電控噴油器用超磁致伸縮致動器發展現狀

周肇奇， 何忠波， 薛光明， 周景濤， 榮 策， 劉國平

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

引言

柴油機因其高功率輸出而被廣泛應用于工業、農業等領域，是當前各類車輛、機械設備的主要動力[1-2]。而作為噴油系統的終端，相較于傳統機械式噴油器，電控噴油器具有響應速度快、流量大、噴油率柔順可調等優點[3]，可有效提高柴油機的燃油利用效率，進而提升發動機的綜合性能[4-5]。

當前工程實踐中電磁式、壓電式噴油器應用較為廣泛，在我國占據著大量市場。然而電磁式噴油器用致動器在工作過程中，用作位移輸出的動鐵行程難以精準控制，噴油器的噴油率可控程度較低，其響應速度難以滿足更高要求。為進一步提高柴油機燃油效率，國內外均開展了以結構改進及新材料應用為基礎的高性能噴油器用致動器的研究。采用壓電材料作為主要換能元件的壓電式噴油器，在響應速度等方面展現出優異的性能，但壓電材料輸出力較小且對溫度變化較敏感，無法長時間工作，嚴重影響噴油器的環境適應性。超磁致伸縮材料(Giant Magnetostrictive Material，GMM)是一種性能優異的新型智能材料，以GMM為換能元件，開發輸出大、精度高、工作穩定的超磁致伸縮致動器(Giant Magnetostrictive Actuator，GMA)成為近年來的研究熱點，并已經在主動控制、精密致動等領域得到了廣泛應用，而將GMA應用于燃油噴射領域開發出的新式電控噴油器——超磁致伸縮噴油器[6](Giant Magnetostrictive Injector，GMI)，展現出良好的噴油特性，為增強柴油機環境適應性，達到更好的排放性、動力性、經濟性以及低噪聲提供了新的解決途徑。

1 GMM簡介

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

根據磁疇理論，如圖1所示[11]，磁致伸縮材料內部充滿磁疇，無外磁場作用時，眾磁疇的方向各異，在宏觀上材料無變形。當施加外磁場時，磁疇沿外磁場方向產生偏轉，此時，材料整體表現出一定的機械變形。

圖1 磁致伸縮現象Fig.1 Magnetostriction phenomenon

GMM一經發現便引起了國內外學者的高度關注[12]，被認為是21世紀提升國家高科技競爭力的戰略性功能材料[13]，同傳統磁致伸縮材料(如Ni，Co)、壓電材料(Piezoelectric，PZT)等相比，GMM具有磁致伸縮應變大，能量密度大，能量轉換效率高，響應速度快等優良特性。

2 GMA結構原理

GMA是以超磁致伸縮材料為核心驅動元件的致動器，該致動器有效繼承了GMM輸出力大、響應速度快和工作穩定等優異特性,其典型結構如圖2所示[14]。

圖2 GMA典型結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of GMA typical structure

GMA主要由勵磁、偏置、預緊、磁路、冷卻5個模塊構成，各個模塊之間存在耦合關系。如圖3所示，多場共同作用使得致動器在外加電壓作用下，迅速輸出一定位移和力。為充分介紹致動器結構及其工作原理，對上述5個模塊分別展開論述。

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

2.1 勵磁模塊

致動器的響應速度，是評價致動器工作效能的重要指標之一，而勵磁模塊是影響致動器響應速度的主要因素。目前，致動器勵磁模塊一般采用交流線圈作為激勵磁場的發生裝置，通電時線圈產生磁場以驅動GMM棒產生形變[15]，斷電時線圈中磁場衰減，GMM棒恢復原長。

2.2 偏置模塊

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

圖4展示了不同強度偏置磁場下GMM磁致伸縮應變的特點。弱偏置或強偏置時，在足夠大激勵磁場的作用下GMM可分別輸出最大的伸長量、縮短量，相應的，GMA分別輸出最大的正位移、負位移。中間偏置時，材料在激勵磁場的作用下伸長或縮短，相應的，GMA可輸出正位移、負位移，且此時GMM工作于應變-磁場強度曲線的大斜率段，對于較小的磁場輸入變化也能產生較大的位移輸出效果。

圖4 不同偏置磁場強度下GMM磁致伸縮應變Fig.4 GMM magnetostrictive strain under different bias magnetic field strengths

2.3 預緊模塊

預緊力是影響GMM棒磁致伸縮應變的另一重要因素，預緊模塊的目的就是產生適當的預緊力，使得GMM棒工作時的磁場強度-應變曲線斜率處于較大狀態，此時輸入較小的磁場強度即能使得材料產生較大的位移輸出，不同預應力對材料磁致伸縮應變的影響如圖5所示[17-18]。

圖5 不同預緊力下的GMM應變Fig.5 GMM strain under different preloads

由圖5可知，應力小于12 MPa時，應變-磁場強度曲線較為陡峭，曲線斜率變化不大。隨著應力增大，GMM飽和磁致伸縮系數也隨之增大，材料能夠輸出更大的最大位移。但施加的應力大于12 MPa時，材料的飽和磁致伸縮系數又會迅速減小。因此，只有施加適當的預緊力才能使得材料達到更好的輸出效果。

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棒構成閉合磁路，且均采用高磁導率材料，此時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GMM棒且與其軸線方向一致，減少了漏磁，同時可使得GMM棒(磁阻較大)分配盡可能多的磁勢，大大提高磁場強度的利用效率。

2.5 冷卻模塊

溫度是除預緊力、偏置磁場外，另一直接影響GMM磁致伸縮特性的參數，且溫度對材料的影響十分復雜，超過居里溫度后，材料甚至會失去磁致伸縮特性。當GMA長時間工作于高頻、大電流環境時，由于勵磁線圈的存在，裝置溫度上升明顯，嚴重影響GMM的輸出性能和裝置的工作穩定性，此時需增設冷卻模塊抑制線圈溫升。

3 電控噴油器用GMA結構設計現狀

柴油機的進一步發展，對噴油器的噴油性能提出了更高要求。性能優異的噴油器應當實現響應速度快、噴油量以及噴油時間可調等，這就要求致動器能夠根據輸入信號迅速的輸出一定位移和力以開啟閥門。根據噴油器工作過程中各部件的運動和液力特性，可將其分為致動器部分、容腔-管道-閥件部分。GMI在結構上實則為GMA與容腔-管道-閥件部分的有效集成。按照致動器是否直接驅動針閥，可將噴油器分為非直驅、直驅式噴油器；按照GMA通電工作驅動噴油器針閥方式不同，可將噴油器分為正向開啟式、負向開啟式。正向開啟式，即GMA通電工作時相對自身沿輸出桿軸線方向向“外”輸出位移使得針閥開啟，此類GMI采用的GMA結構形式相對簡單；負向開啟式，即GMA通電工作時相對自身沿輸出桿軸線方向向“內”輸出位移使得針閥開啟。此類工作方式的實現，需要對GMA進行合理設計，可采用零偏置方式或強偏置方式，其中零偏置方式需增設轉換機構，完成輸出位移的換向。按照圖6所示電控噴油器分類，介紹電控噴油器用GMA結構設計現狀。

圖6 電控噴油器的分類

3.1 非直驅式GMI

非直驅式GMI中GMA不直接驅動針閥，而是控制先導閥的開閉實現控制腔的泄壓、蓄壓，間接驅動針閥。

1) 正向開啟

正向開啟非直驅式GMI在通電工作時，GMA輸出正向位移打開先導閥，此時控制腔開始泄壓，當控制腔和儲油腔之間形成一定壓力差時針閥開啟，噴油器開始噴油。此類GMI可直接利用壓電式非直驅噴油器的容腔-管道-閥件部分，便于研發推廣。

哈爾濱工業大學的嚴柏平和李立毅等[19-20]設計了可用于非直驅式噴油器的GMA，其結構如圖7所示，換能元件GMM棒的尺寸為φ14×38.6 mm，GMA在預壓力為750 N、電流為4 A的環境下工作時，可輸出約38.3 μm的位移，響應時間約為0.03 s，裝置持續工作60 s后的溫升低于2 ℃。

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

羅馬尼亞國家電工中心的等[21]設計了一種磁致伸縮式噴射致動器(Magnetostrictive Injection Actuator，MIA)，其結構如圖8所示。該結構在GMM棒底端放置了一塊永磁體，用以提供偏置磁場，提高GMM棒輸出性能，同時采用脈寬調制(Pulse Width Modulation，PWM)技術取代通用功率放大器，設計了功率驅動電路，電壓峰峰值為5 V且占空比可調，適宜頻率為1～50 Hz。采用有限元的方法進行仿真，并進行了相關實驗，結果表明，所設計的MIA展現出良好的動態特性，可以較好地滿足高壓共軌噴油器的驅動需求。

圖8 MIA結構圖Fig.8 MIA structure diagram

沈陽工業大學和華晨汽車工程研究院聯合設計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通過在驅動電流上疊加直流的形式獲得，使得偏置磁場強度可調，同時減小了裝置的質量和體積。噴油器中液壓連桿部分，可用以補償熱膨脹等因素造成的間隙。該團隊研制了GMA樣機，實驗表明，致動器系統的一階諧振頻率約為380 Hz，此時GMA輸出位移幅值可達50 μm。

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

2) 負向開啟

負向開啟非直驅式GMI在通電工作時，GMA輸出負向位移打開先導閥，控制腔泄壓，當控制腔和儲油腔之間形成一定壓力差時針閥開啟，噴油器開始噴油。此類GMI在結構上較為復雜，但可直接應用發展較為成熟的電磁式非直驅噴油器中容腔-管道-閥件部分，降低了噴油器內部的集成難度，易于推廣應用。

橫濱國立大學的TANAKA H等[24-25]設計了一種噴油器，其結構如圖10所示。裝置的主要特點在于GMA中GMM棒串聯布置，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，可實現2組GMM棒輸出位移的疊加。在輸入電壓為24 V，油壓為160 MPa時進行實驗，結果表明，GMA輸出位移可達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系良好，表現出優異的噴油特性。

圖10 GMM串聯布置式GMA驅動的噴油器Fig.10 GMM series-arranged GMA-driven injector

陸軍工程大學的薛光明等[3]設計了一款GMI，結構如圖11所示，其中致動器工作原理如圖b，GMM采用棒狀結構，在相同徑向厚度條件下，其橫截面積要小于筒狀GMM結構，因此所需的勵磁線圈尺寸更小，且GMM棒相較于GMM筒，可更有效利用磁場強度。此外，螺帽和輸出桿之間通過螺紋連接，將GMM棒包裹在內。GMA工作原理為：線圈通電時，GMM棒在磁場作用下伸長，推動螺帽和輸出桿向上運動打開球閥；線圈斷電后，GMM棒恢復原長關閉球閥。在80 V的開啟電壓下，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75 mm3/ms，能夠同時滿足大流量噴射和高精度控制的要求。

圖11 GMI結構及工作原理Fig.11 GMI structure and working principle

非直驅式GMI由致動器、容腔-管道-閥件兩部分組成，相較于直驅式GMI，結構形式相對復雜，由于非直驅GMI中，致動器不直接驅動針閥運動，只需輸出較小位移打開先導閥，起到“以小帶大”的作用，即GMA輸出較小位移控制先導閥的開閉，可以驅動針閥達到較大開度，且致動器輸出桿對針閥無機械力作用，減少了摩擦和移動質量，因而燃油噴射的穩定性及誤差得到了顯著改善。

3.2 直驅式GMI

相較于非直驅式GMI，直驅式GMI減少了中間液壓傳動過程，由GMA直接驅動針閥。

1) 正向開啟

正向開啟直驅式GMI在通電工作時，GMA輸出正向位移，直接驅動針閥開啟，噴油器開始噴油。此類GMI具有體積小、結構簡單、響應速度快等特點，但目前市場中尚無應用廣泛的成熟產品。

美國大平原柴油技術公司的BRIGHT C B等[26-27]與美國愛荷華州大學設計了一種應用GMA的柴油機電控噴油器概念機，其結構如圖12所示。設計的裝置可有效利用油液壓力，一方面給GMM棒施加預緊力，另一方面用于斷電時軸針的回位，取代了GMA典型結構中碟簧的作用，且勵磁線圈只繞制2層共64匝，有效減小了線圈的響應時間。在控制電壓為5 V的條件下進行實驗，結果顯示，設計的GMA可在0.1 ms內輸出高達146 μm的位移，重復工作時輸出位移偏差低于6%，展現出良好的工作性能。

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

河北工業大學的閆榮格等[28]設計了一種利用超磁致伸縮致動器作為驅動裝置的噴油器，裝置結構如圖13所示，線圈長度和GMM棒長度相等，考慮GMA工作過程中溫升問題，在線圈和GMM棒之間設有冷卻油道。采用有限元方法分析了GMM棒上的磁場分布，并研究了噴油器輸入電流密度與輸出位移之間的關系。仿真結果表明，輸入電流密度與輸出位移近似為線性關系，且輸出位移可達50 μm。

愛爾蘭都柏林城市大學的CHOWDHURY H A等[29]設計了一種壓縮天然氣(Compressed Natural Gas，CNG)噴射器，其結構如圖14所示。GMA工作原理為：通電時，GMM棒伸長，克服關閉彈簧和預緊彈簧作用力，推動針閥下行開啟；斷電后，GMM棒恢復原長，針閥在關閉彈簧作用下上行關閉。裝置采用Terfenol-D棒作為換能元件，尺寸為φ30×50 mm，線圈為672匝，當裝置輸入4.07 A的直流電時，經有限元仿真得，Terfenol-D棒上磁感應強度為0.55 T，預計伸長量可達50 μm，能夠滿足噴射閥驅動要求。

圖14 CNG燃油噴射器Fig.14 CNG fuel injector

與CNG噴射器工作原理類似，卡布斯蘇丹大學的GHODSI M等[30]設計了一種超磁致伸縮式汽油直噴噴油器(Gasoline Direct Injector，GDI)，其結構如圖15所示。Terfenol-D棒在磁場作用下直接驅動針閥。對裝置進行有限元仿真，結果表明，針閥最大位移可達50 μm，滿足噴油器的工作需求。

圖15 Terfenol-D驅動的GDIFig.15 GDI driven by Terfenol-D

2) 負向開啟

負向開啟直驅式GMI在通電工作時， GMA輸出負向位移，直接驅動針閥開啟，噴油器開始噴油。此類GMI體積較大，結構形式較為復雜，但響應速度快，噴油率柔順性表現優秀，可直接應用壓電式直驅噴油器的容腔-管道-閥件部分。

杭州電子科技大學的孟愛華等[31]設計了一種可用于燃油噴射的脈沖噴射開關閥，其結構如圖16所示，閥帽和閥芯通過螺紋連接為一體，GMM采用筒狀形式，當裝置通電時，GMM筒在激勵磁場的作用下伸長，推動閥帽和閥芯上行打開噴嘴，流體開始噴射；斷電后，GMM筒縮短，閥帽和閥芯在彈簧力作用下下行關閉噴嘴，流體停止噴射。仿真分析得GMA的位移階躍上升時間為0.778 ms，實驗測得GMA的穩態位移輸出為17.6 μm，上升時間為0.81 ms，可滿足脈沖噴射開關閥的應用需求。

圖16 脈沖噴射開關閥Fig.16 Pulse injection on-off valve

日本株式會社日立制作所的夏井博行等[32]設計了一種超磁致伸縮式直驅燃料噴射閥，其結構如圖17所示，GMM設計為筒狀結構形式，與T形柱塞配合，可實現輸出位移方向的轉換。GMA工作原理為：通電時，GMM筒在磁場作用下伸長，克服回位彈簧作用力推動T形柱塞上行，針閥在針閥彈簧作用下打開；斷電后，GMM筒縮短，回位彈簧推動T形柱塞和針閥桿下行，針閥關閉。該噴射閥可根據內燃機的運轉狀態控制驅動裝置，改變螺線管通電時間、電流的上升傾斜和峰值，可有效調整燃料的穿透度、噴霧角、噴霧密度等參數。

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

安徽理工大學的徐彬等[33]依據GMM的磁致伸縮效應以及柔性鉸鏈的精密傳動理論，設計了一款直驅式噴油器，裝置結構如圖18所示。通過增設的柔性鉸鏈位移轉換、放大機構，可以將GMM棒的伸長，轉換為GMA的負向輸出位移并進行放大，從而使得噴油器保持常閉狀態；在線圈和GMM棒之間設有冷卻水道，用以抑制GMA溫升；偏置磁場由通電線圈提供，磁場強度大小可調。GMM棒的尺寸設計為φ8×80 mm，此時GMA可輸出最大位移為120 μm，推力達到1500 N，柔性換向放大機構的放大比為4，針閥最大升程達480 μm，可滿足噴油器的工作要求。

圖18 帶有放大機構的超磁致伸縮噴油器結構示意圖Fig.18 Structural diagram of giant magnetostrictive injector with amplification mechanism

直驅式GMI整體結構和油道得到有效簡化，優化了中間高壓油傳遞過程，致動器直接驅動針閥，控制精度高且響應速度快，使得噴油率更加柔順可調，但對加工精度和密封性提出了更高的要求，增加了生產制造的成本。

4 結論

本研究將電控噴油器分為非直驅、直驅兩大類，進而分為正向開啟非直驅、負向開啟非直驅、正向開啟直驅、負向開啟直驅。

(1) 非直驅式噴油器中，致動器驅動先導閥“以小帶大”間接控制針閥，相較于直驅式噴油器，噴射穩定性更強，目前在國內應用更為廣泛，現有研究基礎更為成熟，產品易于開發推廣；直驅式噴油器結構形式較為簡單，致動器直接控制針閥移動，控制精度高且響應速度更快，但對加工精度以及裝置密封性要求更高，生產成本較高；

(2) 正向開啟非直驅、負向開啟非直驅、負向開啟直驅噴油器均可采用當前發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，其中負向開啟非直驅噴油器還可直接應用電磁式噴油器的功率驅動電路，因而推廣應用更為便利，但相較于其他3種噴油器，結構更為復雜，響應速度也不是最快；正向開啟直驅噴油器相較于其他3種噴油器體積較小且結構簡單，響應速度更快，噴油率柔順性更好，但目前尚無市場成熟產品；

(3) 當前應用于電控噴油器的GMA均能夠較為迅速的輸出一定位移和力以開啟閥門，能夠很好地滿足噴油器工作性能要求，展現出開展相關研究工作的重要性，但目前針對電控噴油器用GMA的結構研究工作還相對較為薄弱，不同部分的設計雖有所涉及，但研究還不夠深入，對于GMA的內外工作環境考慮不夠充分，應用于工程實際的探索還遠遠不夠，GMM材料的優良性能未能得到充分發揮；因而，探索設計結構新穎的GMA是未來電控噴油器用致動器發展的重要方向之一。