超磁致伸缩驱动高压共轨式喷油器的结构设计及喷油特性分析

喻曹丰, 魏梓贤, 段永勇, 朱建华, 陶雪枫, 聂仪楠

(1.安徽理工大学 机电工程学院,安徽 淮南 232001; 2.浙江大学 流体动力基础件与机电系统国家重点实验室, 浙江 杭州 310027 )

引言

随着我国“2030碳达峰”和“2060碳中和”双碳目标的提出,节能减排的标准日益提高,对高压共轨式喷油器的喷射压力、响应速度及控制精度都提出了更高的要求[1]。以高喷射压力、高响应速度和高控制精度为特征的高压共轨喷射系统是柴油机实现节能和减排的关键技术之一[2-4]。高压共轨式喷油器作为高压共轨喷射系统的核心部件之一,其功能是接受ECU发出的脉冲信号,使柴油从液状转变为雾状进入气缸,供发动机燃烧做功,其对柴油发动机的燃烧过程、性能和废气排放有着至关重要的影响[5]。目前来看,电磁式和压电式喷油器占据喷油器的主要市场。电磁式喷油器是通过改变通电线圈内电流大小和电流开启和关闭的时间,来控制衔铁运动,但由于衔铁的吸合或断开延迟较大,导致电磁式喷油器响应速度较慢[6-7]。压电式喷油器是利用逆压电效应制作而成,具有较高的响应速度,但也存在居里温度不高、输出力较小等缺点,性能难以进一步得到提高[8]。

超磁致伸缩材料(Giant Magnetostrictive Material,GMM)是一种新型的功能材料,具有应变大、居里温度高、能量转换效率高等优点[9]。目前GMM有着广泛的应用前景,李鹏阳等[10]为了实现大功率、大振幅的超声振动输出,利用GMM能量转化率高、散热性能好、响应速度快等特点,设计了一种新型的超磁致伸缩超声换能器;ISHIZUKA K等[11],通过在电动汽车前窗加装超磁致伸缩驱动器,可以用来降低电动汽车噪声;CREMONEZI A O等[12-13]设计的基于Terfenol-D环形调制器磁致伸缩效应的光纤光栅RMS电流传感器,用于在高压系统中测量交流电流的有效值;代博文等[14-15]设计的一种具有共振调谐的超磁致伸缩悬臂梁,能够自动调整自身的谐振频率,在振动引起的外界磁场的作用下,实现超磁致伸缩材料与压电材料的复合采能。

基于GMM的优异特性,本研究采用GMM棒作为喷油器的核心驱动单元,提出了一种超磁致伸缩驱动高压共轨式喷油器的设计方案,在建立其数学模型的基础上,利用COMSOL软件的AC/DC模块和AMESim软件的液压库和机械库建立了其仿真模型,并对其特性进行了研究,以使其具备响应时间短、输出应变大、高精度等优异性能,弥补现有的电磁式和压电式喷油器的不足。

1 整体设计方案和工作原理

如图1所示,超磁致驱动高压共轨式喷油器(简称GMI)主要是由超磁致伸缩驱动器及传递结构和液力系统机构三部分组成,其中GMM棒具有磁致伸缩效应,能够在激励线圈产生的磁场作用下,将输入的电能通过磁场能转化为机械能。

图1 GMI结构设计图

其工作原理如图2所示,工作过程分为以下3种状态:

图2 GMI工作原理图

(1) 喷油器静止状态。喷油器中的激励线圈没有通电,GMM棒不发生形变,针阀处于关闭状态,即喷油器处于静止状态;

(2) 喷油器工作状态。喷油器中的激励线圈通入电流产生激励磁场,激励磁场使得GMM棒伸长,并通过位移传递机构上,带动球阀台移动,此时高压油从储油室流入出油口,随之针阀打开,高压油迅速进入压力室中,然后从喷孔中喷射出去;

(3) 喷油器关闭状态。断开喷油器激励线圈的电流输入,使得GMM棒缩短复位,球阀口迅速关闭。此时右端控制腔燃油与针阀弹簧向下作用力之和大于压力室燃油对针阀的向上举升力,喷油器阀口关闭,停止喷射。

2 GMI的数学模型

超磁致伸缩驱动高压共轨式喷油器数学模型具体包括GMI输出力模型和液力系统模型。由于其实际喷射过程复杂,为简化研究,作出如下假设:

(1) 燃油流体在圆形管道中视为层流流动;

(2) 在喷射过程中燃油物理特性保持不变;

(3) 假定各腔室压力处处相等;

(4) 不考虑油压作用下的零件的弹性变形;

(5) 不考虑燃油自身重力的影响;

(6) 将传递机构视为刚性元件。

2.1 GMI输出力模型

由电磁场知识可知,激励线圈产生的磁场为:

H=fI

(1)

式中,H—— GMI总磁场,A/m

I—— 激励电流,A

f—— 激励线圈磁场系数

由于GMM棒具有不可逆磁化的特殊性,使得GMM棒输入和输出磁场之间存在磁滞非线性。本研究基于Jiles-Atherton模型对喷油器中GMM建立磁滞模型,根据此模型,激励磁场强度H和GMM磁化强度M之间的关系为:

(2)

式中,c—— 可逆分量系数

α—— 相互作用系数

k—— 不可逆损耗系数

a—— 无磁滞磁化强度形状

λs—— 材料的饱和磁致伸缩系数

u0—— 真空磁导率,H/m

δ—— 方向系数

σ0—— 预压应力,N/m2

He—— 磁性材料的有效磁场,A/m

Man—— 无磁滞磁化强度,A/m

Ms—— 饱和磁化强度,A/m

在激励磁场H为定值情况下,GMM棒的棒输出力F与磁致伸缩应变λ和磁化强度M的关系满足:

F=EHArλ

(3)

式中,EH—— GMM棒的弹性模量,Pa

Ar—— GMM棒的横截面积,mm2

2.2 GMI的液力系统模型

根据流量连续性方程,喷油器总的燃油流量为:

(4)

式中,Vg—— 共轨管的体积,cm3

pg—— 高压共轨管燃油压力,Pa

E—— 燃油弹性模量,MPa

pc—— 控制腔内燃油压力,Pa

A1—— 燃油进入控制腔截面面积,mm2

ρ—— 燃油密度,g/cm3

Cd—— 流量系数

ps—— 压力室内燃油压力,Pa

A2—— 燃油进入压力室截面面积,mm2

1) 喷油器的控制腔模型

根据流量连续性方程,控制腔内的流量方程为:

(5)

式中,VC—— 控制腔的体积,cm3

2) 喷油器的压力室模型

根据流量连续性方程,压力室内的流量方程为:

(6)

由伯努利方程可知,喷油器喷油率Q为:

(7)

式中,pm—— 喷孔背压

3 GMI的仿真及喷油特性分析

3.1 GMI驱动部分仿真模型

采用COMSOL中的AC/DC和固体力学模块建立了GMI的仿真模型,其驱动器部分如图3所示,其主要参数如表1所示。

表1 高压共轨式喷油器主要参数

图3 高压共轨式喷油器驱动部分仿真模型

GMM棒是由Tb0.3Dy0.7Fe2所组成的特殊材料,其具有磁致伸缩效应,通电的激励线圈周围会有磁场,磁场中的磁失势会通过GMM棒产生磁通密度模,使其产生磁致伸缩效应。

1) GMM棒的应力特性分析

在保持初始参数不变情况下,为探究GMI驱动部分的磁致伸缩性能,设置了步长大小为0.6 A,最大电流为3.6 A,研究GMM棒所受的应力情况,仿真结果如图4所示。

图4 GMM棒受应力变化仿真图

由图4可知,保持其他的参数不变时,GMM棒在通电后所受应力随电流的增大而增大,在通电电流设置为最大值3.6 A时,GMM棒能达到的最大应力为5.1×107N/m2,即51 MPa,由棒的直径(5 mm)可计算得其最大输出力为1001 N。

由于在棒的两端尖端点会产生应力集中,为了更准确的观察GMM棒上所受的应力情况,在GMM棒上从左端到右端间等距取5个点,分别是点a,b,c,d,e,得到各点在不同电流下的应力σV变化情况,如图5所示。

图5 不同电流下GMM棒受应力变化仿真点图

2) GMM棒的输出位移特性分析

保持其他的参数不变,设置相同的电流大小数值,步长保持一致,通过固体力学模块的磁致伸缩部分,研究GMM棒的输出位移大小,得到仿真结果如图6所示。

图6 GMM棒输出位移大小仿真图

由图6可知,在其他参数保持不变的情况下,激励线圈在通电后会产生磁场,在该磁场作用下,GMM棒将会产生输出位移,同时可得,随着电流的增大,其产生的位移也随之增大,其达到最大位移52 μm时,GMM棒不再变形伸缩。

选取棒受应力时的5个点,观察其在不同电流下的位移情况,如图7所示。

图7 不同电流下GMM棒位移变化仿真点图

3.2 GMI液力系统仿真模型

采用AMESim软件建立了基于磁致伸缩效应的高压共轨式喷油器的仿真模型,如图8所示。该仿真模型的搭建主要由液力系统组成,而连杆传递部分简化代替。

图8 高压共轨式喷油器的液力仿真模型

1) 长脉宽下的喷油器特性分析

在AMESim软件中,通过对喷油器的整体设计,将模型中的传递结构的最大位移设置为52 μm,如图9所示,此时球阀被打开,针阀向上升起,喷油器针阀口向外喷油。

图9 传递结构位移变化图

保持其他参数不变,分别设置了共轨压力为140, 160, 180, 200 MPa,得到仿真结果如图10所示。

图10 不同轨压下喷油率

由图10可知,随着轨压的增大,喷油器的最大喷油率由5.195 L/min提升到6.268 L/min,喷油率得到了显著提高。

仿真时,在选取共轨压力为160 MPa、驱动电压90 V 和球阀最大位移为52 μm,喷射脉宽B分别设置为1.5, 2.0, 2.5, 3.0 ms,得到仿真结果如图11所示。

图11 不同脉宽下喷油率的变化

由图11可知,喷射脉宽对喷油器的喷油率整体趋势影响较小,当喷射脉宽为从1.5 ms增大至3 ms时,喷油率的幅值从4.965 L/min增至5.0124 L/min,幅值变化较小,说明了该喷油器的喷射效果稳定。

2) 短脉宽下的喷油器特性分析

仿真时,分别设置驱动电压和共轨油压为90 V和160 MPa,喷射的脉宽依次设定为0.15, 0.20, 0.25, 0.30 ms,仿真计算的喷油率如图12所示。

图12 不同短脉宽下喷油器喷油率

由图12可以看出,增大短脉宽时,喷油器可实现不同程度的三角形喷射,展现出在短喷情况下良好的喷射性能。

4 试验验证

1) 试验位移与仿真位移变化

搭建GMI驱动部分位移平台并进行位移试验验证,试验平台如图13所示。

图13 喷油器驱动位移试验平台

在通过COMSOL软件进行仿真以后,用喷油器的试验台进行了线圈通电后的试验,实物模型为仿真模型的1∶1还原,包括通电线圈电流大小、线圈匝数、GMM棒的长度等,并用位移传感器连接输出杆的末端即a点,得到的输出位移如图14所示。

图14 不同电流下GMM棒位移试验对比图

由图14可知,试验中的最大位移可达到47.4 μm,在通电初始阶段的试验与仿真位移变化量具有很高的重合度,一段时间过后由于其他因素影响,如通电后线圈温度升高等,会使位移变化趋势减小,试验位移与仿真位移有所误差,但拟合相关系数R2接近1,具有很高的重合度和线性度。

2) 不同脉宽下喷油器的单次喷油量

喷油器的单次喷油量和最小喷油脉宽是反应喷油器性能的重要参数。GMI驱动部分的最大试验位移为47.4 μm,在液压部分可以将试验位移的最大值设为固定参数,共轨压力与驱动电压与短脉宽仿真时保持一致,喷油脉宽从0.2 ms增至3.5 ms,根据式(7)进行间接计算得到GMI的单次喷油量Q在不同喷油脉宽下的最大值,并与BOSCH公司212型喷油器进行对比,如图15所示。

图15 不同脉宽下喷油器单次喷油量

由图15可以看出,GMI在执行2.5 ms主喷时的单次喷油量约为0.21 mL,而BOSCH电磁式喷油器在2.5 ms主喷的单次喷油量仅为0.14 mL,设计的GMI喷油量有明显的提高,表明该模型具有显著优势。

3) 相同轨压下两喷油器的响应速率比较

与传统的电磁式喷油器的通电断电吸合衔铁来控制喷油器球阀口的开关闭合相比,GMI在控制球阀开关闭合的速度即喷油器的响应速率上有很大提高,其对比如图16所示。

图16 相同轨压下最短响应时间对比图

由图16可知,两喷油器在相同的轨压下即在160 MPa 的压强下GMA(驱动部分)的最短响应时间为0.15 ms,而BOSCH电磁式喷油器的最短响应时间接近1 ms,设计的GMI喷油器在响应速率上与BOSCH电磁式喷油器相比有很大的提高。

5 结论

GMI驱动部分的实验输出位移结果与仿真位移结果十分吻合,当线圈电流为3.6 A时,超磁致伸缩棒的最大输出位移可达47.4 μm,GMM棒的应力最大能达到51 MPa,最大输出力可达到1001 N;喷油器能进行三角形喷射,具有良好的喷油性能;在160 MPa的压强下喷油最低脉宽从1 ms降低到0.15 ms,与BOSCH电磁式喷油器原来1 ms的响应时间相比有很大的提高,同时单次最大喷油量由0.14 mL提升到了0.21 mL 并且无论脉宽长短,其脉宽-喷油量的拟合相关系数R2都接近1,均具有良好的线性度,表明提出的超磁致伸缩驱动高压共轨式喷油器具备优异的喷油性能,为研发出高性能的高压共轨式喷油器奠定了良好的理论基础。