（电机与电器专业论文）用于燃油喷射的压电技术的研究.pdf

东南大学硕士学位论文 a b s t p a c t i nr e c e n ty e a r s ，p i e z o e l e c t r i ca c t u a t o rh a sa t t r a c t e dc o n s i d e r a b l ea t t e n t i o ni nm i c r o - m a c h i n ef i e l d ，a s t h em o s ti m p o r t a n ta p p l i c a t i o no fp i e z o e l e c t r i cm a t e r i a l s t h el a t e s tg e n e r a t i o no fi n j e c t o r sb e i n gt h eh e a r t o ff u e li n j e c t i o ns y s t e mi sd r i v e nb yp i e z o e l e c t r i ca c t u a t o r s ，i 1 1 s t e a do fc o n v e n t i o n a ls o l e n o i da c t u a t o r s a d v a n c e dd i r e c ti n j e c t i o nu s i n gp i e z o e l e c t r i ct e c h n i q u ei st h et e c h n o l o g yo fn e a rf u t u r ef o rb o t hg a s o l i n e a n dd i e s e le n g i n e t h er e s e a r c ho ft h et h e s i si sa b o u tt h ep i e z o e l e c t r i ca c t u a t o ru s i n gf o rt h ef u e li n j e c t i o ns y s t e m ， i n c l u d i n gt h eb a s i ct h e o r y , s t r u c t u r a ld e s i g n ，p e r f o r m a n c et e s t i n g , t h ec o n t r o la n dd r i v e ，a n dt h ea p p l i c a t i o n o fp i e z o e l e c t r i ca c t u a t o r , a n da l s ot h er e l e v a n ts t u d yo ft h es t r u c t u r eo fp i e z o e l e c t r i ci n j e c t o rf o rf u e l i n j e c t i o ns y s t e m t h ec o n t e n t sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： s t a r t e df r o mp i e z o e l e c t r i ce f f e c ta n dp i e z o e l e c t r i cm a t e r i a l s ，t h em a i nt h e o r e t i c a lf o u n d a t i o ni s i n t r o d u c e d t h ec o n s t r u c t i o n ，w o r k i n gp r i n c i p l e ，p e r f o r m a n c eo fp i e z o e l e c t r i cs t a c ka c t u a t o ri sf o c u s e do n i np a r t i c u l a r , b yt h ea n a l y s i so ft h e o r ya n das e r i e so fe x p e r i m e n t s am i c r o d i s p l a c e m e n ta m p l i l y i n gp i e z o e l e c t r i ca c t u a t o ri ss t u d i e d ，w h i c hb a s e do nt h ep r i n c i p l e so f o r t h o g o n a lt r i a n g l ea m p l i f i c a t i o na n dp i e z o e l e c t r i c s t a c ka c t u a t o r t h ed i s p l a c e m e n to fp i e z o e l e c t r i c a c t u a t o r si sa m p l i f i e db yt h ea m p l i f y i n gm e c h a n i s m ，w h i c ha r ea n a l y z e dt h r o u g ht h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d t h ep r o t o t y p ei sf a b r i c a t e db ym a c h i n i n g ，a n dt h e nt h ee x p e r i m e n ta n da n a l y s i so ft h ed y n a m i c sa n ds t a t i c c h a r a c t e r i s t i c sf o rt h ep r o t o t y p ea r ec a r r i e do u t t h ea p p l i c a t i o no fp i e z o e l e c t r i ca m p l i f y i n ga c t u a t o ri sa l s o d i s c u s s e d t h ed r i v ea n dc o n t r o ls y s t e mf o rt h ep i e z o e l e c t r i ca c t u a t o ri sp r e s e n t e d t h r e em o d u l e sa r ed i s s e r t a t e d i nd e t a i l ：b o o s tv o l t a g e c h a n g e dm o d u l e ，p h a s e c h a n g e dm o d u l ea n dd i s c h a r g ec i r c u i tm o d u l e t h ec o n f i g u r a t i o na n dw o r k i n gp r i n c i p l eo fe l e c t r i c a l - c o n t r o li n j e c t o ri nc o m m o n - r a i li n j e c t i o ns y s t e m a r ed i s c u s s e d ，a n dt h ef u e lv a l v ei st h ek e yp a r t b yt h ec o m p a r i s o no fp i e z o e l e c t r i cv a l v ea n ds o l e n o i d v a l v e ，t h et y p eo fp i e z o e l e c t r i ci n j e c t o rs t r u c t u r ei ss t u d i e d b a s e do nt h er e s e a r c ho fp i e z o e l e c t r i ca c t u a t o r i nf o r m e rp a r ta n dt h es t r u c t u r eo ft h es o l e n o i di n j e c t o r , t w op i e z o e l e c t r i ci n j e c t o r sa r ep r e s e n t e d s o m e n o t e sa b o u tt h ed e s i g no fp i e z o e l e c t r i cv a l v ea r ea l s om e n t i o n e di nt h ep a p e r k e yw o r d s ：p i e z o e l e c t r i ce f f e c t ，p i e z o e l e c t r i ca c t u a t o r , a m p l i f i c a t i o no fd i s p l a c e m e n t , f i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s ，f u e li n j e c t i o ns y s t e m ，i n j e c t o r 第1 i 页 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，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，也不包含为获得东南大学或其它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 表示了谢意。 研究生签名：弦煎日 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名： 萝惭 导师签名：么垒五 日期： 抄b q 渺 第l 章绪论 第1 章绪论 压电致动器( p i e z o e l e c t r i ca c t u a t o r ) 是压电智能材料最重要的应用，它是利用压电材料的逆压 电效应，将电能转换为机械能输出的机电转换元件。由于其优异的微定位和微控制性能，它在汽车、 电子、通信、光学等诸多领域得到了越来越广泛的应用。高压共轨电控燃油喷射系统是新一代的柴 油喷射系统，它虽然问世不久，但已经以其卓越的性能成为了柴油机市场的主导技术。最新一代的 共轨喷油器采用压电致动器作为其核心驱动元件，使得其性能上了一个新台阶。可以预见，压电致 动器驱动的电控喷油器是未来的发展趋势，具有极高的研究价值和广阔的应用前景。 1 1 压电致动器发展与现状 1 1 1 压电致动器的发展 自1 8 8 0 年j 居里和p 居里发现压电效应以来，压电学已经成为现代科学与技术的一个重要领域。 压电学是晶体物理学的一个重要分支，它研究机电相互作用过程及能鼍的耦合和转换，它是关于压 电体的弹性、介电性、压电性、热电性、铁电性、光学特性、声传播特性，以及压电铁电材料和应 用的学科【1j - 1 4 | 。压电致动器便是压电学和材料学、电力电子及自动控制等多个学科结合的产物。 压电致动器是压电材料席月j 中一个最重要最耀眼的一个。它是利用压电材料的逆压电效应，将 电能转换为机械能输出的机电转换元件。由于其卓越的微定位和微控制性能，它在汽车、电子、通 信、光学等诸多领域得剑了越来越j “泛的应用。特别是在精密工程中，压电致动器儿乎渗透到所有 的应用领域，图1 一l 为国外某公司的压电致动器产品。 图1 1 国外某公司的压电致动器产品 从上世纪八十年代起，国际上就掀起了压电致动器技术研究的热潮。美国宾夕法尼大学在1 9 9 4 年到1 9 9 8 年间就投入了1 5 亿美元从事压电致动器的研究。m i t 的航空航天系空间一l ：程研究中心和 电子一l ：程计算机系的人丁智能中心都在研究自己的压电致动器。i b m 苏黎世研究所成功地研制出世 界上第一台新型地表面分析仪，其扫描头就是由三个互相垂直地压电微位移致动器组成的，可用于 三维扫描。f l e x s y s 公司与已经与美国国防部预先研究计划局和美国空军签约，正在为洛克希德公司 第1 页 东南大学硕士学位论文 的无人机设计一种更先进的襟翼，其小型压电致动器和钛金属结构能起到改善机翼上方气流的目的 【5 】【剐。、 随着国外压电致动器的成功发展，因而在2 0 世纪8 0 年代末9 0 年代初获得了我国科学- 1 二作者的 关注。虽然我国起步较晚，但发展迅速。1 9 8 5 1 9 9 4 年间，四川压电与声光技术研究所的王大春、 刘一声，中科院上海硅酸盐研究所的陈大任，哈尔滨t 业大学的蔡鹤皋等人就将国外的压电技术的 发展情况陆续介绍到国内 9 - 1 1 2 1 。进入2 0 世纪9 0 年代以来，压电致动器在中国发展迅速，逐步进入 正轨。西安交通大学李俊宝等人在压电主动构件方面有较深入的研究引。哈尔滨工业人学机器人研 究所对压电致动器的设计应用上，特别是在机器人上的应用方面获得了很多研究成果。清华大学 阎绍泽等人对压电致动器在航空航大领域的应用做了深入的研究引。中国电子科技集团第二十六研 究所在压电致动器的制备和生产应用上取得了一系列的成果。同济人学万德安等在压电位移放大机 构方面做了很多研究引。哈尔滨工业大学冯晓光、赵万生等人在压电致动器的驱动电源方面也开展 了很多研究1 。此外，浙江大学、南京航空航天大学、吉林工业大学、华中科技大学、天津大学等 众多高校和研究所都开展了相关方面的研究，并取得了一系列的成果。东南大学从1 9 9 5 年起开始进 行相关研究，在超声压电马达和叠层犁压电致动器方面取得了突出的研究成果，获得多项国家专利 。但总的来说，国内目前还在这方面的研究还处丁起步阶段，大多数的研究都偏向压电致动器的 驱动机制，并在此基础上建立特定的数学模型进行分析，而缺乏对致动器有效的设计和仿真。 1 1 2 压电致动器的特点 ( 1 ) 位移控制精度高，可达0 0 1 l a m 以上； ( 2 ) 响应速度快，小于1 0 9 s 以内，可应用于高响应定位系统中，无机械吻合间隙，同时位移 的重复性好，可以实现电压伺服控制； ( 3 ) 压电致动器单位质量卜具有高的输出功率，有较大的输山力，可达3 9 k n c m 2 以上。在 小型化领域( 1 0 0 9 以卜) ，压叱致动器的单位重量输出力或力矩比电磁致动器高出一个数蕾级，单位 重量输出功率亦是电磁致动器的几倍，而且越是小型，这种差距越明显； ( 4 ) 功耗低，比电磁式位移致动器要小一个数餐级，压电陶瓷的i 乜势能直接转化成位移移动， 从而吸收应用在致动器上的电能，在静态操作中，例如维持一个大负载，理论上应该不会消耗能量； ( 5 ) 其不受电磁干扰，直接是电压控制器件，不会产生磁场，本身也不受磁场影响： ( 6 ) 适用于真空和超净环境。压电致动器采川陶瓷材料，不需要任何润滑剂，也不会产生磨 损，因此完全可满足真空和超净环境卜应州的苛刻条件。 由丁以上优点，压电微位移致动器在微定位与微控制领域得到了国内外的j “泛重视【l 引。但是压 电微位移致动器仍然存在微位移驱动技术中的一个普遍矛盾：分辨率与行程之问的矛盾。压电微位 移致动器依靠的是压电驱动元件的自身形变j i ：作的，而压电驱动元件的形变不过是自身尺寸的千分 之儿，冈此要提高行程，就必须从结构设计上入手。在保证高分辨率的条什_ 卜尽可能增大行程一直 是微驱动技术的研究热| j 方向。国内外许多研究机构都在此方向上进行了深入研究和探讨。 1 1 3 压电致动器的种类 由于压电致动器在其应用中对压电元件的性能、尺寸和结构要求不同，压电致动器被设计成各 种各样的结构、形状和尺寸1 1 9 1 1 2 0 j 。压电致动器可分为刚性位移致动器和谐振位移致动器。刚性位移 致动器是电场感生的单向刚性应变，而谐振位移致动器则是由交流电场激励的谐振应变。 使用最多的刚性位移致动器的驱动模式是替层型致动器和单( 双) 品片致动器，此外还有新近 出现的r a i n b o w 致动器、m o o n i e 致动器和c y m b a l s 致动器，这儿种模式在人小、质量、位移量 及负载能力上都有各自的特点，予以简单介绍。 ( 1 ) 叠层型致动器 叠层型致动器是利用单片陶瓷电场作用下直接伸长变形，再通过多层陶瓷叠加使总的变形虽达 到一个较大的数值。叠层型致动器具有承载力大，响应快，位移可重复性好，体积效率高，电场控 第2 页 第1 章绪论 制相对简单等优点，其缺点是位移量较小、电容高。 ( 2 ) 单( 双) 晶片致动器 双晶片弯曲致动器是由两片相同的沿厚度方向极化过的压电陶瓷片粘结在一起形成的，其结构 如图1 2 ( a ) 所示。单品片弯曲致动器结构与双品片不同之处只是由金属代替了其中的一片陶瓷。 将弯曲致动器一端同定，构成悬臂梁结构，沿z 轴方向旌加电场，致动器器自由端发生弯曲变形。 ( 3 ) r a i n b o w 致动器 r a i n b o w ( r e d u c ea n di n t e r n a l l yb i a s e do x i d ew a f e r ) 是一种集还原和压电介质层于一体的新 型压电致动器，1 9 9 4 年由h a e r t l i n g 首先提出。通过将压电陶瓷p l z t 圆片在高温卜由石墨还原的特 殊制备上艺，大致形成压电陶瓷层和还原层自然结合的两层结构，冷却后由于两层收缩率不同，产 生了独特的拱形器件结构。r a i n b o w 致动器能获得超人位移量，又有一定的承载能力，是一种很 有发展前景的压电器件。图l 一2 ( b ) 为r a i n b o w 致动器串联- t 作时的状态。 ( 4 ) m o o n i e 致动器1 2 l j 图1 2 ( c ) 为m o o n i e 型压电陶瓷2 金属复合体致动器结构的串联工作示意图。m o o n i e 致动器 中间是涂有电极的压电陶瓷圆片，上下是金属帽。压电陶瓷与金属帽之间有月牙型空隙，二者的接 触部位要紧密而导电，且不产生相对移动，可采用合适的导电连接材料( 如银胶) 进行粘接。这种 新型的致动器在减振器件及智能系统，特别是汽车j r 业上有很人的应用潜力。 ( 5 ) c y m b a l s 致动器1 2 2 j 图1 2 ( d ) 是c y m b a l 型致动器( 国内称为钹型压电复合换能器【2 3 】) 的结构截面示意图。这种 结构实际上是对m o o n i e 型结构的一种改进，不同的是复合体中金属帽为铙钹形状。它具有比m o o n i e 型结构更简单的制作方法和更大的位移和承载力。 a o u t p u tm o t i o n p z ts t a c k - d i s p l a c e m e n t o u l p u t m e t a le n dc a p s ( b ) r a r n b o w 致动器 l a y e r ( c ) m o o n i e 致动器 ( d ) c y m b a i s 致动器 图1 - 2 四种压电致动器的结构图1 1 9 1 第3 页 东南大学硕士学位论文 谐振位移致动器包括各种形式的超声波马达。其具有结构简单、控制准确灵敏、不产生也不受 磁干扰、驱动无噪声等优点，已得剑日益广泛的重视和应用。在某些特定场合及特殊结构中，超声 波马达可以取代普通电机和液压马达，成为微小型驱动领域最有希望的致动器。文献【4 】中有详细的 论述，这里就不再做介绍。 1 1 4 压电致动器的应用现状 压电致动器有j “泛的应用，可应用的领域火致归纳为以下几个方面： ( 1 ) 汽车及汽车零件制造业领域：燃料喷射系统，液压系统，超声波电机，有源振动控制系统， 扬声器等； ( 2 ) 光学领域：微距离控制，激光测控装置，照相机快门，干涉仪，透镜和反射镜定位、聚焦 系统，振动变化器，c c d 密集采样等； ( 3 ) 声学领域：水下声纳系统，勘测装置，声音模拟系统，地震探测系统等； ( 4 ) 机械装置领域：超声波电机，高速精密流量控制阀、泵，压电送料机，超声波或声波振动 发生器，高效切断t 具，夹具，精密定位x y 平台系统等； ( 5 ) 生命医疗领域：基冈操纵，细胞穿刺，微分配装置，核磁共振驱动，微最液体药分配等； ( 6 ) 电子技术领域：半导体设备生产的精密机构，磁头定位系统，无磁驱动器，微型继电器， 精密探测测试j ：具等； ( 7 ) 智能机构领域：机器人关键部位的驱动，智能结构等； ( 8 ) 打印机制造业：打印机针头驱动机构，微滴产生器，喷墨喷嘴等； ( 9 ) 精密加- j ：j 二业：加i r 设备的精密驱动机构，大动力精密加载驱动器等； ( 1 0 ) 电气技术领域：超高电压、大电流回路快速断路系统，机械力驱动的电源发生器等； ( 1 1 ) 海洋及近海领域：阀门，油井勘测，地震预报及探测系统，水下通讯，海洋卢学等； ( 1 2 ) 建筑j i 二程方面：振动的衰减与控制等。 总之，无论是从材料研究、致动器设计、还是在生产中的应用，国内外对压电致动器的研究都 处于蓬勃发展的阶段，其戍用领域涉及面“，技术复杂，但是作为一种与当代高科技密切相关的新 型智能材料应用，压电致动器的研究和发展必将会有广阔的前景。 1 2 国内外燃油喷射系统的发展现状 车用发动机是能源消耗的大户，据国际汽车 一程协会( f i s i t i ) 1 9 9 6 年公布的资料，公路运输 是当今世界上最主要的运输方式。世界客运总量的8 0 j b l 世界货运总量的4 2 由公路承担。在世界 能源消耗中，公路运输要占石油消耗的4 2 ，约 人类能源总消耗的1 6 。由于乍用发动机的油耗 在世界能源消耗中占有举足轻重的地位，所以降低发动机油耗一直是全人类共同关注的问题。2 0 世 纪后，中国汽车产量迅速上升，2 0 0 4 年我国汽车保有量已达2 8 3 0 万辆。预计到2 0 1 0 年，汽车保有 量将达剑4 5 0 0 5 0 0 0 万辆。汽车在我国能源消耗中的地位也将更为重要。我闺是一个能源紧缺的国 家，仍需靠大最进口彳i 油来解决。冈此，不断地降低发动机的油耗，一1 了约能源将是一项长期的任务。 另外，车j j 发动机是环境污染的罪魁祸首之一。内燃机对环境的污染问题已不容忽视。现在我 们生活的这个地球环境日益恶化，由于温室效虑，全球气温升高，灾难性气候增加，特别是城市的 污染问题更为严重，这些主要是闪为内燃机的排气在起作用。因此，许多国家都对车辆排放制定了 严格的限制标准。我国对乍辆的排放法规与国外发达国家相差甚远，如欧洲1 9 9 2 年已实施e u r oi 排放标准，1 9 9 5 年已实施e u r o i i 排放标准，2 0 0 0 年已实施e u r o i 排放标准，2 0 0 5 年实施e u r o 排放标准。我国在2 0 0 1 年才在一些局部地区执行e u r oi 排放标准，在2 0 0 4 年执行e u r oi i 标 准，从2 0 0 7 年7 月1 日起在全国范围内实行国3 排放标准( 相当于e u r o i 排放标准，其中北京是 到2 0 0 5 年底实行) 。 面对日益严重的能源危机和环境污染，国际内燃机界不停地在寻找实现汽车工业可持续发展的 第4 页 第1 章绪论 途径，各大汽车公司与发动机厂都对发动机的燃烧系统、进气系统、燃油喷射系统、排气后处理系 统作了大量的研究开发工作。在不断的技术发展中，人们对柴油机、车用柴油机有了更新、更深入 的认识。在车用内燃机中，柴油机的油耗比汽油机少了近3 0 ，柴油本身的价格也比汽油低，随着 控制手段更加精确，柴油机的震动噪音被人人减小，舒适性大大提高，进而使柴油机经济性好、动力 大等优点充分凸现出来。原来为汽油机所统治的轿车行业早现山明显的“柴油机化”趋势，尤其是 在欧洲特别受欢迎，柴油机轿车保有量逐年增加，超过4 0 的欧洲新车用户，6 6 的澳洲和法国人 选择了柴油币。目前，欧美国家的1 0 0 的重型车、9 0 的轻犁车采用柴油机。人们逐渐认识到柴油 机是当今保持汽车人批量、低成本生产中，解决环保与：市能双重压力的最有效最经济的手段之一。 因此，无论是欧洲排放更清洁的经济型轿车开发，还是美国的“新一代汽车合作计划”，都无一例外 地将柴油机作为最佳选择方案，3 l 轿车( 百公里油耗3 l ) 的开发成功，则标志着柴油机技术的又 一次飞跃。欧洲和日本等国政府计划在今后相当长的时期内，继续实施低燃油税收的政策，以促进 柴油机的发展。近两年柴油轿车也进入中国，且保有量迅速增长1 2 4 儿巧j 。 国际上有关的人公司都对开发新一代燃油喷射系统进行了人量投入，电控喷射系统的革命大大 扩展了柴油发动机的应用范刖2 4 h z 7 1 。2 0 世纪9 0 年代研制出一种全新的燃油喷射系统一电控共轨燃 油系统。该系统止式问世时间还不长，但已显示出它巨人的优越性和发展潜力。 e c u 传感器 图1 3 电控共轨燃油系统结构图 电控共轨燃油系统结构组成如图1 3 所示。电控燃油系统的特点是：通过各种传感器和开关检 测出发动机的实际运行状态，通过计算机乘1 处理后，对喷油量、喷油时间、喷油压力和喷油率等进 行最佳控制。柴油机电控共轨喷射系统将喷油量和喷油时间的控制融为一体，使燃油的升压机构独 立，即燃油压力与柴油机转速、负荷无关，具有可独立控制压力的部4 , t 二- - 高压共轨。这样，就可自 由控制燃油喷射压力。喷油量、喷油时间等参数则直接由装在各个气缸上的喷汕器的高速开关电磁 阀来控制。高压共轨燃油系统摆脱了传统机械式燃油系统的种种约束，真正使精确的燃油喷射成为 可能，不断成为柴油机发展的趋势。1 9 9 5 年日本d e n s o 公司将e c d u 2 型电控高压共轨系统成功 地应用于卡车柴油机而开始批量生产，从此开创了柴油机电控燃油系统的新时代。1 9 9 7 年德国 b o s c h 公司将共轨系统引入轿车领域。之后各大汽车零部件巨头都推出了共轨系统作为新一代的燃 第5 页 东南大学硕士学位论文 油喷射系统。2 0 0 2 年德国s i e m e n s v d o 将最新的压电技术麻用到共轨系统中来，推出了新一代共轨 系统用压电式喷油器，使柴油发动机的性能迈上了一个新台阶。 不断地研究和提高电控共轨技术，是国际内燃机领域的必然趋势，国内在这方面还非常薄弱。 虽然部分业内人士认为，由于中国市场需求层次的差异以及国家未来对排放的控制力度等因素，机 械喷油系统仍然至少还有1 0 年左右的市场，但新技术的到来毫无疑问只是一个迟早的问题。一些跨 国公司已经开始在中国人规模投资建厂，目标就是生产e u r o h i 以上排放的柴油电控共轨喷射系统。 当外国企业的电控柴油喷射技术已经开始普及并大举进入中国市场的时候，一个无法回避的事 实是，所有的中国企业迄今为j i 二都还只能生产机械式的油泵油嘴。2 0 0 4 年中国生产了1 5 l 万辆载重 卡车，其中使用柴油发动机的载重卡车和大客车共1 4 1 9 万辆。但是，满足这样一个巨大规模市场 的中国柴油发动机工业却将不得不基本上依赖外国企业所控制的燃油喷射系统。 “十五”期间，有很多人认识到这个问题，但是由于国内科技长期落后，国内对发动机的电控 技术掌握得还不够。“十五”后期，我们在这个领域引进或合作开发了一些技术，但是总的来讲还处 在起步阶段，核心技术还掌握在别人手里，尤其在完整系统的自主开发方而跟国外还有很大的筹距。 在无锡威乎集团与b o s c h 的合资过程中，b o s c h 转让了符合e u r o h i 排放标准的部分燃油喷射系 统中的技术，但在合约中明确规定禁i ：合资公司从事符合e u r o i v 标准的相关技术的研究。 我国已经决定“十一五”期间内燃机工业要重点发展电控系统，国外已经在研发第三代产品了， 我们也要跟上去，但要一步一步地做。现在我国发动机的电控系统基本都是b o s c h 、s i e m e n s 、d e n s o 的产品。值得庆幸的是，国内相关行业正在努力改变这种状况。如一汽集团无锡油泵汕嘴研究所经 过多年研制，自主创新打破国外技术垄断，逐渐掌握了高油压电控共轨系统【2 8 】，并完全拥有自主知 识产权，使我国成为继德、美、日之后掌握这项技术的第四个国家。成飞威特电喷公司与清华人学 联合于2 0 0 3 年成功研制具有自主知识产权的电控单体泵系统，并于开始提供成套产品。此外，上海 交通大学、清华大学、天津人学、北京理jf ：大学、东南大学等都开始着手相关研究。但国内的技术 水平与国外还存在很大的筹距。如果以国内中重型载货车以及轻型柴油车市场的需求量米测算，全 部装配电控共轨系统的话，其潜在的市场价值将达数百亿元。对这块全球汽车巨头都垂涎的“大蛋 糕”，我们只有不断的开发出具有自主知识产权的产晶才会有更多的发言权。 开发研究高压共轨电控系统及其关键部件喷油器不光存在巨大的市场和经济效益，而且更是我 国能源战略的关键一步，有着巨人的社会作用。同时对于提升我国机械电子发展水平有着巨大的推 进力，由于其涉及能源、汽车、机械、电子、材料等多个领域，有助丁带动多个产业的良性循环发 展。 1 3 压电技术在燃油喷射系统中的研究现状 不断地研究和提高电控技术，是国际内燃机领域的趋势。研究霓点一方面放在如何利用直喷技 术产生越来越高的喷射压力上，另一方面更关注的是如何最佳地利朋这样的压力潜能。为了达到燃 料空气混合最适宜的效率和低排放的燃烧，柴油机燃料必须在最人的压力下在最有利的时刻被精确 地量化喷射到燃烧室内。随着燃油喷射压力的逐步升高，如何开发出新的喷油器利用高压来达到更 好的喷射效果成了研究的热点。 直到2 0 0 0 年年底为f 卜，共轨喷油器的技术水平还是停留在电磁式共轨喷油器一l 。传统的电磁阀 中电磁响应时间太长，已经不能足够快速的对发动机机电控系统的控制信号产生响应来完成喷射过 程。压电驱动器控制的开关阀具有极快的响应速度和极强的可控性使更加柔性的控制成为可能，能 达到多次喷射和更加先进的喷射曲线控制，冈此压电式喷油器逐步取代了传统的电磁式喷油器成为 新的发展方向。电磁执行器只能促成喷油过程的开始和关闭。乐电式喷油器依赖压电陶瓷的逆压电 效应，在压电替堆上加上直流电后使压电晶体产生形变，一般通过机械结构将形变位移放大使燃油 阀芯产生开关动作，进而使高压燃油从喷嘴喷出、雾化并且在内燃机中燃烧产生动力。这里，电磁 第6 页 第1 章绪论 线圈的电感不复存在，对电磁线圈的充电和放电过程换成了对压电元件的充电和放电过程，死区时 间人人缩短。压电作用力代替电磁作用力直接触发了共轨喷油器的切换。这个传递过程省略了通过 弹簧力和液压力进行的转换，使得响应速度明显地提高了，此外，压电执行器由电控单元根据运行 工况来控制，能精确地调：1 了喷油始点和喷油持续期，并且可柔性控制喷油规律形状( 喷油相位、喷 油次数和喷油量) 【2 叫1 3 2 j 。 自2 01 h = 纪9 0 年代中期开始，s i e m e n s 和b o s c h 共投入了5 0 亿欧元在压电技术的开发和生产 上，共有9 4 0 0 名员工参与其中1 3 i 】【3 3 1 。s i e m e n s v d o 公司在研制和生产压电晶体方面积有多年的经验。 他们从1 9 9 6 年开始研究压电晶体作为致动器的共轨系统技术。在2 0 0 0 年将这种革命性的技术应用 在轿车中。由于压电阀具有的高速相应特性，使压电喷油器每行程允许多达七次的喷射，将燃油进 行雾化，配合高压共轨中高达1 6 0 m p a 的油压和控制系统中3 2 位高性能控制单元，得到了极佳的性 能。s i m e n s v d o 公司的压电式喷油器如图1 _ 4 所示。 图1 _ 4s i e m e n s v d o 公司压电式喷油器【3 3 】 b o s c h 公司于2 0 0 3 年5 月开始在其批量生产第三代高压共轨电控喷油器中采用压电执行器， 其压电喷油器如图1 5 ( a ) 所示【3 2 】【3 4 1 。在1 6 0 m p a 系统压力下，甚至用在重型汽车上，即使不采用 废气后处理装备，也能达到e u r o i v 排放标准。b o s c h 公司第三代共轨喷油系统可降低柴油机排气 有害物高达约2 0 。此外，还能提高功率5 ，降低燃油耗3 ，降低噪声3 d b ( a ) 。改进后的第四代 电控压电式喷油器预计2 0 0 7 年批量生产，性能将更高。2 0 0 5 年，德国总统亲自将德国科技的最高 奖项一德国未来大奖颁给了研发高压共轨系统中压电技术的s i e m e n s 公司和b o s c h 公司，来表彰 这一历史性的创新技术。 图1 5b o s c h 和d e n s o 的压电式喷器 3 4 3 5 1 第7 页 东南大学硕? i ：学位论文 此外，日本的d e n s o 公司【3 5 l ( 图1 5 ( b ) ) ，美国的d e l p h i 公司以及汉诺威大学的丁：程燃烧 研究所【3 6 】都在致力于将压电式致动器取代以前的电磁线圈式的开关阀，进一步提高柴油机的性能。 可以说压电式电控喷油器代表着柴油机喷射系统未来的发展方向。 当然，柴油机高压共轨系统并不是唯一能够利用压电技术的领域，由于其具有更短的开关时间， 所以，从原理上可以将其应用在其它喷射系统中。 压电技术也非常有利于在汽油亢喷系统上使用。这种趋势已经更加明显。特别是针对复杂的燃 烧结构和燃烧方式而言，压电执行器所具有的快速性能是非常重要的。b o s c h 公司2 0 0 5 年将压电 喷油器技术应用到第二代汽油直喷发动机中，油耗比现在的汽油喷射系统降低了1 5 。预计到2 0 0 8 年，将会有五分之一的汽油机采用这种直喷技术。因此，压电式高压共轨喷油系统具有巨大的市场 价值。 目前国内的喷油器研究水平还停留在电磁式的阶段，压电式喷油器还处于基础研发的阶段，且 投入非常有限。一汽集团无锡油泵油嘴研究所等燃油系统研发单位已经开始着手研发压电型喷油器， 中国电子科技集团第二十六研究所等乐电材料方面的科研单位已经开始研发针对喷油器使用的压电 致动器，华中科技人学也有过相关文献p 7 1 ，此外东南大学【3 8 】等国内大学都开始投入到压电式喷油器 的研发中米。虽然我们的研究与困外还有很大的差距，但只要我们加大研发力度，相互合作，一定 能迎头赶上，开发出具有自主知识产权的压电式喷油系统。 1 4 本文主要内容和研究意义 本文的主要内容包括： 第1 章绪论。分别介绍了压电致动器的发展历史、特点、分类、研究现状和燃油喷射系统在国 内外的发展现状，着重介绍了压电技术在燃油喷射系统中的研究现状和发展趋势，论述了本文的研 究内容和研究意义。 第2 章压电陶瓷致动器的基本理论。从压电效应、压电材料和振动理论入手，介绍了压电致动 器的基本理论。特别的，对在燃汕喷射系统中有广泛应用前景的叠层型压电致动器作了详细的介绍， 包括其结构和基本特性，之后通过实验的手段对叠层型压电致动器的静动态性能做了比较全面的测 试。 第3 章压电位移放大致动器的研究。基于叠层型压电致动器和正交放人原理，设计了一种压电 位移放人致动器，采用有限元的方法对其进行建模、仿真和优化。研制了样机，并对样机进行了性 能测试。之厉还对压电放人致动器的应川做了相荚的研究，包括其拓扑结构以及惯性式压电直线电 机的设计等。 第4 章用于压电致动器的电源研究。介绍了压电致动器驱动电源的特点和种类，针对本课题的 实验和应用要求，对电源的相关部分进行了设计。对其中的升压调压模块、调频模块和放电同路进 行了详细的介绍，包括理论设计、仿真和实验研究。 第5 章压电型喷油器的初步研究。介绍了高压共轨系统用的电控喷油器的结构和工作原理，特 别对其中核心部件燃油阀的结构进行了详细的讨论。介绍了电磁阀的结构，并对压电阀与电磁阀进 行了比较。在电磁式喷油器的基础上没计了两种压电式喷油器结构，并对设计过程中需要注意的压 电阀的二l 二作要求进行了总结。 第6 章总结与展望。 压电致动器的应用正在成为微机电的热点，而燃油系统中的共轨电控喷油系统也才刚刚发展不 久。将压电致动器川于燃油喷油器中在世界范围内也还是刚刚起步的课题，在国内还处于空白阶段， 其涉及的学科众多，研究难度大，但前景却十分广阔，具有很高的研究价值。 本文旨在前人的压电致动器研究和喷油器研究的基础上，将两大类研究加以总结，为压电喷油 器的设计和虑用做些探索性的- t 作。 第8 页 第l 章绪论 本文对压电技术和燃油喷射技术在国内外的发展做了总结性的概述；对压电致动器，特别是叠 层型压电致动器作了全面具体的介绍，并通过一系列的实验对其进行测试，为其进步应用打下了 基础；设计了一种针对叠层型压电致动器的位移放大机构，并研制了样机，测试了性能，还对其具 体的应用前景做了很多探索性工作，衍生出很多新的研究方向，并对设计过程中的经验做了总结； 对压电驱动电源进行研究，对一些重要的电源模块进行了仿真和实验；对喷油器的结构进行了研究， 并在前面研究的基础上，对压电式喷油器的设计进行了相关的尝试，为压电喷油器进一步的研制和 开发提供了方向和思路。这些研究有很多探索性的经验，具有很高的借鉴价值，为压电喷油器进一 步的产品开发打下了基础，对于压电致动器应用的扩展也提供很多建设性的思路。 参考文献 【l 】张祸学，下丽坤现代压电学 m 】北京：科学出版社出版，2 0 0 1 【2 】王矜奉，姜组桐，石瑞大压电振动【m 】北京：科学出版社，1 9 8 9 【3 】栾桂东，张金铎等压电换能器和换能器阵【m 】北京：北京大学出版社，1 9 9 0 【4 】胡敏强，金龙，顾菊r 超声波电机原理与设计f m 】北京：科学出版社，2 0 0 5 【5 】k u c h i n o r e c e n tt r e n do fp i e z o e l e c t r i ca c t u a t o rd e v e l o p m e n t s m i c r o m e c h a t r o n i c sa n dh u m a ns c i e n c e 19 9 9 m h s 9 9 p r o c e e d i n g so fl9 9 9i n t e r n a t i o n a ls y m p o s i u mo i l ，2 3 - 2 6n o v 19 9 9 ：3 - 9 【6 】s a m a n t a b ，r a ym c ，b h a t t a c h a r y y a i lf i n i t ee l e m e n tm o d e lf o ra c t i v ec o n t r o lo fi n t e l l i g e n ts t r u c t u r e s a i a a j 19 9 6 ，3 4 ( 9 ) ：l8 8 5 18 9 3 【7 】c h e ns h ，y a og f ，h u a n gc an e wi n t e l l i g e n tt h i i n s h e l le l e m e n t s m a r tm a t e r s t r u c t 2 0 0 0 ， 9 9 ( 6 ) ：1 0 一1 8 【8 】z h a n gx d ，s u nc t a n a l y s i so fas a n d w i c hp l a t ec o n t a i n i n gap i e z o e l e c t r i cc o rs m a r tm a t e r s t r u c t 1 9 9 9 ，8 ( 1 ) ：3 1 4 0 【9 】刘一声压电双晶片致动元件的应用【j 】压电与卢光，1 9 8 5 ，7 ( 1 ) ：3 5 【1 0 】刘一声多层陶瓷致动器的制作和应用【j 】屯子与仪表，1 9 8 8 ( 9 ) ：2 5 【l1 】陈大任压电陶瓷微位移驱动器的概述【j 】电子元件与材料，1 9 9 4 ，1 3 ( 1 ) ：2 7 【l2 】蔡鹤皋，孙立宁，安辉压电电致伸缩微位移器件与应用【j 】高技术通讯，19 9 4 ( 5 ) ：3 8 - 4 0 【1 3 】李俊宝，吕刚智能桁架结构振动控制中压电主动构件的研究：( 一) 压电主动构件设计i j 】压电与声光， 19 9 8 ，2 0 ( 2 ) ：8 9 - 9 4 【1 4 】孙立宁，张涛，蔡鹤皋压电电致伸缩陶瓷控制模型归一化的研究【j 】哈尔滨t 业大学学报，1 9 9 8 ， 3 0 ( 5 ) ：4 - 7 【1 5 】阎绍泽，吴德隆，黄铁球，等航天压电陶瓷微位移作动器设计与实验研究【j 】导弹与航天运载技术， 19 9 8 ( 6 ) ：2 5 - 31 【1 6 】万德安，刘春节，陆文压电驱动微位移放大机构放大特性的研究【j 】机械工程师，2 0 0 4 ( 7 ) ：3 1 3 3 【1 7 】冯晓光，赵万生，栗岩压电陶瓷微位移器驱动电源及其减小其纹波的方法【j 】压电与声光，1 9 9 7 ， 1 9 ( 1 ) ：3 5 3 8 【l8 】k u c h i n o ，j g i n i e w i c z m i c r o m e c h a t r o n i c s 【m 】n e wy o r k ：m a r c e ld e k k e r ，2 0 0 2