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.pdf
《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.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《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.pdf(8页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第48 卷第2 期2024年2 月doi:10.11832/j.issn.1000-4858.2024.02.007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液压与气动Chinese Hydraulics&PneumaticsVol.48 No.2February.2024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2 3 2 0 0 1;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3 10 0 2 7)摘要:针对现有喷油器存在的喷油速率低、喷油脉宽大、响应速率慢的问题,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。
2、简述了该高压共轨式喷油器的整体设计及工作原理,并且在Jiles-Atherton磁滞模型和液压传动理论基础上建立数学模型;采用COMSOL建立了驱动部分仿真模型,并进行输出位移和应力特性分析,采用AMESim建立了喷油器整体模型,并进行喷油速率分析;搭建试验平台,验证了超磁致伸缩驱动高压共轨式喷油器设计方案的有效性。结果显示: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52 m;在16 0 MPa的压力下喷油最低脉宽从1ms降低到0.15ms,并且无论脉宽长短,其脉宽-喷油量均具有良好的线性度。结果表明,提出的设计方案可行,为研制出一种高性能的高压共轨式喷油器奠定了理论和技术基础。
3、关键词:超磁致伸缩材料;高压共轨式喷油器;输出位移;喷油脉宽;喷油率中图分类号:TH137;TK422文献标志码:B文章编号:10 0 0-48 58(2 0 2 4)0 2-0 0 52-0 8Structural Design and Fuel Injection Characteristic Analysis of HighPressure Common Rail Injector Driven by Giant Magnetostrictive MaterialYU Cao-feng2,WEI Zi-xian,DUAN Yong-yong,ZHU Jian-hua,TAO Xue-fe
4、ng,NIE Yi-nan(1.School of Mechatronic Engineering,Anhui University of Science and Technology,Huainan,Anhui 232001;2.State Key Laboratory of Fluid Power and Mechatronic Systems,Zhejiang University,Hangzhou,Zhejiang 310027)Abstract:Aiming at the problems of low injection rate,wide injection pulse and
5、slow response rate of existing fuelinjectors,a design scheme of high pressure common rail injectors driven by giant magnetic force was proposed.Thispaper briefly describes the overall design and working principle of the high pressure common rail injector,and amathematical model is established on the
6、 basis of Jiles-Atherton hysteresis model and hydraulic transmission theory.COMSOL is used to establish the simulation model of the driving part,and the output displacement and stresscharacteristics are analyzed.AMESim is used to establish the overall model of the injector,and the injection rate isa
7、nalyzed.A test platform was built to verify the effectiveness of the design scheme of the high pressure common railinjector driven by giant magnetic force.The results show that when the coil current is 3.6 A,the maximum outputdisplacement of the giant magnetostrictive rod can reach 52 m.Under the pr
8、essure of 160 MPa,the minimum收稿日期:2 0 2 3-0 6-0 9基金项目:国家自然科学基金(52 10 50 42);中国博士后科学基金(2 0 19 M652159);流体动力基础件与机电系统国家重点实验室开放基金(GZKF-202302)作者简介:喻曹丰(19 8 7 一),男,安徽安庆人,副教授,博士,主要从事超磁致伸缩智能构件方向的研发工作。修回日期:2 0 2 3-0 7-122024年第2 期pulse width of oil injection is reduced from lms to 0.15 ms,and the pulse width
9、-oil injection has a good linearityregardless of the length of the pulse width.The research results show that the proposed design scheme is feasible,which lays a theoretical and technical foundation for developing a high performance high pressure common railinjector.Key words:giant magnetostrictive
10、material,high pressure common rail injector,mathematical model,pulsewidth,fuel delivery rate引言随着我国2 0 3 0 碳达峰”和“2 0 6 0 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。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人气缸,供发动机燃烧做功,其
11、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 MaterialGMM)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
12、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;ISHIZUKAK等,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;CREMONEZIAO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 4-151 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
13、,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液压与气动基础上,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,将输人的电能通过磁场能转化为机械能导磁环线圈骨架球阀芯橡皮圈激励线圈针阀弹簧塑料罩工GMM棒预紧螺钉导磁块顶杆图
14、1GMI结构设计图Fig.1 Structural design drawing of GMI其工作原理如图2 所示,工作过程分为以下3 种状态:(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;喷油器静止状态喷油器开启状态喷油器关闭状态图2 GMI工作原理图Fig.2Working principle diagram of GMI53针阀喷油嘴球阀台推杆球阀座座弹簧针阀体阀杆压力室54(2)喷油器工作状态。喷油器中的激励线圈通人电流产生激励磁场,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
15、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。2GMI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
16、构视为刚性元件。2.1GMI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式中,H一 GMI 总磁场,A/m1一激励电流,A一一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棒输人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:dMdHk-&+2uoM式中,c可逆分量系数一一相互作用系数k一不可逆损耗系数a-一一无磁滞磁化强度形状液压与气动入一材料的饱和磁致伸缩系数uo真空磁导率,H/m8-方向系数预压应力,N/mH。一磁性材料的有效磁场,A/mMan无
17、磁滞磁化强度,A/mM一一饱和磁化强度,A/m在激励磁场H为定值情况下,GMM棒的棒输出力F与磁致伸缩应变入和磁化强度M的关系满足:F=EA.入(3)式中,ECMM棒的弹性模量,PaA,GMM棒的横截面积,mm2.2CGMI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:(P。-Pg)+C a A 2ps-pg)+PEdt式中,V一#共轨管的体积,cmPg一高压共轨管燃油压力,PaE一一燃油弹性模量,MPaP。控制腔内燃油压力,Pa(1)A,一一燃油进人控制腔截面面积,mm一燃油密度,g/cm3Ca一流量系数P,一压力室内燃油压力,PaA,燃油进入压力室截面面积,mm1)喷油器的控制腔
18、模型根据流量连续性方程,控制腔内的流量方程为:V.dpdV。EdtdtdM(M.-M)+chsdH9入,6 09入,8 0dMa(Man-M)-kSc(+2uoM(2)第48 卷第2 期(4)2P2式中,Vc控制腔的体积,cm32)喷油器的压力室模型dH。根据流量连续性方程,压力室内的流量方程为:dV.Edtdt由伯努利方程可知,喷油器喷油率Q为:(5)2(Pg-p.)+APIp,-Pol(6)2024年第2 期式中,Pm喷孔背压3GMI的仿真及喷油特性分析3.1GMI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
19、所示。50rmm4030F20100-10-20-30-40-50-80图3高压共轨式喷油器驱动部分仿真模型Fig.3Simulation model of high pressurecommon rail injector drive part表1高压共轨式喷油器主要参数Tab.1Main parameters of high pressurecommon rail injector参数GMM 棒长度/mm启喷轨压/MPa线圈匝数线圈导线直径/mm驱动电压/V通电电流/A开启时间/s球阀直径/mm关闭时间/s球阀最大升程/m喷孔直径/mm孔个数GMM棒是由 Tbo.3Dyo.7Fe2所组成的
20、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,使其液压与气动产生磁致伸缩效应。-Pm)(7)mm-60-40551)G M M 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。12(37)=3.6Amm30252015105-5-10-15-20-25-30-600140 20014000.5900 3.60.0031.50.006520.26表面:VonMises应力(N/m)2040数值50 x1054.5
21、43.532.521.510.5-35-40Fig.4 Simulation diagram of stress change of GMM rod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5.1107 N/m,即51 MPa,由棒的直径(5mm)可计算得其最大输出力为10 0 1N。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,b,c,d,e,得到各点在不同电流下的应力变化情况,如图5所示。1072.22.01.
22、81.61.41.221.060.80.60.40.20图5不同电流下GMM棒受应力变化仿真点图Fig.5Simulation point diagram of stress change ofGMM rod under different current-20图4GMM棒受应力变化仿真图e0.5201.01.5/A40mm2.02.53.03.5562)G M M 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。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
23、,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 m时,GMM棒不再变形伸缩。12(33)=3.2A表面:位移大小(mm)mm30252015105-5-10-15-20-25-30-35-40Fig.6 Simulation diagram of GMM rod output displacement10l5F¥4e3uuu/x210图7不同电流下GMM棒位移变化仿真点图Fig.7SSimulation point diagram of GMM roddisplacement change under different cur
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 超磁致 伸缩 驱动 高压 共轨式 喷油器 结构设计 特性 分析
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。