（动力机械及工程专业论文）压电晶体喷油器及驱动策略的研究.pdf

摘要 摘要 高压共轨系统是柴油机燃油喷射系统的发展趋势。为了满足越来越严格 的发动机排放法规的要求，对燃油喷射过程进行全方位的柔性控制越来越普 遍地应用于柴油机高压共轨系统。压电晶体执行器与电磁阀执行器相比，在 很多方面都有着先天的优越性，是高压共轨系统喷油器理想的执行器。本论 文选题紧跟柴油机燃油喷射系统的发展趋势，具有深远的意义。 对压电晶体性质的研究始于十九世纪末期，人们已经对压电晶体的压电 效应、逆压电效应等性质进行了大量的研究。本文在这些研究的基础上，结 合柴油机高压共轨系统应用环境，从理论上分析了压电执行器运动状况与所 处电磁环境的关系。 设计一个驱动电路首先应该提出对该驱动电路的要求。本文在充分理解 柴油机高压共轨系统对喷油器执行器的要求的基础上，结合执行器本身的条 件，对驱动电路提出了要求。驱动电路控制压电晶体执行器的充放电过程， 实际上是对压电晶体执行器运动状态的控制。针对压电晶体执行器的要求和 特性，作者提出了“初期开环控制加速，中期闭环控制匀速伸长，末期开环 控制减速”的简单而可行的控制策略。结合控制策略和驱动要求，作者对驱 动电路进行了模块化设计。 文中提出了几套驱动策略，包括电压驱动方式、电流驱动方式和时间控 制驱动方式。在对电压驱动方式和电流驱动方式两者对压电晶体执行器进行 充电的过程的研究中作者发现，两者的驱动效果差别很小。同时还发现，随 着时间的增加，开关管打开进行充电的时间越来越长，得出了时间控制驱动 方式响应速度较慢的结论。 本论文最后选择了电流驱动方式在压电晶体执行器充电、放电( 即喷油 器开始喷油和停止喷油) 的全过程进行了试验验证，结果证明该方案满足预 期要求。 关键词：柴油机，高压共轨，压电晶体，喷油器，驱动电路 a b s t r a c t a b s t r a c t c o m m o n r a i ls y s t e mi st h ed e v e l o p m e n tt r e n do ft h ed i e s e lf u e li n j e c t i o n s y s t e m i no r d e rt om e e ti n c r e a s i n g l ys t r i n g e n te m i s s i o n sr e g u l a t i o n s ，f u l lr a n g eo f f l e x i b l ec o n t r o li sb e i n gm o r ew i d e l yu s e di nc o m m o n - r a i ls y s t e m c o m p a r e d w i t ht h e e l e c t r o m a g n e t i cv a l v ea c t u a t o r , p i e z oa c t u a t o rh a s al o ti n h e r e n t a d v a n t a g e s ，a n di st h ei d e a la c t u a t o rf o ri n j e c t o r si nc o m m o n r a i ls y s t e m t h i s p a p e r k e e p su pw i t ht h et r e n do ft h ed e v e l o p m e n to fd i e s e lf u e li n j e c t i o ns y s t e m a n dw i t hf a r - r e a c h i n gs i g n i f i c a n c e r e s e a r c h e so np i e z ob e g a ni nt h el a t e19 t hc e n t u r y p e o p l eh a v ed o n eal o to f s t u d i e so nt h ep i e z o e l e c t r i ce f f e c t , t h er e v e r s ep i e z o e l e c t r i ce f f e c t ，a n do t h e r p r o p e r t i e so fp i e z o b a s e do nt h e s es t u d i e sa n dt h ea p p l i c a t i o ni nt h ec o m m o n - r a i l s y s t e m , t h i sp a p e rh a sa n a l y z e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ep i e z oa c t u a t o r s m o v e m e n ta n dt h ee l e c t r o m a g n e t i ce n v i r o n m e n ti nw h i c ht h ep i e z os t a y t h e d e s i g no fad r i v i n gc i r c u i ts h o u l df i r s tp u tf o r w a r dt h er e q u e s t b a s e do n r e q u e s to fc o m m o n - r a i la p p l i c a t i o na n dt h ea c t u a t o r sp r o p e r t i e s ，t h i sp a p e rh a s g i v e ns o m er e q u e s to nt h ed r i v i n gc i r c u i t t h ea u t h o rp r o p o s e da “s p e e d i n gu pi n ao p e n l o o pc o n t r o la tt h eb e g i n n i n g ，k e e p i n gu n i f o r me l o n g a t i o ni nac l o s e d l o o p c o n t r o lw i t h i nt h em e d i u m t e r m ，a n da tt h ee n dd e c e l e r a t i n gi nao p e n l o o p c o n t r o l ”，as i m p l eb u tp r a c t i c a lc o n t r o ls t r a t e g y a n da l s oh a sm a d eam o d u l a r d e s i g no ft h ed r i v i n gc i r c u i t t h i s p a p e r h a s p u tf o r w a r d s e v e r a l d r i v i n g - s t r a t e g y , i n c l u d i n g t h e v o l t a g e d r i v e na p p r o a c h ，t h ec u r r e n t d r i v e na p p r o a c ha n dt h et i m i n g c o n t r o l d r i v i n ga p p r o a c h i nt h es t u d i e so nt h ec o m p a r i s o no ft h ep e r f o r m a n c e so ft h e v o l t a g e - d r i v e na p p r o a c ha n dt h ec u r r e n t d r i v e na p p r o a c hi nt h ec h a r g i n go fp i e z o ， a u t h o rf o u n dt h a tt h e s et w oa p p r o a c h e sh a dl i t t l ed i f f e r e n c e a l s of o u n dt h a tt h e s w i t c ho p e n e dal o n g e rt i m ew i t ht h ei n c r e a s i n go ft i m e h e n c et h et i m i n g - c o n t r o l d r i v i n ga p p r o a c hm u s th a v eal o n g e rc h a r g i n gt i m e i i a b s t r a c t a tt h ee n do ft h i sp a p e r , t h ea u t h o rm a d eav e r i f i c a t i o no ft h ef i n a lc h o i c eo f t h ec u r r e n t - d r i v e na p p r o a c hi nt h ei m p l e m e n t a t i o no ft h ep i e z oc h a r g ea n d d i s c h a r g ew i t hs o m ee x p e r i m e n t a t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es o l u t i o ni s e x p e c t e dt om e e tt h er e q u i r e m e n t s k e y - w o r d s ：d i e s e l ，c o m m o n r a i l ，p i e z o ，i n j e c t o r , d r i v i n gc i r c u i l i i i 图表日录 图1 图2 图3 图4 图5 图6 图7 图8 图9 图l o 图l l 图1 2 图1 3 图1 4 图1 5 图1 6 图1 7 图1 8 图1 9 图2 0 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图表目录 电装公司的高压共轨e c u u 2 系统简图5 高压共轨系统框图8 高压油泵机构示意图9 高压油泵泵油时序1 0 电控喷油器总成及结构示意图1 2 电源电路框图。1 4 数字电路示意图15 数字信号输入处理电路1 6 模拟信号输入处理电路16 脉冲信号输入处理电路1 7 电磁铁低边开关驱动电路18 发动机转速信号。1 9 柴油机工况划分简图。2 1 柴油机理想的喷油速率2 3 多次喷射示意图。2 4 压电晶体弹、电、热关系示意图2 6 压电陶瓷材料位移电场关系示意图3 2 电致伸缩陶瓷材料位移电场关系示意图3 2 反铁电铁电相变陶瓷位移电场关系示意图。3 3 压电式喷油器结构示意图3 5 压电执行器的电压与电流控制驱动方式形变量示意图3 8 电磁阀执行器驱动电流及控制信号图3 9 压电执行器一般控制框图4 2 高压产生原理示意图4 2 模拟放大器控制原理4 3 开关控制原理4 4 v i 图表h 录 图2 7 图2 8 图2 9 图3 0 图3 l 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图4 0 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图5 0 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 充电过程电流流向4 4 放电过程电流流向4 5 电压驱动方式反馈原理示意图4 6 电流驱动方式反馈原理示意图4 7 时间控制策略与事件控制策略对比图4 8 u c 3 8 4 2 框图4 9 高压产生电路4 9 m o s f e t 与i g b t 的比较5 0 i n f i n e o n 双封装i g b t 。5l 开关电路5 2 差分放大电路5 3 选缸电路一5 4 压电执行器控制策略5 6 加速阶段充电等效电路5 7 加速阶段充电仿真结果。5 8 电压驱动方式控制逻辑图5 9 压电执行器驱动控制信号时序图6 0 电压驱动方式驱动原理图( 部分) 6 1 电压驱动方式驱动电路充电过程仿真结果6 2 电流驱动方式控制逻辑图6 3 电流驱动方式驱动原理图( 部分) 6 3 电流驱动方式驱动电路充电过程仿真结果6 4 时间控制策略与事件控制策略充电时间、速度对比图6 5 压电晶体执行器6 6 压电晶体执行器驱动电路6 7 压电晶体式共轨e c u 实物图6 8 驱动故障诊断逻辑7 l c a n u s b 通信板一7 2 上位机监控软件7 2 l 图表门录 图5 6压电晶体驱动特性波形图7 3 v 1 1 i 学号 2 0 6 0 8 2 2 7 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝望盘堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：锄也肋j 签字日期：沙唧年月勿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解迸姿盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权堑婆盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：杭州常兴汽车电子有限公司 通讯地址：杭州市体育场路3 7 9 号运务大楼11 0 5 电话：0 5 7 1 2 8 8 0 2 6 6 8 邮编：3 1 0 0 0 0 绪论柴油机技术的发展 第一章绪论 1 1 柴油机技术的发展 1 8 9 2 年，鲁道夫狄塞尔( r u d o l fd i e s e l ) 博士提出了一种旋转式热力 发动机，它的基本工作过程是：在上止点之后向气缸内被压缩到2 0 0 个大气 压的空气中吹入炭粉，使之燃烧，然后再平稳地膨胀到大气压。上述想法就 是著名的德国专利n o 6 7 2 0 7 热力发动机原理与结构。同时，狄塞尔还提 出了论文：“代替蒸汽机及现用发动机的合理的热力发动机的理论与设计”。 一般认为，狄塞尔发动机( 柴油机) 从此诞生【l 】。 柴油机技术的发展历史上经历了三次重大的技术飞跃：机械式燃油系统、 增压中冷和电控燃油喷射【1 1 。 早期的柴油机( 狄塞尔发动机) 采用炭粉作为燃料，用高压空气喷射。 由于每个循环的燃料量无法进行精确的控制，因此，在狄塞尔发动机诞生之 后的3 0 年间，技术上一直处于探索徘徊过程中，使柴油机的推广应用受到了 很大的限制。1 9 2 7 年，德国博世公司研制出了直列式合成泵，成功解决了上 述难题，为柴油机技术的腾飞创造了条件。其后，很多公司都推出了自己的 燃油供给系统。2 0 世纪6 0 年代分配式喷油泵研制成功，为柴油机在轿车和 轻型车上的应用铺平了道科1 1 。 涡轮增压和中冷技术是柴油机技术发展史上的第二次飞跃。1 9 2 1 年，瑞 士a l f r e db u c h i 博士申请了“脉冲系统 的废气涡轮增压专利，1 9 2 7 年成功 开发出实用的涡轮增压柴油机。增压技术是提高柴油机燃油经济性的基本手 段之一，但早期的涡轮增压器的能量转换效率比较低，另一方面，经过改造 而来的增压柴油机在耐久性和可靠性等方面的技术尚不成熟，因此，当时的 柴油机技术水平并不高。中冷技术的开发，大大推动了涡轮增压技术的发展， 使柴油机的比功率成倍提高，并改善了柴油机的综合性能，显示出巨大的发 展潜力i 。 2 0 世纪中期，汽车排放物对大气的污染日趋严重，并逐渐引起人们的关 注，柴油机的排放污染物控制法规也被提上了议事日程，排放污染物的控制 绪论 柴油机电控燃油喷射技术 成了柴油机的重要技术难题；1 9 7 3 年和1 9 7 9 年两次石油危机使人们认识到 石油资源是有限的，节能降耗也成了广大柴油机技术人员追求的目标【1 】。前 述环境与能源两大问题即是人类2 0 世纪面对的两大难题。要使柴油机在降低 排放水平的同时降低油耗，仅依据发动机转速来控制喷油量和喷油正时已经 不能满足要求了。 为了解决上述难题，要求发动机燃油喷射系统必须根据发动机转速、负 荷及其他发动机工况参数对喷油量、喷油正时，甚至喷油速率和喷油压力进 行控制。机械式供油系统已不能满足要求，采用电子控制技术的燃油供给系 统逐渐发展起来。 1 2 柴油机电控燃油喷射技术 柴油机电控燃油喷射系统发展到今天，已经经历了三代系统：位置控制 式、时间控制式和压力时间控制式i 。 位置控制式燃油喷射系统是第一代柴油机电控燃油喷射系统，它只控制 循环供油量。柴油机电予调速器是位置控制式燃油喷射系统的典型代表，采 用电子调速器的柴油机虽不能改善排放，也不能降低油耗，但与机械式供油 系统相比，它仍有着无可比拟的优势： 转速更稳定：稳态调速率、瞬态调速率和稳态波动率都较小，在要求恒 定转速或者对转速波动率要求较高的场合有着非常明显的优势； 目标转速可控：在无需改变燃油供给系统的前提下，能根据输入控制量 对目标转速进行调节并稳定在目标转速； 低速性能好：采用电子调速器的柴油机能提供更大的扭矩，特别适合工 程机械应用领域等对低速扭矩要求高的场合； 油量控制灵活：对起动、外特性、加速型线等都能进行灵活的控制，还 能提供超速断油等保护措施。 时间控制式燃油喷射系统除了能控制循环喷油量之外，还能控制喷油正 时，它能在一定程度上改善发动机的性能，能通过合理的控制策略在降低排 放水平和降低燃油消耗率之间找到一个合理的平衡点。电控单体泵是时间控 制式燃油喷射系统的典型代表，它基本能满足“欧i i i ”排放标准。 2 绪论 柴油机电控燃油喷射技术 位置控制式和时间控制式电控燃油喷射系统都是“脉动式”燃油喷射系 统，它们都采用凸轮压油，每缸供一次油。位置控制式电控燃油喷射系统只 控制循环供油量，时间控制式燃油喷射系统可以控制循环供油量和喷油提前 角，但它们都不能控制喷射压力。在低速、大负荷工况下，燃油喷射压力较 低，燃油雾化效果较差，导致燃烧情况恶化，对降低原始排放水平非常不利； 柴油机高速运转时，还会产生二次喷射等异常喷射现象【2 l ，使柴油机的排放 恶化。 随着现代法规对汽车发动机排放要求越来越严格，上述“脉动式”燃油 喷射系统已不能满足要求，必然要求一种能对燃油喷射过程进行全方位控制 的燃油喷射系统，这就是第三代柴油机电控燃油喷射系统压力时间控制 式电控燃油喷射系统。 压力时间控制式电控燃油喷射系统能除了能控制循环供油量和喷油提 前角之外，还能对喷油压力进行控制，甚至能实现对喷油速率的控制。在压 力时间控制式电控燃油喷射系统中，引入了一个可以独立控制压力的装置一 - 盐轨，它是一个具有一定容积的蓄压器。高压油泵在发动机的每个工作循 环内向共轨中输入几次燃油，这个次数可以根据需要进行设计，它与燃油喷 射没有任何关系。高压油泵输出的燃油仍为“脉动式”的燃油，但在共轨的 缓冲作用下，共轨中的燃油压力能在合理的控制下基本保持恒定或者随控制 策略的要求变化。喷油器喷射的燃油直接来自共轨，它能完全脱离发动机的 转速、负荷、相位等工作参数，在任意时刻向发动机汽缸内喷入高压燃油。 上述系统最大的特点是：燃油喷射过程完全脱离发动机转速和负荷的束缚， 能在发动机的全部工况范围内实现对燃油喷射过程的柔性控制，为发动机降 低排放水平和降低油耗提供了可能。电控共轨式喷射系统基本分为蓄压式电 控燃油喷射系统、液力增压式电控燃油喷射系统和高压共轨式电控燃油喷射 系统几类1 4 1 1 5 j 1 6 j 。 柴油机电控燃油喷射系统主流的发展趋势有以下几方面：高喷射压力、 独立的喷射压力控制、可变的预喷射能力和最小喷油量控制能力1 7 1 。较高的 喷射压力可以提高燃油雾化质量，改善油气混合，缩短着火延迟期，降低颗 粒和n o x 的排放；独立的喷射压力控制对低速、大负荷时的燃油喷射质量意 绪论 柴油机电控燃油喷射技术 义非常重大，喷射压力独立控制可以实现在发动机工作的全工况范围内对喷 油压力和喷油正时的最优控制，以改善排放和提高燃油经济性；预喷射能改 善颗粒和n o x 的排放，但预喷射量、预喷与主喷之间的时间间隔在不同工况 下的要求是不一样的，可变的预喷射能力对改善发动机的排放具有重要的意 义1 8 】；最小油量决定了喷油量的精度，对实现多次喷射、无负荷工况下柴油 机工作的稳定性、发动机燃油经济性有很大的影响。 柴油机高压共轨系统电控共轨系统是迄今为止柴油机电控喷油技术中， 结构最完善、性能最先进、技术难度最大、最有发展前途的电控喷射系统9 1 【1 0 】。 它具有以下特征：高压的产生和喷油控制是分别独立进行的，喷油压力可以 根据发动机的运行工况，在较宽范围内进行调节；它还能实现预喷射、主喷 射以及多次喷射等；可以自由地改变喷油参数和喷油形态；可以高自由度地 控制燃油喷射，大大提高柴油机的燃烧效率、降低排放水平、提高发动机的 性能1 1 1j 。 目前，各燃油系统方案提供商都已对高压共轨电控喷油系统进行了全面 的研究【1 2 】【1 3 】【1 4 】，并推出了各自的产品： 德国b o s c h 公司：到目前为止共设计了3 代高压共轨系统。第一代于1 9 9 7 年7 月批量投放市场，喷射压力达1 3 5m p a ，主要应用于轿车。第二代2 0 0 0 年开始批量生产，最大系统压力提高到1 6 0 m p a ，并开始使用具有油量调节 功能的高压油泵、经改进的电磁阀喷油器，喷射循环由预喷射、主喷射和多 级喷射等多次喷射组成，采用降噪新技术。第三代产品于2 0 0 3 年5 月推出， 最高压力可达1 6 0 m p a f l5 】【1 6 】。2 0 0 5 年末推出的第三代共轨系统的改进型采用 了压电晶体执行器，其运动部件由原来的4 个减少为1 个，运动质量减少7 5 ， 开关时间比电磁阀少5 0 1 1 7 】。该系统的喷射压力为1 6 0 m p a ，喷油器响应时 间为0 i m s ，每循环可实现5 次喷射。目前正在开发的第四代共轨喷射系统， 最高喷射压力可达2 5 0 m p a ，并允许喷油压力逐步上升1 1 8 】。 日本电装公司：其典型代表是它的e c d u 2 ( 如图l 所示) 系统。该系 统由高压油泵、共轨、喷油器、e c u 和各种传感器组成。高压油泵上有一个 泵控制阀p c v ，共轨压力由高压油泵的供油量来控制。安装在共轨上的压力 传感器对油压进行反馈控制，使之维持在由发动机转速和负荷确定的目标值。 4 绪论 柴油机电控燃油喷射技术 喷油量取决于施加在三通阀上的喷油脉宽，喷油正时取决于喷油脉冲施加于 三通阀的时刻。e c d u 2 系统能实现对喷油量、喷油正时、喷油速率和喷射 压力这燃油喷射四大要素的独立控制。它可实现三种喷油率：三角形型喷射， 靴型喷射和预喷射。日本电装公司目前的压电式共轨系统的喷射压力为 18 0 m p a ，并预计在2 0 0 8 年提高到2 0 0 m p a 。 图1电装公司的高压共轨e c u u 2 系统简图 意大利菲亚特集团：与上世纪8 0 年代在世界上首次设计成功共轨系统 2 0 】，他的代表是u n i j e t 高压共轨系统。u n i j e t 高压共轨系统主要由喷油泵、 传感器、电液控制喷油器和e c u 组成。与传统凸轮驱动的喷油系统相比， u n i j e t 系统对降低n o x 和颗粒排放量具有最佳的喷油压力匹配能力，并且 能提高最大扭矩。u n i j e t 系统能灵活的控制预喷射定时和预喷油量，有效的 协调燃烧噪声和烟雾控制之间的关系。2 0 0 3 年，菲亚特研制成功第二代j t d 1 6 气门多重喷射共轨式柴油发动机，其特点在于：多次喷射系统在发动机的 每一个循环中能够进行更多次数的喷射，它们可以产生一系列间隔非常小的 喷射。由于柴油被分配得更细，从而得到更平顺的燃烧效果。同时，发动机 的主要部件和控制程序都进行了彻底改进。这些技术降低了发动机的运转噪 声，特别是降低了发动机冷态时的噪声，提高了功率和扭矩，油耗减少，降 绪论柴油机电控燃油喷射技术 低了尾气排放，提前满足了严格的欧排放法规的要求0 1 5 1 1 2 1 1 。 美国德尔福公司的m u l t e cd c r 系统：该系统的主要部件有共用高压油 轨、高压燃油调压器、高压燃油泵、燃油喷油器、电控单元、燃油滤清器和 传感器等。它的喷射压力与发动机转速和负荷无关，即使在低速运行时，系 统仍可保持足够压力的高压燃油喷射。可实现多次喷射，能满足欧i i i b 放法 规要求。m u l t e cd c r 主要采用了带有平衡控制和反馈控制策略的电控电磁 阀结构的燃油喷油器f 2 2 1 ，它能提供极快的动作响应并精确地进行燃油流量的 计量。这种响应迅速、结构紧凑、小巧玲珑的电磁阀控制的喷油器只需常规 1 2 v 汽车蓄电池驱动就能正常工作，比世界上现生产的任何一种柴油机共轨 喷射系统都节能，大大降低汽车电子系统设计的系统生产成本和复杂程度。 整个系统采用积木式设计，便于应用于不同形式和不同种类的发动机【l5 1 。在 2 0 0 7 年上海发动机及制造技术展上，德尔福展出了它最新的共轨系统。该系 统采用电磁阀执行器，但其响应速度可以和压电式喷油器相媲美。在第2 9 届维也纳汽车讨论会上举办的讲座中，德尔福展示了设计中的直动式共轨系 统，它采用压电执行器直接驱动喷油器针阀，为柴油机燃油喷射技术带来了 一种创新性的概念【2 3 】【2 4 1 。 西门子v d o ：最早将压电技术应用于发动机燃油喷射领域，推出了两代 压电式共轨系统。p c r 2 系统的喷油压力达到1 6 5 m p a ，可进行5 次喷射，最 小喷油量为l m m 3 【2 5 】。2 0 0 6 年，西门子v d o 批量投产了第三代压电共轨喷 射系统p c r 3 ，其喷射压力达到18 0 m p a ，采用的铅笔型喷油器可以进行多次 喷射，它无须颗粒过滤器就能达到欧v 排放标准【2 6 】。 我国在柴油机电控喷射系统方面的研究起步较晚，目前在进行高压共轨 相关研究的单位主要有：一汽无锡油泵油嘴研究所、清华大学、天津大学、 上海交通大学、浙江大学等少数单位【2 0 1 f 2 7 1 f 2 8 1 1 2 9 】。一起无锡油泵油嘴研究所的 f c r s 系统已经小批量试用，目前正在进行批量生产方面的研究。另外，该 单位在第一代f c r s 的基础上还进行了压电式喷油器的研究。天津大学的共 轨蓄压式柴油机电控单体喷油器p a i r c u i ，它基于蓄压式喷油器的工作原 理，可实现对喷油规律的控制。上海交通大学的蓄压式电控喷射系统，它有 如下特点：喷油正时由电磁阀的通电时刻来控制，喷油量由通电持续时间来 6 绪论论文结构 控制，从而可由软件精确控制喷油量和进行各缸的喷油量补偿修正；共轨压 力和喷油量是独立控制的，为各种工况下的喷油参数优化控制提供了一种实 现的手段3 们。 随着排放法规的越来越严格，必然要求柴油机燃油喷射系统能提供更合 理的喷射速率。在高压共轨中，喷射速率一般是通过多次喷射来实现的。该 部分内容将在第二章做详细的介绍。 1 3 论文结构 本论文主要由三部分组成：论文第二章基于作者对柴油机高压共轨系统 的理解，介绍了高压共轨系统组成、工作原理及其控制策略，特别分析了燃 油喷射速率对发动机排放的影响，说明了压电式执行器是喷油器执行器必然 的发展趋势，阐明了本论文设计的初衷和意义；论文第三章从理论上对压电 晶体执行器原理进行了分析，介绍了压电执行器的相关技术，并在此基础上， 介绍了压电晶体喷油器的原理；论文第四章在第三章对压电晶体逆压电效应 理论分析的基础上，对压电晶体执行器的电路特性做了定量分析，结合高压 共轨系统对喷油器的要求，得出了压电晶体喷油器的驱动要求。论文在压电 晶体执行器的驱动策略上提出了几个方案，并对各种方案进行了分析比较， 选出一个方案作为最终方案，并充分利用现代设计手段，对最终方案进行了 验证。 7 油机岛j h t 轨采 高j l 轨系统概述 第二章柴油机高压共轨系统 2 1 高压共轨系统概述 高壕共轨系统山机械总成和电子控制总成两部分组成如图2 所示。机 械总成音l i 分组成了高压其轨系统中的“油路”，它主要包括以f 部件：低压油 管、滤清器、高排油泉、高k 油管，共轨管和峨油器等。电子控制总成是高 压共轨系统中各种算法和控制实现的核心，它由各种传感器、电子控制单元 ( e c u ) 、各种执行器和线束组成。在高压共轨系统的设计及生产巾，高压汕 泉和喷油器的设计、制造，e c u 软硬件的设计是其中最核心的部分，也是难 度最大、技术最尖的部分。 1 n 。i鼎戡r ，b i 壁料产社 笺 一， ： ；i 剖影犁犁营 鲰 昏! _ | _ i 。， 图2高压共轨系统框图 高压共轨系统中的传感器有：曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器、轨 压估感器、油门踏板杜感器、车速传感器、水温和油温传感器、大气压力和 进气压力传感器、机油压力传感器等。传堪器把采集到的检测信号逆到e c u ， 为e c u 确定目前发动机的t 怍状况提供依据。 柴油机高压共轨系统机械总成组成及工作原理 高压共轨系统中的执行器包括油泵电磁阀和喷油器执行器。e c u 通过对 油泵电磁阀的控制来实现对轨压的控制，而对喷油四要素的控制则是通过对 喷油器执行器的控制来实现。 2 2 机械总成组成及工作原理 机械总成包括高压油泵、共轨管、喷油器和连接它们的油管。高压油泵 在每个循环周期内向共轨内提供一定数量的高压燃油，以维持共轨内的压力； 共轨管是高压油路中的一个缓冲区”，它为高压燃油的存储提供一定的空间， 同时，还实现了把燃油从高压油泵输出的“脉动压力”转化成喷油器喷射到 燃烧室内的“相对稳定压力，这是和传统脉动式柴油供给系统最本质的区别； 喷油器执行器通过e c u 的控制，在柴油机的每个工作循环，可以实现向燃烧 室多达6 次以上【1 刀的喷油。共轨系统中，对燃油喷射四要素，即燃油喷射量、 喷油正时、喷油率和喷射压力的控制，就是通过对两大执行器的控制来实现 的。 2 2 1高压油泵工作原理 图3高压油泵机构示意图 燃油喷射压力是柴油机燃油喷射中非常重要的指标之一，它直接影响到 柴油机的排放水平和燃油经济性，同时也对柴油机工作的噪音水平有很大的 9 柴油机高压共轨系统机械总成组成及工作原理 影响。在共轨系统中，喷射压力由共轨压力和喷油器的压力放大装置( 比较 先进的喷油器具有此功能) 决定，而共轨压力的控制就是通过对高压油泵电 磁阀执行器的控制来实现的。 图3 所示为日本d e n s o 公司的e c d u 2 系统中高压油泵的示意图【1 9 】。与 传统直列供油泵通过控制柱塞斜槽与进回油孔的相对位置来控制喷油量的方 式不同，共轨系统中高压油泵的供油量是通过泵控制阀的开闭来实现的。 以六缸柴油机用两缸高压油泵为例，其泵油时序如图4 所示。按柴油机 工作的缸序，第一、三、五缸时高压油泵的a 缸泵油，b 缸吸油；第二、四、 六缸时高压油泵的a 缸吸油，b 缸泵油。在吸油行程，柱塞下行，燃油通过 低压油管，经燃油滤清器后进入高压油泵柱塞油腔，而共轨中的高压油在单 向阀的作用下无法进入高压油泵柱塞油腔，以保证共轨中燃油压力的相对稳 定。在泵油行程，柱塞上行，在泵控制电磁阀未关闭之前，进入柱塞油腔的 油将有一部分随着柱塞的上行，通过泵控制阀被压出油泵柱塞腔；到达e c u 计算的泵油角相位时，e c u 发出关闭油泵电磁阀的指令，泵控制阀在油泵电 磁阀的作用下关闭，此时燃油将不能再通过该控制阀被压出到油泵柱塞腔之 外；随着柱塞的继续上行，柱塞腔中的燃油压力逐渐提高，直到达到单向阀 的开启压力，此时就实现了燃油压力的第一次提升；单向阀开启之后，随着 柱塞的进一步上行，柱塞腔中的高压燃油被压入共轨中。当柱塞到达上止点 之后，高压油泵就完成了一次泵油，然后进入下一次吸油、泵油周期。 图4高压油泵泵油时序 l o 柴油机高压共轨系统 机械总成组成及工作原理 高压共轨系统中，发动机每个缸工作循环周期内的喷油量和高压油泵的 泵油量决定了共轨中压力的变化，即只需维持共轨中存储的平均油量基本不 变就能保持轨压的基本不变。某缸工作循环内的喷油量由发动机的工况决定， 因此，轨压的控制就是对每个泵油周期泵油量的控制。 图4 中两个缸的驱动信号为e c u 命令信号，其中“高电平”表示泵电磁 阀处于关闭状态，“低电平 表示泵电磁阀处于打开状态。这里需要指出的是： 泵电磁阀关闭时长与泵油时长是不同的。由于每次泵油在油泵柱塞到达上止 点之后即停止，从泵油时序图知，泵油时长t p 小于泵电磁阀关闭时长t s 。 这样设计是基于以下两个因素考虑的：一是控制更简单，因为这样只需控制 泵电磁阀的关闭时刻，即相应驱动信号的上升沿时刻就能实现泵油量的控制， 而泵电磁阀的打开时刻只需要控制在柱塞上止点之后，下止点之前就能满足 控制要求了；二是控制更精确，因为在泵电磁阀刚关闭的时刻和泵油周期即 将结束的时刻高压油泵柱塞腔中的燃油压力是不确定的，即使相同的泵油时 长，当该段时间在柱塞行程的不同位置时，泵油量是不一样的。 泵的最大功率在轨压的控制中也是需要考虑的一个重要指标，每个泵油 周期内的最大泵油量是柱塞顶封住进油孔时柱塞腔内的所有燃油能进入到共 轨中的部分。即使泵电磁阀常闭，泵油量也不能不能超过该最大泵油量。在 初期轨压建立时，最大的泵油提前角需要特别的注意。 2 2 2 喷油器结构及工作原理 电控喷油器图5 1 3 1 1 是高压共轨系统的核心部件，它是整个供油系统的最 末端，高压共轨中所有的控制策略归根结底都是控制从喷油器喷射到发动机 燃烧室的燃油的特性，包括喷油量、喷射压力、喷油正时和喷射速率，即柴 油喷射的四大要素。 图5电控喷油器总成及结构示意圈 燃油喷射的控制是通过喷油器执行器和抟! 制阀来实现的。喷油器执行器 目前最多的有电磁铁和压电d 5 体执行器两种，蜘j 幽5 所示的喷油器，其执行 器为高速强力电磁铁，控制阀是钢球和球序组成的球蒯。喷油器笑闭不需 要喷油时，电磁铁荚闭，钢球在倾紧弹簧的作用f ，通过衔铁等连接机构落 序，球阀关：但e c j 发出喷f l t l f f 令之后，电磁铁迅速打开，电磁力克服预 紧弹簧的弹力，足衔铁向“l ”运动，在高压燃油的作j h 下，球阍扣开。 从图5 中喷油器的结构示意图中r ，r 以再到，进油i j 与控制腔和蓄雎腔都 是相连的，h 此，当球阀关州时，这两个腔内的压强几乎完全相等。另方 面，控制腔中挺柱体在水、r 截而 的截积比蓄压腔中针阀神冰、r 面上的截 面榭要大，则如前所述的h 、性天系将导致挺柱体受到的垂直向“f ”的压力 人r 针阀受到的难直向“r 的压j 此这两个力的台力阳“卜”，针删藩 座，喷汕擀哭闭。、球阀 i 外叫，巾于球阀j 低脏油管十u 连，则控制腔中的 高n 、油通过球阎泄脏，f ，迷的受力天系发生变化。此时针阀受到的向“r 的力远大j 挺柱体受到的向“r ”的力，则钳阀扣开，喷油器开始喷 j 。 在柴油喷射的四人埋裘一 ，唢汕艟年喷f | 】正口j 是通过喷油器执行器的“简 单”控制实i 见的：喷油脉冲的k 艘社一定轨压r , y t 接控制r 喽油舒，l m 喷油 脉冲的il l 沿则直接控制丫喷f | | i jr 时。喷j l | 毕山曲1 l 喷油器的结构有芙， 柴油机高压共轨系统系统控制原理及策略 如图5 所示的两个节流孔就是为控制喷油率设计的，另一方面，喷油率还可 以通过喷油器执行器的“复杂”控制来实现，如多次喷射等。目前多数欧i i i 排放的高压共轨系统的喷射压力只靠共轨压力来控制，即前文所述的一次压 力提升，在更先进的系统中，还采用了喷油器液力压力放大装置，实现了燃 油压力的第二次提升，以达到2 0 0 m p a 甚至更高的喷射压力，使燃油更好的 雾化。 合理的喷油率可以明显改善发动机的性能，尤其对减小振动噪声、降低 原始排放水平有非常明显的作用。 2 3 系统控制原理及策略 电子控制单元( e c u ) 是高压共轨系统的控制核心。传感器采集到的信 号在这里汇集，经输入电路处理之后以数字量、模拟量和脉冲的形式输入主 处理器单片机。通过预先烧入单片机或外部存储器的软件，单片机对输入信 号进行进一步的软件处理和分析，得到发动机当前的工作状况，然后通过相 应控制算法计算各控制量、中间变量、监视变量和状态变量的值，并依据事 先设定好的转换标准转化成电平、占空比、周期等控制信号。从单片机引脚 输出的控制信号输入输出信号处理电路，并最终转换成执行器的控制电流、 电压或者其他形式的控制信号，将控制策略转换成执行器的动作。 2 3 1e c u 硬件系统 e c u 硬件系统由以下几大部分组成：电源电路、输入信号处理电路、数 字电路、输出驱动电路、通讯电路和接口。 电源电路 电源电路在e c u 的设计中尤为重要，尤其是电磁兼容性的设计与电源电 路的设计有着非常密切的联系。 柴油机高压共轨系统系统控制原理及策略 图6电源电路框图 在高压共轨e c u 中，主要用到的有以下几种电压：数字电路工作电压 + 5 v ( 1 v r l 电平) 或者+ 3 3 v ( c m o s 电平) 、某些功率器件驱动电压+ 1 0 v 、 电瓶电压+ 2 4 v 或者+ 1 2 v ，以及特定执行器驱动( 如压电晶体执行器) 电压 或者提升( 如喷油器电磁铁) 电压。严格地讲，上述最后一个提升电压( 一 般比较高) 不属于电源电路设计范围，它只用在喷油器执行器的驱动上，通 过一个b o o s t 电路实现升压，得到需要的电压值。图6 所示为电源电路框图。 发动机控制用e c u 的工作环境一般都非常恶劣，电磁环境比较复杂，其 自身也会产生一定的电磁干扰，因此，电源电路在e m c 方面的要求非常高， 上述电源电路中的各个滤波去耦电路就是考虑到e m c 要求而设计的。由电 瓶电压转换成+ 1 0 v 的电路一般采用b o o s t b u c k 电路产生，它能保证电瓶电 压非常低时( 如发动机启动时) 也能正常工作，同时，利用它的隔离特性， 还能很好的隔离电源上受到的瞬间冲击，以保证e c u 正常工作。数字电路工 作电压和传感器工作电压可以用线性稳压器得到。 在e c u 电源电路的设计中，即使是电压相同，不同用途的电压也应该彼 此隔离，如图6 中的传感器供电电压和数字电路工作电压。般来说，数字 电路工作电压不能引到e c u 外面，需要引出来的电压必须跟数字电路工作电 压完全隔离，以保证数字电路的正常工作。 1 4 柴油机高压共轨系统系统控制原理及策略 数字电路 c p u 是数字电路的核心，它根据预先设定的用户程序对各种输入信号进 行处理、分析，完成对发动机工况的判定，依据各种m a p 和算法确定输出 值，并以数字量的形式输出各种控制信号。 图7数字电路示意图 图7 所示为数字电路示意图。从图中可以看到，数字电路的电路原件并 不是很多，组成数字电路的更多的部分是各种信号“通道 ，如输入信号、输 出信号、总线信号及各种通讯信号。 高压共轨系统中的输入信号有三种形式：数字信号( 电平信号) 、模拟信 号和脉冲信号。数字输入信号包括诊断信号( 如喷油器驱动提升电压状态信 号、喷油器驱动维持电流状态信号、喷油器动作指示信号、油泵电磁铁状态 信号等) ，控制信号( 如上电开关信号、诊断信号、巡航控制信号等) 。模拟 输入信号主要有油门、轨压、电瓶电压、传感器电压、大气压力、增压压力、 机油压力、进气温度、冷却水温度、机油温度、燃油温度等。脉冲输入信号 主要有三个：即曲轴信号、油泵信号和车速信号。 输入信号处理电路 输入信号处理电路的作用是在输入信号正常时，对输入信号进行滤波、 钳位、整定，使之按一定的函数关系转换成单片机输入端口能识别的合理的 输入值；在输入信号不正常或者外部传感器断路时为e c u 提供确定的默认