驅動參數(shù)對GDI壓電噴油器特性影響的試驗研究

張美娟, 居鈺生, 宋睿智, 王旦， 王忠

(1. 無錫職業(yè)技術學院， 江蘇 無錫 214121； 2. 中國一汽無錫油泵油嘴研究所， 江蘇 無錫 214063；3. 江蘇大學， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

?

驅動參數(shù)對GDI壓電噴油器特性影響的試驗研究

張美娟1，2, 居鈺生2, 宋睿智2, 王旦2， 王忠1,3

(1. 無錫職業(yè)技術學院， 江蘇 無錫 214121； 2. 中國一汽無錫油泵油嘴研究所， 江蘇 無錫 214063；3. 江蘇大學， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

在油泵試驗臺上采用不同驅動方式對汽油機缸內直噴(GDI)壓電噴油器的流量特性和響應特性進行了研究，測量了噴油器的噴油量、針閥開啟時間等參數(shù)隨驅動電壓、電流的變化規(guī)律。研究表明：采用單峰值和恒定電流驅動方式，隨著驅動電壓的增大，噴油量近似呈線性增加，當電壓大于155 V時，噴油量保持不變；采用多峰值電流驅動，隨著驅動電壓的增大，噴油量不斷增大。采用恒定電流和多峰值電流驅動時，驅動電流對噴油量的變化影響不大。相同電流時，多峰值電流驅動的噴油量小于恒定電流驅動的噴油量。壓電噴油器的響應時間隨著驅動電壓、驅動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； 響應特性； 驅動電壓

隨著汽油機缸內直噴技術的廣泛應用，噴油壓力由10 MPa向20 MPa逐步提高，噴油器的驅動電壓、電流對噴油器循環(huán)噴油量、噴油響應時間等參數(shù)的影響也引起了人們的重視。

汽油機缸內直噴(GDI)壓電噴油器由于執(zhí)行器響應速度快、軌壓高、驅動力大及對燃油噴射量的控制精確而優(yōu)于電磁式噴油器[1]，國內對柴油用壓電式共軌系統(tǒng)的研究已取得一定的成果，但對汽油用壓電式噴油器的研究正處于起步階段。上海理工大學葉昌[2]提出了基于線圈電流變化的電控汽油噴油器動態(tài)響應時間測量方法，以單片機為控制核心開發(fā)了電控汽油噴油器動態(tài)響應及流量特性測試系統(tǒng)。壓電噴油器可以通過壓電驅動器的快速響應和對球閥位移的自由控制，進而控制針閥升程，實現(xiàn)油量的精確噴射。海軍工程大學劉振明等人[3]開展了驅動電壓、軌壓、脈寬等控制參數(shù)對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，結果表明，最大噴油壓力、噴油速率、噴油持續(xù)期隨驅動電壓、脈寬、軌壓的增大而逐漸增大，噴油延遲只隨驅動電壓的增大而減小。壓電噴油器的快速響應與噴油器液力響應時間密切相關，裝甲兵工程學院王軍等人[4]通過分析壓電執(zhí)行器的響應速度，確定了噴油器的最小噴射間隔時間，結果表明，采用壓電執(zhí)行器、液力放大機構能滿足柴油機大流量噴油的要求。

本研究針對不同的驅動方式，測量了汽油機缸內直噴壓電噴油器的流量和針閥響應時間，分析噴油量、響應時間隨驅動電壓、電流的變化關系，探明不同驅動方式下的針閥開啟響應時間的變化規(guī)律，研究驅動方式對GDI噴油器性能的影響，為壓電噴油器在缸內直噴汽油發(fā)動機上的應用提供依據(jù)。

1 壓電噴油器與驅動方式

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)行器直接開啟的針閥和阻尼的熱補償器。壓電噴油器具有較好的抗結焦能力、極短的切換時間(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]。壓電噴油器的結構見圖1。

噴油器在壓電堆通電前，內部由于上下均受油壓作用而達到平衡，針閥在彈簧預緊力的作用下保持關閉狀態(tài)；當壓電堆通電時，由于逆壓電效應，壓電堆執(zhí)行器膨脹從而推動針閥，開始噴油。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下產生位移，通過多層疊加而使總輸出位移增大。線性壓電堆執(zhí)行器位移公式為[6]

ΔL=n×d×U。

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

壓電晶體采用高壓端、低壓端開關的配合控制方式，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。驅動電流過大，易導致執(zhí)行器發(fā)生擊穿現(xiàn)象，影響執(zhí)行器系統(tǒng)的可靠性。驅動電流過小，噴油器系統(tǒng)響應慢，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種驅動方式[7-8](見圖2)。3種驅動方式中，單峰值電流驅動最容易實現(xiàn)，由于驅動控制中可調整的參數(shù)較少，優(yōu)化難度較大。恒定電流驅動方式對性能優(yōu)化及執(zhí)行器保護具有良好效果，由于硬件需設計恒流控制，電控單元(ECU)設計復雜度較大。多峰值電流驅動方式介于兩者之間，技術上實現(xiàn)難度適中，同時又能靈活控制壓電執(zhí)行器的驅動模式，因此，在實際中被廣泛采用。本研究主要開展了壓電噴油器3種驅動方式對噴油器的流量與響應性能影響的研究。

2 試驗設備和測量方法

噴油器的流量特性和響應特性直接影響發(fā)動機的循環(huán)噴油量，從而影響發(fā)動機的動力性能和排放性能。試驗時，保持噴油脈寬為1 ms、噴油壓力為5 MPa不變，重點測量了驅動電壓、驅動電流和電流變化率等參數(shù)對噴油器的流量、針閥響應時間的影響。試驗在EM379油泵試驗臺上進行，采用EFS8370壓電驅動裝置對壓電噴油器進行驅動，驅動方式及驅動控制參數(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量每次噴油量、噴油速率和響應時間，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)標定軟件確定。

3 試驗結果分析

3.1 油量特性

3.1.1 驅動電壓對噴油量的影響

驅動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動電壓和脈寬的耦合影響較大。試驗時，保持噴油壓力為5 MPa、噴油脈寬為1 ms、驅動電流為15 A和驅動電流變化率為300 mA/μs不變，最大噴油速率隨驅動電壓的增加而增大。相同的驅動電壓在不同驅動方式下對噴油器的影響存在一定程度的差異。3種驅動方式下，噴油量隨驅動電壓的變化關系見圖3。

可以看出，單峰值電流驅動和恒定電流驅動方式下，噴油量隨驅動電壓的變化規(guī)律基本相似。當驅動電壓小于155 V時，隨著驅動電壓的增加，噴油器的噴油量近似呈現(xiàn)線性增大趨勢；當驅動電壓大于155 V時，噴油器的噴油量隨驅動電壓的增加基本保持不變。采用多峰值電流驅動時，與前兩者相比差異較大：隨著驅動電壓的增大，噴油量不斷增大；相同驅動電壓下，噴油器的噴油量明顯大于前兩種驅動方式。這是由于采用多峰值電流驅動時，實際電壓大于其他驅動方式，導致噴油器實際升程較大。驅動電壓實測值見表1。

3.1.2 驅動電流與電流變化率對噴油量的影響

3種驅動方式中，單峰值驅動參數(shù)不包括電流，因此，試驗時保持噴油脈寬為1 ms、噴油壓力為5 MPa和電流變化率為300 mA/μs不變，僅測量不同電流時，多峰值電流驅動和恒定電流驅動下的噴油量。測量結果見圖4?？梢钥闯?，恒定電流和多峰值電流驅動方式下，電流的變化對噴油量影響較小，波動基本在±5%以內。相同電流條件下，多峰值電流驅動的噴油量小于恒定電流驅動的噴油量。

電流變化率是影響噴油器性能的另一個重要因素。試驗時保持噴油脈寬為1 ms、噴油壓力為5 MPa和驅動電流為15 A不變，改變電流變化率，測量了噴油量的變化規(guī)律，試驗結果見圖5。可以看出，隨著電流變化率的增加，在恒定電流和多峰值電流驅動下，噴油量變化不大；相同電流變化率時，多峰值噴油量偏大，電流變化率為1 000 mA/μs時，采用恒定電流和多峰值電流驅動的噴油量分別為24 mg，30 mg。采用單峰值電流驅動，當電流變化率小于600 mA/μs時，噴油量基本保持不變，為22.5 mg；當電流變化率大于600 mA/μs時，噴油量隨電流變化率的增加呈明顯下降趨勢，當電流變化率為1 000 mA/μs時，單峰值電流驅動的噴油量為8 mg。

3.1.3 噴油脈寬對噴油量的影響

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系。試驗時保持驅動電壓為160 V、驅動電流為15 A和驅動電流變化率為300 mA/μs不變，選擇5 MPa，10 MPa兩種噴油壓力，測量3種不同驅動方式下噴油器流量隨噴油脈寬的變化關系，試驗結果見圖6?？梢钥闯?，壓電噴油器的流量與脈寬之間具有較好的線性關系，尤其當噴油壓力達到10 MPa時線性度更好；同時，相同脈寬下，多峰值驅動方式下的噴油量大于其他兩種驅動方式。

3.2 響應特性

噴油器針閥的開啟響應時間是衡量噴油器性能的另一個重要參數(shù)，驅動方式不同，驅動電流、電流變化率和驅動電壓參數(shù)對噴油器針閥響應的影響也不同。

3.2.1 驅動電壓對針閥響應時間的影響

試驗時，保持驅動電流為15 A和驅動電流變化率為300 mA/μs不變，不同驅動方式下測量驅動電壓與噴油器針閥響應時間之間的變化關系，試驗結果見圖7?？梢钥闯?，隨著驅動電壓的增大，3種驅動方式下的噴油器針閥開啟響應時間均呈下降趨勢，并最終趨于穩(wěn)定。相同驅動電壓時，單峰值驅動對應的開啟響應時間最短。主要原因是隨著驅動電壓的增大，液力伺服閥開度增大，開啟速度提高，噴油器開啟時間降低。當電壓值達到一定數(shù)值時，液力伺服閥開度達到最大，控制腔壓力下降速度趨于穩(wěn)定，響應時間趨于穩(wěn)定。

3.2.2 驅動電流對針閥響應時間的影響

驅動電流直接影響著壓電執(zhí)行器的充電速度，電流越大，噴油器的響應特性越好，但是對噴油器的可靠性將產生不利的影響，因此電流選取需適中。試驗時保持驅動電壓為160 V、噴油壓力為5 MPa和噴油脈寬為1 ms不變，測量恒定電流驅動和多峰值電流驅動方式下噴油器針閥開啟時間與驅動電流之間的變化規(guī)律。試驗結果見圖8。在兩種驅動方式下，隨著電流的增大，噴油器針閥的開啟時間逐漸減小，當驅動電流從2 A 增加到12 A 時，恒定電流驅動方式下針閥的開啟時間由310 μs減少到195 μs，多峰值電流驅動方式下針閥的開啟時間由240 μs減少到195 μs，當驅動電流增大至12 A后，開啟時間基本保持不變。

3.2.3 電流變化率對針閥響應時間的影響

電流變化率對驅動系統(tǒng)的充電速度、針閥響應時間有一定的影響，試驗時保持驅動電壓為160 V，噴油壓力為5 MPa和噴油脈寬為1 ms不變，在不同驅動方式下測量了針閥開啟響應時間與驅動電流變化率之間的變化關系，試驗結果見圖9?？梢钥闯?，3種驅動方式下針閥開啟的響應時間隨電流變化率變化的趨勢基本一致。針閥開啟響應時間隨著電流變化率的增大而減??；當電流變化率增大至400 mA/μs時，多峰值電流驅動的開啟響應時間略大于單峰電流值驅動和恒定電流驅動方式。

4 結論

a) 噴油壓力和脈寬不變時，壓電噴油器的流量特性主要受驅動電壓的影響，隨著驅動電壓的增大，噴油量呈現(xiàn)增大趨勢，相同驅動電壓下，多峰值電流驅動的噴油器噴油量最大;恒定電流和多峰值電流驅動方式下，噴油量受電流和電流變化率的影響較??；壓電噴油器的流量與脈寬之間具有較好的線性關系，尤其當噴射壓力達到10 MPa時線性度更好；

b) 壓電噴油器的響應特性受驅動電壓的影響較大，隨著驅動電壓的增加，噴油器的針閥響應時間均減少，并最終趨于穩(wěn)定；相同驅動電壓時，單峰值電流驅動對應的開啟響應時間最短；

c) 驅動電流和電流變化率對噴油器針閥開啟響應時間的影響很大，當驅動電流在2～12 A之間時，噴油器針閥開啟時間隨著電流的增加而減少；驅動電流超過12 A時，開啟響應時間趨于穩(wěn)定；電流變化率小于400 mA/μs時，噴油器針閥開啟響應時間隨著電流變化率的增加而減少，當電流變化率超過400 mA/μs時，多峰電流驅動的開啟響應略大于單峰和恒定電流驅動方式。

[1] Adriaens H,Koning W,Banning R.Modeling pezoelectric actuators[J].IEEE/ASME Trans On Mechatronics,2001,5(4)331-341.

[2] 葉昌, 張振東, 程強,等.電控汽油噴油器動態(tài)響應及流量特性測試系統(tǒng)研究[J].汽車技術,2014(7):34-38.

[3] 劉振明,曾凡明,歐陽光耀,等.壓電噴油器小油量噴射特性研究[J].內燃機工程,2015(6):73-78.

[4] 王軍,熊慶輝,張幽彤.大流量壓電式噴油器設計與試驗[J].農業(yè)機械學報,2011,42(11):10-14.

[5] Goldfarb M,Celanovic N.Modeling piezoelectric stack actuators for control of micromanipulation[J].IEEE Contr. Syst. Mag.,1997,17:69-79.

[6] 荊陽，楊文言.壓電陶瓷微致動器的制作及驅動行為研究[J].兵工學報，2005,16(1)：77-81.

[7] 宋國民，高崴，張建剛,等.共軌壓電執(zhí)行器驅動開發(fā)及試驗分析[J].內燃機工程，2009,30(2)：53-56.

[8] 宓浩祥，袁陸.采用壓電石英執(zhí)行器的電控共軌噴射系統(tǒng)[J].現(xiàn)代車用動力，2004(1)：12.

[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

江蘇省自然科學基金(bk2011181)；江蘇省高等職業(yè)院校國內高級訪問工程師(FG123)

張美娟(1977—)，女，講師，碩士，主要研究方向為汽油機缸內直噴燃油噴射系統(tǒng)及汽車電控技術；zhangmj@wxit.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.04.009

TK413.8

B

1001-2222(2016)04-0051-05