电控喷油器用超磁致伸缩致动器发展现状

周肇奇， 何忠波， 薛光明， 周景涛， 荣 策， 刘国平

(1.陆军工程大学 石家庄校区， 河北 石家庄 050003; 2.63969部队，江苏 南京 100072)

引言

柴油机因其高功率输出而被广泛应用于工业、农业等领域，是当前各类车辆、机械设备的主要动力[1-2]。而作为喷油系统的终端，相较于传统机械式喷油器，电控喷油器具有响应速度快、流量大、喷油率柔顺可调等优点[3]，可有效提高柴油机的燃油利用效率，进而提升发动机的综合性能[4-5]。

当前工程实践中电磁式、压电式喷油器应用较为广泛，在我国占据着大量市场。然而电磁式喷油器用致动器在工作过程中，用作位移输出的动铁行程难以精准控制，喷油器的喷油率可控程度较低，其响应速度难以满足更高要求。为进一步提高柴油机燃油效率，国内外均开展了以结构改进及新材料应用为基础的高性能喷油器用致动器的研究。采用压电材料作为主要换能元件的压电式喷油器，在响应速度等方面展现出优异的性能，但压电材料输出力较小且对温度变化较敏感，无法长时间工作，严重影响喷油器的环境适应性。超磁致伸缩材料(Giant Magnetostrictive Material，GMM)是一种性能优异的新型智能材料，以GMM为换能元件，开发输出大、精度高、工作稳定的超磁致伸缩致动器(Giant Magnetostrictive Actuator，GMA)成为近年来的研究热点，并已经在主动控制、精密致动等领域得到了广泛应用，而将GMA应用于燃油喷射领域开发出的新式电控喷油器——超磁致伸缩喷油器[6](Giant Magnetostrictive Injector，GMI)，展现出良好的喷油特性，为增强柴油机环境适应性，达到更好的排放性、动力性、经济性以及低噪声提供了新的解决途径。

1 GMM简介

磁致伸缩材料具有磁致伸缩效应，即材料在外部磁场作用下会产生宏观的机械变形[7-9]。材料的最大变形量与材料长度比值定义为饱和磁致伸缩系数λs，是衡量磁致伸缩材料输出能力的重要指标，常用单位为ppm，GMM则是指材料λs超过30 ppm的磁致伸缩材料[10]。

根据磁畴理论，如图1所示[11]，磁致伸缩材料内部充满磁畴，无外磁场作用时，众磁畴的方向各异，在宏观上材料无变形。当施加外磁场时，磁畴沿外磁场方向产生偏转，此时，材料整体表现出一定的机械变形。

图1 磁致伸缩现象Fig.1 Magnetostriction phenomenon

GMM一经发现便引起了国内外学者的高度关注[12]，被认为是21世纪提升国家高科技竞争力的战略性功能材料[13]，同传统磁致伸缩材料(如Ni，Co)、压电材料(Piezoelectric，PZT)等相比，GMM具有磁致伸缩应变大，能量密度大，能量转换效率高，响应速度快等优良特性。

2 GMA结构原理

GMA是以超磁致伸缩材料为核心驱动元件的致动器，该致动器有效继承了GMM输出力大、响应速度快和工作稳定等优异特性,其典型结构如图2所示[14]。

图2 GMA典型结构示意图Fig.2 Schematic diagram of GMA typical structure

GMA主要由励磁、偏置、预紧、磁路、冷却5个模块构成，各个模块之间存在耦合关系。如图3所示，多场共同作用使得致动器在外加电压作用下，迅速输出一定位移和力。为充分介绍致动器结构及其工作原理，对上述5个模块分别展开论述。

图3 GMA多场耦合作用示意图Fig.3 Schematic diagram of GMA multi-field coupling

2.1 励磁模块

致动器的响应速度，是评价致动器工作效能的重要指标之一，而励磁模块是影响致动器响应速度的主要因素。目前，致动器励磁模块一般采用交流线圈作为激励磁场的发生装置，通电时线圈产生磁场以驱动GMM棒产生形变[15]，断电时线圈中磁场衰减，GMM棒恢复原长。

2.2 偏置模块

偏置磁场是影响GMM磁致伸缩应变的重要因素之一[16]，在不同强度偏置磁场作用下，其磁致伸缩效应将发生较大变化。合理的施加偏置磁场，可以使得材料的输出满足不同工况要求。

图4展示了不同强度偏置磁场下GMM磁致伸缩应变的特点。弱偏置或强偏置时，在足够大激励磁场的作用下GMM可分别输出最大的伸长量、缩短量，相应的，GMA分别输出最大的正位移、负位移。中间偏置时，材料在激励磁场的作用下伸长或缩短，相应的，GMA可输出正位移、负位移，且此时GMM工作于应变-磁场强度曲线的大斜率段，对于较小的磁场输入变化也能产生较大的位移输出效果。

图4 不同偏置磁场强度下GMM磁致伸缩应变Fig.4 GMM magnetostrictive strain under different bias magnetic field strengths

2.3 预紧模块

预紧力是影响GMM棒磁致伸缩应变的另一重要因素，预紧模块的目的就是产生适当的预紧力，使得GMM棒工作时的磁场强度-应变曲线斜率处于较大状态，此时输入较小的磁场强度即能使得材料产生较大的位移输出，不同预应力对材料磁致伸缩应变的影响如图5所示[17-18]。

图5 不同预紧力下的GMM应变Fig.5 GMM strain under different preloads

由图5可知，应力小于12 MPa时，应变-磁场强度曲线较为陡峭，曲线斜率变化不大。随着应力增大，GMM饱和磁致伸缩系数也随之增大，材料能够输出更大的最大位移。但施加的应力大于12 MPa时，材料的饱和磁致伸缩系数又会迅速减小。因此，只有施加适当的预紧力才能使得材料达到更好的输出效果。

2.4 磁路模块

大量研究表明，GMA采用闭合磁路可有效减少装置漏磁。闭合磁路，即基座、外壳、端盖和输出杆与GMM棒构成闭合磁路，且均采用高磁导率材料，此时磁通几乎完全被限制于磁路中，磁感线沿着磁路流通，较为均匀地穿过GMM棒且与其轴线方向一致，减少了漏磁，同时可使得GMM棒(磁阻较大)分配尽可能多的磁势，大大提高磁场强度的利用效率。

2.5 冷却模块

温度是除预紧力、偏置磁场外，另一直接影响GMM磁致伸缩特性的参数，且温度对材料的影响十分复杂，超过居里温度后，材料甚至会失去磁致伸缩特性。当GMA长时间工作于高频、大电流环境时，由于励磁线圈的存在，装置温度上升明显，严重影响GMM的输出性能和装置的工作稳定性，此时需增设冷却模块抑制线圈温升。

3 电控喷油器用GMA结构设计现状

柴油机的进一步发展，对喷油器的喷油性能提出了更高要求。性能优异的喷油器应当实现响应速度快、喷油量以及喷油时间可调等，这就要求致动器能够根据输入信号迅速的输出一定位移和力以开启阀门。根据喷油器工作过程中各部件的运动和液力特性，可将其分为致动器部分、容腔-管道-阀件部分。GMI在结构上实则为GMA与容腔-管道-阀件部分的有效集成。按照致动器是否直接驱动针阀，可将喷油器分为非直驱、直驱式喷油器；按照GMA通电工作驱动喷油器针阀方式不同，可将喷油器分为正向开启式、负向开启式。正向开启式，即GMA通电工作时相对自身沿输出杆轴线方向向“外”输出位移使得针阀开启，此类GMI采用的GMA结构形式相对简单；负向开启式，即GMA通电工作时相对自身沿输出杆轴线方向向“内”输出位移使得针阀开启。此类工作方式的实现，需要对GMA进行合理设计，可采用零偏置方式或强偏置方式，其中零偏置方式需增设转换机构，完成输出位移的换向。按照图6所示电控喷油器分类，介绍电控喷油器用GMA结构设计现状。

图6 电控喷油器的分类

3.1 非直驱式GMI

非直驱式GMI中GMA不直接驱动针阀，而是控制先导阀的开闭实现控制腔的泄压、蓄压，间接驱动针阀。

1) 正向开启

正向开启非直驱式GMI在通电工作时，GMA输出正向位移打开先导阀，此时控制腔开始泄压，当控制腔和储油腔之间形成一定压力差时针阀开启，喷油器开始喷油。此类GMI可直接利用压电式非直驱喷油器的容腔-管道-阀件部分，便于研发推广。

哈尔滨工业大学的严柏平和李立毅等[19-20]设计了可用于非直驱式喷油器的GMA，其结构如图7所示，换能元件GMM棒的尺寸为φ14×38.6 mm，GMA在预压力为750 N、电流为4 A的环境下工作时，可输出约38.3 μm的位移，响应时间约为0.03 s，装置持续工作60 s后的温升低于2 ℃。

图7 燃油喷射器中的GMAFig.7 GMA in fuel injector

罗马尼亚国家电工中心的等[21]设计了一种磁致伸缩式喷射致动器(Magnetostrictive Injection Actuator，MIA)，其结构如图8所示。该结构在GMM棒底端放置了一块永磁体，用以提供偏置磁场，提高GMM棒输出性能，同时采用脉宽调制(Pulse Width Modulation，PWM)技术取代通用功率放大器，设计了功率驱动电路，电压峰峰值为5 V且占空比可调，适宜频率为1～50 Hz。采用有限元的方法进行仿真，并进行了相关实验，结果表明，所设计的MIA展现出良好的动态特性，可以较好地满足高压共轨喷油器的驱动需求。

图8 MIA结构图Fig.8 MIA structure diagram

沈阳工业大学和华晨汽车工程研究院联合设计了一款磁致伸缩燃油喷射器[22-23]，如图9所示，主要由GMA、液压连杆、伺服阀、喷嘴针阀组成。GMA工作所需的偏置磁场通过在驱动电流上叠加直流的形式获得，使得偏置磁场强度可调，同时减小了装置的质量和体积。喷油器中液压连杆部分，可用以补偿热膨胀等因素造成的间隙。该团队研制了GMA样机，实验表明，致动器系统的一阶谐振频率约为380 Hz，此时GMA输出位移幅值可达50 μm。

图9 磁致伸缩燃油喷射器Fig.9 Magnetostrictive fuel injector

2) 负向开启

负向开启非直驱式GMI在通电工作时，GMA输出负向位移打开先导阀，控制腔泄压，当控制腔和储油腔之间形成一定压力差时针阀开启，喷油器开始喷油。此类GMI在结构上较为复杂，但可直接应用发展较为成熟的电磁式非直驱喷油器中容腔-管道-阀件部分，降低了喷油器内部的集成难度，易于推广应用。

横滨国立大学的TANAKA H等[24-25]设计了一种喷油器，其结构如图10所示。装置的主要特点在于GMA中GMM棒串联布置，如图b所示，将6根相同尺寸的GMM棒分为2组，每组各3根，分别置于放大筒两端，可实现2组GMM棒输出位移的叠加。在输入电压为24 V，油压为160 MPa时进行实验，结果表明，GMA输出位移可达50 μm，喷油器的喷油率为30 mm3/ms，且喷油率与输入电流之间线性关系良好，表现出优异的喷油特性。

图10 GMM串联布置式GMA驱动的喷油器Fig.10 GMM series-arranged GMA-driven injector

陆军工程大学的薛光明等[3]设计了一款GMI，结构如图11所示，其中致动器工作原理如图b，GMM采用棒状结构，在相同径向厚度条件下，其横截面积要小于筒状GMM结构，因此所需的励磁线圈尺寸更小，且GMM棒相较于GMM筒，可更有效利用磁场强度。此外，螺帽和输出杆之间通过螺纹连接，将GMM棒包裹在内。GMA工作原理为：线圈通电时，GMM棒在磁场作用下伸长，推动螺帽和输出杆向上运动打开球阀；线圈断电后，GMM棒恢复原长关闭球阀。在80 V的开启电压下，GMI最短喷射脉宽低于0.2 ms，单次喷油量最小约为4.5 mm3，最大喷油率可达75 mm3/ms，能够同时满足大流量喷射和高精度控制的要求。

图11 GMI结构及工作原理Fig.11 GMI structure and working principle

非直驱式GMI由致动器、容腔-管道-阀件两部分组成，相较于直驱式GMI，结构形式相对复杂，由于非直驱GMI中，致动器不直接驱动针阀运动，只需输出较小位移打开先导阀，起到“以小带大”的作用，即GMA输出较小位移控制先导阀的开闭，可以驱动针阀达到较大开度，且致动器输出杆对针阀无机械力作用，减少了摩擦和移动质量，因而燃油喷射的稳定性及误差得到了显著改善。

3.2 直驱式GMI

相较于非直驱式GMI，直驱式GMI减少了中间液压传动过程，由GMA直接驱动针阀。

1) 正向开启

正向开启直驱式GMI在通电工作时，GMA输出正向位移，直接驱动针阀开启，喷油器开始喷油。此类GMI具有体积小、结构简单、响应速度快等特点，但目前市场中尚无应用广泛的成熟产品。

美国大平原柴油技术公司的BRIGHT C B等[26-27]与美国爱荷华州大学设计了一种应用GMA的柴油机电控喷油器概念机，其结构如图12所示。设计的装置可有效利用油液压力，一方面给GMM棒施加预紧力，另一方面用于断电时轴针的回位，取代了GMA典型结构中碟簧的作用，且励磁线圈只绕制2层共64匝，有效减小了线圈的响应时间。在控制电压为5 V的条件下进行实验，结果显示，设计的GMA可在0.1 ms内输出高达146 μm的位移，重复工作时输出位移偏差低于6%，展现出良好的工作性能。

图12 喷油率可调的喷油器概念机Fig.12 Conceptual injector with adjustable fuel injection rate

河北工业大学的闫荣格等[28]设计了一种利用超磁致伸缩致动器作为驱动装置的喷油器，装置结构如图13所示，线圈长度和GMM棒长度相等，考虑GMA工作过程中温升问题，在线圈和GMM棒之间设有冷却油道。采用有限元方法分析了GMM棒上的磁场分布，并研究了喷油器输入电流密度与输出位移之间的关系。仿真结果表明，输入电流密度与输出位移近似为线性关系，且输出位移可达50 μm。

爱尔兰都柏林城市大学的CHOWDHURY H A等[29]设计了一种压缩天然气(Compressed Natural Gas，CNG)喷射器，其结构如图14所示。GMA工作原理为：通电时，GMM棒伸长，克服关闭弹簧和预紧弹簧作用力，推动针阀下行开启；断电后，GMM棒恢复原长，针阀在关闭弹簧作用下上行关闭。装置采用Terfenol-D棒作为换能元件，尺寸为φ30×50 mm，线圈为672匝，当装置输入4.07 A的直流电时，经有限元仿真得，Terfenol-D棒上磁感应强度为0.55 T，预计伸长量可达50 μm，能够满足喷射阀驱动要求。

图14 CNG燃油喷射器Fig.14 CNG fuel injector

与CNG喷射器工作原理类似，卡布斯苏丹大学的GHODSI M等[30]设计了一种超磁致伸缩式汽油直喷喷油器(Gasoline Direct Injector，GDI)，其结构如图15所示。Terfenol-D棒在磁场作用下直接驱动针阀。对装置进行有限元仿真，结果表明，针阀最大位移可达50 μm，满足喷油器的工作需求。

图15 Terfenol-D驱动的GDIFig.15 GDI driven by Terfenol-D

2) 负向开启

负向开启直驱式GMI在通电工作时， GMA输出负向位移，直接驱动针阀开启，喷油器开始喷油。此类GMI体积较大，结构形式较为复杂，但响应速度快，喷油率柔顺性表现优秀，可直接应用压电式直驱喷油器的容腔-管道-阀件部分。

杭州电子科技大学的孟爱华等[31]设计了一种可用于燃油喷射的脉冲喷射开关阀，其结构如图16所示，阀帽和阀芯通过螺纹连接为一体，GMM采用筒状形式，当装置通电时，GMM筒在激励磁场的作用下伸长，推动阀帽和阀芯上行打开喷嘴，流体开始喷射；断电后，GMM筒缩短，阀帽和阀芯在弹簧力作用下下行关闭喷嘴，流体停止喷射。仿真分析得GMA的位移阶跃上升时间为0.778 ms，实验测得GMA的稳态位移输出为17.6 μm，上升时间为0.81 ms，可满足脉冲喷射开关阀的应用需求。

图16 脉冲喷射开关阀Fig.16 Pulse injection on-off valve

日本株式会社日立制作所的夏井博行等[32]设计了一种超磁致伸缩式直驱燃料喷射阀，其结构如图17所示，GMM设计为筒状结构形式，与T形柱塞配合，可实现输出位移方向的转换。GMA工作原理为：通电时，GMM筒在磁场作用下伸长，克服回位弹簧作用力推动T形柱塞上行，针阀在针阀弹簧作用下打开；断电后，GMM筒缩短，回位弹簧推动T形柱塞和针阀杆下行，针阀关闭。该喷射阀可根据内燃机的运转状态控制驱动装置，改变螺线管通电时间、电流的上升倾斜和峰值，可有效调整燃料的穿透度、喷雾角、喷雾密度等参数。

图17 带有T形柱塞的超磁致伸缩式喷油器Fig.17 Giant magnetostrictive injector with T plunger

安徽理工大学的徐彬等[33]依据GMM的磁致伸缩效应以及柔性铰链的精密传动理论，设计了一款直驱式喷油器，装置结构如图18所示。通过增设的柔性铰链位移转换、放大机构，可以将GMM棒的伸长，转换为GMA的负向输出位移并进行放大，从而使得喷油器保持常闭状态；在线圈和GMM棒之间设有冷却水道，用以抑制GMA温升；偏置磁场由通电线圈提供，磁场强度大小可调。GMM棒的尺寸设计为φ8×80 mm，此时GMA可输出最大位移为120 μm，推力达到1500 N，柔性换向放大机构的放大比为4，针阀最大升程达480 μm，可满足喷油器的工作要求。

图18 带有放大机构的超磁致伸缩喷油器结构示意图Fig.18 Structural diagram of giant magnetostrictive injector with amplification mechanism

直驱式GMI整体结构和油道得到有效简化，优化了中间高压油传递过程，致动器直接驱动针阀，控制精度高且响应速度快，使得喷油率更加柔顺可调，但对加工精度和密封性提出了更高的要求，增加了生产制造的成本。

4 结论

本研究将电控喷油器分为非直驱、直驱两大类，进而分为正向开启非直驱、负向开启非直驱、正向开启直驱、负向开启直驱。

(1) 非直驱式喷油器中，致动器驱动先导阀“以小带大”间接控制针阀，相较于直驱式喷油器，喷射稳定性更强，目前在国内应用更为广泛，现有研究基础更为成熟，产品易于开发推广；直驱式喷油器结构形式较为简单，致动器直接控制针阀移动，控制精度高且响应速度更快，但对加工精度以及装置密封性要求更高，生产成本较高；

(2) 正向开启非直驱、负向开启非直驱、负向开启直驱喷油器均可采用当前发展较为成熟的电磁式或压电式喷油器中容腔-管道-阀件部分，其中负向开启非直驱喷油器还可直接应用电磁式喷油器的功率驱动电路，因而推广应用更为便利，但相较于其他3种喷油器，结构更为复杂，响应速度也不是最快；正向开启直驱喷油器相较于其他3种喷油器体积较小且结构简单，响应速度更快，喷油率柔顺性更好，但目前尚无市场成熟产品；

(3) 当前应用于电控喷油器的GMA均能够较为迅速的输出一定位移和力以开启阀门，能够很好地满足喷油器工作性能要求，展现出开展相关研究工作的重要性，但目前针对电控喷油器用GMA的结构研究工作还相对较为薄弱，不同部分的设计虽有所涉及，但研究还不够深入，对于GMA的内外工作环境考虑不够充分，应用于工程实际的探索还远远不够，GMM材料的优良性能未能得到充分发挥；因而，探索设计结构新颖的GMA是未来电控喷油器用致动器发展的重要方向之一。