超磁致伸縮驅動高壓共軌式噴油器的結構設計及噴油特性分析

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 機電工程學院,安徽 淮南 232001; 2.浙江大學 流體動力基礎件與機電系統國家重點實驗室, 浙江 杭州 310027 )

引言

隨著我國“2030碳達峰”和“2060碳中和”雙碳目標的提出,節能減排的標準日益提高,對高壓共軌式噴油器的噴射壓力、響應速度及控制精度都提出了更高的要求[1]。以高噴射壓力、高響應速度和高控制精度為特征的高壓共軌噴射系統是柴油機實現節能和減排的關鍵技術之一[2-4]。高壓共軌式噴油器作為高壓共軌噴射系統的核心部件之一,其功能是接受ECU發出的脈沖信號,使柴油從液狀轉變為霧狀進入氣缸,供發動機燃燒做功,其對柴油發動機的燃燒過程、性能和廢氣排放有著至關重要的影響[5]。目前來看,電磁式和壓電式噴油器占據噴油器的主要市場。電磁式噴油器是通過改變通電線圈內電流大小和電流開啟和關閉的時間,來控制銜鐵運動,但由于銜鐵的吸合或斷開延遲較大,導致電磁式噴油器響應速度較慢[6-7]。壓電式噴油器是利用逆壓電效應制作而成,具有較高的響應速度,但也存在居里溫度不高、輸出力較小等缺點,性能難以進一步得到提高[8]。

超磁致伸縮材料(Giant Magnetostrictive Material,GMM)是一種新型的功能材料,具有應變大、居里溫度高、能量轉換效率高等優點[9]。目前GMM有著廣泛的應用前景,李鵬陽等[10]為了實現大功率、大振幅的超聲振動輸出,利用GMM能量轉化率高、散熱性能好、響應速度快等特點,設計了一種新型的超磁致伸縮超聲換能器;ISHIZUKA K等[11],通過在電動汽車前窗加裝超磁致伸縮驅動器,可以用來降低電動汽車噪聲;CREMONEZI A O等[12-13]設計的基于Terfenol-D環形調制器磁致伸縮效應的光纖光柵RMS電流傳感器,用于在高壓系統中測量交流電流的有效值;代博文等[14-15]設計的一種具有共振調諧的超磁致伸縮懸臂梁,能夠自動調整自身的諧振頻率,在振動引起的外界磁場的作用下,實現超磁致伸縮材料與壓電材料的復合采能。

基于GMM的優異特性,本研究采用GMM棒作為噴油器的核心驅動單元,提出了一種超磁致伸縮驅動高壓共軌式噴油器的設計方案,在建立其數學模型的基礎上,利用COMSOL軟件的AC/DC模塊和AMESim軟件的液壓庫和機械庫建立了其仿真模型,并對其特性進行了研究,以使其具備響應時間短、輸出應變大、高精度等優異性能,彌補現有的電磁式和壓電式噴油器的不足。

1 整體設計方案和工作原理

如圖1所示,超磁致驅動高壓共軌式噴油器(簡稱GMI)主要是由超磁致伸縮驅動器及傳遞結構和液力系統機構三部分組成,其中GMM棒具有磁致伸縮效應,能夠在激勵線圈產生的磁場作用下,將輸入的電能通過磁場能轉化為機械能。

圖1 GMI結構設計圖

其工作原理如圖2所示,工作過程分為以下3種狀態:

圖2 GMI工作原理圖

(1) 噴油器靜止狀態。噴油器中的激勵線圈沒有通電,GMM棒不發生形變,針閥處于關閉狀態,即噴油器處于靜止狀態;

(2) 噴油器工作狀態。噴油器中的激勵線圈通入電流產生激勵磁場,激勵磁場使得GMM棒伸長,并通過位移傳遞機構上,帶動球閥臺移動,此時高壓油從儲油室流入出油口,隨之針閥打開,高壓油迅速進入壓力室中,然后從噴孔中噴射出去;

(3) 噴油器關閉狀態。斷開噴油器激勵線圈的電流輸入,使得GMM棒縮短復位,球閥口迅速關閉。此時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針閥的向上舉升力,噴油器閥口關閉,停止噴射。

2 GMI的數學模型

超磁致伸縮驅動高壓共軌式噴油器數學模型具體包括GMI輸出力模型和液力系統模型。由于其實際噴射過程復雜,為簡化研究,作出如下假設:

(1) 燃油流體在圓形管道中視為層流流動;

(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) 將傳遞機構視為剛性元件。

2.1 GMI輸出力模型

由電磁場知識可知,激勵線圈產生的磁場為:

H=fI

(1)

式中,H—— GMI總磁場,A/m

I—— 激勵電流,A

f—— 激勵線圈磁場系數

由于GMM棒具有不可逆磁化的特殊性,使得GMM棒輸入和輸出磁場之間存在磁滯非線性。本研究基于Jiles-Atherton模型對噴油器中GMM建立磁滯模型,根據此模型,激勵磁場強度H和GMM磁化強度M之間的關系為:

(2)

式中,c—— 可逆分量系數

α—— 相互作用系數

k—— 不可逆損耗系數

a—— 無磁滯磁化強度形狀

λs—— 材料的飽和磁致伸縮系數

u0—— 真空磁導率,H/m

δ—— 方向系數

σ0—— 預壓應力,N/m2

He—— 磁性材料的有效磁場,A/m

Man—— 無磁滯磁化強度,A/m

Ms—— 飽和磁化強度,A/m

在激勵磁場H為定值情況下,GMM棒的棒輸出力F與磁致伸縮應變λ和磁化強度M的關系滿足:

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的液力系統模型

根據流量連續性方程,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—— 控制腔內燃油壓力,Pa

A1—— 燃油進入控制腔截面面積,mm2

ρ—— 燃油密度,g/cm3

Cd—— 流量系數

ps—— 壓力室內燃油壓力,Pa

A2—— 燃油進入壓力室截面面積,mm2

1) 噴油器的控制腔模型

根據流量連續性方程,控制腔內的流量方程為:

(5)

式中,VC—— 控制腔的體積,cm3

2) 噴油器的壓力室模型

根據流量連續性方程,壓力室內的流量方程為:

(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驅動部分仿真模型

采用COMSOL中的AC/DC和固體力學模塊建立了GMI的仿真模型,其驅動器部分如圖3所示,其主要參數如表1所示。

表1 高壓共軌式噴油器主要參數

圖3 高壓共軌式噴油器驅動部分仿真模型

GMM棒是由Tb0.3Dy0.7Fe2所組成的特殊材料,其具有磁致伸縮效應,通電的激勵線圈周圍會有磁場,磁場中的磁失勢會通過GMM棒產生磁通密度模,使其產生磁致伸縮效應。

1) GMM棒的應力特性分析

在保持初始參數不變情況下,為探究GMI驅動部分的磁致伸縮性能,設置了步長大小為0.6 A,最大電流為3.6 A,研究GMM棒所受的應力情況,仿真結果如圖4所示。

圖4 GMM棒受應力變化仿真圖

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

由于在棒的兩端尖端點會產生應力集中,為了更準確的觀察GMM棒上所受的應力情況,在GMM棒上從左端到右端間等距取5個點,分別是點a,b,c,d,e,得到各點在不同電流下的應力σV變化情況,如圖5所示。

圖5 不同電流下GMM棒受應力變化仿真點圖

2) GMM棒的輸出位移特性分析

保持其他的參數不變,設置相同的電流大小數值,步長保持一致,通過固體力學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,在其他參數保持不變的情況下,激勵線圈在通電后會產生磁場,在該磁場作用下,GMM棒將會產生輸出位移,同時可得,隨著電流的增大,其產生的位移也隨之增大,其達到最大位移52 μm時,GMM棒不再變形伸縮。

選取棒受應力時的5個點,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棒位移變化仿真點圖

3.2 GMI液力系統仿真模型

采用AMESim軟件建立了基于磁致伸縮效應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組成,而連桿傳遞部分簡化代替。

圖8 高壓共軌式噴油器的液力仿真模型

1) 長脈寬下的噴油器特性分析

在AMESim軟件中,通過對噴油器的整體設計,將模型中的傳遞結構的最大位移設置為52 μm,如圖9所示,此時球閥被打開,針閥向上升起,噴油器針閥口向外噴油。

圖9 傳遞結構位移變化圖

保持其他參數不變,分別設置了共軌壓力為140, 160, 180, 200 MPa,得到仿真結果如圖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,在選取共軌壓力為160 MPa、驅動電壓90 V 和球閥最大位移為52 μm,噴射脈寬B分別設置為1.5, 2.0, 2.5, 3.0 ms,得到仿真結果如圖11所示。

圖11 不同脈寬下噴油率的變化

由圖11可知,噴射脈寬對噴油器的噴油率整體趨勢影響較小,當噴射脈寬為從1.5 ms增大至3 ms時,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定。

2) 短脈寬下的噴油器特性分析

仿真時,分別設置驅動電壓和共軌油壓為90 V和160 MPa,噴射的脈寬依次設定為0.15, 0.20, 0.25, 0.30 ms,仿真計算的噴油率如圖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,噴油器可實現不同程度的三角形噴射,展現出在短噴情況下良好的噴射性能。

4 試驗驗證

1) 試驗位移與仿真位移變化

搭建GMI驅動部分位移平臺并進行位移試驗驗證,試驗平臺如圖13所示。

圖13 噴油器驅動位移試驗平臺

在通過COMSOL軟件進行仿真以后,用噴油器的試驗臺進行了線圈通電后的試驗,實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、GMM棒的長度等,并用位移傳感器連接輸出桿的末端即a點,得到的輸出位移如圖14所示。

圖14 不同電流下GMM棒位移試驗對比圖

由圖14可知,試驗中的最大位移可達到47.4 μm,在通電初始階段的試驗與仿真位移變化量具有很高的重合度,一段時間過后由于其他因素影響,如通電后線圈溫度升高等,會使位移變化趨勢減小,試驗位移與仿真位移有所誤差,但擬合相關系數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噴油器性能的重要參數。GMI驅動部分的最大試驗位移為47.4 μm,在液壓部分可以將試驗位移的最大值設為固定參數,共軌壓力與驅動電壓與短脈寬仿真時保持一致,噴油脈寬從0.2 ms增至3.5 ms,根據式(7)進行間接計算得到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型噴油器進行對比,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在執行2.5 ms主噴時的單次噴油量約為0.21 mL,而BOSCH電磁式噴油器在2.5 ms主噴的單次噴油量僅為0.14 mL,設計的GMI噴油量有明顯的提高,表明該模型具有顯著優勢。

3) 相同軌壓下兩噴油器的響應速率比較

與傳統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閉合相比,GMI在控制球閥開關閉合的速度即噴油器的響應速率上有很大提高,其對比如圖16所示。

圖16 相同軌壓下最短響應時間對比圖

由圖16可知,兩噴油器在相同的軌壓下即在160 MPa 的壓強下GMA(驅動部分)的最短響應時間為0.15 ms,而BOSCH電磁式噴油器的最短響應時間接近1 ms,設計的GMI噴油器在響應速率上與BOSCH電磁式噴油器相比有很大的提高。

5 結論

GMI驅動部分的實驗輸出位移結果與仿真位移結果十分吻合,當線圈電流為3.6 A時,超磁致伸縮棒的最大輸出位移可達47.4 μm,GMM棒的應力最大能達到51 MPa,最大輸出力可達到1001 N;噴油器能進行三角形噴射,具有良好的噴油性能;在160 MPa的壓強下噴油最低脈寬從1 ms降低到0.15 ms,與BOSCH電磁式噴油器原來1 ms的響應時間相比有很大的提高,同時單次最大噴油量由0.14 mL提升到了0.21 mL 并且無論脈寬長短,其脈寬-噴油量的擬合相關系數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動高壓共軌式噴油器具備優異的噴油性能,為研發出高性能的高壓共軌式噴油器奠定了良好的理論基礎。