刘晨，刘振明，陈萍，刘景斌

(海军工程大学动力工程学院，湖北 武汉 430033)

高压共轨燃油喷射技术是目前降低柴油机油耗、减少柴油机排放最主要、应用最广泛的技术手段，已成为先进柴油机的标志性技术[1-3]。随着排放法规的日益苛刻和对燃油经济性要求的日益提高，高压共轨喷射技术必须满足更高喷射压力和每循环更多次数喷射的新要求[4]。

电控喷油器是高压共轨燃油喷射系统的核心部件。目前，绝大多数电控喷油器还是采用电磁阀作为执行机构来实现喷油器控制[5]。然而，电磁阀输出力较小，使得喷油器实现更高压力的喷射比较困难；其次，由于电磁阀线圈电感的作用，电磁阀响应时间过长，导致喷油器难以实现每循环更多次数的喷射[6-8]。因此，电磁阀的这种固有特性使得现有电磁阀式喷油器难以同时满足高压喷射和多次喷射。

利用压电陶瓷逆压电效应制作的压电晶体叠堆是一种微/纳米级的超精密驱动器件，具有体积小、输出力大及响应速度快等优点[9-11]，为开发更高性能的电控喷油器提供了新的技术途径。为此，德国BOSCH、日本DENSO等公司先后着力开发基于压电晶体驱动的压电喷油器。目前，BOSCH公司开发的压电喷油器可实现大于200 MPa的喷射压力和每循环多达7次的喷射，可使柴油机不用废气后处理就可达到欧Ⅳ排放标准并使柴油机油耗下降3%、噪声下降3 dB(A)[12]。压电喷油器已成为高压共轨燃油喷射技术新的发展方向和研究热点，国内外学者对此开展了较多研究。文献[13]中对压电喷油器的响应特性、喷雾过程及其对柴油机燃烧、排放的影响进行了分析，验证了压电喷油器在动态响应与燃油喷射雾化方面的优越性。文献[14]通过对压电喷油器驱动组件参数进行优化，提高了燃油喷射压力，增加了喷雾贯穿距，降低了NOx排放。文献[15]对不同温度、电场及负载下压电喷油器的喷油特性进行了试验研究，获得了不同工作条件下喷油器的燃油质量流量与流量系数的变化。文献[16]中对压电喷油器中压电执行器的准静态迟滞特性进行测试，得到了不同工作条件下的位移迟滞特性。

综上分析，目前有关压电喷油器的研究大多针对国外现有压电喷油器进行性能和建模研究，而针对国内自主设计研制的压电喷油器性能研究较少。为此，本研究针对自主设计研制的面向单缸功率120 kW的柴油机压电喷油器进行试验研究，分析压电喷油器响应特性及喷射能力，为柴油压电喷油器设计优化奠定基础。

1 压电喷油器工作原理

自主设计研制的压电喷油器结构示意图及外观尺寸见图1。压电喷油器主要由执行机构、控制阀、针阀组件及喷油器壳体组成，执行机构由压电执行器、过渡件和预紧弹簧组成。

压电执行器尺寸为7×7×60 mm，电容量为8.9 μF。由10块共烧后的压电陶瓷采用环氧甲黏结而成。每一块长度为6 mm，由80片0.075 mm的压电陶瓷片共烧而成。压电执行器样件见图2。

图1 压电喷油器

图2 压电执行器样件

压电喷油器工作原理如下：喷油器不工作时，球阀在复位弹簧与腔内燃油的作用下，使旁通油道处于开启状态而球阀面处于关闭状态。通电后压电执行器向下伸长，球阀通过顶杆的推力被打开，旁通油道关闭，控制腔内部的燃油通过球阀腔和出油孔泄出，针阀受喷嘴囊室和蓄压腔的液压力快速上行，喷油器开始喷油。断电后压电执行器向上收缩，球阀关闭，旁通油道打开，燃油经过控制腔进油道与旁通油道迅速进入控制腔，使得腔内压力开始回升，针阀迅速落座，喷油过程结束。

2 试验系统及试验方案

2.1 压电喷油器试验系统

在共轨油泵试验平台上对压电喷油器的喷射特性进行试验。采用EFS8250单次喷射仪测试喷油器的喷油规律，采用EFS8370喷油器驱动单元驱动喷油器，利用TektronixDP03034示波器记录驱动电压以及喷油器喷油规律信号。压电喷油器试验系统见图3，压电喷油器测试样件见图4。

图3 压电执行器试验系统

图4 压电喷油器样件

2.2 试验方案设计

压电喷油器动态响应试验主要是测试压电喷油器在不同轨压和不同控制脉宽下的喷油规律以及喷油器工作的稳定性，试验方案见表1和表2。

表1 压电喷油器单次喷射试验方案

表2 压电喷油器多次喷射试验方案

3 试验结果与分析

3.1 喷油器响应特性分析

压电喷油器在不同轨压和不同控制脉宽下单次喷射喷油规律曲线见图5。

图5 不同轨压和控制脉宽下单次喷射喷油规律曲线

压电喷油器喷射过程响应指标具体定义见图6，图7示出压电喷油器在不同轨压和不同控制脉宽下的喷油开启响应延迟，图8示出压电喷油器在不同轨压和不同控制脉宽下的喷油持续期，图9示出压电喷油器在不同轨压和控制脉宽下的喷油关闭响应延迟。

由图7可以看出，压电喷油器在不同轨压和不同控制脉宽下的喷油开启响应延迟均小于0.4 ms，喷油开启响应延迟较为理想。在相同轨压不同控制脉宽下，喷油开启响应延迟基本保持不变。而当轨压从120 MPa增加到160 MPa时，喷油开启响应延迟仅增加了约14.5%。由图8可以看出，当控制脉宽超过0.5 ms时，喷油持续期随着控制脉宽的增加而增加，而喷油持续期随控制脉宽的变化速率基本不变，线性度较好。由图9可以看出，当控制脉宽超过1.0 ms时，喷油关闭响应延迟随着控制脉宽的增加而减小，基本呈线性关系，当控制脉宽从1.0 ms增加到2.5 ms时，喷油关闭响应延迟减小了约14.9%；而在小控制脉宽区域(0.5～1.0 ms)则相反，喷油关闭响应延迟与控制脉宽呈正相关，曲线存在明显的拐点。

图6 压电喷油器喷射过程响应指标示意

图7 不同轨压和控制脉宽下的喷油开启响应延迟

图8 不同轨压和控制脉宽下的喷油持续期

图9 不同轨压和控制脉宽下的喷油关闭响应延迟

压电喷油器和电磁阀式喷油器在相同轨压、控制脉宽下的喷油开启响应延迟以及关闭响应延迟对比见图10和图11。由图10和图11可以看出，压电喷油器的喷油开启以及关闭响应延迟均小于电磁阀式喷油器，表明压电喷油器的喷油性能更好。

图10 相同轨压和控制脉宽下压电喷油器与电磁阀式喷油器的喷油开启响应延迟对比

图11 相同轨压和控制脉宽下压电喷油器与电磁阀式喷油器的喷油关闭响应延迟对比

压电喷油器在不同轨压和不同控制脉宽下单次喷射的喷油量见图12。由图12可看出，喷油量随着脉宽的增加而加大，基本呈线性关系且线性度较好；随着轨压升高，喷油量随脉宽的变化速率略微增大。

图12 不同轨压和控制脉宽下单次喷射时的喷油量

3.2 喷油器多次喷射能力分析

图13示出压电喷油器在相同主预喷间隔、不同轨压和不同预喷脉宽下的两次喷射喷油规律曲线。图14示出压电喷油器在相同预喷油量、不同轨压和不同主预喷间隔下的两次喷射喷油规律曲线。图15示出该压电喷油器在第一次预喷脉宽0.2 ms，第二次预喷脉宽0.22 ms，主喷脉宽1.5 ms，系统压力160 MPa下的3次喷射喷油规律曲线。由图13和图14可以看出，该压电喷油器在相同轨压，不同预喷脉宽和不同主预喷间隔下，能够实现小油量的预喷和较为稳定的两次喷射。而由图15同样可以看出，该喷油器的稳定性较高，具备初步实现稳定的多次喷射能力。

图13 不同轨压和预喷脉宽下的两次喷射喷油规律曲线

图14 不同轨压和主预喷间隔下的两次喷射喷油规律

图15 压电喷油器160 MPa轨压下三次喷射喷油规律

图16示出不同轨压和不同预喷脉宽下的预喷油量及其标准差。图17示出不同轨压和不同预喷间隔下的主喷油量及其标准差。由图16可以看出，喷油器在相同轨压下，预喷油量随着预喷脉宽的增加而增大，预喷标准差仅为0.3左右，说明预喷过程较为稳定，可以实现小喷油量的预喷。由图17可以看出，喷油器在相同轨压下，主喷油量随着主预喷间隔的增大略微减小，减小幅度仅为1.6%，且主喷标准差仅为0.4左右。

图16 不同轨压和预喷脉宽下的预喷油量及其标准差

图17 不同轨压和主预喷间隔下的主喷油量及其标准差

4 结论

a) 压电喷油器的喷油开启响应延迟小于0.4 ms，在相同轨压以及控制脉宽下，喷油开启响应延迟基本保持不变；而当轨压从120 MPa增加到160 MPa时，喷油开启响应延迟仅增加了约14.5%；

b) 压电喷油器的喷油持续期随着控制脉宽的增加而增加，而喷油持续期随控制脉宽的变化速率基本不变，但当控制脉宽超过1.0 ms时，喷油关闭响应延迟随着控制脉宽的增加而减小；当控制脉宽从1.0 ms增加到2.5 ms时，喷油关闭响应延迟减小了约14.9%，而在小控制脉宽区域(0.5～1.0 ms)则相反；

c) 压电喷油器在不同轨压和不同控制脉宽下单次喷射时的喷油量随着脉宽的增加而加大，基本呈线性关系且线性度较好，随着轨压升高，喷油量随脉宽的变化速率略微增大；而压电喷油器在多次喷射时，其主预喷标准差分别仅为0.4和0.3左右，说明该压电喷油器的稳定性比较高，能够实现小油量的预喷并具备实现稳定的多次喷射能力。