多場(chǎng)下壓電噴油器執(zhí)行器電學(xué)特性試驗(yàn)研究

劉 楠，童大鵬，孫青柯

(海軍士官學(xué)校,安徽 蚌埠 233012)

0 引言

高壓共軌系統(tǒng)具有噴射壓力高、噴油速率可調(diào)的特點(diǎn)，已成為當(dāng)前柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)的主流[1-2]?；趬弘娞沾刹牧夏鎵弘娦?yīng)的壓電晶體疊堆是一種微/納米級(jí)的超精密執(zhí)行器件，與電磁閥相比，具有體積小、輸出力大(>1000N)及響應(yīng)速度快(<0.05ms)等優(yōu)點(diǎn)[3]，可更好地實(shí)現(xiàn)了靈活多變的高壓力燃油噴射[4-6]。作為噴油器內(nèi)部電-機(jī)轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵執(zhí)行機(jī)構(gòu)，壓電執(zhí)行器的動(dòng)態(tài)特性直接關(guān)系著噴油器噴射過(guò)程的好壞[7]。

由于執(zhí)行器的應(yīng)變量較小，為增大工作行程，往往需要施加強(qiáng)電場(chǎng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)；同時(shí)在較高的工作頻率下，受到環(huán)境溫度和自生熱的影響[8]，執(zhí)行器溫度在工作中會(huì)發(fā)生較大變化；為適應(yīng)不同的系統(tǒng)軌壓，壓電執(zhí)行器的載荷也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變，因此壓電執(zhí)行器處于變溫(-30℃～150℃)、變負(fù)載(60MPa～200MPa)和強(qiáng)電場(chǎng)(>1.5kV/mm)的熱-電-力工作場(chǎng)中[9]。在變化的熱-電-力工作場(chǎng)中，壓電材料鐵電疇的翻轉(zhuǎn)與運(yùn)動(dòng)會(huì)出現(xiàn)較強(qiáng)的非線性和遲滯性[10]，使壓電執(zhí)行器的性能參數(shù)發(fā)生較大變化。從前期壓電陶瓷材料性能試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同外場(chǎng)下的陶瓷材料的壓電性和介電性隨溫度變化十分明顯[11-12]，這使得壓電疊堆執(zhí)行器在噴油器內(nèi)部復(fù)雜熱-電-力場(chǎng)中的動(dòng)態(tài)特性發(fā)生了較大的改變，其輸出位移和響應(yīng)速度都會(huì)受到影響，不利于驅(qū)動(dòng)電路和補(bǔ)償控制電路的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。

本文對(duì)研制的壓電執(zhí)行器在不同熱-電-力場(chǎng)下的等效電容、電阻以及介質(zhì)損耗角正切值等電參數(shù)和位移特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，探究溫度和負(fù)載對(duì)壓電執(zhí)行器電特性的內(nèi)在影響機(jī)理，為壓電噴油器內(nèi)部執(zhí)行器的穩(wěn)定控制奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)與方法

電容量、介質(zhì)損耗角正切值等電參數(shù)為壓電驅(qū)動(dòng)器的基本參數(shù)。電容量對(duì)于壓電執(zhí)行器輸出特性具有極大的影響，壓電驅(qū)動(dòng)器電容量越大時(shí)，儲(chǔ)能能力越強(qiáng)，驅(qū)動(dòng)器輸出力越大，但是其電容量過(guò)大大，又會(huì)使充放電時(shí)間很長(zhǎng)，驅(qū)動(dòng)響應(yīng)速度大幅度減小。

利用Agilent4263B LCR測(cè)試儀對(duì)不同溫度和負(fù)載下的壓電執(zhí)行器電容量和損耗角正切值等電參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)試裝置如圖1所示，測(cè)試電壓為1000mV，頻率為1kHz。

采用XSI3000 LVDT測(cè)微儀檢測(cè)執(zhí)行器靜態(tài)位移，把執(zhí)行器放置于左側(cè)臺(tái)架的固定板上，將測(cè)微儀的測(cè)量探頭無(wú)負(fù)載地垂直接觸壓電執(zhí)行器的上端，通過(guò)控制器給定驅(qū)動(dòng)電壓由0V逐漸上升至150V，再由150V降至0V，單向的升壓和降壓過(guò)程各采集100個(gè)測(cè)試點(diǎn)，測(cè)試裝置如圖2所示。

力場(chǎng)加載是通過(guò)在裝載壓電執(zhí)行器的固定夾具內(nèi)部安裝相同剛度、不同厚度的彈簧片實(shí)現(xiàn)的，熱場(chǎng)的加載是通過(guò)將壓電執(zhí)行器置于恒溫干燥箱中實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)控制恒溫箱分別到-20℃、20℃、60℃、100℃和120℃，并保持恒定溫度10～15min，調(diào)節(jié)負(fù)載分別為0N、300N、500N、700N、900N。試驗(yàn)采用的恒溫裝置如圖3所示。

2 壓電執(zhí)行器選型與測(cè)試

壓電執(zhí)行器由多層壓電陶瓷片疊加而成，機(jī)械上采用串聯(lián)的方式，由于壓電陶瓷片的極化方向?yàn)閳?zhí)行器的軸向，因此所有陶瓷片位移增量之和即為執(zhí)行器的輸出位移。各陶瓷片之間采用絕緣材料進(jìn)行隔離，外部電極為銀-鋰合金，通過(guò)固態(tài)燒結(jié)而成。本文研制了三組不同尺寸規(guī)格的壓電執(zhí)行器，如圖3所示為壓電執(zhí)行器的制備過(guò)程示意圖，圖4所示分別為執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)示意圖及封裝后的實(shí)物圖，該執(zhí)行器兩端分別為接線槽座和球面型頂頭，采用對(duì)中夾具實(shí)現(xiàn)兩端部件與壓電疊堆執(zhí)行器的安裝，側(cè)面采用環(huán)氧樹(shù)脂封裝隔離燃油，其基本性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 壓電執(zhí)行器基本參數(shù)

通過(guò)對(duì)三組壓電執(zhí)行器在常溫下的電參數(shù)和靜態(tài)特性進(jìn)行測(cè)試，測(cè)得的電參數(shù)和靜態(tài)位移如表2所示，可以看出，執(zhí)行器長(zhǎng)度相同時(shí)，電容值隨橫截面積增加而增大，介質(zhì)損耗變化不明顯，執(zhí)行器的形變量約為其長(zhǎng)度尺寸的0.1%。

表2 常溫下執(zhí)行器電參數(shù)和動(dòng)態(tài)位移測(cè)試結(jié)果

對(duì)于壓電執(zhí)行器來(lái)說(shuō)，一方面，作用面積增加使得電容增大，執(zhí)行器充放電時(shí)間增加，導(dǎo)致其動(dòng)態(tài)響應(yīng)會(huì)有所變慢；另一方面，由表1可知，作用面積的增加使得執(zhí)行器的輸出力會(huì)有所增加。

針對(duì)現(xiàn)有噴油器內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)控制閥，如圖5所示，當(dāng)燃油系統(tǒng)壓力為180MPa時(shí)，球閥下端受腔室高壓燃油的作用面直徑為1.8mm，所受作用力為254N，考慮到額外的彈簧預(yù)緊力和壓力振蕩，球閥開(kāi)啟所需執(zhí)行器推力設(shè)為300N。球閥升程為40μm，對(duì)于常規(guī)壓電執(zhí)行器來(lái)說(shuō)，其應(yīng)變量約為厚度的0.1%。為了保證球閥能夠完全打開(kāi)，綜合考慮到壓電執(zhí)行器的輸出位移、輸出力和響應(yīng)時(shí)間的要求，本文選取尺寸規(guī)格為5×5×54mm的壓電執(zhí)行器開(kāi)展相關(guān)研究，其零位移推力可達(dá)1400N，負(fù)載300N下輸出位移可達(dá)42μm，既能滿足噴油器內(nèi)部對(duì)球閥推動(dòng)力的要求，又能夠?qū)崿F(xiàn)較大的位移輸出。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 溫度的影響

按照試驗(yàn)步驟，測(cè)得不同溫度下的壓電執(zhí)行器電參數(shù)如表3所示，試驗(yàn)過(guò)程中保持壓電執(zhí)行器的負(fù)載300N不變。

表3 不同溫度下壓電執(zhí)行器的電參數(shù)

圖6示為壓電執(zhí)行器電參數(shù)隨溫度的變化，隨溫度升高至120℃，壓電執(zhí)行器材料內(nèi)部疇的翻轉(zhuǎn)和可逆翻轉(zhuǎn)加強(qiáng)，執(zhí)行器的電容增加了7μF，呈現(xiàn)類似拋物線的增加趨勢(shì)，等效電路中等效電阻減小了約37%。同時(shí)隨著溫度升高，壓電執(zhí)行器的介質(zhì)損耗角正切值顯著增加，溫度由-20℃增加至120℃，損耗角正切值增加約149%。

不同溫度下壓電執(zhí)行器電參數(shù)的改變會(huì)進(jìn)一步影響位移輸出，在采取單峰值電流驅(qū)動(dòng)方式且驅(qū)動(dòng)電路無(wú)補(bǔ)償控制的情況下，隨溫度升高，等效電阻的減小和電容的增大會(huì)使得執(zhí)行器充放電峰值電流升高(見(jiàn)圖7)，而電容的增加又會(huì)使充放電速度的減緩，兩者綜合影響了執(zhí)行器的動(dòng)態(tài)輸出位移，從表2看出，驅(qū)動(dòng)電壓為120V，溫度由-20℃升高至100℃時(shí)，輸出位移增加了27.9%。當(dāng)溫度升高至120℃時(shí)，執(zhí)行器的輸出位移有所下降，是由于陶瓷材料工作溫度達(dá)到居里溫度附近，材料性能變差導(dǎo)致的。

由此可知，在噴油器內(nèi)部執(zhí)行器位移不可測(cè)的情況下，受柴油機(jī)工作溫度影響，基于電壓反饋的噴油器高精度控制方式不夠可靠，需進(jìn)一步考慮其他控制方式，如電荷控制或者壓電陶瓷位移自感知等方法。

3.2 負(fù)載的影響

按照試驗(yàn)步驟，測(cè)得不同負(fù)載下的壓電執(zhí)行器電參數(shù)如表4所示，試驗(yàn)過(guò)程中保持壓電執(zhí)行器的工作溫度為20℃不變，圖9所示為壓電執(zhí)行器電參數(shù)隨負(fù)載的變化。

表4 不同負(fù)載下的壓電執(zhí)行器電參數(shù)

由圖8可知，隨著負(fù)載增加，壓電執(zhí)行器的電容有所增大，施加的負(fù)載由0N增加到900N時(shí)，壓電執(zhí)行器電容增加了34.5%，損耗角正切值先增加隨后略微降低。

從壓電理論方面分析負(fù)載對(duì)執(zhí)行器電參數(shù)的影響機(jī)理，當(dāng)在壓電執(zhí)行器兩端施加電場(chǎng)和負(fù)載時(shí)，根據(jù)經(jīng)典壓電方程，得到單層陶瓷片的位移量δ3為：

(1)

上式可得：

(2)

壓電執(zhí)行器兩端產(chǎn)生的電荷為：

(3)

(4)

即：

Q3=d33F3+CV3

(5)

式中，C為壓電陶瓷片的電容。

由式(2)和(5)得到壓電執(zhí)行器的總位移量和電荷為：

(6)

Qn=nQ3=n(d33F3+CV3)=dnF3+CnV3

(7)

式中，n為壓電執(zhí)行器的陶瓷片數(shù)量；Kn=k/n為執(zhí)行器剛度系數(shù)；dn=nd33為壓電執(zhí)行器的等效壓電系數(shù)；Cn=nC為壓電執(zhí)行器的等效電容。

由式(7)可知，在外電場(chǎng)和力場(chǎng)作用下壓電執(zhí)行器產(chǎn)生的全部電荷分為兩部分：一部分是負(fù)載產(chǎn)生的感應(yīng)電荷；另一部分是由于材料的介電性而使得壓電陶瓷在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生的電荷。當(dāng)負(fù)載不為0時(shí)，負(fù)載作用使得壓電執(zhí)行器沿運(yùn)動(dòng)方向開(kāi)始收縮，使得其位移減小，而電場(chǎng)的作用是使壓電執(zhí)行器位移增加。同時(shí)，在驅(qū)動(dòng)電壓一定的條件下，負(fù)載的增加使得電極表面的總電荷數(shù)減小，導(dǎo)致執(zhí)行器工作過(guò)程中的充放電速度有所下降，充放電時(shí)間增加，而通常在執(zhí)行器等效RC電路中，電容器進(jìn)行充電的時(shí)間常數(shù)τ可通過(guò)式(8)計(jì)算得到，可知在等效電阻減小的情況下，如果充電時(shí)間常數(shù)增加，則表明執(zhí)行器等效電容的增大。

τ=RCn

(8)

如果考慮到負(fù)載作用導(dǎo)致壓電執(zhí)行器產(chǎn)生的自感應(yīng)電場(chǎng)，公式(6)中的電場(chǎng)電壓則變?yōu)閂i=V-ΔV，其中，V=Qn/Cn為執(zhí)行器兩端外電場(chǎng)；ΔV=dnF3/Cn為外力作用使得執(zhí)行器產(chǎn)生的自感應(yīng)電場(chǎng)，則由式(6)可進(jìn)一步得到壓電執(zhí)行器的位移輸出為：

(9)

(10)

如圖9所示為不同負(fù)載下壓電執(zhí)行器的靜態(tài)位移曲線，可以看出，隨負(fù)載增加，壓電執(zhí)行器靜態(tài)位移減小，遲滯回線包絡(luò)面積減小，表明了負(fù)載增加使得壓電執(zhí)行器的遲滯性降低，執(zhí)行器機(jī)械損耗減少。當(dāng)施加外部電場(chǎng)的電壓為150V時(shí)，負(fù)載由0N加載到900N，執(zhí)行器輸出位移減小了29.5%。

總的來(lái)說(shuō)，負(fù)載的增加使得壓電執(zhí)行器的靜態(tài)位移減小，然而在壓電執(zhí)行器工作時(shí)，我們通常需要對(duì)其施加一定的負(fù)載，一是避免執(zhí)行器在高速響應(yīng)過(guò)程中壓電陶瓷片彈性振蕩而發(fā)生膜片間的斷裂，二是減小壓電陶瓷片與兩端電極之間的間隙，提高壓電執(zhí)行器剛度，避免間隙電容影響其工作性能。

4 結(jié)論

本文建立了壓電執(zhí)行器多場(chǎng)耦合加載試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)自行研制的壓電執(zhí)行器在熱-電-力多場(chǎng)下的電學(xué)特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，為基于壓電執(zhí)行器參數(shù)自感知的高精度反饋控制研究提供技術(shù)支持。結(jié)果表明：

(1)自行研制的壓電執(zhí)行器能夠滿足噴油器內(nèi)部球閥位移量和推力的要求；

(2)隨溫度升高至120℃，壓電執(zhí)行器的電容增加了7μF，呈現(xiàn)類似拋物線的增加趨勢(shì)，等效電路中等效電阻減小了約37%，損耗角正切值增加約149%，導(dǎo)致充放電電流峰值增加，輸出位移增加27.9%；

(3)負(fù)載由0N增加到900N時(shí)，壓電執(zhí)行器電容增加了34.5%，損耗角正切值先增加隨后略微降低，遲滯回線包絡(luò)面積減小，壓電執(zhí)行器的遲滯性降低，執(zhí)行器機(jī)械損耗減少，此外，負(fù)載由0N加載到900N，執(zhí)行器輸出位移減小了29.5%。