柴油机电控喷油系统用压电陶瓷阀研究

　　产品开发柴油机电控喷油系统用压电陶瓷阀研究何伟，徐波，张宗杰（华中科技大学动力工程系，湖北武汉430074）过系统设计、性能分析以及模拟计算，结果表明，该阀的响应特性明显优于电磁开关阀。

　　在柴油机共轨式电控喷油系统中，喷油率控制是通过高响应电液开关阀来实现的柴油机燃油喷射的高压、高频脉动等特点决定了电液开关阀必须具有快速响应能力、工作性、重复性、可靠性以及良好的流通能力。其中响应特性是重要的，一般响应时间仅为几个毫秒。目前，柴油机电控喷油系统中用于驱动电液开关阀的驱动器主要是强力高速电磁铁受安装空间、电磁力、运动惯性等因素影响，进一步提高高速电磁阀的响应能力遇到了很大困难压电陶瓷驱动器是近年来发展起来的一种新型微位移驱动器件，由于它响应快，功耗低，位移控制精度高，有较大的力输出并且易于控制，因此被广泛应用于光学、电子航天航空、机械制造、生物工程、机器人等领域利用压电陶瓷的特性，研制用于高压系统的电液开关阀，将有利于提高柴油机电控喷油系统的技术水平主要研究柴油机电控喷油系统1系统构成及分析本文所研究的压电陶瓷阀如所示，它是在现有高速电磁阀的基础上，将高速电磁铁替换成压电陶瓷驱动器并添加液压放大机构而形成的，主要由压电堆、液压放大机构和分动滑阀式控制阀组成工作时，压电堆在驱动电压的激励下产生一定的位移，此位移经液压放大后，推动滑阀运动。以下分述各部分1.压电堆2.活塞3.液腔4.阀芯5.回位弹簧压电陶瓷阀结构示意。1压电堆一般压电材料的压电应变常数都很小，因此单个压电体的位移输出量是很有限的。若增加驱动电压，不仅对前置电压放大器提出了过高的要求，而且内燃机22001年可知稳态燃油力相当的弹簧刚度为：口的流速系数；k为滑阀控制油口过流面积梯度；APv为阀腔截流口处两端压差；9为滑阀阀口液流角。

　　瞬态燃油力相当的阻尼系数为：根据滑阀进出口节流的情况，滑阀在开启或关闭时所产生的瞬态液动力需具体分析，它可能使滑阀趋于关闭，也可能使滑阀趋于开启。

　　2模拟计算与结论采用四阶龙格一库塔法对上述方程组进行求解。在驱动电压800V，位移放大倍数为25，蓄压室控制油压20MPa时，滑阀开启和关闭时的输出位移见由图可知：滑阀输出位移为1mm，开启时间为1.14ms，关闭时间为1.22ms关闭时响应稍微慢一点，这是由于单向阀在滑阀开启时不起作用，而在关闭时向液腔充油，使得液腔压力变化率比开启时小，从而阻碍了阀芯的回位现有针对150单缸柴油机蓄压式电控喷油系统的高速电磁开关阀开启时间为3. 25ms，关闭时间为2. 71ms两相比较可知，压电陶瓷阀的响应速度明显优于电磁开关阀。电磁开关阀的响应特性是与其控制延迟相对应的，控制延迟包括电子延迟、电磁延迟机械惯性延迟和液力延迟压电陶瓷阀也是如此，其控制延迟包括电子延迟、压电延迟、机械惯性延迟和液力延迟电子延迟来自于驱动电路，由于压电堆的电容很大，因而需要很强的驱动电流来减小电子延迟，所以驱动电路中必须含有快速充放电回路压电延迟指的是压电陶瓷对电压的响应存在迟滞和蠕变，相对于其它三项延迟而言，压电延迟是很小的正因为如此，才使得压电陶瓷阀比具有相同负载（滑阀）的电磁开关阀响应快机械惯性延迟来源于活塞和阀芯的质量液力延迟包括两部分，滑阀部分的液力延迟与喷油系统的液力油压差、燃油的粘性和温度、溢流阀面积和形状等有关；液压放大机构的液力延迟主要来源于液腔的液容和单向阀的开关特性而液腔的液容除了与液腔的体积和燃油的体积弹性模量有关外，还与液腔管壁材料的弹性模量和泊松比有关总而言之，为了尽可能地提高压电陶瓷阀的响应速度，必须合理设计液压放大机构和滑阀的结构形式与结构参数，合理选择压电陶瓷的材料，合理设计驱动电路。

　　上述的模拟计算对此提供了设计依据