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压电式喷油器工作原理、结构和特点 |
摘要：压电式燃油喷射系统是柴油发电机电控共轨喷油系统的一种，20世纪90年代中期才开始推向市场的第3代电控喷射技术，它摒弃了传统使用的直列泵系统，而代之以用一供油泵建立一定油压后将柴油送到各缸共用的高压油管内，再由共轨把柴油送入各缸的喷油器。压电式燃油喷射系统喷油压力与喷油量无关，也不受柴油发动机负荷和转速的影响，能根据要求任意改变压力水平，使NOx和颗粒排放都大大降低。由于采用了独立的高压油泵，可提供很高的喷油压力，最高可达200~ 220MPa，即使联结各喷油器的高压油管很短也不会出现不可控制的异常喷射情况。
一、压电技术的概述和发展
1、压电效应
压电效应英文名称piezo electric effect，该原理在1880年由发明人的名字（Pierre和Curie）来的。压电效应可分为正压电效应和逆压电效应，效果图如图1所示。
（1）正压电效应：
当晶体受到某固定方向外力的作用时，内部就产生电极化现象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。压电式传感器大多是利用正压电效应制成的。
（2）逆压电效应：
逆压电效应是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象。用逆压电效应制造的变送器可用于电声和超声工程。压电敏感元件的受力变形有厚度变形型、长度变形型、体积变形型、厚度切变型、平面切变型5种基本形式。压电晶体是各向异性的，并非所有晶体都能在这5种状态下产生压电效应。例如石英晶体就没有体积变形压电效应，但具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。
（3）计算公式
① 压电材料外部施加力F的产出计算
如图2所示。外部施加力下压电材料产生的电荷Q或者电压V就是正压电效应的应用。通用常数比例变化（如压电常数d33和Cd大小的变化）施加全部外部作用下，压电陶瓷会对应产生电荷量Q。
Q=Cd×V=F×d33........................（公式1）
此时输出电压V可由压电材料元件的压电常数g33、厚度t、截面积A的关系表达出来，具体见下公式：
V=F×d33/Cd=F×g33×t/A........................（公式2）
② 压电材料外部施加电压V的产出计算
外部施加电压压电材料产生形变就是逆压电效应的应用。在应用实例中，压电材料可以在直流或低频交流电下运行。此时，无负荷的电位移U和施加电压V有下列关系：
U=V×d33........................（公式3）
式中，V——施加电压；
d33——压电常数。
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图1 电控柴油机喷油器压电效应 |
图2 压电材料外部施加力F示意图. |
2、压电陶瓷的定义及发展过程
（1）什么是压电陶瓷？
陶瓷是天然或人工合成的粉状化合物，经过成形和高温烧结制成的，由金属和非金属元素的无机化合物构成的多晶固体材料。压电陶瓷是在一定的工艺下，将压电材料经过高温烧结，然后进行机械加工，按照需要的方式烧上银电极，并用直流电压电场进行极化处理后得到的多晶体材料，即一种具有压电效应的功能型材料，因为它的生产工艺与陶瓷生产工艺相似，所以称其为压电陶瓷。
（2）压电陶瓷的发展
压电学是上个世纪四十年代时的一个晶体物理学的分支。一开始时，压电材料只是指的石英和电气石等一些单晶体材料。1947年，美国的罗伯茨发现了钦酸钡(BaTi03)的压电性能，使多晶体压电材料得到了很大的发展，并迅速得到了初步的应用。钦酸钡(BaTi03)的发现是压电陶瓷材料的一个飞跃，因而压电陶瓷材料分为两大类：
① 一个是压电单晶体陶瓷材料，1954年，在美国出现的PzT压电陶瓷(Pb(Zr，Ti)O3压电陶瓷)获得了专利权，PzT作为二元系的压电陶瓷拥有比钦酸钡陶瓷更好的压电性能，它的出现迅速扩展了压电陶瓷的应用领域；
② 另一大类压电陶瓷出现在1965年，日本松下电气公司的研究人员在原有的PzT中加入了Pb(Mg1/3Nb2/3)O3后，制成了三元系的压电陶瓷，并取名为PCM。PCM是一种透明的压电陶瓷，其压电性能可与PzT相媲美，它的出现也使新型压电陶瓷的研究进入到了一个非常活跃的阶段。
二、压电技术在共轨燃油喷射系统应用
1、压电式共轨系统的特点
在此类共轨系统中，间接压电效应应用于控制喷油器的开启。
（1）电能量（ECM的驱动信号）通过元件的形变转换为机械能量，由形变产生的力确定了喷油器针阀的提升。
（2）单个元件产生的形变（位移）非常小，因此将多个元件连接在一起产生较大的位移，所以叫做‘元件堆(stack)’。
（3）为产生需要的位移以控制喷油器的针阀提升，喷油器中的压电发生器由大量的陶瓷膜叠加成以产生针阀提升所需的位移。
（4）压电控制喷油器的切换时间比传统的电磁驱动的喷油器快4倍。因此其对喷油量的计量更精确，例如在预喷（pilot injection）可提供非常小的喷油量（约1mm3）。
2、压电发生器优点
与电磁阀执行器相比，压电发生器首先具有快速响应性的特点，性能对比如表1所列。作为机电一体化的元件，它就好象是一个多层陶瓷电容器，在电压下立即就能充电，在0.1ms内就会发生晶格变形，比任何其他众所周知的可应用的物理现象都要来得快。与电磁阀相比，喷油器中的压电发生器具备以下特点：
① 压电发生器实际上无滞后时间；
② 开关非常迅速而精确；
③ 可重复性非常好；
④ 无结构设计所造成的诸如间隙之类的误差；
⑤ 在使用寿命期内性能稳定；
⑥ 压电模块可以预生产和预检验的执行器方式供货；
表1 电磁式和压电式喷油器性能对比
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喷油器 |
开关时间 |
滞后时间 |
重复性 |
能量消耗 |
针阀升程可变性 |
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电磁阀控制 |
差 |
有 |
差 |
中等 |
无 |
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压电控制 |
好 |
无 |
好 |
好 |
有 |
3、压电发生器特性
为了描述其特性，先解释空行程和闭锁力这两个特性参数的含义：空行程是指充电状态下不产生力时的行程，而闭锁力则指不产生行程时的最大力。根据结构形式和所使用的压电陶瓷材料的不同，他们分别处于几毫米和几千牛顿范围内。
应用在喷油阀上，执行器必须达到各种不同的开启位置，也就是各种不同的行程和力的组合。具有传动比的转换器将压电发生器的行程放大，其结果由于能量的原因会使理论上最大可能的力减小同样的系数，为顾及到动态运行，还应考虑到系统总刚度也会降低。压电发生器能产生的闭锁力FAB的线性近似值与有效横断面积成正比；而空行程较精确的近似值与压电发生器的有效长度即片数成正比。压电发生器的电压与形成的线性关系具有较准确的近似值，实际上压电系数取决于电场强度亦即所施加的电压。
三、压电式喷油器结构组成
实现压电喷油器功能的主要组件是压电发生器、液压接杆、控制阀和喷嘴，结构如图3所示。压电发生器在非工作状态时处于原始位置，控制阀关闭。高压范围和低压范围相互隔断。此时，液压接杆补偿可能存在（例如由干热膨胀所引起的）间隙，喷嘴借助于紧接着控制室的共轨压力保持关闭状态。压电发生器起作用时就将控制阀打开，从而使控制室中的压力降低．喷嘴开启。若控制阀关闭，控制室中的压力随之增大，喷嘴针阀也随之关闭。
压电喷油器被设计成没有机械力通过推杆作用在喷嘴针阀上，因此运动质量和摩擦大大降低，并且喷油器的稳定性和喷油误差比通常的电磁阀控制喷油系统明且改善。控制阀与喷嘴针阀的紧密连接使得针阀对压电发生器的动作能直接作出迅速的反应，控制始点与喷油始点之间的延迟时间总共约150μs，这样就能获得高的针阀速度和重复性较好的最小喷油量。
这种压电喷油器没有从高压油路向低压油路泄漏的部位。这样就提高了整个系统的液压效率。同时，这种压电喷油系统还能实现很短的喷射间隔。
1、喷嘴针阀
喷嘴是喷油器的核心部件，结构如图4所示。它主要由针阀体、针阀、针阀座等部分组成。针阀体是喷嘴中最重要的部件之一，它的内部结构非常复杂，包括了多个喷孔和喷嘴通道。针阀是喷嘴的关键部件，它的运动状态直接影响着喷油器的喷油量和喷油时间。针阀座则是喷嘴的支撑部件，它的质量和精度直接影响着喷嘴的喷油效果。
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图3 压电喷油器结构示意图 |
图4 喷油器针阀偶件结构图 |
2、液力放大器
由于绿色阀腔内的液压油或多或少存在泄漏，因此有必要对阀腔内的液压油进行补给，如图5所示。
3、控制阀
控制阀原理如图6所示，压电发生器的位移变化在液力放大器的推动下使得旁通阀开启与关闭，从而实现油嘴针阀的关闭与抬起，最终实现喷油器定时喷射。
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图5 压电喷油器液力放大器工作原理图 |
图6 压电喷油器控制阀工作原理图 |
4、压电发生器
（1）压电陶瓷的极化特性
压电陶瓷在通电的情况下，其晶粒会产生极性重组，这使得晶体的长度会产生变换，极化过程如图7所示。
（2）压电发生器多层设计
为使得压电晶体的变形更有规律更稳定，喷油器的压电发生器采用了多层设计。如图所8示。
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图7 压电发生器极化特性 |
图8 压电发生器结构设计 |
总结：
压电式燃油喷射系统采用的是压力—时间计量原理，ECU根据工况、油温、空气温度等信号，由油压传感器测出压力值并输送给ECU，并使所测得的压力与发动机工况所给定的油压脉谱图（所设的最佳压力值）比较，ECU给出信号控制电磁式柴油泵控制阀（PCV）的启闭，来调整高压油泵的供油量，以改变共轨油道中的油压，使油压为最佳值。 总的来说，压电喷油器是一种高精度、高效率的喷油器，它的工作原理是利用压电效应将电能转化为机械能，从而实现燃油的喷射。它具有喷油量精度高、响应速度快、燃油经济性好等优点，已经成为现代国三柴油发电机中不可或缺的关键部件。
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