壓電噴油器壓電執(zhí)行器特性分析與優(yōu)化設(shè)計研究.pdf

1、車用柴油機憑借優(yōu)良的動力性和持久的可靠性，成為多種車輛的動力源，高壓共軌技術(shù)的應(yīng)用使柴油機的優(yōu)勢顯得更為突出。盡管這些年我國在高壓共軌電控噴油器的研究、設(shè)計、制造和試驗等方面都有了長足的進步，但是隨著日益嚴格的節(jié)能與減排要求，電磁閥式噴油器的性能已經(jīng)無法滿足實際應(yīng)用的需要。隨著智能材料的不斷發(fā)展，壓電堆驅(qū)動噴油技術(shù)被認為是柴油機技術(shù)未來的發(fā)展方向。作為壓電噴油器的關(guān)鍵部件，壓電執(zhí)行器相比于傳統(tǒng)的電磁閥執(zhí)行器，具有響應(yīng)速度快、輸出力大及可

2、重復(fù)性高等優(yōu)點將引領(lǐng)未來噴油器執(zhí)行器的發(fā)展趨勢。
　　壓電噴油器工作在高壓大負荷復(fù)雜環(huán)境下，容易受到力場、電場和溫度場等多種場的耦合作用，而此耦合作用會對壓電執(zhí)行器的輸出特性產(chǎn)生較大影響，進而使壓電噴油器的工作性能變差。同時壓電執(zhí)行器作為一種多晶鐵電材料，其自身所特有的遲滯非線性特性與所施加的外在驅(qū)動電壓、預(yù)緊力和溫度有很大的關(guān)系，從而對壓電執(zhí)行器的控制精度的提高帶來巨大的挑戰(zhàn)。因此本文針對壓電噴油器性能優(yōu)化過程中所引發(fā)的工程問題

3、，針對壓電噴油器壓電執(zhí)行器結(jié)構(gòu)尺寸、力電耦合特性、熱-力-電耦合特性和遲滯特性等影響因素，對壓電執(zhí)行器輸出特性進行了深入的研究并進行特性優(yōu)化，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果設(shè)計出壓電噴油器并進行噴油特性測試，為壓電噴油器的性能優(yōu)化提供理論和試驗參考。論文的主要研究內(nèi)容如下:
　　1.壓電執(zhí)行器輸出特性有限元研究
　　采用有限元方法開展了壓電執(zhí)行器輸出特性的研究，得到了壓電執(zhí)行器結(jié)構(gòu)參數(shù)和運行參數(shù)對壓電執(zhí)行器輸出特性的影響規(guī)律，并對執(zhí)行器進行模

4、態(tài)分析。利用ANSYS有限元分析軟件中的參數(shù)化建模方法建立壓電執(zhí)行器的有限元模型，通過試驗驗證所建模型的準確性。然后對影響壓電執(zhí)行器輸出特性的單層壓電片厚度、壓電片橫截面積、橫截面形狀、壓電堆層數(shù)以及驅(qū)動電壓進行仿真計算。仿真結(jié)果表明:當層數(shù)和單層厚度不變時，改變橫截面形狀，可以發(fā)現(xiàn)橫截面形狀對壓電執(zhí)行器位移輸出沒有影響，但橫截面積增大能夠提高壓電執(zhí)行器輸出力;當壓電執(zhí)行器單層厚度不變時，壓電執(zhí)行器層數(shù)增加能夠提高壓電執(zhí)行器輸出位移;當

5、層數(shù)不變，單層厚度減小時，壓電執(zhí)行器輸出位移也隨著減小，但減小量相對于單層厚度而言可忽略不計;隨著驅(qū)動電壓的升高壓電執(zhí)行器位移也隨著增加。最后對壓電執(zhí)行器進行模態(tài)分析，得到壓電執(zhí)行器的各階固有頻率并對得出的頻率進行分析，結(jié)果表明壓電執(zhí)行器具有良好的動態(tài)特性，不會影響壓電噴油器的噴油脈寬。
　　2壓電執(zhí)行器力電耦合特性分析
　　為了對力電耦合條件下的壓電執(zhí)行器輸出特性進行研究，借助所搭建的壓電執(zhí)行器測試系統(tǒng)，進行軸向力電耦合作

6、用下壓電執(zhí)行器的位移輸出特性測試。同時為了便于以后對壓電執(zhí)行器動態(tài)特性和壓電噴油器噴射特性進行研究，設(shè)計出基于等效電容模型的能量自動回收式驅(qū)動電路。并設(shè)計出基于任務(wù)調(diào)度的高壓共軌柴油機單次噴射和多次噴射控制策略。結(jié)果表明:在一定的范圍內(nèi)，隨著預(yù)緊力的增加壓電執(zhí)行器的位移輸出整體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，且隨著驅(qū)動電壓的不同，位移最大值的位置也不相同。在驅(qū)動電壓較低(低于30V)時，輸出位移呈現(xiàn)線性變化，所得到的壓電耦合系數(shù)則幾乎是一個恒定

7、的常數(shù);當電壓增加到一定程度(高于30V)時，輸出位移呈現(xiàn)非線性變化，壓電耦合系數(shù)也呈現(xiàn)非線性變化;在不同的驅(qū)動電壓下，隨著頻率的增加壓電執(zhí)行器在頻率較低時(小于100Hz)，輸出位移近似為線性變化;當頻率增大到一定程度時(大于100Hz)，輸出位移隨著頻率增大而呈現(xiàn)增大趨勢，電壓越大，增長趨勢越大;在不同的驅(qū)動頻率下，輸出脈寬占空比與輸出位移呈現(xiàn)非相關(guān)性;在不同電壓下，壓電執(zhí)行器輸出位移隨著驅(qū)動電壓的上升時間的減小呈現(xiàn)增加的趨勢。

8、r>　　為了揭示力電耦合作用對壓電執(zhí)行器位移輸出特性的影響程度，構(gòu)建基于線性壓電效應(yīng)和非180°電疇翻轉(zhuǎn)效應(yīng)的數(shù)學模型?？紤]材料電疇體積分數(shù)、疇壁運動、電疇形式、矯頑場、預(yù)緊力及力電之間能量相互轉(zhuǎn)換作用等產(chǎn)生的影響，在力電耦合作用下對晶體內(nèi)非180°電疇旋轉(zhuǎn)進行理論分析，對晶體內(nèi)形變進行分析計算。采用試驗的方法對不同預(yù)緊力下的位移輸出特性進行測試，并對不同預(yù)緊力條件下的應(yīng)變進行研究。仿真和試驗結(jié)果表明:在較低的預(yù)緊力下，擬合偏差略大，在

9、中高預(yù)緊力下，擬合效果很好。數(shù)學模型可以很好的對單晶及多晶壓電材料在力電場作用下由非180°電疇誘導(dǎo)所產(chǎn)生的應(yīng)變進行描述，為壓電執(zhí)行器力電耦合特性的研究提供理論基礎(chǔ)。
　　綜合來看，軸向應(yīng)力下的力電耦合對壓電執(zhí)行器的位移輸出具有較大的影響。
　　3.壓電執(zhí)行器位移非線性數(shù)學模型的搭建
　　在力電耦合的基礎(chǔ)上，為了進一步了解溫度對壓電執(zhí)行器輸出特性的影響，在熱力學定律的基礎(chǔ)上，建立壓電執(zhí)行器的生熱和放熱模型。該模型研究了

10、外加驅(qū)動電場幅值、工作頻率、驅(qū)動脈寬信號占空比等參數(shù)對壓電執(zhí)行器溫度變化的影響。然后在試驗的基礎(chǔ)上，借助壓電材料的本構(gòu)方程，在力-電-熱耦合條件下擬合出壓電執(zhí)行器位移的準則關(guān)系式，構(gòu)建出位移非線性數(shù)學模型。
　　在不同壓電噴油器運行條件下對執(zhí)行器自生熱性能進行研究，研究結(jié)果表明:當驅(qū)動電壓幅值和工作頻率增大時，溫度也隨之升高;當控制脈寬的占空比增大時，溫度也隨之升高，因此壓電執(zhí)行器可以采用高電場強度低占空比的工作模型。
　　

11、借助數(shù)值法對假設(shè)條件、次要因素等進行影響程度分析，并通過有限元法對關(guān)聯(lián)式所得的位移進行誤差分析，確定關(guān)聯(lián)式計算結(jié)果的準確性和實用性。結(jié)果表明:位移非線性數(shù)學模型可以有效的對不同溫度、不同預(yù)緊力下的壓電執(zhí)行器的位移進行有效的預(yù)測，可以為壓電執(zhí)行器在熱-力-電耦合條件下的設(shè)計提供理論基礎(chǔ)。
　　4.壓電執(zhí)行器遲滯特性建模與控制
　　為了進一步提高壓電噴油器燃油噴射的控制精確，需要對壓電執(zhí)行器遲滯非線性進行精確的控制，基于Duhe

12、m模型搭建壓電執(zhí)行器的遲滯非線性模型。根據(jù)Weierstrass第一逼近定律采用多項式擬合的方法對模型中的函數(shù)進行逼近，并采用遞推最小二乘法對遲滯模型進行參數(shù)辨識。并借助壓電執(zhí)行器壓電系數(shù)和溫度的關(guān)系建立不同溫度下的遲滯模型，并以此對其進行擬合，為不同溫度下壓電執(zhí)行器遲滯特性的研究特供理論基礎(chǔ)。
　　為了減小壓電執(zhí)行器的遲滯特性，在壓電執(zhí)行器Duhem模型的基礎(chǔ)上建立Duhem遲滯逆模型，并采用遲滯逆模型對壓電執(zhí)行器進行前饋開環(huán)控

13、制，仿真結(jié)果表明壓電執(zhí)行器的遲滯系統(tǒng)非線性得到大大的改善，達到較好的控制效果。為進一步提供控制精度，在前饋控制的基礎(chǔ)上增加模糊自適應(yīng)PID控制，構(gòu)成逆模型前饋和模糊自適應(yīng)PID反饋相結(jié)合的復(fù)合控制。仿真結(jié)果表明:遲滯系統(tǒng)最大輸出誤差得到進一步的減小，復(fù)合控制能夠進一步提高了壓電執(zhí)行器的控制精度。
　　5.壓電執(zhí)行器設(shè)計和試驗研究
　　在對壓電執(zhí)行器特性研究的基礎(chǔ)上，對壓電執(zhí)行器進行加工方案設(shè)計，由于受工藝水平和知識水平的限制