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原文传递压电喷油器压电执行器特性分析与优化设计研究

论文题名：	压电喷油器压电执行器特性分析与优化设计研究
关键词：	车用柴油机;压电喷油器;压电执行器;优化设计;耦合特性
摘要：	车用柴油机凭借优良的动力性和持久的可靠性，成为多种车辆的动力源，高压共轨技术的应用使柴油机的优势显得更为突出。尽管这些年我国在高压共轨电控喷油器的研究、设计、制造和试验等方面都有了长足的进步，但是随着日益严格的节能与减排要求，电磁阀式喷油器的性能已经无法满足实际应用的需要。随着智能材料的不断发展，压电堆驱动喷油技术被认为是柴油机技术未来的发展方向。作为压电喷油器的关键部件，压电执行器相比于传统的电磁阀执行器，具有响应速度快、输出力大及可重复性高等优点将引领未来喷油器执行器的发展趋势。　　压电喷油器工作在高压大负荷复杂环境下，容易受到力场、电场和温度场等多种场的耦合作用，而此耦合作用会对压电执行器的输出特性产生较大影响，进而使压电喷油器的工作性能变差。同时压电执行器作为一种多晶铁电材料，其自身所特有的迟滞非线性特性与所施加的外在驱动电压、预紧力和温度有很大的关系，从而对压电执行器的控制精度的提高带来巨大的挑战。因此本文针对压电喷油器性能优化过程中所引发的工程问题，针对压电喷油器压电执行器结构尺寸、力电耦合特性、热-力-电耦合特性和迟滞特性等影响因素，对压电执行器输出特性进行了深入的研究并进行特性优化，根据优化结果设计出压电喷油器并进行喷油特性测试，为压电喷油器的性能优化提供理论和试验参考。论文的主要研究内容如下: 　　1.压电执行器输出特性有限元研究　　采用有限元方法开展了压电执行器输出特性的研究，得到了压电执行器结构参数和运行参数对压电执行器输出特性的影响规律，并对执行器进行模态分析。利用ANSYS有限元分析软件中的参数化建模方法建立压电执行器的有限元模型，通过试验验证所建模型的准确性。然后对影响压电执行器输出特性的单层压电片厚度、压电片横截面积、横截面形状、压电堆层数以及驱动电压进行仿真计算。仿真结果表明:当层数和单层厚度不变时，改变横截面形状，可以发现横截面形状对压电执行器位移输出没有影响，但横截面积增大能够提高压电执行器输出力;当压电执行器单层厚度不变时，压电执行器层数增加能够提高压电执行器输出位移;当层数不变，单层厚度减小时，压电执行器输出位移也随着减小，但减小量相对于单层厚度而言可忽略不计;随着驱动电压的升高压电执行器位移也随着增加。最后对压电执行器进行模态分析，得到压电执行器的各阶固有频率并对得出的频率进行分析，结果表明压电执行器具有良好的动态特性，不会影响压电喷油器的喷油脉宽。　　2压电执行器力电耦合特性分析　　为了对力电耦合条件下的压电执行器输出特性进行研究，借助所搭建的压电执行器测试系统，进行轴向力电耦合作用下压电执行器的位移输出特性测试。同时为了便于以后对压电执行器动态特性和压电喷油器喷射特性进行研究，设计出基于等效电容模型的能量自动回收式驱动电路。并设计出基于任务调度的高压共轨柴油机单次喷射和多次喷射控制策略。结果表明:在一定的范围内，随着预紧力的增加压电执行器的位移输出整体呈现先增大后减小的趋势，且随着驱动电压的不同，位移最大值的位置也不相同。在驱动电压较低(低于30V)时，输出位移呈现线性变化，所得到的压电耦合系数则几乎是一个恒定的常数;当电压增加到一定程度(高于30V)时，输出位移呈现非线性变化，压电耦合系数也呈现非线性变化;在不同的驱动电压下，随着频率的增加压电执行器在频率较低时(小于100Hz)，输出位移近似为线性变化;当频率增大到一定程度时(大于100Hz)，输出位移随着频率增大而呈现增大趋势，电压越大，增长趋势越大;在不同的驱动频率下，输出脉宽占空比与输出位移呈现非相关性;在不同电压下，压电执行器输出位移随着驱动电压的上升时间的减小呈现增加的趋势。　　为了揭示力电耦合作用对压电执行器位移输出特性的影响程度，构建基于线性压电效应和非180°电畴翻转效应的数学模型。考虑材料电畴体积分数、畴壁运动、电畴形式、矫顽场、预紧力及力电之间能量相互转换作用等产生的影响，在力电耦合作用下对晶体内非180°电畴旋转进行理论分析，对晶体内形变进行分析计算。采用试验的方法对不同预紧力下的位移输出特性进行测试，并对不同预紧力条件下的应变进行研究。仿真和试验结果表明:在较低的预紧力下，拟合偏差略大，在中高预紧力下，拟合效果很好。数学模型可以很好的对单晶及多晶压电材料在力电场作用下由非180°电畴诱导所产生的应变进行描述，为压电执行器力电耦合特性的研究提供理论基础。　　综合来看，轴向应力下的力电耦合对压电执行器的位移输出具有较大的影响。　　3.压电执行器位移非线性数学模型的搭建　　在力电耦合的基础上，为了进一步了解温度对压电执行器输出特性的影响，在热力学定律的基础上，建立压电执行器的生热和放热模型。该模型研究了外加驱动电场幅值、工作频率、驱动脉宽信号占空比等参数对压电执行器温度变化的影响。然后在试验的基础上，借助压电材料的本构方程，在力-电-热耦合条件下拟合出压电执行器位移的准则关系式，构建出位移非线性数学模型。　　在不同压电喷油器运行条件下对执行器自生热性能进行研究，研究结果表明:当驱动电压幅值和工作频率增大时，温度也随之升高;当控制脉宽的占空比增大时，温度也随之升高，因此压电执行器可以采用高电场强度低占空比的工作模型。　　借助数值法对假设条件、次要因素等进行影响程度分析，并通过有限元法对关联式所得的位移进行误差分析，确定关联式计算结果的准确性和实用性。结果表明:位移非线性数学模型可以有效的对不同温度、不同预紧力下的压电执行器的位移进行有效的预测，可以为压电执行器在热-力-电耦合条件下的设计提供理论基础。　　4.压电执行器迟滞特性建模与控制　　为了进一步提高压电喷油器燃油喷射的控制精确，需要对压电执行器迟滞非线性进行精确的控制，基于Duhem模型搭建压电执行器的迟滞非线性模型。根据Weierstrass第一逼近定律采用多项式拟合的方法对模型中的函数进行逼近，并采用递推最小二乘法对迟滞模型进行参数辨识。并借助压电执行器压电系数和温度的关系建立不同温度下的迟滞模型，并以此对其进行拟合，为不同温度下压电执行器迟滞特性的研究特供理论基础。　　为了减小压电执行器的迟滞特性，在压电执行器Duhem模型的基础上建立Duhem迟滞逆模型，并采用迟滞逆模型对压电执行器进行前馈开环控制，仿真结果表明压电执行器的迟滞系统非线性得到大大的改善，达到较好的控制效果。为进一步提供控制精度，在前馈控制的基础上增加模糊自适应PID控制，构成逆模型前馈和模糊自适应PID反馈相结合的复合控制。仿真结果表明:迟滞系统最大输出误差得到进一步的减小，复合控制能够进一步提高了压电执行器的控制精度。　　5.压电执行器设计和试验研究　　在对压电执行器特性研究的基础上，对压电执行器进行加工方案设计，由于受工艺水平和知识水平的限制，只能进行压电执行器的选型。因此在设计方案的基础上，结合压电喷油器结构特性对压电执行器进行选型。　　为了对所选择的压电执行器的输出性能进行验证，在所设计的压电执行器动态特性测试平台上，对压电执行器迟滞特性、刚度特性和位移特性进行试验测试，为设计压电执行器性能的可靠性提供支持;将压电执行器和喷油器体进行集成，对所设计压电喷油器的喷油特性进行测试。结果表明设计的压电喷油器的喷油规律与参考喷油器的水平相当，能够较好的满足设计要求。
作者：	孟育博
专业：	动力工程及工程热物理
导师：	王志明;张幽彤
授予学位：	博士
授予学位单位：	山东大学
学位年度：	2018
正文语种：	中文