基于压电效应的喷油器及其控制

基于压电效应的喷油器及其控制　刘跃明，黄炳华　（深圳职业技术学院汽车与交通学院，广东深圳５１８Ｏ５５）　

Ｆｕｅｌ　Ｉｎｊ　ｅｃｔｏｒ　Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｆｌｅｘｉｂｌｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｎ　Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ　ＬＩＵ　Ｙｕｅ—ｍｉｎｇ，ＨＵＡＮＧ　Ｂｉｎｇ—ｈｕａ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ　ａｎｄ　Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ，Ｓｈｅｎｚｈｅｎ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ，Ｓｈｅｎｚｈｅｎ　５１８０５５，Ｃｈｉｎａ）　

摘要：基于压电效应的喷油器重量轻，响应快，　灵敏度高；能够实现少量的预喷油、多次喷油，且喷　油开始时刻、喷油间隔时间能够随发动机的运行工　况进行柔性控制，排放可以达到欧洲Ⅳ号标准。对　基于压电效应的喷油器的结构及其工作原理进行了　分析，并对压电模块驱动器的工作特性进行了分析。　关键词：压电效应；放大器；喷油器　中图分类号：Ｕ４７２；ＴＰ３６８　文献标识码：Ａ　文章编号：１００ｌ一２２５７（２００７）０８—００６８—０３　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｕｅｌ　ｉｎｊ　ｅｃｔｏｒ　ｏｎ　Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ　ｈａｖｅ　ｌｉｇｈｔ　ｉｎ　ｗｅｉｇｈｔ，ｓｗｉｆｔｎｅｓｓ　ｏｆ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ．Ｉｔ　ｍａｙ　ｂｅ　ｒｅ—　ａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｔｏ　ｉｎｊ　ｅｃｔｏｒ　ａ　ｆｅｗ　ｆｕｅｌ　ｉｎ　ａｄｖａｎｃｅ　ａｎｄ　ｍｏｒｅ　ｆｕｅｌ　ｔｉｍｅ　ａｆｔｅｒ　ｔｉｍｅ．Ｉｔｓ　ｓｔａｒｔ　ａｎｄ　ｉｎｔｅｒｖａｌ　ｔｉｍｅ　ｃａｎ　ｂｅｅｎ　ｆｌｅｘｉｂｌｅ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ｗｉｔｈ　ｅｎｇｉｎｅ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎ　ｂｙ　ＥＣＵ．Ｔｈｅ　ｅｘｈａｕｓｔ　ｍａｙ　ｂｅ　ｓａｔｉｓｆｉｅｄ　Ｅｕｒｏｐｅ　ｌＶ．　Ｔｈｉｓ　ｉｓ　ａ　ｐａｐｅｒ　ｔｈａｔ　ａｎａｌｙｚｅｄ　Ｆｕｅｌ　Ｉｎｊ　ｅｃｔｏｒ　ｃｏｎｆｉｇｕ—　ｒａｔｉｏｎ．ｆｌｅｘｉｂｌｅ　ｃｏｎｔｒｏ１．ａｎｄ　ｗｏｒｋ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｏｎ　ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ；ａｍｐｌｉｆｉｅｒ；ｉｎｊ　ｅｃｔｏｒ　

Ｏ　引言　柴油机燃油喷射与雾化始终是一个技术难题，　为了保障空气质量，各国政府都逐步加大了对机动　车辆尾气排放的限制，发动机生产企业纷纷投入巨　资，研究开发低排放的发动机。目前的车用柴油发　动机，排放的多数微粒的直径都在０．０５～０．１８肚ｍ　之间。高压喷射及其它技术的应用，使得柴油燃烧　变得更充分彻底，极大限度地降低了汽车尾气排放　

收稿日期：２００７一Ｏ１—２１　基金项目：深圳市科技和信息局资助（２００５ＫＪＨ００７）　

・　６８　・　

微粒的数量及其质量，达到减少排放的最终目标。　采用压电效应喷油器的共轨喷油系统，能使燃　油得到更好的雾化，形成极细的小颗粒油滴，使燃烧　更加彻底，功率可提高５　９，６，柴油机排气有害物降低　２Ｏ　９，６，燃油消耗降低３　，噪声降低３　ｄＢ（Ａ）；压电　效应喷油器的尺寸和重量又比电磁式喷油器明显减　小，柴油机整体设计更加紧凑；压电效应喷油器还能　够实现多次喷油，且对喷油量的分配、喷油时间点以　及喷射燃油压力都能够得到精确柔性控制。　

１　压电效应　某些晶体如石英、压电陶瓷及锆钛酸钡等，当沿　一定方向对其施加外力，晶体不仅产生机械变形，而　且其内部产生极化现象，从而在相对表面上出现异　性电荷，形成电场。当外力去掉后，晶体又恢复到不　带电状态，这种物理现象被称为压电效应。压电效　应所产生的电荷量与作用力成正比。　设Ｑ为电荷量；Ｆ为作用力；ｋ为压电系数，则　有关系式：　Ｑ—ｋＦ　同样，压电晶体也会在电场作用下发生线性形　变，输出较大的载荷。这种物理现象被称之为逆压　电效应。　实际应用中，往往是把多片晶体迭加在一起形　成压电迭堆，构成压电迭堆的各层压电片在机械结　构上串联，在电学上并联。依据其连接形式的不同，　有电荷放大式、电压放大式。压电效应具有响应快、　激励电压或电流大、无振动等特点Ｌ２］。　本文所述的喷油器就是采用此逆压电效应原　理。通过对组装在喷油器内部的压电模块施加某种　特定可控电场来实现喷油器的关闭，从而实现燃油　喷射的柔性控制。　

《机械与电子￣２００７（８）　

维普资讯 http://www.cqvip.com ２喷油执行器结构及工作原理　薹　曩　’　２．１　结构及特点　中的共轨油压的作用一Ｆ，阀针处于下位，喷油嘴关　压电式喷油器结构如图１所示，主要由回油口、　闭，喷油器不工作。　

回　孔　图１压电式喷油器　进油口、压电动作模块、液压连接器、伺服控制阀、喷　嘴模块和喷孔组成。压电式喷油器中运动件阀针的　质量和摩擦阻力显著减小，动态性能好，因此压电式　共轨系统能够在非常短的时间间隔里实现多次喷　油，有关理论表明在一个喷油周期里可实现多达５　次喷油，这对进一步提高动力性、降低排放非常有　利。　２．２压电式喷油器工作原理　压电式喷油器的一个重要部件是液压连接器，　如图２所示。液压连接器的作用是：传递和放大压　电模块的行程、平衡压电模块和伺服控制阀之间间　隙的变化（例如热胀冷缩引起）和失效时的安全保护　作用。在压电模块和液压连接器里充满压力大约１　ＭＰａ的柴油，当压电模块没有控制信号时，压电作　动器、液压连接器和伺服阀中压力处于平衡状态。　

图２液压连接器的作用　当压电模块受逆压电效应的作用伸长一定行　程，使液压连接器中压力升高，压电模块与伺服控制　阀之间的力平衡被打破，伺服控制阀向下移动，控制　喷油器开始喷油。即压电式喷油器的阀针是通过伺　服控制阀间接控制的，所需喷油量由伺服阀作用时　间来控制。　伺服阀工作过程如图３所示，在没有控制信号　《机械与电子￣２００７（８）　（ａ）初始状态　（ｂ）阀针开启状态　（ｃ）阀针关闭状态　图３伺服控制阀的工作过程　当压电模块通电时使得伺服控制阀向下移动时　（图３ｂ），旁通通道被关闭，此时由于进油节流ＶＩ、出　油节流ＶＩ的节流作用，控制腔中油压下降，阀针在弹　簧力作用下向上运动，喷嘴打开，喷油开始。　当压电模块失电时，伺服控制阀在回位弹簧力　作用下上移（图３ｃ）所示，打开旁通通道，高压油通　过进、出节流阀同时流向控制腔，控制腔油压升高到　一定大小时，克服阀针所受的弹簧力向下移动，关闭　喷油嘴，喷油过程结束。　３　压电式喷油器的控制　喷油始点、喷油延续时间是喷油器工作所需的　关键参数。而基于压电效应的喷油器的喷油始点、　喷油延续时间及喷油次数是由发动机ＥＣＵ所给的　脉冲信号控制决定，且与压电模块的特性密切相关，　而与转速、负荷无直接关系。而压电晶体所表现出　来的优异特性如响应快、无振动、灵敏度高，彻底摆　脱了机械燃油喷射系统的弊端，使得燃油喷射的控　制可以按照喷油器最佳喷射规律曲线来进行，并在　一个工作循环里实现多次喷射，对燃料的充分燃烧、　降低排放非常有利。　通常汽车电压源是１２　Ｖ直流电，而压电模块需　要一个高电压（１１Ｏ～１５０　Ｖ）驱动，有的产品驱动压　电模块的电压达４００　Ｖ。为此解决的方案是串接一　个直流功率放大器。如图４所示，根据发动机运行　工况，ＥＣＵ控制功率放大器输入的电压Ｕ　，以获　取满足压电模块需求的驱动高压，从而驱动压电模　块ＰＺＴ的工作。　・　６９　・　

维普资讯 http://www.cqvip.com 图４放大器原理　根据不同共轨压力来提供不同的控制电压，以　改变压电晶体控制喷油始点及喷油延续时间。然后　将控制电压的高低成线性地转换成压电晶体的位移　形变，从而控制喷油器针阀的开启与关闭。　通过功率放大器驱动电流作用后的压电模块工　作特性如图５所示。放大器的电流一时间关系如图　５ａ所示，当压电模块收到一正向脉冲激励，则膨胀　伸长，由液压连接器转递放大，经伺服控制阀控制针　阀上移，高压油从喷孔中喷出。当压电晶体收到一　反向脉冲激励，则压电模块迅速收缩，针阀在高压油　的作用下关闭喷孑Ｌ，停止喷油。　ｌ　２　６　《　＼　０　０　

—６　ｌ　２　

：　１　＼　ｊ。　

０　０．２　０．４　０．６　０．８　ｌ　ｔｉｍｉｎ　（ａ）脉冲电流　

０　０．２　０．４　０．６　０．８　Ｌ　ｔ／ｍｉ　ｎ　（ｂ）压电模块位移　图５压电模块位移输出特性　压电模块的每一次充电和放电过程进行的速度　都取决于脉冲功率。而单位时间内可能实现的喷射　次数则取决于持久功率，根据计算，即使在采用高电　・７０・　

容压电执行器的场合，在３　５００　ｒ／ｍｉｎ的转速下，都　有可能在柴油机典型的喷射时间窗内使喷油嘴针阀　动作１Ｏ次，在５　０００　ｒ／ｍｉｎ的转速下可以动作６次，　这非常有利于降低排放污染。喷油器动态响应的进　一步提高受到压电模块、控制阀、针阀等元件组成的　振动系统的共振频率的限制。　ＯＫＯ公司的Ａ４ＭＥＮＳ压电模块驱动器，在　ＤＣ至２５０　Ｈｚ的频率内可以输出１０　ｎＦ的驱动力，　在１　ｋＨｚ以内可以获１　ｎＦ的驱动力，功率消耗仅为　２．５　Ｗ，在１００　ｓ时间窗１：３内，脉冲电流达到４Ｏ　Ａ，　输出电压为０．５￣３００　Ｖ。　

４　结束语　喷油器整体重量比电磁式喷油器明显减小（重　量从４９０　ｇ降至２７０　ｇ），且喷油器运动部件质量小，　喷油响应快，发动机提速灵敏。在ＥＣＵ的控制下，　能够实现少量的预喷油、多次喷油；且喷油开始时　刻、喷油间隔时间能够随发动机的工况进行柔性控　制，油耗减少３　、功率增加７　，排放减少２Ｏ　９／６，可　以达到欧洲Ⅳ号标准的排放要求。压电晶体的位移　经液压连接器传递、放大；并且液压连接器平衡压电　晶体和伺服控制阀之间间隙的变化，因此喷油器噪　声降低达３　ｄＢ（Ａ）。ＥＣＵ控制压电模块驱动放大　器按一定的时间间隔输出正向、反向脉冲电流，以实　现喷油器的快速开闭。　

参考文献：　［１］宓浩祥，等．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）．　［２Ｊ　Ｍｉｃｈａｅｌ　Ｓｃｈｕｇｔ，Ｒｏｇｅｒ　Ｕｈｌｅｎｂｒｏｃｋ．Ｆｌｅｘｉｂｌｅ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｅｎｔｉｒｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｃｈａｉｎ　ｏｆ　ｐｉｅｚｏ—ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ　ｄｒｉｖｅｎ　ｆｕｅｌ　ｉｎｊｅｃｔｏｒｓ［Ｊ］．ＡＴＺｅｌｅｋｔｒｏｎｉｋ，２００６，（１）．　［３］　范明强，等．柴油轿车用第三代压电直接控制式喷油器　的共轨喷油系统［Ｊ］．汽车与配件，２００５，４９．　［４Ｊ钱人一．西门子公司带压电执行器的轿车柴油机新型　共轨喷射系统［Ｊ］ｌ汽车与配件．２ｏｏ３，２５．　［５］薛实福．精密仪器设计［Ｍ］．北京：清华大学出版社，　】９９ｌ＿　

作者简介：刘跃明　（１９５８一），男，云南昆明人，副教授，研究　方向为测试技术