热-电-力场下压电喷油器响应特性及控制策略研究

The piezo-injector works at the variational thermo-electro-mechanical field, which would change the performance of piezoelectric actuator, thus change the injection response characteristics of piezo-injector, which influenced badly the accuracy and stability of injection of piezo-injector. In this research, the change regulation of performance parameters and output dynamic characteristics of piezoelectric actuator in thermo-electro-mechanical field, fitting the nonlinear quantitative mathematic relation of piezoelectric actuator performance parameters and the thermo-electro-mechanical factor, and the establishment of the model of piezoelectric actuator nonlinear dynamics and the response characteristics of piezo-injector were studied by theoretical arithmetic and experiment methods. Through these studies, the influence mechanism and law of thermo-electro-mechanical field to the response characteristics of piezo-injector were analyze and illuminated. On the base of these research, the circuit of current detection and control was designed, and the closed loop compensate control strategy of piezo-injector based on current feedback was explored. So, this research will provide the theory evidence and technical support to the design and application of piezo-injector.

压电喷油器工作在变化的热-电-力场中，变化的热-电-力工作场会使压电晶体叠堆性能发生改变，从而导致压电喷油器的响应特性发生变化，严重影响其喷油精确性和稳定性。本项目采用试验和理论分析的方法研究热-电-力工作场中压电晶体叠堆的性能参数和动态输出特性变化规律，理论拟合热、电、力因素和压电晶体叠堆性能参数之间的非线性定量数学关系；建立反映热、电、力因素影响的压电晶体叠堆非线性动力学模型和压电喷油器响应特性数学模型，解析并阐明热、电、力因素对压电喷油器响应特性的影响机制及规律；在此基础上，设计电流检测与控制电路，探索基于电流反馈的压电喷油器闭环补偿控制策略，为进一步提高压电喷油器的精确性和稳定性奠定基础。

压电式喷油器可充分利用压电叠堆驱动力大、响应速度快、功耗低的优势，为喷油速率可调/多次喷射以及超高压喷射等更加灵活的喷射控制提供新的技术途径。作为压电喷油器中的关键执行机构，压电叠堆执行器工作在变温度、强变电场和变载荷的复杂热-电-力场中，其性能参数发生了明显变化，严重影响其喷油精确性和稳定性。因此，本项目开展了热-电-力场下压电喷油器响应特性及控制策略研究，开展的主要工作有：分析压电叠堆陶瓷材料在强电场（2kV/mm）和变温度（30℃~150℃）条件下的电滞回线、应变回线以及介电性能，研究温度影响下材料极化对其性能的影响机制，理论拟合热、电、力因素和压电晶体叠堆性能参数之间的非线性定量数学关系；搭建了压电执行器多场加载测试系统，对压电执行器在不同热-电-力场下电参数和动态位移特性进行试验，同时基于Matlab/Simulink建立了压电执行器动态过程非线性动力学模型，并对模型中压电常数、介电常数、电容量以及电场缩放系数等相关参数进行了关于温度的修正；对压电执行器及其匹配的压电喷油器关键部件进行了设计研究，并建立了压电喷油器响应特性数学模型，分析喷油器关键部件参数对喷油器针阀响应特性、喷油规律以及腔室压力波动特性的影响规律和内在机理，在提取出对针阀响应特性影响更为显著的关键结构参数的基础上，利用遗传算法对参数进行了优化；利用压电喷油器响应特性数学模型，研究了压电喷油器全工况油量特性、小油量特性以及多次喷射过程的油量波动特性和腔室压力波动特性，同时分析了压电晶体温度效应对喷油器喷射特性的影响规律；在此基础上，制定了基于电压反馈的闭环补偿控制策略和六阶段电路驱动模式，设计了压电执行器闭环补偿控制电路和能量回馈电路，实现了压电执行器两端驱动电压的闭环补偿控制和基于三角波形驱动电流的充放电过程，为进一步提高压电喷油器的精确性和稳定性奠定基础。