壓電噴油器動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性試驗(yàn)研究

劉晨，劉振明，陳萍，劉景斌

(海軍工程大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430033)

高壓共軌燃油噴射技術(shù)是目前降低柴油機(jī)油耗、減少柴油機(jī)排放最主要、應(yīng)用最廣泛的技術(shù)手段，已成為先進(jìn)柴油機(jī)的標(biāo)志性技術(shù)[1-3]。隨著排放法規(guī)的日益苛刻和對燃油經(jīng)濟(jì)性要求的日益提高，高壓共軌噴射技術(shù)必須滿足更高噴射壓力和每循環(huán)更多次數(shù)噴射的新要求[4]。

電控噴油器是高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的核心部件。目前，絕大多數(shù)電控噴油器還是采用電磁閥作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)噴油器控制[5]。然而，電磁閥輸出力較小，使得噴油器實(shí)現(xiàn)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(yīng)時(shí)間過長，導(dǎo)致噴油器難以實(shí)現(xiàn)每循環(huán)更多次數(shù)的噴射[6-8]。因此，電磁閥的這種固有特性使得現(xiàn)有電磁閥式噴油器難以同時(shí)滿足高壓噴射和多次噴射。

利用壓電陶瓷逆壓電效應(yīng)制作的壓電晶體疊堆是一種微/納米級的超精密驅(qū)動(dòng)器件，具有體積小、輸出力大及響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)[9-11]，為開發(fā)更高性能的電控噴油器提供了新的技術(shù)途徑。為此，德國BOSCH、日本DENSO等公司先后著力開發(fā)基于壓電晶體驅(qū)動(dòng)的壓電噴油器。目前，BOSCH公司開發(fā)的壓電噴油器可實(shí)現(xiàn)大于200 MPa的噴射壓力和每循環(huán)多達(dá)7次的噴射，可使柴油機(jī)不用廢氣后處理就可達(dá)到歐Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)并使柴油機(jī)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(shù)新的發(fā)展方向和研究熱點(diǎn)，國內(nèi)外學(xué)者對此開展了較多研究。文獻(xiàn)[13]中對壓電噴油器的響應(yīng)特性、噴霧過程及其對柴油機(jī)燃燒、排放的影響進(jìn)行了分析，驗(yàn)證了壓電噴油器在動(dòng)態(tài)響應(yīng)與燃油噴射霧化方面的優(yōu)越性。文獻(xiàn)[14]通過對壓電噴油器驅(qū)動(dòng)組件參數(shù)進(jìn)行優(yōu)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(xiàn)[15]對不同溫度、電場及負(fù)載下壓電噴油器的噴油特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，獲得了不同工作條件下噴油器的燃油質(zhì)量流量與流量系數(shù)的變化。文獻(xiàn)[16]中對壓電噴油器中壓電執(zhí)行器的準(zhǔn)靜態(tài)遲滯特性進(jìn)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(guān)壓電噴油器的研究大多針對國外現(xiàn)有壓電噴油器進(jìn)行性能和建模研究，而針對國內(nèi)自主設(shè)計(jì)研制的壓電噴油器性能研究較少。為此，本研究針對自主設(shè)計(jì)研制的面向單缸功率120 kW的柴油機(jī)壓電噴油器進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析壓電噴油器響應(yīng)特性及噴射能力，為柴油壓電噴油器設(shè)計(jì)優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。

1 壓電噴油器工作原理

自主設(shè)計(jì)研制的壓電噴油器結(jié)構(gòu)示意圖及外觀尺寸見圖1。壓電噴油器主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制閥、針閥組件及噴油器殼體組成，執(zhí)行機(jī)構(gòu)由壓電執(zhí)行器、過渡件和預(yù)緊彈簧組成。

壓電執(zhí)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(huán)氧甲黏結(jié)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(zhí)行器樣件見圖2。

圖1 壓電噴油器

圖2 壓電執(zhí)行器樣件

壓電噴油器工作原理如下：噴油器不工作時(shí)，球閥在復(fù)位彈簧與腔內(nèi)燃油的作用下，使旁通油道處于開啟狀態(tài)而球閥面處于關(guān)閉狀態(tài)。通電后壓電執(zhí)行器向下伸長，球閥通過頂桿的推力被打開，旁通油道關(guān)閉，控制腔內(nèi)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(zhí)行器向上收縮，球閥關(guān)閉，旁通油道打開，燃油經(jīng)過控制腔進(jìn)油道與旁通油道迅速進(jìn)入控制腔，使得腔內(nèi)壓力開始回升，針閥迅速落座，噴油過程結(jié)束。

2 試驗(yàn)系統(tǒng)及試驗(yàn)方案

2.1 壓電噴油器試驗(yàn)系統(tǒng)

在共軌油泵試驗(yàn)平臺上對壓電噴油器的噴射特性進(jìn)行試驗(yàn)。采用EFS8250單次噴射儀測試噴油器的噴油規(guī)律，采用EFS8370噴油器驅(qū)動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)噴油器，利用TektronixDP03034示波器記錄驅(qū)動(dòng)電壓以及噴油器噴油規(guī)律信號。壓電噴油器試驗(yàn)系統(tǒng)見圖3，壓電噴油器測試樣件見圖4。

圖3 壓電執(zhí)行器試驗(yàn)系統(tǒng)

圖4 壓電噴油器樣件

2.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

壓電噴油器動(dòng)態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)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(guī)律以及噴油器工作的穩(wěn)定性，試驗(yàn)方案見表1和表2。

表1 壓電噴油器單次噴射試驗(yàn)方案

表2 壓電噴油器多次噴射試驗(yàn)方案

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 噴油器響應(yīng)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(guī)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(guī)律曲線

壓電噴油器噴射過程響應(yīng)指標(biāo)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(yīng)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(xù)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(guān)閉響應(yīng)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(yīng)延遲均小于0.4 ms，噴油開啟響應(yīng)延遲較為理想。在相同軌壓不同控制脈寬下，噴油開啟響應(yīng)延遲基本保持不變。而當(dāng)軌壓從120 MPa增加到160 MPa時(shí)，噴油開啟響應(yīng)延遲僅增加了約14.5%。由圖8可以看出，當(dāng)控制脈寬超過0.5 ms時(shí)，噴油持續(xù)期隨著控制脈寬的增加而增加，而噴油持續(xù)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(dāng)控制脈寬超過1.0 ms時(shí)，噴油關(guān)閉響應(yīng)延遲隨著控制脈寬的增加而減小，基本呈線性關(guān)系，當(dāng)控制脈寬從1.0 ms增加到2.5 ms時(shí)，噴油關(guān)閉響應(yīng)延遲減小了約14.9%；而在小控制脈寬區(qū)域(0.5～1.0 ms)則相反，噴油關(guān)閉響應(yīng)延遲與控制脈寬呈正相關(guān)，曲線存在明顯的拐點(diǎn)。

圖6 壓電噴油器噴射過程響應(yīng)指標(biāo)示意

圖7 不同軌壓和控制脈寬下的噴油開啟響應(yīng)延遲

圖8 不同軌壓和控制脈寬下的噴油持續(xù)期

圖9 不同軌壓和控制脈寬下的噴油關(guān)閉響應(yīng)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(yīng)延遲以及關(guān)閉響應(yīng)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(guān)閉響應(yīng)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(yīng)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(guān)閉響應(yīng)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(guān)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(shí)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(yù)噴間隔、不同軌壓和不同預(yù)噴脈寬下的兩次噴射噴油規(guī)律曲線。圖14示出壓電噴油器在相同預(yù)噴油量、不同軌壓和不同主預(yù)噴間隔下的兩次噴射噴油規(guī)律曲線。圖15示出該壓電噴油器在第一次預(yù)噴脈寬0.2 ms，第二次預(yù)噴脈寬0.22 ms，主噴脈寬1.5 ms，系統(tǒng)壓力160 MPa下的3次噴射噴油規(guī)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(yù)噴脈寬和不同主預(yù)噴間隔下，能夠?qū)崿F(xiàn)小油量的預(yù)噴和較為穩(wěn)定的兩次噴射。而由圖15同樣可以看出，該噴油器的穩(wěn)定性較高，具備初步實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的多次噴射能力。

圖13 不同軌壓和預(yù)噴脈寬下的兩次噴射噴油規(guī)律曲線

圖14 不同軌壓和主預(yù)噴間隔下的兩次噴射噴油規(guī)律

圖15 壓電噴油器160 MPa軌壓下三次噴射噴油規(guī)律

圖16示出不同軌壓和不同預(yù)噴脈寬下的預(yù)噴油量及其標(biāo)準(zhǔn)差。圖17示出不同軌壓和不同預(yù)噴間隔下的主噴油量及其標(biāo)準(zhǔn)差。由圖16可以看出，噴油器在相同軌壓下，預(yù)噴油量隨著預(yù)噴脈寬的增加而增大，預(yù)噴標(biāo)準(zhǔn)差僅為0.3左右，說明預(yù)噴過程較為穩(wěn)定，可以實(shí)現(xiàn)小噴油量的預(yù)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(yù)噴間隔的增大略微減小，減小幅度僅為1.6%，且主噴標(biāo)準(zhǔn)差僅為0.4左右。

圖16 不同軌壓和預(yù)噴脈寬下的預(yù)噴油量及其標(biāo)準(zhǔn)差

圖17 不同軌壓和主預(yù)噴間隔下的主噴油量及其標(biāo)準(zhǔn)差

4 結(jié)論

a) 壓電噴油器的噴油開啟響應(yīng)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(yīng)延遲基本保持不變；而當(dāng)軌壓從120 MPa增加到160 MPa時(shí)，噴油開啟響應(yīng)延遲僅增加了約14.5%；

b) 壓電噴油器的噴油持續(xù)期隨著控制脈寬的增加而增加，而噴油持續(xù)期隨控制脈寬的變化速率基本不變，但當(dāng)控制脈寬超過1.0 ms時(shí)，噴油關(guān)閉響應(yīng)延遲隨著控制脈寬的增加而減小；當(dāng)控制脈寬從1.0 ms增加到2.5 ms時(shí)，噴油關(guān)閉響應(yīng)延遲減小了約14.9%，而在小控制脈寬區(qū)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(shí)的噴油量隨著脈寬的增加而加大，基本呈線性關(guān)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(shí)，其主預(yù)噴標(biāo)準(zhǔn)差分別僅為0.4和0.3左右，說明該壓電噴油器的穩(wěn)定性比較高，能夠?qū)崿F(xiàn)小油量的預(yù)噴并具備實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的多次噴射能力。