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

1、車用柴油機(jī)憑借優(yōu)良的動(dòng)力性和持久的可靠性，成為多種車輛的動(dòng)力源，高壓共軌技術(shù)的應(yīng)用使柴油機(jī)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(jì)、制造和試驗(yàn)等方面都有了長足的進(jìn)步，但是隨著日益嚴(yán)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(shí)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(dòng)噴油技術(shù)被認(rèn)為是柴油機(jī)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(diǎn)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(fù)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(huì)對(duì)壓電執(zhí)行器的輸出特性產(chǎn)生較大影響，進(jìn)而使壓電噴油器的工作性能變差。同時(shí)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(dòng)電壓、預(yù)緊力和溫度有很大的關(guān)系，從而對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)壓電執(zhí)行器輸出特性進(jìn)行了深入的研究并進(jìn)行特性優(yōu)化，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果設(shè)計(jì)出壓電噴油器并進(jìn)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(yàn)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(yùn)行參數(shù)對(duì)壓電執(zhí)行器輸出特性的影響規(guī)律，并對(duì)執(zhí)行器進(jìn)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(yàn)驗(yàn)證所建模型的準(zhǔn)確性。然后對(duì)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(dòng)電壓進(jìn)行仿真計(jì)算。仿真結(jié)果表明:當(dāng)層數(shù)和單層厚度不變時(shí)，改變橫截面形狀，可以發(fā)現(xiàn)橫截面形狀對(duì)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(dāng)壓電執(zhí)行器單層厚度不變時(shí)，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(dāng)

5、層數(shù)不變，單層厚度減小時(shí)，壓電執(zhí)行器輸出位移也隨著減小，但減小量相對(duì)于單層厚度而言可忽略不計(jì);隨著驅(qū)動(dòng)電壓的升高壓電執(zhí)行器位移也隨著增加。最后對(duì)壓電執(zhí)行器進(jìn)行模態(tài)分析，得到壓電執(zhí)行器的各階固有頻率并對(duì)得出的頻率進(jìn)行分析，結(jié)果表明壓電執(zhí)行器具有良好的動(dòng)態(tài)特性，不會(huì)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(duì)力電耦合條件下的壓電執(zhí)行器輸出特性進(jìn)行研究，借助所搭建的壓電執(zhí)行器測試系統(tǒng)，進(jìn)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(shí)為了便于以后對(duì)壓電執(zhí)行器動(dòng)態(tài)特性和壓電噴油器噴射特性進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)出基于等效電容模型的能量自動(dòng)回收式驅(qū)動(dòng)電路。并設(shè)計(jì)出基于任務(wù)調(diào)度的高壓共軌柴油機(jī)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(dòng)電壓的不同，位移最大值的位置也不相同。在驅(qū)動(dòng)電壓較低(低于30V)時(shí)，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(gè)恒定

7、的常數(shù);當(dāng)電壓增加到一定程度(高于30V)時(shí)，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(dòng)電壓下，隨著頻率的增加壓電執(zhí)行器在頻率較低時(shí)(小于100Hz)，輸出位移近似為線性變化;當(dāng)頻率增大到一定程度時(shí)(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(dòng)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(dòng)電壓的上升時(shí)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(duì)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(xué)模型?？紤]材料電疇體積分?jǐn)?shù)、疇壁運(yùn)動(dòng)、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(duì)晶體內(nèi)非180°電疇旋轉(zhuǎn)進(jìn)行理論分析，對(duì)晶體內(nèi)形變進(jìn)行分析計(jì)算。采用試驗(yàn)的方法對(duì)不同預(yù)緊力下的位移輸出特性進(jìn)行測試，并對(duì)不同預(yù)緊力條件下的應(yīng)變進(jìn)行研究。仿真和試驗(yàn)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(xué)模型可以很好的對(duì)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(jìn)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(duì)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(xué)模型的搭建
　　在力電耦合的基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步了解溫度對(duì)壓電執(zhí)行器輸出特性的影響，在熱力學(xué)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(dòng)電場幅值、工作頻率、驅(qū)動(dòng)脈寬信號(hào)占空比等參數(shù)對(duì)壓電執(zhí)行器溫度變化的影響。然后在試驗(yàn)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(zhǔn)則關(guān)系式，構(gòu)建出位移非線性數(shù)學(xué)模型。
　　在不同壓電噴油器運(yùn)行條件下對(duì)執(zhí)行器自生熱性能進(jìn)行研究，研究結(jié)果表明:當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓幅值和工作頻率增大時(shí)，溫度也隨之升高;當(dāng)控制脈寬的占空比增大時(shí)，溫度也隨之升高，因此壓電執(zhí)行器可以采用高電場強(qiáng)度低占空比的工作模型。
　　

11、借助數(shù)值法對(duì)假設(shè)條件、次要因素等進(jìn)行影響程度分析，并通過有限元法對(duì)關(guān)聯(lián)式所得的位移進(jìn)行誤差分析，確定關(guān)聯(lián)式計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。結(jié)果表明:位移非線性數(shù)學(xué)模型可以有效的對(duì)不同溫度、不同預(yù)緊力下的壓電執(zhí)行器的位移進(jìn)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(jì)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(jìn)一步提高壓電噴油器燃油噴射的控制精確，需要對(duì)壓電執(zhí)行器遲滯非線性進(jìn)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(xiàng)式擬合的方法對(duì)模型中的函數(shù)進(jìn)行逼近，并采用遞推最小二乘法對(duì)遲滯模型進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)。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(duì)其進(jìn)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(duì)壓電執(zhí)行器進(jìn)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(dá)到較好的控制效果。為進(jìn)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(jìn)一步的減小，復(fù)合控制能夠進(jìn)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(jì)和試驗(yàn)研究
　　在對(duì)壓電執(zhí)行器特性研究的基礎(chǔ)上，對(duì)壓電執(zhí)行器進(jìn)行加工方案設(shè)計(jì)，由于受工藝水平和知識(shí)水平的限制