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节能和环保是当今世界面临的两大主题,随着能源危机的日益严重,以及人们对环境污染问题的重视,国内外对柴油机的节能与排放技术提出了更高的要求。在国家大力提倡节能减排的影响下,对高压共轨电控喷油器的研究就变得极为关键。传统的高压共轨电控喷油器越来越难以满足人们对节能和环保的要求,亟需开发出一种兼具高响应速度、高稳定性和高喷油精度的高压共轨电控喷油器,这不仅可以提高我国高压共轨电控喷油器的研制技术水平,而且有利于推动《中国制造2025》战略的实施。针对电磁式和压电式喷油器存有响应速度较慢、稳定性较差和喷油精度低等问题,本文利用超磁致伸缩材料(Giant Magnetostrictive Material,简写为GMM)设计一种直驱式高压共轨电控喷油器,该喷油器通过超磁致伸缩驱动器(Giant Magnetostrictive Actuator,简写为GMA)直接驱动针阀,不仅可以快速控制针阀的开启与关闭,而且还能精确控制针阀的具体位置。论文主要工作如下:(1)基于超磁致伸缩材料的磁致伸缩效应和柔性铰链的精密传动理论,设计了超磁致伸缩驱动器和柔性换向放大机构,提出一种直驱式高压共轨电控喷油器的结构方案,介绍了喷油器的工作原理;对GMA的结构进行设计,具体包括超磁致伸缩棒的设计与选材、磁场设计、预压应力装置设计和温控系统设计;根据柔性铰链微位移放大机构的类型及特点,对柔性换向放大机构进行结构设计;最后对针阀体结构进行设计。通过对各部分结构的设计,确定了喷油器的最佳结构,以满足喷油器针阀的驱动要求。(2)根据所设计的柔性换向放大机构,应用弹性力学理论,在考虑柔性铰链转动中心偏移量的基础上,建立柔性换向放大机构的静、动力学模型,推导出柔性换向放大机构的放大比和固有频率表达式,获得柔性铰链结构参数对柔性换向放大机构静、动特性的影响,建立了优化目标函数,运用MATLAB软件对其进行优化设计,以获得柔性铰链结构参数的最优值,运用ANSYS Workbench有限元软件对优化后的结构进行仿真分析,验证了所建静、动力学模型的正确性,从而得出柔性换向放大机构的传动特性。(3)对超磁致伸缩高压共轨喷油器进行动力学建模与仿真分析,具体包括超磁致伸缩驱动器非线性动力学建模和针阀运动机构的动力学建模,通过推导得出超磁致伸缩驱动器和针阀运动机构的传递函数,并利用MATLAB软件对其进行动态特性仿真分析,得出喷油器结构的设计参数与动态响应性能之间的关系,有利于参数的优化选择,为进一步提高喷油器的响应速度和稳定性提供理论依据。(4)对超磁致伸缩喷油器的多场耦合特性进行分析,超磁致伸缩喷油器多物理场主要由三部分组成。第一部分是电-磁-热耦合场,首先,建立了 GMA电磁场模型,通过对电磁场进行稳态和瞬态分析,得到驱动线圈电流大小、线圈匝数、偏置电流、预压应力、磁化周期、驱动频率等因素对GMM各模型的影响。其次,利用COMSOL Multiphysics软件对GMA进行温度场仿真分析,得到材料内部的温升特性,以及水冷却对GMM棒温度分布的影响。第二部分是电-磁-机耦合场,利用COMSOL Multiphysics软件建立喷油器的电-磁-机耦合仿真模型,分析得到喷油器针阀位移和驱动器输出位移随电流的变化曲线。第三部分是喷油嘴内部流场,建立了喷嘴内部气液两相流动数学模型,并采用FLUENT软件对喷孔内部气液两相流进行仿真分析,得到针阀升程、喷射压力和出口背压对喷孔内部流动特性的影响。通过对超磁致伸缩喷油器多场耦合特性的分析,掌握了各物理场参数对喷油器喷油性能的影响,有利于进一步提高喷油精度。图[97]表[7]参[84]