動多為層流，射流合速度、渦量及壓力分布相近;位移為 0.46-0.70mm 時，孔邊緣射流合速度與渦量曲線變陡，加速度 29.9m/s² 的曲線與其他三條曲線出現分離;位移達 0.76mm 時，最大渦量曲線急劇變陡，孔中部擾動加劇。
設計了四種銜鐵結構進行對比分析：1 號(扇形孔 + 圓形孔)、2 號(扇形孔)、3 號(導流槽)、4 號(扇形孔 + 導流槽)，其中圓形孔面積 4.91mm²，扇形孔面積 4.93mm²，確保開孔面積基本一致，銜鐵運動加速度設定為 54.9m/s²，流體採用 0 號柴油。
對比方形銜鐵與 1 號圓形銜鐵可知，圓形銜鐵中心流動對稱性更好，高壓區面積占比為 10.2%，較方形銜鐵減少 6.6%，且能避免長短邊彎矩不同造成的變形，整體壓力低於方形銜鐵，擠壓流動特性更優。在四種圓形銜鐵結構中，2 號銜鐵(扇形孔)的 6 個扇形孔沿圓周均勻分布，極大優化了隙間流體流出效果，僅在靠近銜鐵中心的壁面產生較小旋渦，流體出流順暢;1 號銜鐵(扇形孔 + 圓形孔)的流體多從孔處流出，邊緣射流速度小、壓力梯度小，但圓形孔尺寸小易產生阻塞;3 號銜鐵(導流槽)的流體沿導流槽從邊緣流出，邊緣射流合速度最大，但中心流體排出不暢;4 號銜鐵(扇形孔 + 導流槽)的流體主要從扇形孔流出，邊緣形成射流，扇形孔處射流合速度大於 1 號、2 號，導流槽邊緣射流速度小於3號。
從壓力與響應速度來看，4ms 後各結構銜鐵最大壓力迅速上升，2 號銜鐵中心壓力最低僅 7kPa，高壓面積占下表面總面積 5%，關閉延遲時間最短;1 號銜鐵最高壓力比 2 號高 11kPa，高壓面積占比 4.8%;3 號、4 號銜鐵中心壓力超過 20kPa，因導流槽排液量少，孔中部易產生阻塞。在高壓供油系統油泵試驗台上的驗證結果顯示：轉速 400r/min 時，3 號銜鐵(導流槽)和 2 號銜鐵(扇形孔)的關閉延遲時間分別為 0.610ms 和 0.405ms，前者較後者延遲 50.6%;轉速 1250r/min 時，兩者關閉延遲時間分別為 0.850ms 和 0.720ms，前者較後者延遲 18.1%。不同轉速下，四種銜鐵結構的關閉延遲時間均呈現 「扇形孔(2 號)< 圓形孔 + 扇形孔(1 號)< 扇形孔 + 導流槽(4 號)< 導流槽(3 號)」 的規律，且扇形孔銜鐵的最大噴油壓力較導流槽銜鐵增加 5.0%。
本研究通過試驗與仿真相結合的方式，系統探究了2025年電磁閥行業關注的高速電磁閥擠壓流動特性，得出以下核心結論：一是電磁閥銜鐵間隙內流體受擠壓後，主要從銜鐵邊緣或孔中排出，間隙相同時，隙間壓力與銜鐵速度呈正相關，孔隙內射流相互干擾導致的流出阻塞，對隙間液體流動狀態影響顯著;二是銜鐵結構對電磁閥擠壓流動特性影響關鍵，圓形銜鐵較方形銜鐵中心對稱性更好、流動性更強，高壓區面積減少 6.6%，三種開孔結構對隙間流動的改善效果排序為 「扇形孔> 圓形孔 > 導流槽」，圓形孔雖與扇形孔面積相近，但易因射流相互干擾產生阻塞，扇形孔則能有效減小擠壓流影響;三是試驗驗證表明，扇形銜鐵結構的電磁閥關閉延遲時間較導流槽銜鐵縮短 30.0%，最大噴油壓力提升 5.0%，在不同轉速下均展現出更優的響應性能，為後續高速電磁閥的結構優化與性能提升提供了關鍵技術支撐。
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