基于GT-Power的壓電晶體噴油器性能仿真分析

姜峰 王闖 陳乾 王春風(fēng)

摘要： 為優(yōu)化柴油機(jī)壓電晶體噴油器性能，采用GT-Power建立高壓共軌壓電晶體噴油器仿真模型，改變模型中壓電晶體的材料屬性，設(shè)置不同電壓條件，仿真分析壓電晶體執(zhí)行器的彈性模量、晶體驅(qū)動(dòng)電壓對(duì)執(zhí)行器位移、噴油針閥壓強(qiáng)、噴油器溫度及每循環(huán)噴油量的影響。仿真結(jié)果表明：壓電晶體噴油器彈性模量大于75 GPa，執(zhí)行器位移隨驅(qū)動(dòng)電壓的增大而增大；噴油器彈性模量大于80 GPa，噴油針閥處的壓強(qiáng)增大，溫度升高；相比彈性模量為55 GPa，彈性模量為80 GPa時(shí)，壓電晶體執(zhí)行器位移增大15.6%，噴油器每循環(huán)噴油量增加2.3%。壓電晶體噴油器彈性模量為75～80 GPa，可以提高噴油速率，縮短噴油持續(xù)期，有利于提高柴油機(jī)熱效率。

關(guān)鍵詞： 柴油機(jī)；壓電晶體；噴油器；仿真模型；優(yōu)化分析

中圖分類號(hào)：TK421.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1673-6397（2024）01-0001-07

引用格式： ?姜峰，王闖，陳乾，等.基于GT-Power的壓電晶體噴油器性能仿真分析［J］.內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2024，41（1）：1-7.

JIANG Feng， WANG Chuang， CHEN Qian， et al. Simulation and analysis of piezoelectric crystal injector performance based on GT-Power［J］.Internal Combustion Engine & Powerplant， 2024，41（1）：1-7.

0 引言

隨著增壓中冷、多氣門、電控高壓燃油噴射、廢氣再循環(huán)和排氣后處理等技術(shù)在柴油機(jī)中的大量應(yīng)用，現(xiàn)代柴油機(jī)具有燃油經(jīng)濟(jì)性高、排放低、動(dòng)力性強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)的顯著優(yōu)勢(shì)[1]。國(guó)內(nèi)外轎車柴油化的趨勢(shì)和嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)促進(jìn)了柴油機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展，高壓共軌電控燃油噴射技術(shù)越來(lái)越多地用于降低柴油機(jī)排放[2-3]。高壓共軌電控燃油噴射技術(shù)中使用的壓電晶體噴油器是一種基于壓電陶瓷材料逆壓電效應(yīng)的壓電晶體疊堆，與電磁閥相比，體積小，輸出力大，響應(yīng)速度快，特別是其更快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)提高了噴射系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，更好地實(shí)現(xiàn)靈活多變的高壓燃油噴射。

目前市場(chǎng)上用于柴油機(jī)仿真計(jì)算的軟件逐漸增多，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，誤差較小[4]。GT-Power仿真軟件中幾乎包含了柴油機(jī)所有關(guān)鍵工況的細(xì)節(jié)模型，可靠性且平臺(tái)集成化高，應(yīng)用越來(lái)越廣泛。Yu等[5]利用GT-Power建立模型，改變某恒速柴油機(jī)噴油器的噴孔直徑，將優(yōu)化后的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，預(yù)測(cè)了發(fā)動(dòng)機(jī)的排放特性；Bakar等[6]利用GT-Power對(duì)噴油器燃油噴嘴、多孔幾何形狀進(jìn)行優(yōu)化，得到發(fā)動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速下的最佳功率、轉(zhuǎn)矩和比油耗；李孟孟等[7]基于GT-Power改變電控噴油器的關(guān)鍵參數(shù)，提高了噴嘴流量系數(shù)和噴油速率，優(yōu)化了噴油規(guī)律；Nabi等[8]基于GT-Power 對(duì)某款噴油器的噴油量和噴油時(shí)刻進(jìn)行優(yōu)化，并通過(guò)仿真表明使用該類型噴油器有效減少了柴油機(jī)NO ?x 排放；王小說(shuō)等[9]建立GT-Power與Simulink聯(lián)合仿真模型對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，選取不同的噴油器類型，研究不同參數(shù)的噴油器對(duì)于柴油機(jī)性能的影響，對(duì)噴油器進(jìn)一步優(yōu)化。

現(xiàn)階段使用GT-Power對(duì)噴油器進(jìn)行仿真時(shí)，噴油器的選型多為電磁閥式噴油器，選用壓電晶體式噴油器較少。本文中使用GT-Power軟件建立柴油機(jī)壓電晶體噴油器模型，分析壓電晶體噴油器在不同電壓條件下的材料屬性及對(duì)噴油特性的影響，進(jìn)一步提升壓電晶體噴油器性能。

1 模型建立與驗(yàn)證

1.1 壓電晶體式噴油器組成和工作原理

高壓共軌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括燃油系統(tǒng)和電子控制系統(tǒng)。燃油系統(tǒng)包括燃料儲(chǔ)存器、油液輸送管道、過(guò)濾器、齒輪泵、燃油計(jì)量單元、柱塞泵、共軌、燃油噴油器，其中，壓電晶體式噴油器是電子控制高壓共軌系統(tǒng)的核心部件，也是燃料處理的關(guān)鍵零件，主要包括壓電驅(qū)動(dòng)器、活塞、預(yù)緊彈簧、球閥、復(fù)位彈簧、針閥體、針閥彈簧等。電子控制系統(tǒng)包括電子控制單元（electronic control unit，ECU）、傳感器和執(zhí)行器[10-11]，ECU通過(guò)噴油特性電信號(hào)控制壓電晶體噴油器是否通電，同時(shí)控制噴油器執(zhí)行器開啟和閉合，從而使得發(fā)動(dòng)機(jī)遵循預(yù)定的噴油規(guī)律將燃油噴入燃燒室[12-13]。壓電晶體式噴油器結(jié)構(gòu)[14]如圖1所示。

1.2 數(shù)學(xué)模型

利用GT-Power軟件搭建壓電晶體噴油器模型，GT-Power軟件采用模塊化的建模方式，對(duì)噴油器建模時(shí)可將該噴油器的整體模型模擬為由多個(gè)元件子模型通過(guò)相應(yīng)的串、并聯(lián)組成的物理模型[15]。壓電執(zhí)行器工作時(shí)，由于對(duì)執(zhí)行器施加壓電電壓 U后，電容c 在系統(tǒng)中不起作用，因此，施加在壓電執(zhí)行器上的力

F=ΦU-ks-cs · ?， ?（1）

式中： Φ 為電氣和機(jī)械的轉(zhuǎn)換系數(shù)， Φ=dEA/δ， 其中 d 為壓電電荷（應(yīng)變）常數(shù)， E 為材料的彈性模量，GPa， δ 為單個(gè)堆層厚度，m， A 為壓電執(zhí)行器的橫截面積，mm2 ； k 為壓電元件的剛度， k = EA/（Nδ ），其中 N 為疊層的層數(shù)； s 為針尖行程，mm； c 為電容，表達(dá)式為： c= ??km /q ，其中， m 為壓電元件質(zhì)量，g， q 為機(jī)械品質(zhì)因數(shù)。

壓電陶瓷的物理特性不確定時(shí)，可通過(guò)測(cè)量空閑行程 s ?idel（ F =0 時(shí)壓電陶瓷的行程）和鎖定力 ?F ?lu（ x =0 時(shí)壓電陶瓷施加的力）計(jì)算執(zhí)行器所受的力，則式（1）可以表示為：

F=F ?1u U/U 0－F ?1u s/s ?idel －cs · ?，

式中： U ?0為測(cè)量空閑行程時(shí)的電壓，V。

1.3 壓電晶體噴油器仿真模型

本文中壓電晶體噴油器主要技術(shù)參數(shù)如表1所示，利用GT-Power建立的壓電晶體噴油器仿真模型如圖2所示。該模型為疊加參數(shù)模型，即假設(shè)壓電堆棧質(zhì)量疊加在壓電執(zhí)行器的頂端，在壓電晶體子模型中存在連接質(zhì)點(diǎn)和固定彈簧-阻尼器的系統(tǒng)，通過(guò)材料壓電效應(yīng)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。根據(jù)不同的輸入條件，對(duì)壓電執(zhí)行器建模。壓電執(zhí)行器模塊始終與具有直接連接對(duì)象的質(zhì)量模塊連接，該質(zhì)量模塊表示在壓電執(zhí)行器或傳感器中使用的壓電元件的質(zhì)量，壓電質(zhì)量通過(guò)RigidConn連接模塊連接到外部系統(tǒng)質(zhì)量。模型中假設(shè)壓電執(zhí)行器由 N個(gè)單獨(dú)層堆疊組成，每層的厚度為δ。電氣側(cè)的壓電執(zhí)行器的動(dòng)作比機(jī)械側(cè)的動(dòng)作快，即作用在壓電體上的質(zhì)量力F是電壓U產(chǎn)生的力 （從電能到機(jī)械能的理想轉(zhuǎn)換）減去彈簧阻尼器力的靜態(tài)函數(shù)。當(dāng)用作壓電執(zhí)行器時(shí)，可以利用壓電元件的物理特性和結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)進(jìn)行計(jì)算，或用壓電執(zhí)行器的測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算。在此模型中，燃油流入T形三通管路，該三通管路將燃油流分成2條路徑：一條通向燃油通道，另一條通向控制腔。燃油通過(guò)出油孔及由壓電元件輸入電壓驅(qū)動(dòng)的控制閥離開控制腔，從控制閥回流至低壓系統(tǒng)。控制腔和燃油通道中的流體壓力作用使針閥體產(chǎn)生作用力，當(dāng)控制腔中的壓力足夠小時(shí)，控制活塞上升，針閥隨之上升，燃油從燃油通道通過(guò)噴油器孔流出，模擬壓電晶體噴油器的工作環(huán)境。

1.4 模型驗(yàn)證

為評(píng)價(jià)壓電晶體噴油器模型可靠性，選取相同參數(shù)的壓電晶體噴油器進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，設(shè)定柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，軌壓為120 MPa，氣缸壓力為6 MPa，環(huán)境熱力學(xué)溫度為300 K。測(cè)試裝置包括直流驅(qū)動(dòng)電路、壓力傳感器、電流傳感器、計(jì)算機(jī)、單次噴射儀（測(cè)量范圍為0～600 mg，精度為0.01 mg）及測(cè)試臺(tái)架等。工作中燃油加壓后送到噴油器，燃油噴射過(guò)程中，控制單元通過(guò)布置于噴油器針閥處的壓阻式動(dòng)態(tài)壓力傳感器采集噴油器針閥壓力，單次噴射儀通過(guò)調(diào)節(jié)噴射次數(shù)、噴油壓力和脈寬對(duì)噴油規(guī)律和噴油量進(jìn)行測(cè)試。根據(jù)臺(tái)架實(shí)測(cè)結(jié)果設(shè)置GT-Power仿真模型中的邊界條件，設(shè)置主噴射電壓為180～220 V，測(cè)量噴油量和作用于噴油針閥上的壓力，針閥壓力對(duì)噴油量影響的仿真和臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖3所示。由圖3可知：不同電壓下針閥壓力和噴油量的仿真與試驗(yàn)結(jié)果擬合效果較好，最大相對(duì)誤差分別為7.096%、2.650%，穩(wěn)態(tài)模型誤差分別為3.45%、1.04%，滿足最大相對(duì)誤差不大于10%、穩(wěn)態(tài)模型誤差不大于5%的要求，說(shuō)明模型的可靠性滿足設(shè)計(jì)要求，可以運(yùn)用該模型進(jìn)行下一步研究。

2 優(yōu)化方案及結(jié)果

2.1 優(yōu)化方案

在模型中定義邊界條件，以及晶體的電極激勵(lì)、約束點(diǎn)。根據(jù)臺(tái)架實(shí)測(cè)結(jié)果設(shè)定發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，軌壓為120 MPa，氣缸壓力為6 MPa，環(huán)境熱力學(xué)溫度為300 K，預(yù)設(shè)主噴起始時(shí)刻為第1.5 毫秒，壓電激勵(lì)器時(shí)間為1.55 ms， 經(jīng)過(guò)2.5 ms后對(duì)主壓電元件斷電，控制信號(hào)變化如圖4所示。

壓電晶體執(zhí)行器的位移與電荷量相關(guān)，電荷量

Q ＝cU。 ??（2）

壓電晶體噴油器執(zhí)行器在方波激勵(lì)電壓的作用下，輸出位移為線性，影響壓電晶體噴油器壓電晶體的彈性模量、位移和噴油器噴油速率峰值及噴油量。本文中以壓電執(zhí)行器的位移與噴油量作為表征壓電晶體噴油器噴油特性的指標(biāo)，選取16個(gè)彈性模量進(jìn)行試驗(yàn)，壓電晶體的輸出電壓和針頭彈簧壓力隨壓電晶體彈性模量的變化如圖5所示。

由圖5a）可知：彈性模量從50 GPa增加到125 GPa，壓電晶體的輸出電壓增大。壓電晶體噴油器中，壓電電壓對(duì)噴油特性的影響最大，電壓越大，壓電執(zhí)行器位移的增長(zhǎng)趨勢(shì)越大，不同電壓下壓電執(zhí)行器輸出位移隨驅(qū)動(dòng)電壓升高時(shí)間減小呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)[16]。根據(jù)式（2）可知，電荷量與電壓成正比，在有電荷的外部場(chǎng)中，電場(chǎng)強(qiáng)度越大，電壓越大。對(duì)壓電晶體噴油器溫度特性的分析表明，在一定的驅(qū)動(dòng)頻率和電場(chǎng)強(qiáng)度條件下，壓電執(zhí)行器溫度的升高和位移遲滯特性的相關(guān)性逐漸增強(qiáng)[17]。因此，晶體壓電電壓增大，使壓電晶體執(zhí)行器的位移增大，從而提高噴油量，達(dá)到優(yōu)化噴油器的目的。不合適的目標(biāo)電壓導(dǎo)致噴油器的噴油穩(wěn)定性（以噴油量標(biāo)準(zhǔn)差為評(píng)價(jià)指標(biāo)）和響應(yīng)速度（以噴油器開啟延遲時(shí)間為評(píng)價(jià)指標(biāo)）惡化[18]，隨著壓電晶體的壓電電壓增大趨勢(shì)逐漸減小，最大壓電電壓與最小壓電電壓的差逐漸增大，噴油器的穩(wěn)定性下降。

由圖5b）可知：彈性模量增大，閥體彈簧的壓力減小，針頭彈簧的壓力變化不明顯。在電磁閥預(yù)緊力不變的情況下，抬起控制閥的力減小，抬起加速度減小，控制腔與回油管道的連通時(shí)間推遲，控制腔泄壓，針閥抬起時(shí)間延長(zhǎng)，導(dǎo)致針閥開啟響應(yīng)增加。控制閥桿落座過(guò)程與抬起過(guò)程正好相反，閥體彈簧的壓力充當(dāng)阻力，落座加速度增大，促使落座時(shí)間提前，即密封球與回油管道的重新密封時(shí)刻提前，控制腔加壓，針閥落座時(shí)間縮短，使得關(guān)閉響應(yīng)減小[19]。因此，彈性模量應(yīng)在一定范圍內(nèi)增大，以達(dá)到最佳的優(yōu)化方案。

驅(qū)動(dòng)電壓分別為50、100、150 V，彈性模量為50～125 GPa時(shí)，彈性模量-位移之間變化規(guī)律仿真結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知：當(dāng)彈性模量小于75 GPa時(shí)，執(zhí)行器輸出的位移幾乎不變；當(dāng)彈性模量大于75 GPa時(shí)，執(zhí)行器位移呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。這是因?yàn)楫?dāng)彈性模量大于75 GPa時(shí)，彈性體之間的共振作用導(dǎo)致壓電執(zhí)行器輸出位移呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。位移增加速度隨驅(qū)動(dòng)電壓的增加而增加。這主要是因?yàn)殡S驅(qū)動(dòng)電壓增大，電疇壁運(yùn)動(dòng)増強(qiáng)，位移的變化由電疇變化引起。因此為使執(zhí)行器輸出位移增加以實(shí)現(xiàn)噴油特性優(yōu)化，彈性模量應(yīng)大于75 GPa。

監(jiān)測(cè)模型管路內(nèi)流體壓強(qiáng)，發(fā)現(xiàn)最大壓強(qiáng)及壓強(qiáng)振幅均在噴油針閥處，針閥作為噴油器中的關(guān)鍵部件，控制燃油的流量和噴射時(shí)間。在長(zhǎng)期高壓高溫的工作環(huán)境中，針閥高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)與閥座進(jìn)行高速撞擊，每次撞擊都產(chǎn)生很大應(yīng)力，導(dǎo)致噴油針閥更容易整體磨損。同時(shí)，燃油中的微小顆粒在噴油針閥和閥座撞擊時(shí)，造成密封面局部磨損，降低針閥的密封性能[20] 。

不同彈性模量下噴油針閥壓強(qiáng)和溫度曲線如圖7所示。

由圖7可知：彈性模量增大到60 GPa時(shí)，噴油針閥處壓強(qiáng)開始逐漸增大，且增長(zhǎng)率越來(lái)越大，彈性模量超過(guò)100 GPa后增長(zhǎng)速度降低；噴油針閥處的溫度在彈性模量增大到80 GPa后，再次增長(zhǎng)。因此，為保證噴油針閥能保持良好的噴油特性及可靠性，彈性模量不應(yīng)超過(guò)80 GPa。

綜上所述，執(zhí)行器的彈性模量為75～80 GPa時(shí)，壓電晶體噴油器的噴油性能較好。

2.2 優(yōu)化結(jié)果

優(yōu)化壓電晶體噴油器彈性模量為80 GPa，測(cè)定不同電壓下壓電晶體執(zhí)行器位移及每循環(huán)噴油量的變化，與優(yōu)化前進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知：優(yōu)化后的壓電晶體噴油器彈性模量增大25 GPa后，壓電晶體執(zhí)行器位移增大156%；同時(shí)每循環(huán)噴油量顯著增加，較優(yōu)化前提高2.3%。噴油器單次工作循環(huán)噴射油量增大，獲得的噴油量范圍更大，為柴油機(jī)輸出更高功率提供可能，更好地適配高轉(zhuǎn)速柴油機(jī)的工作條件，提高噴油速率，縮短噴油持續(xù)期，有利于提高柴油機(jī)熱效率。

3 結(jié)論

1）改變壓電晶體執(zhí)行器彈性模量，使得壓電電壓增大，可以提高執(zhí)行器的位移。

2）彈性模量增大到75 GPa后，可以顯著提高執(zhí)行器位移，彈性模量增大到60 GPa后，針頭所承受的壓強(qiáng)增大，彈性模量大于80 GPa后，伴隨著溫度升高，對(duì)執(zhí)行器的可靠性造成不良影響。

3）噴油器材料的彈性模量為75～80 GPa時(shí)，壓電晶體執(zhí)行器的位移增大最顯著，壓電晶體噴油器單次工作循環(huán)下的噴油量增加2.3%；優(yōu)化噴油器的彈性模量提高了噴油速率，縮短了噴油持續(xù)期，有利于提高柴油機(jī)熱效率。

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Simulation and analysis of piezoelectric crystal injector

performance based on GT-Power

JIANG Feng1， WANG Chuang1， CHEN Qian2*， WANG Chunfeng3

1.School of Mechanical and Automotive Engineering， Guangxi University of Science and Technology，Liuzhou 545006，China;

2.Guangxi Automobile Tractor Research Institute Co. ， Ltd. ， Liuzhou 545006，China;

3.Guangxi Yuchai Machinery Co. ， Ltd. ， Yulin 537000，China

Abstract： In order to optimize the performance of piezoelectric crystal injectors of diesel engines， GT-Power is used to establish a simulation model of the high-pressure common-rail piezoelectric crystal injectors， the material properties of the piezoelectric crystals in the model is changed and different voltage conditions is set up so as to simulate and analyse the influence of the elasticity modulus of piezoelectric crystal actuators in the piezoelectric crystal injectors， the driving voltage of the crystal on the effects of the elastic modulus of the piezoelectric crystal actuator， the crystal driving voltage on the displacement of the actuator， the pressure and temperature of the injection needle valve， and the injection volume per cycle. The simulation results show that when the elastic modulus of the piezoelectric crystal injector is more than 75 GPa， the displacement of the actuator increases with the increase of driving voltage. When the elastic modulus of the injector is more than 80 GPa， the pressure and temperature at the injection needle valve increase. Compared with a modulus of elasticity of 55 GPa， when the elastic modulus of the piezoelectric crystal injector is 80 GPa， the displacement of the piezoelectric crystal actuator increases by 15.6%， and the injection volume of the injector per cycle increases by 2.3%. The piezoelectric crystal injector with a modulus of elasticity of 75-80 GPa can increase the injection rate and shorten the injection duration， which is conducive to improving the thermal efficiency of the diesel engine.

Keywords： diesel engine; piezoelectric crystal; injector; simulation model; optimize analysis

（責(zé)任編輯：劉麗君）