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壓電陶瓷溫度效應(yīng)對燃油噴射特性的影響仿真

2020-10-22 15:33:45·  來源：內(nèi)燃機學(xué)報  
　
為滿足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)要求，發(fā)動機生產(chǎn)商采取了多種措施對柴油機燃油系統(tǒng)進行改進。高壓共軌燃油系統(tǒng)具有噴射壓力高、噴油速率可調(diào)的特點，能夠有效降低柴油
為滿足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)要求，發(fā)動機生產(chǎn)商采取了多種措施對柴油機燃油系統(tǒng)進行改進。高壓共軌燃油系統(tǒng)具有噴射壓力高、噴油速率可調(diào)的特點，能夠有效降低柴油機的排放和油耗，已成為當(dāng)前柴油機燃油噴射系統(tǒng)的主流。作為新興的驅(qū)動控制技術(shù)，基于壓電材料逆壓電效應(yīng)的壓電式噴射技術(shù)具有驅(qū)動力大、響應(yīng)速度快和功耗低等優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)精確、多次的燃油噴射，降低了柴油機運行時的燃燒噪聲、油耗以及污染物排放。本次推文建立了壓電執(zhí)行器非線性數(shù)學(xué)模型并進行修正，驗證了模型的準(zhǔn)確性，隨后建立完整的壓電噴油器一維電機液模型，分析了不同工作溫度下壓電執(zhí)行器性能變化對壓電噴油器噴射特性和腔室壓力波動的影響，以期為變溫條件下壓電式噴油器油量的精確控制提供參考。
 
01、壓電噴油器數(shù)學(xué)模型
 
圖1為壓電式噴油器具體結(jié)構(gòu)。當(dāng)噴油器通電時，壓電晶體執(zhí)行器在逆壓電效應(yīng)作用下開始伸長，通過液力式位移放大器進行位移放大，推動球閥開肩，控制腔燃油經(jīng)出油道進入球閥腔，隨后通過球閥口泄出至回油腔，針閥受蓄壓腔和噴嘴囊室的作用向上運動，使得噴油器開始工作。因而壓電執(zhí)行器的輸出位移關(guān)系到球閥腔的泄油量，進而影響控制腔的燃油升壓和泄壓，最終改變針閥的升程。
 
圖1 電式噴油器結(jié)構(gòu)示意
壓電噴油器具有復(fù)雜且動態(tài)的電機液耦合特性，具體建模方式可參見原文，在建立模型并修正的基礎(chǔ)上，把仿真得到的材料最大穩(wěn)定位移與試驗值對比，如圖2所示，表明該數(shù)學(xué)模型能夠較好反映出溫度對執(zhí)行器位移特性的影響。圖3為噴油器噴油速率的試驗值與仿真值對比，噴油速率曲線的試驗值和仿真值基本擬合，除去試驗測量的部分波動過大區(qū)域，模型最大誤差為7.8 ％，符合計算精度要求。
 
圖2 同溫度下PZT應(yīng)變量的仿真值與試驗值對比
 
圖3 油速率的試驗值與仿真值對比
 
02、溫度效應(yīng)對噴油器噴射特性的影響
 
圖4示出軌壓為120 MPa、不同工作溫度(30、90和150 ℃)下的噴油器油量特性。由于執(zhí)行器輸出位移增加了約24.6 ％，使得各噴油脈寬下的噴射油量普遍增加，以工作溫度為30 ℃條件下的油量特性為基準(zhǔn)，隨著溫度升高至150 ℃，在脈寬(ET)為0.1 ms時油量偏差率最高至70％，表明工作溫度對較小脈寬下的噴射過程影響更加明顯，此現(xiàn)象不利于壓電式噴油器小油量噴射過程的精確控制。
 
圖4 同工作溫度下的油量特性
圖5示出不同溫度下控制脈寬為0.1 ms的噴油速率、噴射壓力和針閥升程。溫度對噴油開始延遲(執(zhí)行器通電到噴油器開始噴油)幾乎沒有影響，工作溫度由30 ℃升高至150 ℃，噴油速率峰值增加了約24 ％，最高噴射壓力提高了9 MPa，噴油持續(xù)期增加了0.07 ms，持續(xù)期的增加主要表現(xiàn)在噴油結(jié)束階段針閥關(guān)閉時間的增加，如圖5c所示，隨溫度升高，針閥關(guān)閉時間增加了0.07 ms，此外，由于該噴油器的針閥未進行限位，控制腔結(jié)構(gòu)允許的針閥最大升程為2.08 mm，因而在針閥升程不超過2.08 mm時，隨溫度由30 ℃升高至150 ℃，針閥的升程增加了0.05 mm。
 
（a）噴油速率
 
（b）噴射壓力
 
（c）針閥升程
圖5 不同溫度下的噴油速率、噴射壓力及針閥升程
圖6示出不同溫度下控制脈寬為1.0 ms時噴油速率、噴射壓力和針閥升程。在噴油脈寬較大(ET=1.0 ms)時，溫度升高對開啟階段噴油速率、最高噴射壓力和噴油速率峰值影響不大，主要是因為針閥升程超過0.24 mm時，燃油的有效流通面積受限于噴孔的截面積，與針閥升程相關(guān)性減弱，僅與蓄壓腔壓力相關(guān)，而噴油時蓄壓腔壓力隨溫度變化基本不變，因而噴油器的噴油速率峰值變化不大。但噴油關(guān)閉時刻推遲了約0.11 ms，不利于噴油器快速斷油。
 
（a）噴油速率
 
（b）噴射壓力
 
（c）針閥升程
圖6 同溫度下的噴油速率、噴射壓力及針閥升程
 
03、溫度效應(yīng)對腔室壓力特性的影響
 
壓電式噴油器具有復(fù)雜且動態(tài)的電。機液耦合特性，噴射過程中工作溫度的變化導(dǎo)致球閥的升程、燃油的流動以及各腔室壓力波動發(fā)生變化，最終影響噴油器的油量一致性，為探究上文中不同溫度下油量偏差的產(chǎn)生機理，對不同工作溫度下噴油器內(nèi)部各腔室的壓力特性進行了研究。
壓電執(zhí)行器的輸出位移關(guān)系著球閥的升程和球閥腔室泄壓和升壓過程，圖7為不同溫度、控制脈寬(0.1 ms和1.0 ms)時執(zhí)行器的動態(tài)位移，由于執(zhí)行器的快速響應(yīng)，在控制脈寬為0.1 ms與1.0 ms時位移都達到了最大值，執(zhí)行器開啟響應(yīng)時問(執(zhí)行器上電到最大穩(wěn)定位移所需的時間)基本不變，約為0.08 ms。隨溫度升高，執(zhí)行器的最大輸出位移增加了24.6 ％，執(zhí)行器的位移通過放大機構(gòu)作用在球閥上，使得球閥的最大升程增加，如圖8所示。球閥的泄油率峰值略有增加，球閥腔室泄壓后的壓力低谷值進一步降低，隨后由于執(zhí)行器位移收縮，球閥在腔室壓力和復(fù)位彈簧的作用下開始關(guān)閉，關(guān)閉時間比開啟時間長，且隨溫度升高而增加，此外，這一階段的時刻點a前后，泄油速率隨溫度升高呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律(圖8c)，這是由腔室壓力和球閥升程的共同作用導(dǎo)致的。
圖7 同工作溫度下的壓電執(zhí)行器動態(tài)位移
 
 
圖8 工作溫度下的球閥升程、泄油率及球閥腔室壓力
圖9為不同工作溫度、不同控制脈寬(0.1 ms和1.0 ms)時噴油器內(nèi)部控制腔和蓄壓腔壓力波動特性。溫度對兩腔室泄壓過程影響較小，腔室壓力略微下降，但溫度升高使得腔室壓力獎勵過程推遲，這是由溫度升高使得球閥升程增大，球閥關(guān)閉時刻推遲導(dǎo)致的。此外，控制腔壓力建立過程的延后使得針閥最大升程增加，關(guān)閉時刻推遲，使噴油持續(xù)期增加。
 
圖9 同工作溫度下的腔室壓力波動特性
 
結(jié)論
 
(1)建立了壓電執(zhí)行器非線性數(shù)學(xué)模型，基于壓電材料溫度特性實驗結(jié)果進行了不同溫度影響下的壓電執(zhí)行器數(shù)學(xué)模型參數(shù)修正，同時耦合噴油器其他機器液部分，建立了完整的壓電噴油器電機液數(shù)學(xué)模型。
(2)壓電材料的壓電常數(shù)和電容隨工作溫度升高而增大，溫度由30 ℃升高至150 ℃，執(zhí)行器輸出位移增加24.6 %，導(dǎo)致球閥腔出油孔和旁通油孔流通面積改變，球閥泄油后最低壓力降低，腔室壓力建立過程后移，陣法升程增加，且關(guān)閉時刻推遲。
(3)噴油脈寬為0.1 ms、溫度升高至150 ℃時，執(zhí)行器位移的增加使得噴油器油量偏差率最高至70 %,噴油速率巔峰值增加了約24 %，最高噴射壓力提高了9 MPa，噴油持續(xù)期增加了0.06 ms；噴油脈寬為1.0 ms時，開啟階段噴油速率、最高噴射壓力和噴油速率峰值變化不大，但噴油關(guān)閉時刻推遲了0.11 ms左右，不利于噴油器的快速斷油。
 
文獻來源及推薦閱讀
[1]劉振明,劉楠,劉景斌,劉晨,周磊. 壓電陶瓷溫度效應(yīng)對燃油噴射特性的影響仿真[J].內(nèi)燃機學(xué)報,2020,38(04):326-333.   
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