压电喷油器驱动系统性能优化研究.pdf

第3 2 卷第1 期 2 0 1 1 年Z 月 内燃机工程 C h in e s eI n t e r n a lC o m b u s t io nE n g in eE n g in e e r in g V 0 1 3 2N o 1 F e b r u a r y 2 0 1 1 文章编号 1 0 0 0 0 9 2 5 2 0 1 1 0 1 0 0 5 9 0 5 压电喷油器驱动系统性能优化研究 宋国民 吴小勇 高崴 寇伟 无锡油泵油嘴研究所 无锡2 1 4 0 6 3 S t u d yo nP e r f o r m a n ceO p t im iz a t io no fln je ct o r P ie z o e le ct r ic D r iv in gS y s t e m S O N GG u o m in W UX ia o y o n g G A OW e i K O UW e i W u x iF u e l I n j e ct io nE q u ip m e n tR e s e a r chI n s t it u t e W u x i2 1 4 0 6 3 C h in a 3 2 0 0 1 2 A b s t r a ct D r iv in gm o d e so fp ie z o e le ct r icin je ct o rw e r ea n a ly z e db a s e do ns t u d yo fco m m o nr a ils y s t e m s w it hp ie z o e le ct r ic a ct u a t o r A n a ly t ich ie r a r ch yp r o ce s s A H P w a sa p p lie dt oo p t im iz in gp e r f o r m a n ceo fp ie z o e le ct r icin je ct o ru n d e rd if f e r e n td r iv in gv o lt a g e st op r o v id eab a s isf o rp e r f o r m a n ced e v e lo p m e n ta n do p t im i z a t io no fp ie z o e le ct r ic d r iv in gco m m o nr a ils y s t e m F in a la ct u a le x p e r im e n tr e s u lt sd e m o n s t r a t et h a tt h ep ie z o e le ct r ic in je ct o rh a sq u ick e rr e s p o n s ea n dm o r es t a b lep e r f o r m a n ceco m p a r e dw it hs o le n o ida ct u a t o rin je c t o r P e r f o r m a n ceo ft h ep ie z o e le ct r ic in j e ct o riSim p r o v e df u r t h e ra f t e ro p t im iz e dw it hA H P 0 概述 摘要 在压电共轨喷射系统研究的基础上 对压电执行器不同驱动方式进行分析 并利用 层次分析法对不同压电执行器驱动电压进行性能优化 从而为压电喷油器性能开发及改进奠 定基础 最后进行相关试验 试验结果表明 与电磁式执行器相比 压电执行器具有响应快 性 能稳定等特点 同时 利用层次分析方法性能优化后 压电喷油器的性能得到了进一步改善 关键词 内燃机 压电执行器 共轨 喷油器 优化 K e yw o r d s I Ce n g in e p ie z o e le ct r ica ct u a t o r co m m o nr a il f u e lin je ct o r o p t t m lz a t lo n 中图分类号 T K 4 2 1 4文献标识码 A 随着能源危机愈加严重 柴油机由于具有燃烧 效率高等特点 因而应用范围也越来越广泛 为了 解决排放及喷射压力提高后柴油机的振动 噪声问 题 多次喷射广泛应用到直喷式柴油机系统 在欧一 I V 及更高排放法规背景下的研究表明 对燃油喷射 量的精确控制和一致性保证 有助于降低氮氧化合 物 N Q 的排放 压电式共轨系统由于执行器响应 速度快 驱动力大及对燃油喷射量的精确控制而优 于电磁式共轨系统 近年来发展迅速 具有较好的发 展前景 1 2 西门子公司作为国际上压电式共轨系 统研究的领先者 从2 0 0 0 年开始已生产了数千万只 压电晶体喷油器 这些喷油器装配在数百万台汽车 上 取得了良好的经济 环保效应 国内对压电式共 轨系统的研究正处于起步阶段 本文从实际工程应 用的角度出发 在前期压电式共轨系统驱动开发的 基础上 分析驱动方式对压电执行器性能的影响 最 后对试验结果进行优化 3 J 1 压电执行器驱动 压电晶体作为特殊的执行器 其驱动方式与常 规执行器有所不同 压电执行器工作原理类似电容 因此 驱动过程中需高端 低端开关配合控制 以达 收稿日期 2 0 0 9 0 7 2 7 基金项目 江苏省基础研究计划 自然科学基金 资助项目 B K 2 0 0 8 5 3 5 l 作者简介 宋国民 1 9 7 2 一J 男 高级工程师 博士 主要研究方向为发动机电子控制技术 故障诊断 E m il s g m w f ie r i co ln 6 0 内燃机工程2 0 1 1 年第1 期 到控制执行器电流的目的 由于压电执行器电容感 抗很小 通常电容容量在lo 肚F 以下 因而 驱动电路 设计必须严格控制回路充电电流 这是因为电流太 大容易导致执行器击穿 影响执行器系统的可靠性 驱动电流过小 则喷油器系统响应慢 影响系统性 能 压电执行器驱动通常有3 种方式 如图1 所示 爝 脚 之 幽 铆 嫣 脚 之 幽 脚 螽 鼍 吝 删 时间 m s a 单峰值电流驱动 时间 m s b 恒定电流驱动 阶 彬 三善 W 十电流 6 6 时间 m s c 多峰值电流驱动 图1不同的压电执行器驱动方式 在3 种驱动方式中 单峰值电流驱动最容易实 现 但由于驱动控制中可调整的参数较少 因此 性能 优化难度较大 恒定电流驱动方式 对性能优化及执 行器保护具有良好效果 但由于硬件需设计恒流控 制 因此 电控单元 E C U 设计复杂度较大 多峰值电 流驱动方式介于两者之间 技术上实现难度适中 同 时又能灵活控制压电执行器的驱动模式 因此 在实 际中被广泛采用 本文研究也是基于这种方式展开 压电晶体执行器采用叠层流延工艺成型 低温 共烧技术整体烧结 多层压电晶体执行器由2 0 2 0 0 弘m 厚度的陶瓷层烧结 层与层之间有电极 生产技 术与多层电容器类似 决定压电执行器产品的性能 及质量的主要因素是材料及加工工艺 在驱动过程 中 为了提高压电执行器系统的响应速度 必须提高 驱动过程中电压的上升速率 驱动时能量转化过程 所需电压U cA 为 4 5 U cA 砉licA d t 1 L A J 式中 U cA 为执行器加载电压 i A 为回路驱动电流 C A 为等效压电执行器电容负载 由公式 1 可知 在执行器参数一定的前提下 为了提高电压上升速率 则必须提高驱动电流 但 从实际产品应用及可靠性考虑 驱动电流不宜太大 因此 在保证产品可靠性的前提下应尽量提高充电 过程中的电流 由于受到应用条件及可靠性要求限 制 驱动电流在实际应用时相对固定 本文重点分析 驱动电压对系统性能的影响 并在试验的基础上进 行系统性能优化 2 试验分析 2 1 驱动模式分析 为了分析驱动方式对压电执行器性能的影响 在 完成共轨压电晶体喷油器及驱动电路设计后 利用法 国E F S 单次喷射试验台分别测量在不同驱动电压下 的喷射特性 本文利用多峰值电流方式驱动 主要对 喷油系统的各工况点油量值 稳定性及系统响应时间 测量分析 图2 为设计完成的E C U 驱动压电执行器 时的电流及电压波形 由图2 可见 驱动过程中通过 电流的有效控制 使得压电执行器电压上升斜率在一 定范围内受控 从而为系统性能优化提供了可能 通 过试验分析可见 为了提高执行器响应速度 在保证 系统可靠性的前提下 电流越大越好 电流大 则电压 上升速度快 电流优化主要从系统可靠性角度考虑 为此 本文主要对系统驱动电压进行试验及优化 且 重点分析喷射系统小油量工况点的性能 即小油量时 系统油量的稳定性及喷射开启延迟参数 爝 脚 之 出 唧 电压 厂 L 阻 电流 r 时间 m s 图2 压电执行器电压及电流波形 图3 为共轨压力3 0 M P a 时 执行器不同驱动电 压时的喷油量均方差及喷油器开启延迟曲线 由图 3 可见 随着驱动电压的提高 压电执行器性能有所 改善 这是因为当电压提高时 压电执行器变形量 增大 同时 执行器推力提高 导致压电执行器液力控 2 0 1 1 年第1 期内燃机工程 6 1 制阀的开度发生变化 从而影响液力伺服机构性能 最终影响喷油器喷射系统性能 当驱动电压提高时 液力伺服阀开度增大 同时 打开速度提高 从而导致 控制腔压力下降速度提高 这是喷油器开启速度加快 的根本原因 反之 由于伺服阀行程增大 若系统结 构设计不合理会进一步影响喷油器关闭性能 而且 当驱动电压提高时会严重影响系统可靠性 暑 赛 隶 时间 m s a 喷油量均方差 时间 m s b 喷油器开启延迟 图3 不同驱动电压时的喷油量均方差及 喷油器开启延迟 3 0 M P a 图4 为共轨压力4 0S P a 时 执行器不同驱动电压 时喷油量均方差及喷油器开启延迟试验曲线 由图4 可见 随着共轨压力的提高 压电执行器性能随电压的 变化趋势基本一致 压电执行器喷射系统性能 油量均 方差 喷油器开启延迟 均有所改善 即在一定范围内当 共轨压力提高时 喷射系统性能得以改善 2 2 优化分析 通过以上分析可见 当驱动电压提高时压电执 行器性能有所改善 但对E C U 设计提出了更高的要 求 且当驱动电压提高时对压电系统使用可靠性有 影响 因此 必须选择合适的压电执行器驱动电压 对于性能分析而言 通常要求喷油器在各工况下具 有良好的喷油稳定性及较小的喷油器开启延迟 本 文根据实际发动机应用要求及压电共轨系统喷油器 参数匹配试验 按照共轨压力及喷射驱动脉宽建立 了喷油器工况表 见表1 l 痫 趣 露 3 裂 艘 但 隶 时间 m s a 喷油量均方差 时间 m s b 喷油器开启延迟 图4 不同驱动电压时的喷油量均方差及 喷油器开启延迟 4 0M P a 表1 喷油器工况点 脉宽 m s 轨压 M P a 2 51 50 80 5 3 0 P 1 1P lzP 1 3P 1 4 4 0 P 2 1P 2 2P z 3P z 4 6 0P 3 1P 3 2P 3 3P 3 4 7 0P 4 lP 4 2P 4 3P 4 9 0P 5 lP s zP 5 3P s 4 1 0 0P 6 1 P 6 z P 6 3 P 6 4 由于喷射系统的工况点较多 且各工况点之间 通常相互影响 可见该案例为典型的多目标 多参数 优化问题 因此 为了迅速从复杂试验数据中分析 中最优结果 需要采用数理统计中的优化分析方法 综合评价 在所有综合评价分析方法中 层次分析 法 a n a ly t ich ie r a r ch yp r o ce s s 是对一些较为复杂 较为模糊问题做出决策行之有效的方法之一 特别 适用于难以完全定量分析的问题 对于压电式共轨 系统性能而言 应主要考虑小油量工况点 根据实 际开发经验 共轨喷油器通常小油量要求更高 因 此 根据经验选择P P P 3 个小油量点的性能 指标作为准则层B 的判断准则 主要考虑小油量工 况点油量稳定性及喷油器开启延迟指标 建立如图5 所示的A H P 优化模型 6 盘基昶职露 6 2 内燃机工程2 0 1 1 年第1 期 目标层A喷油器性能满意程度 准则层B P 1 4 点 开 启 延 迟 P 1 4 点 油 E 里 稳 定 性 P 1 3 点 开 启 延 迟 尸1 3 点 油 目 里 稳 定 性 P 2 4 点 开 启 延 迟 P 2 4 点 油 茸 里 稳 定 性 方案层Cl电压lI 电压2I 电压3I ll电压7 图5A H P 优化分析模型 根据专家经验及结合实际应用情况 综合考虑 各因素对发动机性能的影响程度 确定了准则层B 的各因素权重打分系数 见表2 表2 准则层各权重打分系数 B 1B 2B 3 B a B 5B 6 系数 P 1 4P 1 4P 1 3P 1 3P 2 4P 2 4 延迟稳定性延迟稳定性延迟稳定性 B 1 112223 B 21l 2 2 23 B 31 21 21223 B 1 21 21 2123 B 51 2 l 21 21 212 B 61 31 3 1 3 1 3 l 21 表2 中各标度数据代表两两因素比较时的重要 程度 具体的标度数据含义见表3 表3 各标度数据含义 标度含义 l 表示两个因素相比 具有相同重要性 3表示两个因素相比 前者比后者稍重要 5 表示两个因素相比 前者比后者明显重要 7 表示两个因素相比 前者比后者强烈重要 9表示两个因素相比 前者比后者极端重要 2 4 6 8表示上述相邻判断的中间值 若因素i与因素j 的重要性之比为b 那么 倒数 因素j 与因素i重要性之比为 b 一1 b 根据表2 可得到y 0 断矩阵B 为 B 2 定是否能接受它 一致性指标C J 为 C I 生掣 3 式中 A 为构造矩阵的最大特征值 挖为矩阵维数 一致性比例因子C R 为 C R 一面C I 4 式中 R I 为一致性指标 是根据样本矩阵统计计算 得到的结果 其经验数据见表4 表4 一致性指标R I 12345678 R 10O0 5 8 0 9 01 1 2 1 2 4 1 3 2 1 4 1 判断矩阵B 的一致性比例检验参数C R O 0 2 77 由于C R O 1 则认为判断矩阵B 的一致性可以接 受 即构造的判断矩阵可信 判断矩阵B 的最大特 征值A 为 A 6 1 7 15 对应最大特征值的特征向量b 为 b E o 5 6 96 0 5 6 96 0 4 1 08 0 3 2 49 0 2 3 69 0 1 4 37 3 特征向量标准化之后得到相应准则判断因子权 重向量 为 一E o 2 5 26 0 2 5 26 0 1 8 21 0 1 4 40 0 1 0 5 0 0 0 6 37 向量 就是准则层各因素的权重系数 根据该 权重系数且将各工况点均方差及喷油器延迟数据归 一化后 按照相应权重计算求和 得到各电压下压电 喷油器系统性能的满意程度指标 如图6 所示 由图 6 可见 随着压电执行器驱动电压的提高 基本趋势是 小油量工况点性能指标有所改善 但当电压提高到一 定程度后 随着电压的继续升高 性能改善程度有所 减缓 根据优化计算结果 图6 本文选择1 6 0V 电 压作为压电执行器的驱动电压较为合理 图7 为压 电式喷油器在1 6 0V 驱动电压下的性能试验曲线 蜷 翠罂 型 龋 蝗 电压 V 对构造的判断矩阵B 需进行一致性检验 以决图6 不同电压下性能A H P 优化结果 3 3 3 3 2 12 2 2 2 2 1 l 2 3 2 2 2 1 2 2 3 2 o l 2 2 2 3 1 l l l 2 2 2 3 1 l 1 1 1 1 蠢 寒 聚 时间 m s b 喷油量均方差 时间 m s c 喷油器开启延迟 图71 6 0 V 驱动电压下的压电式喷油器性能特性 3 结论 精 三l置宴式共轨喷油器由于执行器响应时间 篓要筻兰能要优于目前开发的电磁式执藉磊姜荔 喷油器系统 肌纨竺 笔过堡电执行器驱动电压优化后 喷油器 性能特箕 型三改善 各工况下均方薹薹某荔蔷差O 由 3r n m 3 以下 喷油器开启延迟基本控制在 嘉 芝 o 时M m s b 喷油量开启延迟 圈8 电磁式喷油器的油量稳定性及开启延迟 参考文献 1 3 兰兰竺耋竺竺 吴小勇 等 紫油机共轨压电晶体喷油器及驱 动电路研究 J 现代车用动力 2 0 0 8 3 ll 1 6 t a lin j e ct o rf o rb j g hp r e s s u r e co n lm nr a il in j e ct io ns ystem J M o d e r nV e h icleP o w e r 2 0 0 8 3 I I 1 6 2 3 耋霎霎曼曼课用压电石英执行器的电控共轨喷射系统 J 现代车用动力 2 0 0 4 1 1 2 1 7 一 一i HX Y u a nL T h e e le ct r o n ica llyc n t r 0 J le dco m m n r a ilin 一 e 1 n8 y 8 e mw i h p ie z 伊q u a r 拓a ct u