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压电陶瓷温度效应对燃油喷射特性的影响仿真
2020-10-22 15:33:45· 来源：内燃机学报
为满足日益严格的排放法规要求，发动机生产商采取了多种措施对柴油机燃油系统进行改进。高压共轨燃油系统具有喷射压力高、喷油速率可调的特点，能够有效降低柴油
为满足日益严格的排放法规要求，发动机生产商采取了多种措施对柴油机燃油系统进行改进。高压共轨燃油系统具有喷射压力高、喷油速率可调的特点，能够有效降低柴油机的排放和油耗，已成为当前柴油机燃油喷射系统的主流。作为新兴的驱动控制技术，基于压电材料逆压电效应的压电式喷射技术具有驱动力大、响应速度快和功耗低等优势，能够实现精确、多次的燃油喷射，降低了柴油机运行时的燃烧噪声、油耗以及污染物排放。本次推文建立了压电执行器非线性数学模型并进行修正，验证了模型的准确性，随后建立完整的压电喷油器一维电机液模型，分析了不同工作温度下压电执行器性能变化对压电喷油器喷射特性和腔室压力波动的影响，以期为变温条件下压电式喷油器油量的精确控制提供参考。
01、压电喷油器数学模型
图1为压电式喷油器具体结构。当喷油器通电时，压电晶体执行器在逆压电效应作用下开始伸长，通过液力式位移放大器进行位移放大，推动球阀开肩，控制腔燃油经出油道进入球阀腔，随后通过球阀口泄出至回油腔，针阀受蓄压腔和喷嘴囊室的作用向上运动，使得喷油器开始工作。因而压电执行器的输出位移关系到球阀腔的泄油量，进而影响控制腔的燃油升压和泄压，最终改变针阀的升程。
图1 电式喷油器结构示意
压电喷油器具有复杂且动态的电机液耦合特性，具体建模方式可参见原文，在建立模型并修正的基础上，把仿真得到的材料最大稳定位移与试验值对比，如图2所示，表明该数学模型能够较好反映出温度对执行器位移特性的影响。图3为喷油器喷油速率的试验值与仿真值对比，喷油速率曲线的试验值和仿真值基本拟合，除去试验测量的部分波动过大区域，模型最大误差为7.8 ％，符合计算精度要求。
图2 同温度下PZT应变量的仿真值与试验值对比
图3 油速率的试验值与仿真值对比
02、温度效应对喷油器喷射特性的影响
图4示出轨压为120 MPa、不同工作温度(30、90和150 ℃)下的喷油器油量特性。由于执行器输出位移增加了约24.6 ％，使得各喷油脉宽下的喷射油量普遍增加，以工作温度为30 ℃条件下的油量特性为基准，随着温度升高至150 ℃，在脉宽(ET)为0.1 ms时油量偏差率最高至70％，表明工作温度对较小脉宽下的喷射过程影响更加明显，此现象不利于压电式喷油器小油量喷射过程的精确控制。
图4 同工作温度下的油量特性
图5示出不同温度下控制脉宽为0.1 ms的喷油速率、喷射压力和针阀升程。温度对喷油开始延迟(执行器通电到喷油器开始喷油)几乎没有影响，工作温度由30 ℃升高至150 ℃，喷油速率峰值增加了约24 ％，最高喷射压力提高了9 MPa，喷油持续期增加了0.07 ms，持续期的增加主要表现在喷油结束阶段针阀关闭时间的增加，如图5c所示，随温度升高，针阀关闭时间增加了0.07 ms，此外，由于该喷油器的针阀未进行限位，控制腔结构允许的针阀最大升程为2.08 mm，因而在针阀升程不超过2.08 mm时，随温度由30 ℃升高至150 ℃，针阀的升程增加了0.05 mm。
（a）喷油速率
（b）喷射压力
（c）针阀升程
图5 不同温度下的喷油速率、喷射压力及针阀升程
图6示出不同温度下控制脉宽为1.0 ms时喷油速率、喷射压力和针阀升程。在喷油脉宽较大(ET=1.0 ms)时，温度升高对开启阶段喷油速率、最高喷射压力和喷油速率峰值影响不大，主要是因为针阀升程超过0.24 mm时，燃油的有效流通面积受限于喷孔的截面积，与针阀升程相关性减弱，仅与蓄压腔压力相关，而喷油时蓄压腔压力随温度变化基本不变，因而喷油器的喷油速率峰值变化不大。但喷油关闭时刻推迟了约0.11 ms，不利于喷油器快速断油。
（a）喷油速率
（b）喷射压力
（c）针阀升程
图6 同温度下的喷油速率、喷射压力及针阀升程
03、温度效应对腔室压力特性的影响
压电式喷油器具有复杂且动态的电。机液耦合特性，喷射过程中工作温度的变化导致球阀的升程、燃油的流动以及各腔室压力波动发生变化，最终影响喷油器的油量一致性，为探究上文中不同温度下油量偏差的产生机理，对不同工作温度下喷油器内部各腔室的压力特性进行了研究。
压电执行器的输出位移关系着球阀的升程和球阀腔室泄压和升压过程，图7为不同温度、控制脉宽(0.1 ms和1.0 ms)时执行器的动态位移，由于执行器的快速响应，在控制脉宽为0.1 ms与1.0 ms时位移都达到了最大值，执行器开启响应时问(执行器上电到最大稳定位移所需的时间)基本不变，约为0.08 ms。随温度升高，执行器的最大输出位移增加了24.6 ％，执行器的位移通过放大机构作用在球阀上，使得球阀的最大升程增加，如图8所示。球阀的泄油率峰值略有增加，球阀腔室泄压后的压力低谷值进一步降低，随后由于执行器位移收缩，球阀在腔室压力和复位弹簧的作用下开始关闭，关闭时间比开启时间长，且随温度升高而增加，此外，这一阶段的时刻点a前后，泄油速率随温度升高呈现不同的变化规律(图8c)，这是由腔室压力和球阀升程的共同作用导致的。
图7 同工作温度下的压电执行器动态位移
图8 工作温度下的球阀升程、泄油率及球阀腔室压力
图9为不同工作温度、不同控制脉宽(0.1 ms和1.0 ms)时喷油器内部控制腔和蓄压腔压力波动特性。温度对两腔室泄压过程影响较小，腔室压力略微下降，但温度升高使得腔室压力奖励过程推迟，这是由温度升高使得球阀升程增大，球阀关闭时刻推迟导致的。此外，控制腔压力建立过程的延后使得针阀最大升程增加，关闭时刻推迟，使喷油持续期增加。
图9 同工作温度下的腔室压力波动特性
结论
(1)建立了压电执行器非线性数学模型，基于压电材料温度特性实验结果进行了不同温度影响下的压电执行器数学模型参数修正，同时耦合喷油器其他机器液部分，建立了完整的压电喷油器电机液数学模型。
(2)压电材料的压电常数和电容随工作温度升高而增大，温度由30 ℃升高至150 ℃，执行器输出位移增加24.6 %，导致球阀腔出油孔和旁通油孔流通面积改变，球阀泄油后最低压力降低，腔室压力建立过程后移，阵法升程增加，且关闭时刻推迟。
(3)喷油脉宽为0.1 ms、温度升高至150 ℃时，执行器位移的增加使得喷油器油量偏差率最高至70 %,喷油速率巅峰值增加了约24 %，最高喷射压力提高了9 MPa，喷油持续期增加了0.06 ms；喷油脉宽为1.0 ms时，开启阶段喷油速率、最高喷射压力和喷油速率峰值变化不大，但喷油关闭时刻推迟了0.11 ms左右，不利于喷油器的快速断油。
文献来源及推荐阅读
[1]刘振明,刘楠,刘景斌,刘晨,周磊. 压电陶瓷温度效应对燃油喷射特性的影响仿真[J].内燃机学报,2020,38(04):326-333.
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