基于响应面法的高压共轨式超磁致伸缩喷油器响应时间优化

doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2025.04.167

工程设计学报

2025, Vol. 32

Issue (3): 373-382 DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2025.04.167

优化设计

基于响应面法的高压共轨式超磁致伸缩喷油器响应时间优化

喻曹丰^1,²(

),胡逸凯¹,段永勇¹,魏梓贤¹,王宁¹

^1.安徽理工大学机电工程学院，安徽淮南 232001
^2.浙江大学流体动力基础件与机电系统全国重点实验室，浙江杭州 310027

Response time optimization of high-pressure common rail giant magnetostrictive injector based on response surface method

Caofeng YU^1,²(

),Yikai HU¹,Yongyong DUAN¹,Zixian WEI¹,Ning WANG¹

^1.School of Mechatronics Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China
^2.State Key Laboratory of Fluid Power and Mechatronic Systems, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China

全文: PDF(3777 KB) HTML

摘要：

为提升高压共轨式喷油器的动态响应特性，基于超磁致伸缩材料棒及液压换向机构，设计了一种高压共轨式超磁致伸缩喷油器。在简述该喷油器整体结构设计和工作原理的基础上，考虑其驱动部分的磁滞非线性特征，基于Jiles-Atherton磁滞模型建立了其电-磁-机-液多场耦合模型。随后，搭建了完整的喷油器仿真模型，选取针阀信号作为喷油响应速度评价指标，确定了针阀弹簧预紧力的最优值。最后，采用响应面法优化了控制活塞直径、控制腔容积、进油孔直径和出油孔直径等参数，并基于拟合方程分析了优化后各参数对喷油器响应时间的影响。结果显示：相较于优化前，优化后针阀的开启延迟缩短了3.251%，开启时间缩短了1.364%，关闭延迟缩短了9.465%，关闭时间缩短了14.848%。研究表明，所采用的优化方法可有效提高针阀的响应速度，有助于提升高压共轨式喷油器的小油量喷油及多次喷油性能。

关键词： 超磁致伸缩; 喷油器; Jiles-Atherton磁滞模型; 响应面法; 参数优化

Abstract:

To improve the dynamic response characteristics of high-pressure common rail injectors, a high-pressure common rail giant magnetostrictive injector was designed based on the giant magnetostrictive material rod and the hydraulic reversing mechanism. On the basis of briefly describing the overall structure design and working principle of this injector, considering the nonlinear hysteresis characteristics of its driving part, an electro-magnetic-mechanical-hydraulic multiphysics coupling model was established based on the Jiles-Atherton hysteresis model. Then, a complete simulation model of the injector was constructed. The needle valve signal was selected as the evaluation index for fuel injection response speed, and the optimal preload force of the needle valve spring was determined. Finally, the parameters such as the control piston diameter, the control cavity volume, the oil inlet diameter and the oil outlet diameter were optimized by using the response surface method, and the influence of the optimized parameters on the response time of the injector was analyzed based on the fitting equation. The results showed that compared with before optimization, the opening delay of the needle valve after optimization was reduced by 3.251%, the opening time was reduced by 1.364%, the closing delay was reduced by 9.465%, and the closing time was reduced by 14.848%. The research indicates that the adopted optimization method can effectively improve the response speed of the needle valve, which is conducive to enhancing the small-quantity fuel injection and multiple fuel injection performance of the high-pressure common rail injector.

Key words: giant magnetostrictive injector Jiles-Atherton hysteresis model response surface method parameter optimization

收稿日期: 2024-09-04 出版日期: 2025-07-02

CLC:

TK 422

基金资助: 国家自然科学基金资助项目(52105042);流体动力基础件与机电系统全国重点实验室开放基金资助项目(GZK-202302);中国博士后科学基金资助项目(2019M652159)

作者简介: 喻曹丰（1987—），男，副教授，博士，从事超磁致伸缩智能构件设计研究，E-mail: yucaofeng@aust.edu.cn，https://orcid.org/0000-0001-5221-8915

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喻曹丰,胡逸凯,段永勇,魏梓贤,王宁. 基于响应面法的高压共轨式超磁致伸缩喷油器响应时间优化[J]. 工程设计学报, 2025, 32(3): 373-382.

Caofeng YU,Yikai HU,Yongyong DUAN,Zixian WEI,Ning WANG. Response time optimization of high-pressure common rail giant magnetostrictive injector based on response surface method[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2025, 32(3): 373-382.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2025.04.167 或 https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/Y2025/V32/I3/373

图1 高压共轨式GMI结构示意

图2 高压共轨式GMI工作原理

图3 高压共轨式GMI仿真模型

表1 高压共轨式GMI主要参数

图4 驱动电流波形

图5 GMI驱动部分位移测量实验平台

图6 GMI驱动部分位移对比

图7 针阀响应时间分布情况

表2 GMI各结构参数的初始值与取值范围

图8 GMI各结构参数的重要性占比

图9 针阀弹簧预紧力的单因素分析结果

表3 GMI结构参数响应面试验的因素水平表

表4 GMI结构参数的响应面试验结果

图10 响应面模型的残差正态概率分布

图11 GMI响应时间的预测值与实际值分布

方差与信噪比	数值
r²	0.997 4
r $A 2$	0.994 8
r $P 2$	0.985 1
信噪比	73.245 7

表5 响应面模型误差分析结果

图12 各结构参数对GMI响应时间的影响

表6 优化前后GMI响应时间仿真结果对比

图13 优化前后针阀的速度、位移和GMI的喷油速率对比

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