壓電噴油器動態響應特性試驗研究

劉晨，劉振明，陳萍，劉景斌

(海軍工程大學動力工程學院，湖北 武漢 430033)

高壓共軌燃油噴射技術是目前降低柴油機油耗、減少柴油機排放最主要、應用最廣泛的技術手段，已成為先進柴油機的標志性技術[1-3]。隨著排放法規的日益苛刻和對燃油經濟性要求的日益提高，高壓共軌噴射技術必須滿足更高噴射壓力和每循環更多次數噴射的新要求[4]。

電控噴油器是高壓共軌燃油噴射系統的核心部件。目前，絕大多數電控噴油器還是采用電磁閥作為執行機構來實現噴油器控制[5]。然而，電磁閥輸出力較小，使得噴油器實現更高壓力的噴射比較困難；其次，由于電磁閥線圈電感的作用，電磁閥響應時間過長，導致噴油器難以實現每循環更多次數的噴射[6-8]。因此，電磁閥的這種固有特性使得現有電磁閥式噴油器難以同時滿足高壓噴射和多次噴射。

利用壓電陶瓷逆壓電效應制作的壓電晶體疊堆是一種微/納米級的超精密驅動器件，具有體積小、輸出力大及響應速度快等優點[9-11]，為開發更高性能的電控噴油器提供了新的技術途徑。為此，德國BOSCH、日本DENSO等公司先后著力開發基于壓電晶體驅動的壓電噴油器。目前，BOSCH公司開發的壓電噴油器可實現大于200 MPa的噴射壓力和每循環多達7次的噴射，可使柴油機不用廢氣后處理就可達到歐Ⅳ排放標準并使柴油機油耗下降3%、噪聲下降3 dB(A)[12]。壓電噴油器已成為高壓共軌燃油噴射技術新的發展方向和研究熱點，國內外學者對此開展了較多研究。文獻[13]中對壓電噴油器的響應特性、噴霧過程及其對柴油機燃燒、排放的影響進行了分析，驗證了壓電噴油器在動態響應與燃油噴射霧化方面的優越性。文獻[14]通過對壓電噴油器驅動組件參數進行優化，提高了燃油噴射壓力，增加了噴霧貫穿距，降低了NOx排放。文獻[15]對不同溫度、電場及負載下壓電噴油器的噴油特性進行了試驗研究，獲得了不同工作條件下噴油器的燃油質量流量與流量系數的變化。文獻[16]中對壓電噴油器中壓電執行器的準靜態遲滯特性進行測試，得到了不同工作條件下的位移遲滯特性。

綜上分析，目前有關壓電噴油器的研究大多針對國外現有壓電噴油器進行性能和建模研究，而針對國內自主設計研制的壓電噴油器性能研究較少。為此，本研究針對自主設計研制的面向單缸功率120 kW的柴油機壓電噴油器進行試驗研究，分析壓電噴油器響應特性及噴射能力，為柴油壓電噴油器設計優化奠定基礎。

1 壓電噴油器工作原理

自主設計研制的壓電噴油器結構示意圖及外觀尺寸見圖1。壓電噴油器主要由執行機構、控制閥、針閥組件及噴油器殼體組成，執行機構由壓電執行器、過渡件和預緊彈簧組成。

壓電執行器尺寸為7×7×60 mm，電容量為8.9 μF。由10塊共燒后的壓電陶瓷采用環氧甲黏結而成。每一塊長度為6 mm，由80片0.075 mm的壓電陶瓷片共燒而成。壓電執行器樣件見圖2。

圖1 壓電噴油器

圖2 壓電執行器樣件

壓電噴油器工作原理如下：噴油器不工作時，球閥在復位彈簧與腔內燃油的作用下，使旁通油道處于開啟狀態而球閥面處于關閉狀態。通電后壓電執行器向下伸長，球閥通過頂桿的推力被打開，旁通油道關閉，控制腔內部的燃油通過球閥腔和出油孔泄出，針閥受噴嘴囊室和蓄壓腔的液壓力快速上行，噴油器開始噴油。斷電后壓電執行器向上收縮，球閥關閉，旁通油道打開，燃油經過控制腔進油道與旁通油道迅速進入控制腔，使得腔內壓力開始回升，針閥迅速落座，噴油過程結束。

2 試驗系統及試驗方案

2.1 壓電噴油器試驗系統

在共軌油泵試驗平臺上對壓電噴油器的噴射特性進行試驗。采用EFS8250單次噴射儀測試噴油器的噴油規律，采用EFS8370噴油器驅動單元驅動噴油器，利用TektronixDP03034示波器記錄驅動電壓以及噴油器噴油規律信號。壓電噴油器試驗系統見圖3，壓電噴油器測試樣件見圖4。

圖3 壓電執行器試驗系統

圖4 壓電噴油器樣件

2.2 試驗方案設計

壓電噴油器動態響應試驗主要是測試壓電噴油器在不同軌壓和不同控制脈寬下的噴油規律以及噴油器工作的穩定性，試驗方案見表1和表2。

表1 壓電噴油器單次噴射試驗方案

表2 壓電噴油器多次噴射試驗方案

3 試驗結果與分析

3.1 噴油器響應特性分析

壓電噴油器在不同軌壓和不同控制脈寬下單次噴射噴油規律曲線見圖5。

圖5 不同軌壓和控制脈寬下單次噴射噴油規律曲線

壓電噴油器噴射過程響應指標具體定義見圖6，圖7示出壓電噴油器在不同軌壓和不同控制脈寬下的噴油開啟響應延遲，圖8示出壓電噴油器在不同軌壓和不同控制脈寬下的噴油持續期，圖9示出壓電噴油器在不同軌壓和控制脈寬下的噴油關閉響應延遲。

由圖7可以看出，壓電噴油器在不同軌壓和不同控制脈寬下的噴油開啟響應延遲均小于0.4 ms，噴油開啟響應延遲較為理想。在相同軌壓不同控制脈寬下，噴油開啟響應延遲基本保持不變。而當軌壓從120 MPa增加到160 MPa時，噴油開啟響應延遲僅增加了約14.5%。由圖8可以看出，當控制脈寬超過0.5 ms時，噴油持續期隨著控制脈寬的增加而增加，而噴油持續期隨控制脈寬的變化速率基本不變，線性度較好。由圖9可以看出，當控制脈寬超過1.0 ms時，噴油關閉響應延遲隨著控制脈寬的增加而減小，基本呈線性關系，當控制脈寬從1.0 ms增加到2.5 ms時，噴油關閉響應延遲減小了約14.9%；而在小控制脈寬區域(0.5～1.0 ms)則相反，噴油關閉響應延遲與控制脈寬呈正相關，曲線存在明顯的拐點。

圖6 壓電噴油器噴射過程響應指標示意

圖7 不同軌壓和控制脈寬下的噴油開啟響應延遲

圖8 不同軌壓和控制脈寬下的噴油持續期

圖9 不同軌壓和控制脈寬下的噴油關閉響應延遲

壓電噴油器和電磁閥式噴油器在相同軌壓、控制脈寬下的噴油開啟響應延遲以及關閉響應延遲對比見圖10和圖11。由圖10和圖11可以看出，壓電噴油器的噴油開啟以及關閉響應延遲均小于電磁閥式噴油器，表明壓電噴油器的噴油性能更好。

圖10 相同軌壓和控制脈寬下壓電噴油器與電磁閥式噴油器的噴油開啟響應延遲對比

圖11 相同軌壓和控制脈寬下壓電噴油器與電磁閥式噴油器的噴油關閉響應延遲對比

壓電噴油器在不同軌壓和不同控制脈寬下單次噴射的噴油量見圖12。由圖12可看出，噴油量隨著脈寬的增加而加大，基本呈線性關系且線性度較好；隨著軌壓升高，噴油量隨脈寬的變化速率略微增大。

圖12 不同軌壓和控制脈寬下單次噴射時的噴油量

3.2 噴油器多次噴射能力分析

圖13示出壓電噴油器在相同主預噴間隔、不同軌壓和不同預噴脈寬下的兩次噴射噴油規律曲線。圖14示出壓電噴油器在相同預噴油量、不同軌壓和不同主預噴間隔下的兩次噴射噴油規律曲線。圖15示出該壓電噴油器在第一次預噴脈寬0.2 ms，第二次預噴脈寬0.22 ms，主噴脈寬1.5 ms，系統壓力160 MPa下的3次噴射噴油規律曲線。由圖13和圖14可以看出，該壓電噴油器在相同軌壓，不同預噴脈寬和不同主預噴間隔下，能夠實現小油量的預噴和較為穩定的兩次噴射。而由圖15同樣可以看出，該噴油器的穩定性較高，具備初步實現穩定的多次噴射能力。

圖13 不同軌壓和預噴脈寬下的兩次噴射噴油規律曲線

圖14 不同軌壓和主預噴間隔下的兩次噴射噴油規律

圖15 壓電噴油器160 MPa軌壓下三次噴射噴油規律

圖16示出不同軌壓和不同預噴脈寬下的預噴油量及其標準差。圖17示出不同軌壓和不同預噴間隔下的主噴油量及其標準差。由圖16可以看出，噴油器在相同軌壓下，預噴油量隨著預噴脈寬的增加而增大，預噴標準差僅為0.3左右，說明預噴過程較為穩定，可以實現小噴油量的預噴。由圖17可以看出，噴油器在相同軌壓下，主噴油量隨著主預噴間隔的增大略微減小，減小幅度僅為1.6%，且主噴標準差僅為0.4左右。

圖16 不同軌壓和預噴脈寬下的預噴油量及其標準差

圖17 不同軌壓和主預噴間隔下的主噴油量及其標準差

4 結論

a) 壓電噴油器的噴油開啟響應延遲小于0.4 ms，在相同軌壓以及控制脈寬下，噴油開啟響應延遲基本保持不變；而當軌壓從120 MPa增加到160 MPa時，噴油開啟響應延遲僅增加了約14.5%；

b) 壓電噴油器的噴油持續期隨著控制脈寬的增加而增加，而噴油持續期隨控制脈寬的變化速率基本不變，但當控制脈寬超過1.0 ms時，噴油關閉響應延遲隨著控制脈寬的增加而減?。划斂刂泼}寬從1.0 ms增加到2.5 ms時，噴油關閉響應延遲減小了約14.9%，而在小控制脈寬區域(0.5～1.0 ms)則相反；

c) 壓電噴油器在不同軌壓和不同控制脈寬下單次噴射時的噴油量隨著脈寬的增加而加大，基本呈線性關系且線性度較好，隨著軌壓升高，噴油量隨脈寬的變化速率略微增大；而壓電噴油器在多次噴射時，其主預噴標準差分別僅為0.4和0.3左右，說明該壓電噴油器的穩定性比較高，能夠實現小油量的預噴并具備實現穩定的多次噴射能力。