超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)高壓共軌式噴油器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及噴油特性分析

喻曹豐, 魏梓賢, 段永勇, 朱建華, 陶雪楓, 聶儀楠

(1.安徽理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,安徽 淮南 232001; 2.浙江大學(xué) 流體動(dòng)力基礎(chǔ)件與機(jī)電系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 浙江 杭州 310027 )

引言

隨著我國(guó)“2030碳達(dá)峰”和“2060碳中和”雙碳目標(biāo)的提出,節(jié)能減排的標(biāo)準(zhǔn)日益提高,對(duì)高壓共軌式噴油器的噴射壓力、響應(yīng)速度及控制精度都提出了更高的要求[1]。以高噴射壓力、高響應(yīng)速度和高控制精度為特征的高壓共軌噴射系統(tǒng)是柴油機(jī)實(shí)現(xiàn)節(jié)能和減排的關(guān)鍵技術(shù)之一[2-4]。高壓共軌式噴油器作為高壓共軌噴射系統(tǒng)的核心部件之一,其功能是接受ECU發(fā)出的脈沖信號(hào),使柴油從液狀轉(zhuǎn)變?yōu)殪F狀進(jìn)入氣缸,供發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒做功,其對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過程、性能和廢氣排放有著至關(guān)重要的影響[5]。目前來看,電磁式和壓電式噴油器占據(jù)噴油器的主要市場(chǎng)。電磁式噴油器是通過改變通電線圈內(nèi)電流大小和電流開啟和關(guān)閉的時(shí)間,來控制銜鐵運(yùn)動(dòng),但由于銜鐵的吸合或斷開延遲較大,導(dǎo)致電磁式噴油器響應(yīng)速度較慢[6-7]。壓電式噴油器是利用逆壓電效應(yīng)制作而成,具有較高的響應(yīng)速度,但也存在居里溫度不高、輸出力較小等缺點(diǎn),性能難以進(jìn)一步得到提高[8]。

超磁致伸縮材料(Giant Magnetostrictive Material,GMM)是一種新型的功能材料,具有應(yīng)變大、居里溫度高、能量轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)[9]。目前GMM有著廣泛的應(yīng)用前景,李鵬陽等[10]為了實(shí)現(xiàn)大功率、大振幅的超聲振動(dòng)輸出,利用GMM能量轉(zhuǎn)化率高、散熱性能好、響應(yīng)速度快等特點(diǎn),設(shè)計(jì)了一種新型的超磁致伸縮超聲換能器;ISHIZUKA K等[11],通過在電動(dòng)汽車前窗加裝超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器,可以用來降低電動(dòng)汽車噪聲;CREMONEZI A O等[12-13]設(shè)計(jì)的基于Terfenol-D環(huán)形調(diào)制器磁致伸縮效應(yīng)的光纖光柵RMS電流傳感器,用于在高壓系統(tǒng)中測(cè)量交流電流的有效值;代博文等[14-15]設(shè)計(jì)的一種具有共振調(diào)諧的超磁致伸縮懸臂梁,能夠自動(dòng)調(diào)整自身的諧振頻率,在振動(dòng)引起的外界磁場(chǎng)的作用下,實(shí)現(xiàn)超磁致伸縮材料與壓電材料的復(fù)合采能。

基于GMM的優(yōu)異特性,本研究采用GMM棒作為噴油器的核心驅(qū)動(dòng)單元,提出了一種超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)高壓共軌式噴油器的設(shè)計(jì)方案,在建立其數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上,利用COMSOL軟件的AC/DC模塊和AMESim軟件的液壓庫和機(jī)械庫建立了其仿真模型,并對(duì)其特性進(jìn)行了研究,以使其具備響應(yīng)時(shí)間短、輸出應(yīng)變大、高精度等優(yōu)異性能,彌補(bǔ)現(xiàn)有的電磁式和壓電式噴油器的不足。

1 整體設(shè)計(jì)方案和工作原理

如圖1所示,超磁致驅(qū)動(dòng)高壓共軌式噴油器(簡(jiǎn)稱GMI)主要是由超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器及傳遞結(jié)構(gòu)和液力系統(tǒng)機(jī)構(gòu)三部分組成,其中GMM棒具有磁致伸縮效應(yīng),能夠在激勵(lì)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)作用下,將輸入的電能通過磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。

圖1 GMI結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

其工作原理如圖2所示,工作過程分為以下3種狀態(tài):

圖2 GMI工作原理圖

(1) 噴油器靜止?fàn)顟B(tài)。噴油器中的激勵(lì)線圈沒有通電,GMM棒不發(fā)生形變,針閥處于關(guān)閉狀態(tài),即噴油器處于靜止?fàn)顟B(tài);

(2) 噴油器工作狀態(tài)。噴油器中的激勵(lì)線圈通入電流產(chǎn)生激勵(lì)磁場(chǎng),激勵(lì)磁場(chǎng)使得GMM棒伸長(zhǎng),并通過位移傳遞機(jī)構(gòu)上,帶動(dòng)球閥臺(tái)移動(dòng),此時(shí)高壓油從儲(chǔ)油室流入出油口,隨之針閥打開,高壓油迅速進(jìn)入壓力室中,然后從噴孔中噴射出去;

(3) 噴油器關(guān)閉狀態(tài)。斷開噴油器激勵(lì)線圈的電流輸入,使得GMM棒縮短復(fù)位,球閥口迅速關(guān)閉。此時(shí)右端控制腔燃油與針閥彈簧向下作用力之和大于壓力室燃油對(duì)針閥的向上舉升力,噴油器閥口關(guān)閉,停止噴射。

2 GMI的數(shù)學(xué)模型

超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)高壓共軌式噴油器數(shù)學(xué)模型具體包括GMI輸出力模型和液力系統(tǒng)模型。由于其實(shí)際噴射過程復(fù)雜,為簡(jiǎn)化研究,作出如下假設(shè):

(1) 燃油流體在圓形管道中視為層流流動(dòng);

(2) 在噴射過程中燃油物理特性保持不變;

(3) 假定各腔室壓力處處相等;

(4) 不考慮油壓作用下的零件的彈性變形;

(5) 不考慮燃油自身重力的影響;

(6) 將傳遞機(jī)構(gòu)視為剛性元件。

2.1 GMI輸出力模型

由電磁場(chǎng)知識(shí)可知,激勵(lì)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)為:

H=fI

(1)

式中,H—— GMI總磁場(chǎng),A/m

I—— 激勵(lì)電流,A

f—— 激勵(lì)線圈磁場(chǎng)系數(shù)

由于GMM棒具有不可逆磁化的特殊性,使得GMM棒輸入和輸出磁場(chǎng)之間存在磁滯非線性。本研究基于Jiles-Atherton模型對(duì)噴油器中GMM建立磁滯模型,根據(jù)此模型,激勵(lì)磁場(chǎng)強(qiáng)度H和GMM磁化強(qiáng)度M之間的關(guān)系為:

(2)

式中,c—— 可逆分量系數(shù)

α—— 相互作用系數(shù)

k—— 不可逆損耗系數(shù)

a—— 無磁滯磁化強(qiáng)度形狀

λs—— 材料的飽和磁致伸縮系數(shù)

u0—— 真空磁導(dǎo)率,H/m

δ—— 方向系數(shù)

σ0—— 預(yù)壓應(yīng)力,N/m2

He—— 磁性材料的有效磁場(chǎng),A/m

Man—— 無磁滯磁化強(qiáng)度,A/m

Ms—— 飽和磁化強(qiáng)度,A/m

在激勵(lì)磁場(chǎng)H為定值情況下,GMM棒的棒輸出力F與磁致伸縮應(yīng)變?chǔ)撕痛呕瘡?qiáng)度M的關(guān)系滿足:

F=EHArλ

(3)

式中,EH—— GMM棒的彈性模量,Pa

Ar—— GMM棒的橫截面積,mm2

2.2 GMI的液力系統(tǒng)模型

根據(jù)流量連續(xù)性方程,噴油器總的燃油流量為:

(4)

式中,Vg—— 共軌管的體積,cm3

pg—— 高壓共軌管燃油壓力,Pa

E—— 燃油彈性模量,MPa

pc—— 控制腔內(nèi)燃油壓力,Pa

A1—— 燃油進(jìn)入控制腔截面面積,mm2

ρ—— 燃油密度,g/cm3

Cd—— 流量系數(shù)

ps—— 壓力室內(nèi)燃油壓力,Pa

A2—— 燃油進(jìn)入壓力室截面面積,mm2

1) 噴油器的控制腔模型

根據(jù)流量連續(xù)性方程,控制腔內(nèi)的流量方程為:

(5)

式中,VC—— 控制腔的體積,cm3

2) 噴油器的壓力室模型

根據(jù)流量連續(xù)性方程,壓力室內(nèi)的流量方程為:

(6)

由伯努利方程可知,噴油器噴油率Q為:

(7)

式中,pm—— 噴孔背壓

3 GMI的仿真及噴油特性分析

3.1 GMI驅(qū)動(dòng)部分仿真模型

采用COMSOL中的AC/DC和固體力學(xué)模塊建立了GMI的仿真模型,其驅(qū)動(dòng)器部分如圖3所示,其主要參數(shù)如表1所示。

表1 高壓共軌式噴油器主要參數(shù)

圖3 高壓共軌式噴油器驅(qū)動(dòng)部分仿真模型

GMM棒是由Tb0.3Dy0.7Fe2所組成的特殊材料,其具有磁致伸縮效應(yīng),通電的激勵(lì)線圈周圍會(huì)有磁場(chǎng),磁場(chǎng)中的磁失勢(shì)會(huì)通過GMM棒產(chǎn)生磁通密度模,使其產(chǎn)生磁致伸縮效應(yīng)。

1) GMM棒的應(yīng)力特性分析

在保持初始參數(shù)不變情況下,為探究GMI驅(qū)動(dòng)部分的磁致伸縮性能,設(shè)置了步長(zhǎng)大小為0.6 A,最大電流為3.6 A,研究GMM棒所受的應(yīng)力情況,仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 GMM棒受應(yīng)力變化仿真圖

由圖4可知,保持其他的參數(shù)不變時(shí),GMM棒在通電后所受應(yīng)力隨電流的增大而增大,在通電電流設(shè)置為最大值3.6 A時(shí),GMM棒能達(dá)到的最大應(yīng)力為5.1×107N/m2,即51 MPa,由棒的直徑(5 mm)可計(jì)算得其最大輸出力為1001 N。

由于在棒的兩端尖端點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中,為了更準(zhǔn)確的觀察GMM棒上所受的應(yīng)力情況,在GMM棒上從左端到右端間等距取5個(gè)點(diǎn),分別是點(diǎn)a,b,c,d,e,得到各點(diǎn)在不同電流下的應(yīng)力σV變化情況,如圖5所示。

圖5 不同電流下GMM棒受應(yīng)力變化仿真點(diǎn)圖

2) GMM棒的輸出位移特性分析

保持其他的參數(shù)不變,設(shè)置相同的電流大小數(shù)值,步長(zhǎng)保持一致,通過固體力學(xué)模塊的磁致伸縮部分,研究GMM棒的輸出位移大小,得到仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 GMM棒輸出位移大小仿真圖

由圖6可知,在其他參數(shù)保持不變的情況下,激勵(lì)線圈在通電后會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng),在該磁場(chǎng)作用下,GMM棒將會(huì)產(chǎn)生輸出位移,同時(shí)可得,隨著電流的增大,其產(chǎn)生的位移也隨之增大,其達(dá)到最大位移52 μm時(shí),GMM棒不再變形伸縮。

選取棒受應(yīng)力時(shí)的5個(gè)點(diǎn),觀察其在不同電流下的位移情況,如圖7所示。

圖7 不同電流下GMM棒位移變化仿真點(diǎn)圖

3.2 GMI液力系統(tǒng)仿真模型

采用AMESim軟件建立了基于磁致伸縮效應(yīng)的高壓共軌式噴油器的仿真模型,如圖8所示。該仿真模型的搭建主要由液力系統(tǒng)組成,而連桿傳遞部分簡(jiǎn)化代替。

圖8 高壓共軌式噴油器的液力仿真模型

1) 長(zhǎng)脈寬下的噴油器特性分析

在AMESim軟件中,通過對(duì)噴油器的整體設(shè)計(jì),將模型中的傳遞結(jié)構(gòu)的最大位移設(shè)置為52 μm,如圖9所示,此時(shí)球閥被打開,針閥向上升起,噴油器針閥口向外噴油。

圖9 傳遞結(jié)構(gòu)位移變化圖

保持其他參數(shù)不變,分別設(shè)置了共軌壓力為140, 160, 180, 200 MPa,得到仿真結(jié)果如圖10所示。

圖10 不同軌壓下噴油率

由圖10可知,隨著軌壓的增大,噴油器的最大噴油率由5.195 L/min提升到6.268 L/min,噴油率得到了顯著提高。

仿真時(shí),在選取共軌壓力為160 MPa、驅(qū)動(dòng)電壓90 V 和球閥最大位移為52 μm,噴射脈寬B分別設(shè)置為1.5, 2.0, 2.5, 3.0 ms,得到仿真結(jié)果如圖11所示。

圖11 不同脈寬下噴油率的變化

由圖11可知,噴射脈寬對(duì)噴油器的噴油率整體趨勢(shì)影響較小,當(dāng)噴射脈寬為從1.5 ms增大至3 ms時(shí),噴油率的幅值從4.965 L/min增至5.0124 L/min,幅值變化較小,說明了該噴油器的噴射效果穩(wěn)定。

2) 短脈寬下的噴油器特性分析

仿真時(shí),分別設(shè)置驅(qū)動(dòng)電壓和共軌油壓為90 V和160 MPa,噴射的脈寬依次設(shè)定為0.15, 0.20, 0.25, 0.30 ms,仿真計(jì)算的噴油率如圖12所示。

圖12 不同短脈寬下噴油器噴油率

由圖12可以看出,增大短脈寬時(shí),噴油器可實(shí)現(xiàn)不同程度的三角形噴射,展現(xiàn)出在短噴情況下良好的噴射性能。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

1) 試驗(yàn)位移與仿真位移變化

搭建GMI驅(qū)動(dòng)部分位移平臺(tái)并進(jìn)行位移試驗(yàn)驗(yàn)證,試驗(yàn)平臺(tái)如圖13所示。

圖13 噴油器驅(qū)動(dòng)位移試驗(yàn)平臺(tái)

在通過COMSOL軟件進(jìn)行仿真以后,用噴油器的試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了線圈通電后的試驗(yàn),實(shí)物模型為仿真模型的1∶1還原,包括通電線圈電流大小、線圈匝數(shù)、GMM棒的長(zhǎng)度等,并用位移傳感器連接輸出桿的末端即a點(diǎn),得到的輸出位移如圖14所示。

圖14 不同電流下GMM棒位移試驗(yàn)對(duì)比圖

由圖14可知,試驗(yàn)中的最大位移可達(dá)到47.4 μm,在通電初始階段的試驗(yàn)與仿真位移變化量具有很高的重合度,一段時(shí)間過后由于其他因素影響,如通電后線圈溫度升高等,會(huì)使位移變化趨勢(shì)減小,試驗(yàn)位移與仿真位移有所誤差,但擬合相關(guān)系數(shù)R2接近1,具有很高的重合度和線性度。

2) 不同脈寬下噴油器的單次噴油量

噴油器的單次噴油量和最小噴油脈寬是反應(yīng)噴油器性能的重要參數(shù)。GMI驅(qū)動(dòng)部分的最大試驗(yàn)位移為47.4 μm,在液壓部分可以將試驗(yàn)位移的最大值設(shè)為固定參數(shù),共軌壓力與驅(qū)動(dòng)電壓與短脈寬仿真時(shí)保持一致,噴油脈寬從0.2 ms增至3.5 ms,根據(jù)式(7)進(jìn)行間接計(jì)算得到GMI的單次噴油量Q在不同噴油脈寬下的最大值,并與BOSCH公司212型噴油器進(jìn)行對(duì)比,如圖15所示。

圖15 不同脈寬下噴油器單次噴油量

由圖15可以看出,GMI在執(zhí)行2.5 ms主噴時(shí)的單次噴油量約為0.21 mL,而BOSCH電磁式噴油器在2.5 ms主噴的單次噴油量?jī)H為0.14 mL,設(shè)計(jì)的GMI噴油量有明顯的提高,表明該模型具有顯著優(yōu)勢(shì)。

3) 相同軌壓下兩噴油器的響應(yīng)速率比較

與傳統(tǒng)的電磁式噴油器的通電斷電吸合銜鐵來控制噴油器球閥口的開關(guān)閉合相比,GMI在控制球閥開關(guān)閉合的速度即噴油器的響應(yīng)速率上有很大提高,其對(duì)比如圖16所示。

圖16 相同軌壓下最短響應(yīng)時(shí)間對(duì)比圖

由圖16可知,兩噴油器在相同的軌壓下即在160 MPa 的壓強(qiáng)下GMA(驅(qū)動(dòng)部分)的最短響應(yīng)時(shí)間為0.15 ms,而BOSCH電磁式噴油器的最短響應(yīng)時(shí)間接近1 ms,設(shè)計(jì)的GMI噴油器在響應(yīng)速率上與BOSCH電磁式噴油器相比有很大的提高。

5 結(jié)論

GMI驅(qū)動(dòng)部分的實(shí)驗(yàn)輸出位移結(jié)果與仿真位移結(jié)果十分吻合,當(dāng)線圈電流為3.6 A時(shí),超磁致伸縮棒的最大輸出位移可達(dá)47.4 μm,GMM棒的應(yīng)力最大能達(dá)到51 MPa,最大輸出力可達(dá)到1001 N;噴油器能進(jìn)行三角形噴射,具有良好的噴油性能;在160 MPa的壓強(qiáng)下噴油最低脈寬從1 ms降低到0.15 ms,與BOSCH電磁式噴油器原來1 ms的響應(yīng)時(shí)間相比有很大的提高,同時(shí)單次最大噴油量由0.14 mL提升到了0.21 mL 并且無論脈寬長(zhǎng)短,其脈寬-噴油量的擬合相關(guān)系數(shù)R2都接近1,均具有良好的線性度,表明提出的超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)高壓共軌式噴油器具備優(yōu)異的噴油性能,為研發(fā)出高性能的高壓共軌式噴油器奠定了良好的理論基礎(chǔ)。