周肇奇， 何忠波， 薛光明， 周景濤， 榮 策， 劉國(guó)平

(1.陸軍工程大學(xué) 石家莊校區(qū)， 河北 石家莊 050003; 2.63969部隊(duì)，江蘇 南京 100072)

引言

柴油機(jī)因其高功率輸出而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域，是當(dāng)前各類車輛、機(jī)械設(shè)備的主要?jiǎng)恿1-2]。而作為噴油系統(tǒng)的終端，相較于傳統(tǒng)機(jī)械式噴油器，電控噴油器具有響應(yīng)速度快、流量大、噴油率柔順可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)[3]，可有效提高柴油機(jī)的燃油利用效率，進(jìn)而提升發(fā)動(dòng)機(jī)的綜合性能[4-5]。

當(dāng)前工程實(shí)踐中電磁式、壓電式噴油器應(yīng)用較為廣泛，在我國(guó)占據(jù)著大量市場(chǎng)。然而電磁式噴油器用致動(dòng)器在工作過(guò)程中，用作位移輸出的動(dòng)鐵行程難以精準(zhǔn)控制，噴油器的噴油率可控程度較低，其響應(yīng)速度難以滿足更高要求。為進(jìn)一步提高柴油機(jī)燃油效率，國(guó)內(nèi)外均開(kāi)展了以結(jié)構(gòu)改進(jìn)及新材料應(yīng)用為基礎(chǔ)的高性能噴油器用致動(dòng)器的研究。采用壓電材料作為主要換能元件的壓電式噴油器，在響應(yīng)速度等方面展現(xiàn)出優(yōu)異的性能，但壓電材料輸出力較小且對(duì)溫度變化較敏感，無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間工作，嚴(yán)重影響噴油器的環(huán)境適應(yīng)性。超磁致伸縮材料(Giant Magnetostrictive Material，GMM)是一種性能優(yōu)異的新型智能材料，以GMM為換能元件，開(kāi)發(fā)輸出大、精度高、工作穩(wěn)定的超磁致伸縮致動(dòng)器(Giant Magnetostrictive Actuator，GMA)成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)，并已經(jīng)在主動(dòng)控制、精密致動(dòng)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，而將GMA應(yīng)用于燃油噴射領(lǐng)域開(kāi)發(fā)出的新式電控噴油器——超磁致伸縮噴油器[6](Giant Magnetostrictive Injector，GMI)，展現(xiàn)出良好的噴油特性，為增強(qiáng)柴油機(jī)環(huán)境適應(yīng)性，達(dá)到更好的排放性、動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性以及低噪聲提供了新的解決途徑。

1 GMM簡(jiǎn)介

磁致伸縮材料具有磁致伸縮效應(yīng)，即材料在外部磁場(chǎng)作用下會(huì)產(chǎn)生宏觀的機(jī)械變形[7-9]。材料的最大變形量與材料長(zhǎng)度比值定義為飽和磁致伸縮系數(shù)λs，是衡量磁致伸縮材料輸出能力的重要指標(biāo)，常用單位為ppm，GMM則是指材料λs超過(guò)30 ppm的磁致伸縮材料[10]。

根據(jù)磁疇理論，如圖1所示[11]，磁致伸縮材料內(nèi)部充滿磁疇，無(wú)外磁場(chǎng)作用時(shí)，眾磁疇的方向各異，在宏觀上材料無(wú)變形。當(dāng)施加外磁場(chǎng)時(shí)，磁疇沿外磁場(chǎng)方向產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，此時(shí)，材料整體表現(xiàn)出一定的機(jī)械變形。

圖1 磁致伸縮現(xiàn)象Fig.1 Magnetostriction phenomenon

GMM一經(jīng)發(fā)現(xiàn)便引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的高度關(guān)注[12]，被認(rèn)為是21世紀(jì)提升國(guó)家高科技競(jìng)爭(zhēng)力的戰(zhàn)略性功能材料[13]，同傳統(tǒng)磁致伸縮材料(如Ni，Co)、壓電材料(Piezoelectric，PZT)等相比，GMM具有磁致伸縮應(yīng)變大，能量密度大，能量轉(zhuǎn)換效率高，響應(yīng)速度快等優(yōu)良特性。

2 GMA結(jié)構(gòu)原理

GMA是以超磁致伸縮材料為核心驅(qū)動(dòng)元件的致動(dòng)器，該致動(dòng)器有效繼承了GMM輸出力大、響應(yīng)速度快和工作穩(wěn)定等優(yōu)異特性,其典型結(jié)構(gòu)如圖2所示[14]。

圖2 GMA典型結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of GMA typical structure

GMA主要由勵(lì)磁、偏置、預(yù)緊、磁路、冷卻5個(gè)模塊構(gòu)成，各個(gè)模塊之間存在耦合關(guān)系。如圖3所示，多場(chǎng)共同作用使得致動(dòng)器在外加電壓作用下，迅速輸出一定位移和力。為充分介紹致動(dòng)器結(jié)構(gòu)及其工作原理，對(duì)上述5個(gè)模塊分別展開(kāi)論述。

圖3 GMA多場(chǎng)耦合作用示意圖Fig.3 Schematic diagram of GMA multi-field coupling

2.1 勵(lì)磁模塊

致動(dòng)器的響應(yīng)速度，是評(píng)價(jià)致動(dòng)器工作效能的重要指標(biāo)之一，而勵(lì)磁模塊是影響致動(dòng)器響應(yīng)速度的主要因素。目前，致動(dòng)器勵(lì)磁模塊一般采用交流線圈作為激勵(lì)磁場(chǎng)的發(fā)生裝置，通電時(shí)線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)以驅(qū)動(dòng)GMM棒產(chǎn)生形變[15]，斷電時(shí)線圈中磁場(chǎng)衰減，GMM棒恢復(fù)原長(zhǎng)。

2.2 偏置模塊

偏置磁場(chǎng)是影響GMM磁致伸縮應(yīng)變的重要因素之一[16]，在不同強(qiáng)度偏置磁場(chǎng)作用下，其磁致伸縮效應(yīng)將發(fā)生較大變化。合理的施加偏置磁場(chǎng)，可以使得材料的輸出滿足不同工況要求。

圖4展示了不同強(qiáng)度偏置磁場(chǎng)下GMM磁致伸縮應(yīng)變的特點(diǎn)。弱偏置或強(qiáng)偏置時(shí)，在足夠大激勵(lì)磁場(chǎng)的作用下GMM可分別輸出最大的伸長(zhǎng)量、縮短量，相應(yīng)的，GMA分別輸出最大的正位移、負(fù)位移。中間偏置時(shí)，材料在激勵(lì)磁場(chǎng)的作用下伸長(zhǎng)或縮短，相應(yīng)的，GMA可輸出正位移、負(fù)位移，且此時(shí)GMM工作于應(yīng)變-磁場(chǎng)強(qiáng)度曲線的大斜率段，對(duì)于較小的磁場(chǎng)輸入變化也能產(chǎn)生較大的位移輸出效果。

圖4 不同偏置磁場(chǎng)強(qiáng)度下GMM磁致伸縮應(yīng)變Fig.4 GMM magnetostrictive strain under different bias magnetic field strengths

2.3 預(yù)緊模塊

預(yù)緊力是影響GMM棒磁致伸縮應(yīng)變的另一重要因素，預(yù)緊模塊的目的就是產(chǎn)生適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力，使得GMM棒工作時(shí)的磁場(chǎng)強(qiáng)度-應(yīng)變曲線斜率處于較大狀態(tài)，此時(shí)輸入較小的磁場(chǎng)強(qiáng)度即能使得材料產(chǎn)生較大的位移輸出，不同預(yù)應(yīng)力對(duì)材料磁致伸縮應(yīng)變的影響如圖5所示[17-18]。

圖5 不同預(yù)緊力下的GMM應(yīng)變Fig.5 GMM strain under different preloads

由圖5可知，應(yīng)力小于12 MPa時(shí)，應(yīng)變-磁場(chǎng)強(qiáng)度曲線較為陡峭，曲線斜率變化不大。隨著應(yīng)力增大，GMM飽和磁致伸縮系數(shù)也隨之增大，材料能夠輸出更大的最大位移。但施加的應(yīng)力大于12 MPa時(shí)，材料的飽和磁致伸縮系數(shù)又會(huì)迅速減小。因此，只有施加適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力才能使得材料達(dá)到更好的輸出效果。

2.4 磁路模塊

大量研究表明，GMA采用閉合磁路可有效減少裝置漏磁。閉合磁路，即基座、外殼、端蓋和輸出桿與GMM棒構(gòu)成閉合磁路，且均采用高磁導(dǎo)率材料，此時(shí)磁通幾乎完全被限制于磁路中，磁感線沿著磁路流通，較為均勻地穿過(guò)GMM棒且與其軸線方向一致，減少了漏磁，同時(shí)可使得GMM棒(磁阻較大)分配盡可能多的磁勢(shì)，大大提高磁場(chǎng)強(qiáng)度的利用效率。

2.5 冷卻模塊

溫度是除預(yù)緊力、偏置磁場(chǎng)外，另一直接影響GMM磁致伸縮特性的參數(shù)，且溫度對(duì)材料的影響十分復(fù)雜，超過(guò)居里溫度后，材料甚至?xí)ゴ胖律炜s特性。當(dāng)GMA長(zhǎng)時(shí)間工作于高頻、大電流環(huán)境時(shí)，由于勵(lì)磁線圈的存在，裝置溫度上升明顯，嚴(yán)重影響GMM的輸出性能和裝置的工作穩(wěn)定性，此時(shí)需增設(shè)冷卻模塊抑制線圈溫升。

3 電控噴油器用GMA結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

柴油機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展，對(duì)噴油器的噴油性能提出了更高要求。性能優(yōu)異的噴油器應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)響應(yīng)速度快、噴油量以及噴油時(shí)間可調(diào)等，這就要求致動(dòng)器能夠根據(jù)輸入信號(hào)迅速的輸出一定位移和力以開(kāi)啟閥門(mén)。根據(jù)噴油器工作過(guò)程中各部件的運(yùn)動(dòng)和液力特性，可將其分為致動(dòng)器部分、容腔-管道-閥件部分。GMI在結(jié)構(gòu)上實(shí)則為GMA與容腔-管道-閥件部分的有效集成。按照致動(dòng)器是否直接驅(qū)動(dòng)針閥，可將噴油器分為非直驅(qū)、直驅(qū)式噴油器；按照GMA通電工作驅(qū)動(dòng)噴油器針閥方式不同，可將噴油器分為正向開(kāi)啟式、負(fù)向開(kāi)啟式。正向開(kāi)啟式，即GMA通電工作時(shí)相對(duì)自身沿輸出桿軸線方向向“外”輸出位移使得針閥開(kāi)啟，此類GMI采用的GMA結(jié)構(gòu)形式相對(duì)簡(jiǎn)單；負(fù)向開(kāi)啟式，即GMA通電工作時(shí)相對(duì)自身沿輸出桿軸線方向向“內(nèi)”輸出位移使得針閥開(kāi)啟。此類工作方式的實(shí)現(xiàn)，需要對(duì)GMA進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，可采用零偏置方式或強(qiáng)偏置方式，其中零偏置方式需增設(shè)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，完成輸出位移的換向。按照?qǐng)D6所示電控噴油器分類，介紹電控噴油器用GMA結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)現(xiàn)狀。

圖6 電控噴油器的分類

3.1 非直驅(qū)式GMI

非直驅(qū)式GMI中GMA不直接驅(qū)動(dòng)針閥，而是控制先導(dǎo)閥的開(kāi)閉實(shí)現(xiàn)控制腔的泄壓、蓄壓，間接驅(qū)動(dòng)針閥。

1) 正向開(kāi)啟

正向開(kāi)啟非直驅(qū)式GMI在通電工作時(shí)，GMA輸出正向位移打開(kāi)先導(dǎo)閥，此時(shí)控制腔開(kāi)始泄壓，當(dāng)控制腔和儲(chǔ)油腔之間形成一定壓力差時(shí)針閥開(kāi)啟，噴油器開(kāi)始噴油。此類GMI可直接利用壓電式非直驅(qū)噴油器的容腔-管道-閥件部分，便于研發(fā)推廣。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的嚴(yán)柏平和李立毅等[19-20]設(shè)計(jì)了可用于非直驅(qū)式噴油器的GMA，其結(jié)構(gòu)如圖7所示，換能元件GMM棒的尺寸為φ14×38.6 mm，GMA在預(yù)壓力為750 N、電流為4 A的環(huán)境下工作時(shí)，可輸出約38.3 μm的位移，響應(yīng)時(shí)間約為0.03 s，裝置持續(xù)工作60 s后的溫升低于2 ℃。

圖7 燃油噴射器中的GMAFig.7 GMA in fuel injector

羅馬尼亞國(guó)家電工中心的等[21]設(shè)計(jì)了一種磁致伸縮式噴射致動(dòng)器(Magnetostrictive Injection Actuator，MIA)，其結(jié)構(gòu)如圖8所示。該結(jié)構(gòu)在GMM棒底端放置了一塊永磁體，用以提供偏置磁場(chǎng)，提高GMM棒輸出性能，同時(shí)采用脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation，PWM)技術(shù)取代通用功率放大器，設(shè)計(jì)了功率驅(qū)動(dòng)電路，電壓峰峰值為5 V且占空比可調(diào)，適宜頻率為1～50 Hz。采用有限元的方法進(jìn)行仿真，并進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的MIA展現(xiàn)出良好的動(dòng)態(tài)特性，可以較好地滿足高壓共軌噴油器的驅(qū)動(dòng)需求。

圖8 MIA結(jié)構(gòu)圖Fig.8 MIA structure diagram

沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)和華晨汽車工程研究院聯(lián)合設(shè)計(jì)了一款磁致伸縮燃油噴射器[22-23]，如圖9所示，主要由GMA、液壓連桿、伺服閥、噴嘴針閥組成。GMA工作所需的偏置磁場(chǎng)通過(guò)在驅(qū)動(dòng)電流上疊加直流的形式獲得，使得偏置磁場(chǎng)強(qiáng)度可調(diào)，同時(shí)減小了裝置的質(zhì)量和體積。噴油器中液壓連桿部分，可用以補(bǔ)償熱膨脹等因素造成的間隙。該團(tuán)隊(duì)研制了GMA樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)表明，致動(dòng)器系統(tǒng)的一階諧振頻率約為380 Hz，此時(shí)GMA輸出位移幅值可達(dá)50 μm。

圖9 磁致伸縮燃油噴射器Fig.9 Magnetostrictive fuel injector

2) 負(fù)向開(kāi)啟

負(fù)向開(kāi)啟非直驅(qū)式GMI在通電工作時(shí)，GMA輸出負(fù)向位移打開(kāi)先導(dǎo)閥，控制腔泄壓，當(dāng)控制腔和儲(chǔ)油腔之間形成一定壓力差時(shí)針閥開(kāi)啟，噴油器開(kāi)始噴油。此類GMI在結(jié)構(gòu)上較為復(fù)雜，但可直接應(yīng)用發(fā)展較為成熟的電磁式非直驅(qū)噴油器中容腔-管道-閥件部分，降低了噴油器內(nèi)部的集成難度，易于推廣應(yīng)用。

橫濱國(guó)立大學(xué)的TANAKA H等[24-25]設(shè)計(jì)了一種噴油器，其結(jié)構(gòu)如圖10所示。裝置的主要特點(diǎn)在于GMA中GMM棒串聯(lián)布置，如圖b所示，將6根相同尺寸的GMM棒分為2組，每組各3根，分別置于放大筒兩端，可實(shí)現(xiàn)2組GMM棒輸出位移的疊加。在輸入電壓為24 V，油壓為160 MPa時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，GMA輸出位移可達(dá)50 μm，噴油器的噴油率為30 mm3/ms，且噴油率與輸入電流之間線性關(guān)系良好，表現(xiàn)出優(yōu)異的噴油特性。

圖10 GMM串聯(lián)布置式GMA驅(qū)動(dòng)的噴油器Fig.10 GMM series-arranged GMA-driven injector

陸軍工程大學(xué)的薛光明等[3]設(shè)計(jì)了一款GMI，結(jié)構(gòu)如圖11所示，其中致動(dòng)器工作原理如圖b，GMM采用棒狀結(jié)構(gòu)，在相同徑向厚度條件下，其橫截面積要小于筒狀GMM結(jié)構(gòu)，因此所需的勵(lì)磁線圈尺寸更小，且GMM棒相較于GMM筒，可更有效利用磁場(chǎng)強(qiáng)度。此外，螺帽和輸出桿之間通過(guò)螺紋連接，將GMM棒包裹在內(nèi)。GMA工作原理為：線圈通電時(shí)，GMM棒在磁場(chǎng)作用下伸長(zhǎng)，推動(dòng)螺帽和輸出桿向上運(yùn)動(dòng)打開(kāi)球閥；線圈斷電后，GMM棒恢復(fù)原長(zhǎng)關(guān)閉球閥。在80 V的開(kāi)啟電壓下，GMI最短噴射脈寬低于0.2 ms，單次噴油量最小約為4.5 mm3，最大噴油率可達(dá)75 mm3/ms，能夠同時(shí)滿足大流量噴射和高精度控制的要求。

圖11 GMI結(jié)構(gòu)及工作原理Fig.11 GMI structure and working principle

非直驅(qū)式GMI由致動(dòng)器、容腔-管道-閥件兩部分組成，相較于直驅(qū)式GMI，結(jié)構(gòu)形式相對(duì)復(fù)雜，由于非直驅(qū)GMI中，致動(dòng)器不直接驅(qū)動(dòng)針閥運(yùn)動(dòng)，只需輸出較小位移打開(kāi)先導(dǎo)閥，起到“以小帶大”的作用，即GMA輸出較小位移控制先導(dǎo)閥的開(kāi)閉，可以驅(qū)動(dòng)針閥達(dá)到較大開(kāi)度，且致動(dòng)器輸出桿對(duì)針閥無(wú)機(jī)械力作用，減少了摩擦和移動(dòng)質(zhì)量，因而燃油噴射的穩(wěn)定性及誤差得到了顯著改善。

3.2 直驅(qū)式GMI

相較于非直驅(qū)式GMI，直驅(qū)式GMI減少了中間液壓傳動(dòng)過(guò)程，由GMA直接驅(qū)動(dòng)針閥。

1) 正向開(kāi)啟

正向開(kāi)啟直驅(qū)式GMI在通電工作時(shí)，GMA輸出正向位移，直接驅(qū)動(dòng)針閥開(kāi)啟，噴油器開(kāi)始噴油。此類GMI具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，但目前市場(chǎng)中尚無(wú)應(yīng)用廣泛的成熟產(chǎn)品。

美國(guó)大平原柴油技術(shù)公司的BRIGHT C B等[26-27]與美國(guó)愛(ài)荷華州大學(xué)設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用GMA的柴油機(jī)電控噴油器概念機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖12所示。設(shè)計(jì)的裝置可有效利用油液壓力，一方面給GMM棒施加預(yù)緊力，另一方面用于斷電時(shí)軸針的回位，取代了GMA典型結(jié)構(gòu)中碟簧的作用，且勵(lì)磁線圈只繞制2層共64匝，有效減小了線圈的響應(yīng)時(shí)間。在控制電壓為5 V的條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示，設(shè)計(jì)的GMA可在0.1 ms內(nèi)輸出高達(dá)146 μm的位移，重復(fù)工作時(shí)輸出位移偏差低于6%，展現(xiàn)出良好的工作性能。

圖12 噴油率可調(diào)的噴油器概念機(jī)Fig.12 Conceptual injector with adjustable fuel injection rate

河北工業(yè)大學(xué)的閆榮格等[28]設(shè)計(jì)了一種利用超磁致伸縮致動(dòng)器作為驅(qū)動(dòng)裝置的噴油器，裝置結(jié)構(gòu)如圖13所示，線圈長(zhǎng)度和GMM棒長(zhǎng)度相等，考慮GMA工作過(guò)程中溫升問(wèn)題，在線圈和GMM棒之間設(shè)有冷卻油道。采用有限元方法分析了GMM棒上的磁場(chǎng)分布，并研究了噴油器輸入電流密度與輸出位移之間的關(guān)系。仿真結(jié)果表明，輸入電流密度與輸出位移近似為線性關(guān)系，且輸出位移可達(dá)50 μm。

愛(ài)爾蘭都柏林城市大學(xué)的CHOWDHURY H A等[29]設(shè)計(jì)了一種壓縮天然氣(Compressed Natural Gas，CNG)噴射器，其結(jié)構(gòu)如圖14所示。GMA工作原理為：通電時(shí)，GMM棒伸長(zhǎng)，克服關(guān)閉彈簧和預(yù)緊彈簧作用力，推動(dòng)針閥下行開(kāi)啟；斷電后，GMM棒恢復(fù)原長(zhǎng)，針閥在關(guān)閉彈簧作用下上行關(guān)閉。裝置采用Terfenol-D棒作為換能元件，尺寸為φ30×50 mm，線圈為672匝，當(dāng)裝置輸入4.07 A的直流電時(shí)，經(jīng)有限元仿真得，Terfenol-D棒上磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.55 T，預(yù)計(jì)伸長(zhǎng)量可達(dá)50 μm，能夠滿足噴射閥驅(qū)動(dòng)要求。

圖14 CNG燃油噴射器Fig.14 CNG fuel injector

與CNG噴射器工作原理類似，卡布斯蘇丹大學(xué)的GHODSI M等[30]設(shè)計(jì)了一種超磁致伸縮式汽油直噴噴油器(Gasoline Direct Injector，GDI)，其結(jié)構(gòu)如圖15所示。Terfenol-D棒在磁場(chǎng)作用下直接驅(qū)動(dòng)針閥。對(duì)裝置進(jìn)行有限元仿真，結(jié)果表明，針閥最大位移可達(dá)50 μm，滿足噴油器的工作需求。

圖15 Terfenol-D驅(qū)動(dòng)的GDIFig.15 GDI driven by Terfenol-D

2) 負(fù)向開(kāi)啟

負(fù)向開(kāi)啟直驅(qū)式GMI在通電工作時(shí)， GMA輸出負(fù)向位移，直接驅(qū)動(dòng)針閥開(kāi)啟，噴油器開(kāi)始噴油。此類GMI體積較大，結(jié)構(gòu)形式較為復(fù)雜，但響應(yīng)速度快，噴油率柔順性表現(xiàn)優(yōu)秀，可直接應(yīng)用壓電式直驅(qū)噴油器的容腔-管道-閥件部分。

杭州電子科技大學(xué)的孟愛(ài)華等[31]設(shè)計(jì)了一種可用于燃油噴射的脈沖噴射開(kāi)關(guān)閥，其結(jié)構(gòu)如圖16所示，閥帽和閥芯通過(guò)螺紋連接為一體，GMM采用筒狀形式，當(dāng)裝置通電時(shí)，GMM筒在激勵(lì)磁場(chǎng)的作用下伸長(zhǎng)，推動(dòng)閥帽和閥芯上行打開(kāi)噴嘴，流體開(kāi)始噴射；斷電后，GMM筒縮短，閥帽和閥芯在彈簧力作用下下行關(guān)閉噴嘴，流體停止噴射。仿真分析得GMA的位移階躍上升時(shí)間為0.778 ms，實(shí)驗(yàn)測(cè)得GMA的穩(wěn)態(tài)位移輸出為17.6 μm，上升時(shí)間為0.81 ms，可滿足脈沖噴射開(kāi)關(guān)閥的應(yīng)用需求。

圖16 脈沖噴射開(kāi)關(guān)閥Fig.16 Pulse injection on-off valve

日本株式會(huì)社日立制作所的夏井博行等[32]設(shè)計(jì)了一種超磁致伸縮式直驅(qū)燃料噴射閥，其結(jié)構(gòu)如圖17所示，GMM設(shè)計(jì)為筒狀結(jié)構(gòu)形式，與T形柱塞配合，可實(shí)現(xiàn)輸出位移方向的轉(zhuǎn)換。GMA工作原理為：通電時(shí)，GMM筒在磁場(chǎng)作用下伸長(zhǎng)，克服回位彈簧作用力推動(dòng)T形柱塞上行，針閥在針閥彈簧作用下打開(kāi)；斷電后，GMM筒縮短，回位彈簧推動(dòng)T形柱塞和針閥桿下行，針閥關(guān)閉。該噴射閥可根據(jù)內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)控制驅(qū)動(dòng)裝置，改變螺線管通電時(shí)間、電流的上升傾斜和峰值，可有效調(diào)整燃料的穿透度、噴霧角、噴霧密度等參數(shù)。

圖17 帶有T形柱塞的超磁致伸縮式噴油器Fig.17 Giant magnetostrictive injector with T plunger

安徽理工大學(xué)的徐彬等[33]依據(jù)GMM的磁致伸縮效應(yīng)以及柔性鉸鏈的精密傳動(dòng)理論，設(shè)計(jì)了一款直驅(qū)式噴油器，裝置結(jié)構(gòu)如圖18所示。通過(guò)增設(shè)的柔性鉸鏈位移轉(zhuǎn)換、放大機(jī)構(gòu)，可以將GMM棒的伸長(zhǎng)，轉(zhuǎn)換為GMA的負(fù)向輸出位移并進(jìn)行放大，從而使得噴油器保持常閉狀態(tài)；在線圈和GMM棒之間設(shè)有冷卻水道，用以抑制GMA溫升；偏置磁場(chǎng)由通電線圈提供，磁場(chǎng)強(qiáng)度大小可調(diào)。GMM棒的尺寸設(shè)計(jì)為φ8×80 mm，此時(shí)GMA可輸出最大位移為120 μm，推力達(dá)到1500 N，柔性換向放大機(jī)構(gòu)的放大比為4，針閥最大升程達(dá)480 μm，可滿足噴油器的工作要求。

圖18 帶有放大機(jī)構(gòu)的超磁致伸縮噴油器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.18 Structural diagram of giant magnetostrictive injector with amplification mechanism

直驅(qū)式GMI整體結(jié)構(gòu)和油道得到有效簡(jiǎn)化，優(yōu)化了中間高壓油傳遞過(guò)程，致動(dòng)器直接驅(qū)動(dòng)針閥，控制精度高且響應(yīng)速度快，使得噴油率更加柔順可調(diào)，但對(duì)加工精度和密封性提出了更高的要求，增加了生產(chǎn)制造的成本。

4 結(jié)論

本研究將電控噴油器分為非直驅(qū)、直驅(qū)兩大類，進(jìn)而分為正向開(kāi)啟非直驅(qū)、負(fù)向開(kāi)啟非直驅(qū)、正向開(kāi)啟直驅(qū)、負(fù)向開(kāi)啟直驅(qū)。

(1) 非直驅(qū)式噴油器中，致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)先導(dǎo)閥“以小帶大”間接控制針閥，相較于直驅(qū)式噴油器，噴射穩(wěn)定性更強(qiáng)，目前在國(guó)內(nèi)應(yīng)用更為廣泛，現(xiàn)有研究基礎(chǔ)更為成熟，產(chǎn)品易于開(kāi)發(fā)推廣；直驅(qū)式噴油器結(jié)構(gòu)形式較為簡(jiǎn)單，致動(dòng)器直接控制針閥移動(dòng)，控制精度高且響應(yīng)速度更快，但對(duì)加工精度以及裝置密封性要求更高，生產(chǎn)成本較高；

(2) 正向開(kāi)啟非直驅(qū)、負(fù)向開(kāi)啟非直驅(qū)、負(fù)向開(kāi)啟直驅(qū)噴油器均可采用當(dāng)前發(fā)展較為成熟的電磁式或壓電式噴油器中容腔-管道-閥件部分，其中負(fù)向開(kāi)啟非直驅(qū)噴油器還可直接應(yīng)用電磁式噴油器的功率驅(qū)動(dòng)電路，因而推廣應(yīng)用更為便利，但相較于其他3種噴油器，結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，響應(yīng)速度也不是最快；正向開(kāi)啟直驅(qū)噴油器相較于其他3種噴油器體積較小且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，響應(yīng)速度更快，噴油率柔順性更好，但目前尚無(wú)市場(chǎng)成熟產(chǎn)品；

(3) 當(dāng)前應(yīng)用于電控噴油器的GMA均能夠較為迅速的輸出一定位移和力以開(kāi)啟閥門(mén)，能夠很好地滿足噴油器工作性能要求，展現(xiàn)出開(kāi)展相關(guān)研究工作的重要性，但目前針對(duì)電控噴油器用GMA的結(jié)構(gòu)研究工作還相對(duì)較為薄弱，不同部分的設(shè)計(jì)雖有所涉及，但研究還不夠深入，對(duì)于GMA的內(nèi)外工作環(huán)境考慮不夠充分，應(yīng)用于工程實(shí)際的探索還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，GMM材料的優(yōu)良性能未能得到充分發(fā)揮；因而，探索設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)新穎的GMA是未來(lái)電控噴油器用致動(dòng)器發(fā)展的重要方向之一。