張美娟, 居鈺生, 宋睿智, 王旦， 王忠

(1. 無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 江蘇 無(wú)錫 214121； 2. 中國(guó)一汽無(wú)錫油泵油嘴研究所， 江蘇 無(wú)錫 214063；3. 江蘇大學(xué)， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

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驅(qū)動(dòng)參數(shù)對(duì)GDI壓電噴油器特性影響的試驗(yàn)研究

張美娟1，2, 居鈺生2, 宋睿智2, 王旦2， 王忠1,3

(1. 無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 江蘇 無(wú)錫 214121； 2. 中國(guó)一汽無(wú)錫油泵油嘴研究所， 江蘇 無(wú)錫 214063；3. 江蘇大學(xué)， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

在油泵試驗(yàn)臺(tái)上采用不同驅(qū)動(dòng)方式對(duì)汽油機(jī)缸內(nèi)直噴(GDI)壓電噴油器的流量特性和響應(yīng)特性進(jìn)行了研究，測(cè)量了噴油器的噴油量、針閥開(kāi)啟時(shí)間等參數(shù)隨驅(qū)動(dòng)電壓、電流的變化規(guī)律。研究表明：采用單峰值和恒定電流驅(qū)動(dòng)方式，隨著驅(qū)動(dòng)電壓的增大，噴油量近似呈線(xiàn)性增加，當(dāng)電壓大于155 V時(shí)，噴油量保持不變；采用多峰值電流驅(qū)動(dòng)，隨著驅(qū)動(dòng)電壓的增大，噴油量不斷增大。采用恒定電流和多峰值電流驅(qū)動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電流對(duì)噴油量的變化影響不大。相同電流時(shí)，多峰值電流驅(qū)動(dòng)的噴油量小于恒定電流驅(qū)動(dòng)的噴油量。壓電噴油器的響應(yīng)時(shí)間隨著驅(qū)動(dòng)電壓、驅(qū)動(dòng)電流和電流變化率的增加逐漸減少,并最終趨于穩(wěn)定。

壓電噴油器； 流量特性； 響應(yīng)特性； 驅(qū)動(dòng)電壓

隨著汽油機(jī)缸內(nèi)直噴技術(shù)的廣泛應(yīng)用，噴油壓力由10 MPa向20 MPa逐步提高，噴油器的驅(qū)動(dòng)電壓、電流對(duì)噴油器循環(huán)噴油量、噴油響應(yīng)時(shí)間等參數(shù)的影響也引起了人們的重視。

汽油機(jī)缸內(nèi)直噴(GDI)壓電噴油器由于執(zhí)行器響應(yīng)速度快、軌壓高、驅(qū)動(dòng)力大及對(duì)燃油噴射量的控制精確而優(yōu)于電磁式噴油器[1]，國(guó)內(nèi)對(duì)柴油用壓電式共軌系統(tǒng)的研究已取得一定的成果，但對(duì)汽油用壓電式噴油器的研究正處于起步階段。上海理工大學(xué)葉昌[2]提出了基于線(xiàn)圈電流變化的電控汽油噴油器動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間測(cè)量方法，以單片機(jī)為控制核心開(kāi)發(fā)了電控汽油噴油器動(dòng)態(tài)響應(yīng)及流量特性測(cè)試系統(tǒng)。壓電噴油器可以通過(guò)壓電驅(qū)動(dòng)器的快速響應(yīng)和對(duì)球閥位移的自由控制，進(jìn)而控制針閥升程，實(shí)現(xiàn)油量的精確噴射。海軍工程大學(xué)劉振明等人[3]開(kāi)展了驅(qū)動(dòng)電壓、軌壓、脈寬等控制參數(shù)對(duì)壓電噴油器的噴油量、最大噴油速率、最大噴油壓力、噴油延遲及噴油持續(xù)期影響的研究，結(jié)果表明，最大噴油壓力、噴油速率、噴油持續(xù)期隨驅(qū)動(dòng)電壓、脈寬、軌壓的增大而逐漸增大，噴油延遲只隨驅(qū)動(dòng)電壓的增大而減小。壓電噴油器的快速響應(yīng)與噴油器液力響應(yīng)時(shí)間密切相關(guān)，裝甲兵工程學(xué)院王軍等人[4]通過(guò)分析壓電執(zhí)行器的響應(yīng)速度，確定了噴油器的最小噴射間隔時(shí)間，結(jié)果表明，采用壓電執(zhí)行器、液力放大機(jī)構(gòu)能滿(mǎn)足柴油機(jī)大流量噴油的要求。

本研究針對(duì)不同的驅(qū)動(dòng)方式，測(cè)量了汽油機(jī)缸內(nèi)直噴壓電噴油器的流量和針閥響應(yīng)時(shí)間，分析噴油量、響應(yīng)時(shí)間隨驅(qū)動(dòng)電壓、電流的變化關(guān)系，探明不同驅(qū)動(dòng)方式下的針閥開(kāi)啟響應(yīng)時(shí)間的變化規(guī)律，研究驅(qū)動(dòng)方式對(duì)GDI噴油器性能的影響，為壓電噴油器在缸內(nèi)直噴汽油發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 壓電噴油器與驅(qū)動(dòng)方式

壓電噴油器最重要的元件是壓電式執(zhí)行器、由壓電式執(zhí)行器直接開(kāi)啟的針閥和阻尼的熱補(bǔ)償器。壓電噴油器具有較好的抗結(jié)焦能力、極短的切換時(shí)間(200 μs)、多次噴油特性以及既可執(zhí)行全行程又可執(zhí)行部分行程的特性[5]。壓電噴油器的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

噴油器在壓電堆通電前，內(nèi)部由于上下均受油壓作用而達(dá)到平衡，針閥在彈簧預(yù)緊力的作用下保持關(guān)閉狀態(tài)；當(dāng)壓電堆通電時(shí)，由于逆壓電效應(yīng)，壓電堆執(zhí)行器膨脹從而推動(dòng)針閥，開(kāi)始噴油。壓電堆執(zhí)行器是由上百片壓電片串聯(lián)疊加而成，中間有叉指電極，電路連接為并聯(lián)連接，利用單層壓電片在電場(chǎng)下產(chǎn)生位移，通過(guò)多層疊加而使總輸出位移增大。線(xiàn)性壓電堆執(zhí)行器位移公式為[6]

ΔL=n×d×U。

式中：ΔL為總輸出位移；n為壓電陶瓷材料應(yīng)變常數(shù)，取7.0×10-10m/V；d為電壓片層；U為驅(qū)動(dòng)電壓。

壓電晶體采用高壓端、低壓端開(kāi)關(guān)的配合控制方式，控制執(zhí)行器電流。由于壓電執(zhí)行器電容感抗很小，通常電容容量在10 μF以下。驅(qū)動(dòng)電流過(guò)大，易導(dǎo)致執(zhí)行器發(fā)生擊穿現(xiàn)象，影響執(zhí)行器系統(tǒng)的可靠性。驅(qū)動(dòng)電流過(guò)小，噴油器系統(tǒng)響應(yīng)慢，影響系統(tǒng)性能。壓電執(zhí)行器主要有單峰值電流、恒定電流以及多峰值電流3種驅(qū)動(dòng)方式[7-8](見(jiàn)圖2)。3種驅(qū)動(dòng)方式中，單峰值電流驅(qū)動(dòng)最容易實(shí)現(xiàn)，由于驅(qū)動(dòng)控制中可調(diào)整的參數(shù)較少，優(yōu)化難度較大。恒定電流驅(qū)動(dòng)方式對(duì)性能優(yōu)化及執(zhí)行器保護(hù)具有良好效果，由于硬件需設(shè)計(jì)恒流控制，電控單元(ECU)設(shè)計(jì)復(fù)雜度較大。多峰值電流驅(qū)動(dòng)方式介于兩者之間，技術(shù)上實(shí)現(xiàn)難度適中，同時(shí)又能靈活控制壓電執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)模式，因此，在實(shí)際中被廣泛采用。本研究主要開(kāi)展了壓電噴油器3種驅(qū)動(dòng)方式對(duì)噴油器的流量與響應(yīng)性能影響的研究。

2 試驗(yàn)設(shè)備和測(cè)量方法

噴油器的流量特性和響應(yīng)特性直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)噴油量，從而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能和排放性能。試驗(yàn)時(shí)，保持噴油脈寬為1 ms、噴油壓力為5 MPa不變，重點(diǎn)測(cè)量了驅(qū)動(dòng)電壓、驅(qū)動(dòng)電流和電流變化率等參數(shù)對(duì)噴油器的流量、針閥響應(yīng)時(shí)間的影響。試驗(yàn)在EM379油泵試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，采用EFS8370壓電驅(qū)動(dòng)裝置對(duì)壓電噴油器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)方式及驅(qū)動(dòng)控制參數(shù)可選擇，采用8246EFS單次噴射儀和DPO3034 300 MHz四通道數(shù)字熒光示波器精確測(cè)量每次噴油量、噴油速率和響應(yīng)時(shí)間，噴射壓力、噴射次數(shù)、噴油脈寬等控制參數(shù)由GDI燃油控制系統(tǒng)標(biāo)定軟件確定。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 油量特性

3.1.1 驅(qū)動(dòng)電壓對(duì)噴油量的影響

驅(qū)動(dòng)電壓是影響壓電噴油器升程最主要的因素，最大噴油速率受到驅(qū)動(dòng)電壓和脈寬的耦合影響較大。試驗(yàn)時(shí)，保持噴油壓力為5 MPa、噴油脈寬為1 ms、驅(qū)動(dòng)電流為15 A和驅(qū)動(dòng)電流變化率為300 mA/μs不變，最大噴油速率隨驅(qū)動(dòng)電壓的增加而增大。相同的驅(qū)動(dòng)電壓在不同驅(qū)動(dòng)方式下對(duì)噴油器的影響存在一定程度的差異。3種驅(qū)動(dòng)方式下，噴油量隨驅(qū)動(dòng)電壓的變化關(guān)系見(jiàn)圖3。

可以看出，單峰值電流驅(qū)動(dòng)和恒定電流驅(qū)動(dòng)方式下，噴油量隨驅(qū)動(dòng)電壓的變化規(guī)律基本相似。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓小于155 V時(shí)，隨著驅(qū)動(dòng)電壓的增加，噴油器的噴油量近似呈現(xiàn)線(xiàn)性增大趨勢(shì)；當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓大于155 V時(shí)，噴油器的噴油量隨驅(qū)動(dòng)電壓的增加基本保持不變。采用多峰值電流驅(qū)動(dòng)時(shí)，與前兩者相比差異較大：隨著驅(qū)動(dòng)電壓的增大，噴油量不斷增大；相同驅(qū)動(dòng)電壓下，噴油器的噴油量明顯大于前兩種驅(qū)動(dòng)方式。這是由于采用多峰值電流驅(qū)動(dòng)時(shí)，實(shí)際電壓大于其他驅(qū)動(dòng)方式，導(dǎo)致噴油器實(shí)際升程較大。驅(qū)動(dòng)電壓實(shí)測(cè)值見(jiàn)表1。

3.1.2 驅(qū)動(dòng)電流與電流變化率對(duì)噴油量的影響

3種驅(qū)動(dòng)方式中，單峰值驅(qū)動(dòng)參數(shù)不包括電流，因此，試驗(yàn)時(shí)保持噴油脈寬為1 ms、噴油壓力為5 MPa和電流變化率為300 mA/μs不變，僅測(cè)量不同電流時(shí)，多峰值電流驅(qū)動(dòng)和恒定電流驅(qū)動(dòng)下的噴油量。測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖4。可以看出，恒定電流和多峰值電流驅(qū)動(dòng)方式下，電流的變化對(duì)噴油量影響較小，波動(dòng)基本在±5%以?xún)?nèi)。相同電流條件下，多峰值電流驅(qū)動(dòng)的噴油量小于恒定電流驅(qū)動(dòng)的噴油量。

電流變化率是影響噴油器性能的另一個(gè)重要因素。試驗(yàn)時(shí)保持噴油脈寬為1 ms、噴油壓力為5 MPa和驅(qū)動(dòng)電流為15 A不變，改變電流變化率，測(cè)量了噴油量的變化規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5?？梢钥闯觯S著電流變化率的增加，在恒定電流和多峰值電流驅(qū)動(dòng)下，噴油量變化不大；相同電流變化率時(shí)，多峰值噴油量偏大，電流變化率為1 000 mA/μs時(shí)，采用恒定電流和多峰值電流驅(qū)動(dòng)的噴油量分別為24 mg，30 mg。采用單峰值電流驅(qū)動(dòng)，當(dāng)電流變化率小于600 mA/μs時(shí)，噴油量基本保持不變，為22.5 mg；當(dāng)電流變化率大于600 mA/μs時(shí)，噴油量隨電流變化率的增加呈明顯下降趨勢(shì)，當(dāng)電流變化率為1 000 mA/μs時(shí)，單峰值電流驅(qū)動(dòng)的噴油量為8 mg。

3.1.3 噴油脈寬對(duì)噴油量的影響

噴油器的流量特性是指在一定噴油壓力下，噴油脈寬與噴油量之間的變化關(guān)系。試驗(yàn)時(shí)保持驅(qū)動(dòng)電壓為160 V、驅(qū)動(dòng)電流為15 A和驅(qū)動(dòng)電流變化率為300 mA/μs不變，選擇5 MPa，10 MPa兩種噴油壓力，測(cè)量3種不同驅(qū)動(dòng)方式下噴油器流量隨噴油脈寬的變化關(guān)系，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6?？梢钥闯?，壓電噴油器的流量與脈寬之間具有較好的線(xiàn)性關(guān)系，尤其當(dāng)噴油壓力達(dá)到10 MPa時(shí)線(xiàn)性度更好；同時(shí)，相同脈寬下，多峰值驅(qū)動(dòng)方式下的噴油量大于其他兩種驅(qū)動(dòng)方式。

3.2 響應(yīng)特性

噴油器針閥的開(kāi)啟響應(yīng)時(shí)間是衡量噴油器性能的另一個(gè)重要參數(shù)，驅(qū)動(dòng)方式不同，驅(qū)動(dòng)電流、電流變化率和驅(qū)動(dòng)電壓參數(shù)對(duì)噴油器針閥響應(yīng)的影響也不同。

3.2.1 驅(qū)動(dòng)電壓對(duì)針閥響應(yīng)時(shí)間的影響

試驗(yàn)時(shí)，保持驅(qū)動(dòng)電流為15 A和驅(qū)動(dòng)電流變化率為300 mA/μs不變，不同驅(qū)動(dòng)方式下測(cè)量驅(qū)動(dòng)電壓與噴油器針閥響應(yīng)時(shí)間之間的變化關(guān)系，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖7?？梢钥闯?，隨著驅(qū)動(dòng)電壓的增大，3種驅(qū)動(dòng)方式下的噴油器針閥開(kāi)啟響應(yīng)時(shí)間均呈下降趨勢(shì)，并最終趨于穩(wěn)定。相同驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，單峰值驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)的開(kāi)啟響應(yīng)時(shí)間最短。主要原因是隨著驅(qū)動(dòng)電壓的增大，液力伺服閥開(kāi)度增大，開(kāi)啟速度提高，噴油器開(kāi)啟時(shí)間降低。當(dāng)電壓值達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，液力伺服閥開(kāi)度達(dá)到最大，控制腔壓力下降速度趨于穩(wěn)定，響應(yīng)時(shí)間趨于穩(wěn)定。

3.2.2 驅(qū)動(dòng)電流對(duì)針閥響應(yīng)時(shí)間的影響

驅(qū)動(dòng)電流直接影響著壓電執(zhí)行器的充電速度，電流越大，噴油器的響應(yīng)特性越好，但是對(duì)噴油器的可靠性將產(chǎn)生不利的影響，因此電流選取需適中。試驗(yàn)時(shí)保持驅(qū)動(dòng)電壓為160 V、噴油壓力為5 MPa和噴油脈寬為1 ms不變，測(cè)量恒定電流驅(qū)動(dòng)和多峰值電流驅(qū)動(dòng)方式下噴油器針閥開(kāi)啟時(shí)間與驅(qū)動(dòng)電流之間的變化規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖8。在兩種驅(qū)動(dòng)方式下，隨著電流的增大，噴油器針閥的開(kāi)啟時(shí)間逐漸減小，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流從2 A 增加到12 A 時(shí)，恒定電流驅(qū)動(dòng)方式下針閥的開(kāi)啟時(shí)間由310 μs減少到195 μs，多峰值電流驅(qū)動(dòng)方式下針閥的開(kāi)啟時(shí)間由240 μs減少到195 μs，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流增大至12 A后，開(kāi)啟時(shí)間基本保持不變。

3.2.3 電流變化率對(duì)針閥響應(yīng)時(shí)間的影響

電流變化率對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的充電速度、針閥響應(yīng)時(shí)間有一定的影響，試驗(yàn)時(shí)保持驅(qū)動(dòng)電壓為160 V，噴油壓力為5 MPa和噴油脈寬為1 ms不變，在不同驅(qū)動(dòng)方式下測(cè)量了針閥開(kāi)啟響應(yīng)時(shí)間與驅(qū)動(dòng)電流變化率之間的變化關(guān)系，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖9。可以看出，3種驅(qū)動(dòng)方式下針閥開(kāi)啟的響應(yīng)時(shí)間隨電流變化率變化的趨勢(shì)基本一致。針閥開(kāi)啟響應(yīng)時(shí)間隨著電流變化率的增大而減??；當(dāng)電流變化率增大至400 mA/μs時(shí)，多峰值電流驅(qū)動(dòng)的開(kāi)啟響應(yīng)時(shí)間略大于單峰電流值驅(qū)動(dòng)和恒定電流驅(qū)動(dòng)方式。

4 結(jié)論

a) 噴油壓力和脈寬不變時(shí)，壓電噴油器的流量特性主要受驅(qū)動(dòng)電壓的影響，隨著驅(qū)動(dòng)電壓的增大，噴油量呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，相同驅(qū)動(dòng)電壓下，多峰值電流驅(qū)動(dòng)的噴油器噴油量最大;恒定電流和多峰值電流驅(qū)動(dòng)方式下，噴油量受電流和電流變化率的影響較小；壓電噴油器的流量與脈寬之間具有較好的線(xiàn)性關(guān)系，尤其當(dāng)噴射壓力達(dá)到10 MPa時(shí)線(xiàn)性度更好；

b) 壓電噴油器的響應(yīng)特性受驅(qū)動(dòng)電壓的影響較大，隨著驅(qū)動(dòng)電壓的增加，噴油器的針閥響應(yīng)時(shí)間均減少，并最終趨于穩(wěn)定；相同驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，單峰值電流驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)的開(kāi)啟響應(yīng)時(shí)間最短；

c) 驅(qū)動(dòng)電流和電流變化率對(duì)噴油器針閥開(kāi)啟響應(yīng)時(shí)間的影響很大，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流在2～12 A之間時(shí)，噴油器針閥開(kāi)啟時(shí)間隨著電流的增加而減少；驅(qū)動(dòng)電流超過(guò)12 A時(shí)，開(kāi)啟響應(yīng)時(shí)間趨于穩(wěn)定；電流變化率小于400 mA/μs時(shí)，噴油器針閥開(kāi)啟響應(yīng)時(shí)間隨著電流變化率的增加而減少，當(dāng)電流變化率超過(guò)400 mA/μs時(shí)，多峰電流驅(qū)動(dòng)的開(kāi)啟響應(yīng)略大于單峰和恒定電流驅(qū)動(dòng)方式。

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[編輯： 姜曉博]

Influence of Driving Parameters on GDI Piezoelectric Injector

ZHANG Meijuan1，2, JU Yusheng2, SONG Ruizhi2, WANG Dan2, WANG Zhong1,3

( 1. Wxit Institute of Technology, Wuxi 214121， China;2. FAW Wuxi Fuel Injection Equipment Research Institute, Wuxi 214063, China;3. Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

The flow and response characteristics of gasoline direct injection (GDI) piezoelectric injectors under different drive modes were investigated on a fuel pump test bench and the change law of fuel injection quantity and needle opening time with drive voltage was measured. The results show that the fuel injection quantity increases linearly with the increase of drive voltage and keeps a constant value beyond 155 V drive voltage when using the drive mode of single peak and constant current. The fuel injection quantity increases with the increase of drive voltage when using the drive mode of multi-peak current. The drive current has minor effect on fuel injection quantity when using the drive mode of constant current and multi-peak current. For the same current, the fuel injection quantity of multi-peak current drive is less than that of constant current drive. The response time of piezoelectric injector decreases with the increase of drive voltage, drive current and current change rate and tends to be stable in the end.

piezoelectric injector; flow characteristic; response characteristic; drive voltage

2016-03-22；

2016-07-12

江蘇省自然科學(xué)基金(bk2011181)；江蘇省高等職業(yè)院校國(guó)內(nèi)高級(jí)訪(fǎng)問(wèn)工程師(FG123)

張美娟(1977—)，女，講師，碩士，主要研究方向?yàn)槠蜋C(jī)缸內(nèi)直噴燃油噴射系統(tǒng)及汽車(chē)電控技術(shù)；zhangmj@wxit.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.04.009

TK413.8

B

1001-2222(2016)04-0051-05