驱动参数对GDI压电喷油器特性影响的试验研究

张美娟, 居钰生, 宋睿智, 王旦， 王忠

(1. 无锡职业技术学院， 江苏 无锡 214121； 2. 中国一汽无锡油泵油嘴研究所， 江苏 无锡 214063；3. 江苏大学， 江苏 镇江 212013)



驱动参数对GDI压电喷油器特性影响的试验研究

张美娟1，2, 居钰生2, 宋睿智2, 王旦2， 王忠1,3

(1. 无锡职业技术学院， 江苏 无锡 214121； 2. 中国一汽无锡油泵油嘴研究所， 江苏 无锡 214063；3. 江苏大学， 江苏 镇江 212013)

在油泵试验台上采用不同驱动方式对汽油机缸内直喷(GDI)压电喷油器的流量特性和响应特性进行了研究，测量了喷油器的喷油量、针阀开启时间等参数随驱动电压、电流的变化规律。研究表明：采用单峰值和恒定电流驱动方式，随着驱动电压的增大，喷油量近似呈线性增加，当电压大于155 V时，喷油量保持不变；采用多峰值电流驱动，随着驱动电压的增大，喷油量不断增大。采用恒定电流和多峰值电流驱动时，驱动电流对喷油量的变化影响不大。相同电流时，多峰值电流驱动的喷油量小于恒定电流驱动的喷油量。压电喷油器的响应时间随着驱动电压、驱动电流和电流变化率的增加逐渐减少,并最终趋于稳定。

压电喷油器； 流量特性； 响应特性； 驱动电压

随着汽油机缸内直喷技术的广泛应用，喷油压力由10 MPa向20 MPa逐步提高，喷油器的驱动电压、电流对喷油器循环喷油量、喷油响应时间等参数的影响也引起了人们的重视。

汽油机缸内直喷(GDI)压电喷油器由于执行器响应速度快、轨压高、驱动力大及对燃油喷射量的控制精确而优于电磁式喷油器[1]，国内对柴油用压电式共轨系统的研究已取得一定的成果，但对汽油用压电式喷油器的研究正处于起步阶段。上海理工大学叶昌[2]提出了基于线圈电流变化的电控汽油喷油器动态响应时间测量方法，以单片机为控制核心开发了电控汽油喷油器动态响应及流量特性测试系统。压电喷油器可以通过压电驱动器的快速响应和对球阀位移的自由控制，进而控制针阀升程，实现油量的精确喷射。海军工程大学刘振明等人[3]开展了驱动电压、轨压、脉宽等控制参数对压电喷油器的喷油量、最大喷油速率、最大喷油压力、喷油延迟及喷油持续期影响的研究，结果表明，最大喷油压力、喷油速率、喷油持续期随驱动电压、脉宽、轨压的增大而逐渐增大，喷油延迟只随驱动电压的增大而减小。压电喷油器的快速响应与喷油器液力响应时间密切相关，装甲兵工程学院王军等人[4]通过分析压电执行器的响应速度，确定了喷油器的最小喷射间隔时间，结果表明，采用压电执行器、液力放大机构能满足柴油机大流量喷油的要求。

本研究针对不同的驱动方式，测量了汽油机缸内直喷压电喷油器的流量和针阀响应时间，分析喷油量、响应时间随驱动电压、电流的变化关系，探明不同驱动方式下的针阀开启响应时间的变化规律，研究驱动方式对GDI喷油器性能的影响，为压电喷油器在缸内直喷汽油发动机上的应用提供依据。

1 压电喷油器与驱动方式

压电喷油器最重要的元件是压电式执行器、由压电式执行器直接开启的针阀和阻尼的热补偿器。压电喷油器具有较好的抗结焦能力、极短的切换时间(200 μs)、多次喷油特性以及既可执行全行程又可执行部分行程的特性[5]。压电喷油器的结构见图1。

喷油器在压电堆通电前，内部由于上下均受油压作用而达到平衡，针阀在弹簧预紧力的作用下保持关闭状态；当压电堆通电时，由于逆压电效应，压电堆执行器膨胀从而推动针阀，开始喷油。压电堆执行器是由上百片压电片串联叠加而成，中间有叉指电极，电路连接为并联连接，利用单层压电片在电场下产生位移，通过多层叠加而使总输出位移增大。线性压电堆执行器位移公式为[6]

ΔL=n×d×U。

式中：ΔL为总输出位移；n为压电陶瓷材料应变常数，取7.0×10-10m/V；d为电压片层；U为驱动电压。

压电晶体采用高压端、低压端开关的配合控制方式，控制执行器电流。由于压电执行器电容感抗很小，通常电容容量在10 μF以下。驱动电流过大，易导致执行器发生击穿现象，影响执行器系统的可靠性。驱动电流过小，喷油器系统响应慢，影响系统性能。压电执行器主要有单峰值电流、恒定电流以及多峰值电流3种驱动方式[7-8](见图2)。3种驱动方式中，单峰值电流驱动最容易实现，由于驱动控制中可调整的参数较少，优化难度较大。恒定电流驱动方式对性能优化及执行器保护具有良好效果，由于硬件需设计恒流控制，电控单元(ECU)设计复杂度较大。多峰值电流驱动方式介于两者之间，技术上实现难度适中，同时又能灵活控制压电执行器的驱动模式，因此，在实际中被广泛采用。本研究主要开展了压电喷油器3种驱动方式对喷油器的流量与响应性能影响的研究。

2 试验设备和测量方法

喷油器的流量特性和响应特性直接影响发动机的循环喷油量，从而影响发动机的动力性能和排放性能。试验时，保持喷油脉宽为1 ms、喷油压力为5 MPa不变，重点测量了驱动电压、驱动电流和电流变化率等参数对喷油器的流量、针阀响应时间的影响。试验在EM379油泵试验台上进行，采用EFS8370压电驱动装置对压电喷油器进行驱动，驱动方式及驱动控制参数可选择，采用8246EFS单次喷射仪和DPO3034 300 MHz四通道数字荧光示波器精确测量每次喷油量、喷油速率和响应时间，喷射压力、喷射次数、喷油脉宽等控制参数由GDI燃油控制系统标定软件确定。

3 试验结果分析

3.1 油量特性

3.1.1 驱动电压对喷油量的影响

驱动电压是影响压电喷油器升程最主要的因素，最大喷油速率受到驱动电压和脉宽的耦合影响较大。试验时，保持喷油压力为5 MPa、喷油脉宽为1 ms、驱动电流为15 A和驱动电流变化率为300 mA/μs不变，最大喷油速率随驱动电压的增加而增大。相同的驱动电压在不同驱动方式下对喷油器的影响存在一定程度的差异。3种驱动方式下，喷油量随驱动电压的变化关系见图3。

可以看出，单峰值电流驱动和恒定电流驱动方式下，喷油量随驱动电压的变化规律基本相似。当驱动电压小于155 V时，随着驱动电压的增加，喷油器的喷油量近似呈现线性增大趋势；当驱动电压大于155 V时，喷油器的喷油量随驱动电压的增加基本保持不变。采用多峰值电流驱动时，与前两者相比差异较大：随着驱动电压的增大，喷油量不断增大；相同驱动电压下，喷油器的喷油量明显大于前两种驱动方式。这是由于采用多峰值电流驱动时，实际电压大于其他驱动方式，导致喷油器实际升程较大。驱动电压实测值见表1。

3.1.2 驱动电流与电流变化率对喷油量的影响

3种驱动方式中，单峰值驱动参数不包括电流，因此，试验时保持喷油脉宽为1 ms、喷油压力为5 MPa和电流变化率为300 mA/μs不变，仅测量不同电流时，多峰值电流驱动和恒定电流驱动下的喷油量。测量结果见图4。可以看出，恒定电流和多峰值电流驱动方式下，电流的变化对喷油量影响较小，波动基本在±5%以内。相同电流条件下，多峰值电流驱动的喷油量小于恒定电流驱动的喷油量。

电流变化率是影响喷油器性能的另一个重要因素。试验时保持喷油脉宽为1 ms、喷油压力为5 MPa和驱动电流为15 A不变，改变电流变化率，测量了喷油量的变化规律，试验结果见图5。可以看出，随着电流变化率的增加，在恒定电流和多峰值电流驱动下，喷油量变化不大；相同电流变化率时，多峰值喷油量偏大，电流变化率为1 000 mA/μs时，采用恒定电流和多峰值电流驱动的喷油量分别为24 mg，30 mg。采用单峰值电流驱动，当电流变化率小于600 mA/μs时，喷油量基本保持不变，为22.5 mg；当电流变化率大于600 mA/μs时，喷油量随电流变化率的增加呈明显下降趋势，当电流变化率为1 000 mA/μs时，单峰值电流驱动的喷油量为8 mg。

3.1.3 喷油脉宽对喷油量的影响

喷油器的流量特性是指在一定喷油压力下，喷油脉宽与喷油量之间的变化关系。试验时保持驱动电压为160 V、驱动电流为15 A和驱动电流变化率为300 mA/μs不变，选择5 MPa，10 MPa两种喷油压力，测量3种不同驱动方式下喷油器流量随喷油脉宽的变化关系，试验结果见图6。可以看出，压电喷油器的流量与脉宽之间具有较好的线性关系，尤其当喷油压力达到10 MPa时线性度更好；同时，相同脉宽下，多峰值驱动方式下的喷油量大于其他两种驱动方式。

3.2 响应特性

喷油器针阀的开启响应时间是衡量喷油器性能的另一个重要参数，驱动方式不同，驱动电流、电流变化率和驱动电压参数对喷油器针阀响应的影响也不同。

3.2.1 驱动电压对针阀响应时间的影响

试验时，保持驱动电流为15 A和驱动电流变化率为300 mA/μs不变，不同驱动方式下测量驱动电压与喷油器针阀响应时间之间的变化关系，试验结果见图7。可以看出，随着驱动电压的增大，3种驱动方式下的喷油器针阀开启响应时间均呈下降趋势，并最终趋于稳定。相同驱动电压时，单峰值驱动对应的开启响应时间最短。主要原因是随着驱动电压的增大，液力伺服阀开度增大，开启速度提高，喷油器开启时间降低。当电压值达到一定数值时，液力伺服阀开度达到最大，控制腔压力下降速度趋于稳定，响应时间趋于稳定。

3.2.2 驱动电流对针阀响应时间的影响

驱动电流直接影响着压电执行器的充电速度，电流越大，喷油器的响应特性越好，但是对喷油器的可靠性将产生不利的影响，因此电流选取需适中。试验时保持驱动电压为160 V、喷油压力为5 MPa和喷油脉宽为1 ms不变，测量恒定电流驱动和多峰值电流驱动方式下喷油器针阀开启时间与驱动电流之间的变化规律。试验结果见图8。在两种驱动方式下，随着电流的增大，喷油器针阀的开启时间逐渐减小，当驱动电流从2 A 增加到12 A 时，恒定电流驱动方式下针阀的开启时间由310 μs减少到195 μs，多峰值电流驱动方式下针阀的开启时间由240 μs减少到195 μs，当驱动电流增大至12 A后，开启时间基本保持不变。

3.2.3 电流变化率对针阀响应时间的影响

电流变化率对驱动系统的充电速度、针阀响应时间有一定的影响，试验时保持驱动电压为160 V，喷油压力为5 MPa和喷油脉宽为1 ms不变，在不同驱动方式下测量了针阀开启响应时间与驱动电流变化率之间的变化关系，试验结果见图9。可以看出，3种驱动方式下针阀开启的响应时间随电流变化率变化的趋势基本一致。针阀开启响应时间随着电流变化率的增大而减小；当电流变化率增大至400 mA/μs时，多峰值电流驱动的开启响应时间略大于单峰电流值驱动和恒定电流驱动方式。

4 结论

a) 喷油压力和脉宽不变时，压电喷油器的流量特性主要受驱动电压的影响，随着驱动电压的增大，喷油量呈现增大趋势，相同驱动电压下，多峰值电流驱动的喷油器喷油量最大;恒定电流和多峰值电流驱动方式下，喷油量受电流和电流变化率的影响较小；压电喷油器的流量与脉宽之间具有较好的线性关系，尤其当喷射压力达到10 MPa时线性度更好；

b) 压电喷油器的响应特性受驱动电压的影响较大，随着驱动电压的增加，喷油器的针阀响应时间均减少，并最终趋于稳定；相同驱动电压时，单峰值电流驱动对应的开启响应时间最短；

c) 驱动电流和电流变化率对喷油器针阀开启响应时间的影响很大，当驱动电流在2～12 A之间时，喷油器针阀开启时间随着电流的增加而减少；驱动电流超过12 A时，开启响应时间趋于稳定；电流变化率小于400 mA/μs时，喷油器针阀开启响应时间随着电流变化率的增加而减少，当电流变化率超过400 mA/μs时，多峰电流驱动的开启响应略大于单峰和恒定电流驱动方式。

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

[2] 叶昌, 张振东, 程强,等.电控汽油喷油器动态响应及流量特性测试系统研究[J].汽车技术,2014(7):34-38.

[3] 刘振明,曾凡明,欧阳光耀,等.压电喷油器小油量喷射特性研究[J].内燃机工程,2015(6):73-78.

[4] 王军,熊庆辉,张幽彤.大流量压电式喷油器设计与试验[J].农业机械学报,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] 荆阳，杨文言.压电陶瓷微致动器的制作及驱动行为研究[J].兵工学报，2005,16(1)：77-81.

[7] 宋国民，高崴，张建刚,等.共轨压电执行器驱动开发及试验分析[J].内燃机工程，2009,30(2)：53-56.

[8] 宓浩祥，袁陆.采用压电石英执行器的电控共轨喷射系统[J].现代车用动力，2004(1)：12.

[编辑： 姜晓博]

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

江苏省自然科学基金(bk2011181)；江苏省高等职业院校国内高级访问工程师(FG123)

张美娟(1977—)，女，讲师，硕士，主要研究方向为汽油机缸内直喷燃油喷射系统及汽车电控技术；zhangmj@wxit.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.04.009

TK413.8

B

1001-2222(2016)04-0051-05