多場下壓電噴油器執行器電學特性試驗研究

劉 楠，童大鵬，孫青柯

(海軍士官學校,安徽 蚌埠 233012)

0 引言

高壓共軌系統具有噴射壓力高、噴油速率可調的特點，已成為當前柴油機燃油噴射系統的主流[1-2]?；趬弘娞沾刹牧夏鎵弘娦膲弘娋w疊堆是一種微/納米級的超精密執行器件，與電磁閥相比，具有體積小、輸出力大(>1000N)及響應速度快(<0.05ms)等優點[3]，可更好地實現了靈活多變的高壓力燃油噴射[4-6]。作為噴油器內部電-機轉換的關鍵執行機構，壓電執行器的動態特性直接關系著噴油器噴射過程的好壞[7]。

由于執行器的應變量較小，為增大工作行程，往往需要施加強電場進行驅動；同時在較高的工作頻率下，受到環境溫度和自生熱的影響[8]，執行器溫度在工作中會發生較大變化；為適應不同的系統軌壓，壓電執行器的載荷也會發生相應的改變，因此壓電執行器處于變溫(-30℃～150℃)、變負載(60MPa～200MPa)和強電場(>1.5kV/mm)的熱-電-力工作場中[9]。在變化的熱-電-力工作場中，壓電材料鐵電疇的翻轉與運動會出現較強的非線性和遲滯性[10]，使壓電執行器的性能參數發生較大變化。從前期壓電陶瓷材料性能試驗發現，不同外場下的陶瓷材料的壓電性和介電性隨溫度變化十分明顯[11-12]，這使得壓電疊堆執行器在噴油器內部復雜熱-電-力場中的動態特性發生了較大的改變，其輸出位移和響應速度都會受到影響，不利于驅動電路和補償控制電路的設計開發。

本文對研制的壓電執行器在不同熱-電-力場下的等效電容、電阻以及介質損耗角正切值等電參數和位移特性進行試驗研究，探究溫度和負載對壓電執行器電特性的內在影響機理，為壓電噴油器內部執行器的穩定控制奠定基礎。

1 試驗系統與方法

電容量、介質損耗角正切值等電參數為壓電驅動器的基本參數。電容量對于壓電執行器輸出特性具有極大的影響，壓電驅動器電容量越大時，儲能能力越強，驅動器輸出力越大，但是其電容量過大大，又會使充放電時間很長，驅動響應速度大幅度減小。

利用Agilent4263B LCR測試儀對不同溫度和負載下的壓電執行器電容量和損耗角正切值等電參數進行測量，測試裝置如圖1所示，測試電壓為1000mV，頻率為1kHz。

采用XSI3000 LVDT測微儀檢測執行器靜態位移，把執行器放置于左側臺架的固定板上，將測微儀的測量探頭無負載地垂直接觸壓電執行器的上端，通過控制器給定驅動電壓由0V逐漸上升至150V，再由150V降至0V，單向的升壓和降壓過程各采集100個測試點，測試裝置如圖2所示。

力場加載是通過在裝載壓電執行器的固定夾具內部安裝相同剛度、不同厚度的彈簧片實現的，熱場的加載是通過將壓電執行器置于恒溫干燥箱中實現的。通過控制恒溫箱分別到-20℃、20℃、60℃、100℃和120℃，并保持恒定溫度10～15min，調節負載分別為0N、300N、500N、700N、900N。試驗采用的恒溫裝置如圖3所示。

2 壓電執行器選型與測試

壓電執行器由多層壓電陶瓷片疊加而成，機械上采用串聯的方式，由于壓電陶瓷片的極化方向為執行器的軸向，因此所有陶瓷片位移增量之和即為執行器的輸出位移。各陶瓷片之間采用絕緣材料進行隔離，外部電極為銀-鋰合金，通過固態燒結而成。本文研制了三組不同尺寸規格的壓電執行器，如圖3所示為壓電執行器的制備過程示意圖，圖4所示分別為執行器的結構示意圖及封裝后的實物圖，該執行器兩端分別為接線槽座和球面型頂頭，采用對中夾具實現兩端部件與壓電疊堆執行器的安裝，側面采用環氧樹脂封裝隔離燃油，其基本性能參數見表1。

表1 壓電執行器基本參數

通過對三組壓電執行器在常溫下的電參數和靜態特性進行測試，測得的電參數和靜態位移如表2所示，可以看出，執行器長度相同時，電容值隨橫截面積增加而增大，介質損耗變化不明顯，執行器的形變量約為其長度尺寸的0.1%。

表2 常溫下執行器電參數和動態位移測試結果

對于壓電執行器來說，一方面，作用面積增加使得電容增大，執行器充放電時間增加，導致其動態響應會有所變慢；另一方面，由表1可知，作用面積的增加使得執行器的輸出力會有所增加。

針對現有噴油器內部的驅動控制閥，如圖5所示，當燃油系統壓力為180MPa時，球閥下端受腔室高壓燃油的作用面直徑為1.8mm，所受作用力為254N，考慮到額外的彈簧預緊力和壓力振蕩，球閥開啟所需執行器推力設為300N。球閥升程為40μm，對于常規壓電執行器來說，其應變量約為厚度的0.1%。為了保證球閥能夠完全打開，綜合考慮到壓電執行器的輸出位移、輸出力和響應時間的要求，本文選取尺寸規格為5×5×54mm的壓電執行器開展相關研究，其零位移推力可達1400N，負載300N下輸出位移可達42μm，既能滿足噴油器內部對球閥推動力的要求，又能夠實現較大的位移輸出。

3 試驗結果分析

3.1 溫度的影響

按照試驗步驟，測得不同溫度下的壓電執行器電參數如表3所示，試驗過程中保持壓電執行器的負載300N不變。

表3 不同溫度下壓電執行器的電參數

圖6示為壓電執行器電參數隨溫度的變化，隨溫度升高至120℃，壓電執行器材料內部疇的翻轉和可逆翻轉加強，執行器的電容增加了7μF，呈現類似拋物線的增加趨勢，等效電路中等效電阻減小了約37%。同時隨著溫度升高，壓電執行器的介質損耗角正切值顯著增加，溫度由-20℃增加至120℃，損耗角正切值增加約149%。

不同溫度下壓電執行器電參數的改變會進一步影響位移輸出，在采取單峰值電流驅動方式且驅動電路無補償控制的情況下，隨溫度升高，等效電阻的減小和電容的增大會使得執行器充放電峰值電流升高(見圖7)，而電容的增加又會使充放電速度的減緩，兩者綜合影響了執行器的動態輸出位移，從表2看出，驅動電壓為120V，溫度由-20℃升高至100℃時，輸出位移增加了27.9%。當溫度升高至120℃時，執行器的輸出位移有所下降，是由于陶瓷材料工作溫度達到居里溫度附近，材料性能變差導致的。

由此可知，在噴油器內部執行器位移不可測的情況下，受柴油機工作溫度影響，基于電壓反饋的噴油器高精度控制方式不夠可靠，需進一步考慮其他控制方式，如電荷控制或者壓電陶瓷位移自感知等方法。

3.2 負載的影響

按照試驗步驟，測得不同負載下的壓電執行器電參數如表4所示，試驗過程中保持壓電執行器的工作溫度為20℃不變，圖9所示為壓電執行器電參數隨負載的變化。

表4 不同負載下的壓電執行器電參數

由圖8可知，隨著負載增加，壓電執行器的電容有所增大，施加的負載由0N增加到900N時，壓電執行器電容增加了34.5%，損耗角正切值先增加隨后略微降低。

從壓電理論方面分析負載對執行器電參數的影響機理，當在壓電執行器兩端施加電場和負載時，根據經典壓電方程，得到單層陶瓷片的位移量δ3為：

(1)

上式可得：

(2)

壓電執行器兩端產生的電荷為：

(3)

(4)

即：

Q3=d33F3+CV3

(5)

式中，C為壓電陶瓷片的電容。

由式(2)和(5)得到壓電執行器的總位移量和電荷為：

(6)

Qn=nQ3=n(d33F3+CV3)=dnF3+CnV3

(7)

式中，n為壓電執行器的陶瓷片數量；Kn=k/n為執行器剛度系數；dn=nd33為壓電執行器的等效壓電系數；Cn=nC為壓電執行器的等效電容。

由式(7)可知，在外電場和力場作用下壓電執行器產生的全部電荷分為兩部分：一部分是負載產生的感應電荷；另一部分是由于材料的介電性而使得壓電陶瓷在電場作用下產生的電荷。當負載不為0時，負載作用使得壓電執行器沿運動方向開始收縮，使得其位移減小，而電場的作用是使壓電執行器位移增加。同時，在驅動電壓一定的條件下，負載的增加使得電極表面的總電荷數減小，導致執行器工作過程中的充放電速度有所下降，充放電時間增加，而通常在執行器等效RC電路中，電容器進行充電的時間常數τ可通過式(8)計算得到，可知在等效電阻減小的情況下，如果充電時間常數增加，則表明執行器等效電容的增大。

τ=RCn

(8)

如果考慮到負載作用導致壓電執行器產生的自感應電場，公式(6)中的電場電壓則變為Vi=V-ΔV，其中，V=Qn/Cn為執行器兩端外電場；ΔV=dnF3/Cn為外力作用使得執行器產生的自感應電場，則由式(6)可進一步得到壓電執行器的位移輸出為：

(9)

(10)

如圖9所示為不同負載下壓電執行器的靜態位移曲線，可以看出，隨負載增加，壓電執行器靜態位移減小，遲滯回線包絡面積減小，表明了負載增加使得壓電執行器的遲滯性降低，執行器機械損耗減少。當施加外部電場的電壓為150V時，負載由0N加載到900N，執行器輸出位移減小了29.5%。

總的來說，負載的增加使得壓電執行器的靜態位移減小，然而在壓電執行器工作時，我們通常需要對其施加一定的負載，一是避免執行器在高速響應過程中壓電陶瓷片彈性振蕩而發生膜片間的斷裂，二是減小壓電陶瓷片與兩端電極之間的間隙，提高壓電執行器剛度，避免間隙電容影響其工作性能。

4 結論

本文建立了壓電執行器多場耦合加載試驗系統，對自行研制的壓電執行器在熱-電-力多場下的電學特性進行了試驗研究，為基于壓電執行器參數自感知的高精度反饋控制研究提供技術支持。結果表明：

(1)自行研制的壓電執行器能夠滿足噴油器內部球閥位移量和推力的要求；

(2)隨溫度升高至120℃，壓電執行器的電容增加了7μF，呈現類似拋物線的增加趨勢，等效電路中等效電阻減小了約37%，損耗角正切值增加約149%，導致充放電電流峰值增加，輸出位移增加27.9%；

(3)負載由0N增加到900N時，壓電執行器電容增加了34.5%，損耗角正切值先增加隨后略微降低，遲滯回線包絡面積減小，壓電執行器的遲滯性降低，執行器機械損耗減少，此外，負載由0N加載到900N，執行器輸出位移減小了29.5%。