基于GT-Power的壓電晶體噴油器性能仿真分析

姜峰 王闖 陳乾 王春風

摘要： 為優化柴油機壓電晶體噴油器性能，采用GT-Power建立高壓共軌壓電晶體噴油器仿真模型，改變模型中壓電晶體的材料屬性，設置不同電壓條件，仿真分析壓電晶體執行器的彈性模量、晶體驅動電壓對執行器位移、噴油針閥壓強、噴油器溫度及每循環噴油量的影響。仿真結果表明：壓電晶體噴油器彈性模量大于75 GPa，執行器位移隨驅動電壓的增大而增大；噴油器彈性模量大于80 GPa，噴油針閥處的壓強增大，溫度升高；相比彈性模量為55 GPa，彈性模量為80 GPa時，壓電晶體執行器位移增大15.6%，噴油器每循環噴油量增加2.3%。壓電晶體噴油器彈性模量為75～80 GPa，可以提高噴油速率，縮短噴油持續期，有利于提高柴油機熱效率。

關鍵詞： 柴油機；壓電晶體；噴油器；仿真模型；優化分析

中圖分類號：TK421.4 文獻標志碼：A 文章編號：1673-6397（2024）01-0001-07

引用格式： ?姜峰，王闖，陳乾，等.基于GT-Power的壓電晶體噴油器性能仿真分析［J］.內燃機與動力裝置，2024，41（1）：1-7.

JIANG Feng， WANG Chuang， CHEN Qian， et al. Simulation and analysis of piezoelectric crystal injector performance based on GT-Power［J］.Internal Combustion Engine & Powerplant， 2024，41（1）：1-7.

0 引言

隨著增壓中冷、多氣門、電控高壓燃油噴射、廢氣再循環和排氣后處理等技術在柴油機中的大量應用，現代柴油機具有燃油經濟性高、排放低、動力性強、使用壽命長的顯著優勢[1]。國內外轎車柴油化的趨勢和嚴格的排放標準促進了柴油機技術迅速發展，高壓共軌電控燃油噴射技術越來越多地用于降低柴油機排放[2-3]。高壓共軌電控燃油噴射技術中使用的壓電晶體噴油器是一種基于壓電陶瓷材料逆壓電效應的壓電晶體疊堆，與電磁閥相比，體積小，輸出力大，響應速度快，特別是其更快的動態響應提高了噴射系統的穩定性和可靠性，更好地實現靈活多變的高壓燃油噴射。

目前市場上用于柴油機仿真計算的軟件逐漸增多，計算結果與試驗結果吻合良好，誤差較小[4]。GT-Power仿真軟件中幾乎包含了柴油機所有關鍵工況的細節模型，可靠性且平臺集成化高，應用越來越廣泛。Yu等[5]利用GT-Power建立模型，改變某恒速柴油機噴油器的噴孔直徑，將優化后的結果與試驗結果進行對比，預測了發動機的排放特性；Bakar等[6]利用GT-Power對噴油器燃油噴嘴、多孔幾何形狀進行優化，得到發動機不同轉速下的最佳功率、轉矩和比油耗；李孟孟等[7]基于GT-Power改變電控噴油器的關鍵參數，提高了噴嘴流量系數和噴油速率，優化了噴油規律；Nabi等[8]基于GT-Power 對某款噴油器的噴油量和噴油時刻進行優化，并通過仿真表明使用該類型噴油器有效減少了柴油機NO ?x 排放；王小說等[9]建立GT-Power與Simulink聯合仿真模型對柴油機進行優化，選取不同的噴油器類型，研究不同參數的噴油器對于柴油機性能的影響，對噴油器進一步優化。

現階段使用GT-Power對噴油器進行仿真時，噴油器的選型多為電磁閥式噴油器，選用壓電晶體式噴油器較少。本文中使用GT-Power軟件建立柴油機壓電晶體噴油器模型，分析壓電晶體噴油器在不同電壓條件下的材料屬性及對噴油特性的影響，進一步提升壓電晶體噴油器性能。

1 模型建立與驗證

1.1 壓電晶體式噴油器組成和工作原理

高壓共軌系統結構主要包括燃油系統和電子控制系統。燃油系統包括燃料儲存器、油液輸送管道、過濾器、齒輪泵、燃油計量單元、柱塞泵、共軌、燃油噴油器，其中，壓電晶體式噴油器是電子控制高壓共軌系統的核心部件，也是燃料處理的關鍵零件，主要包括壓電驅動器、活塞、預緊彈簧、球閥、復位彈簧、針閥體、針閥彈簧等。電子控制系統包括電子控制單元（electronic control unit，ECU）、傳感器和執行器[10-11]，ECU通過噴油特性電信號控制壓電晶體噴油器是否通電，同時控制噴油器執行器開啟和閉合，從而使得發動機遵循預定的噴油規律將燃油噴入燃燒室[12-13]。壓電晶體式噴油器結構[14]如圖1所示。

1.2 數學模型

利用GT-Power軟件搭建壓電晶體噴油器模型，GT-Power軟件采用模塊化的建模方式，對噴油器建模時可將該噴油器的整體模型模擬為由多個元件子模型通過相應的串、并聯組成的物理模型[15]。壓電執行器工作時，由于對執行器施加壓電電壓 U后，電容c 在系統中不起作用，因此，施加在壓電執行器上的力

F=ΦU-ks-cs · ?， ?（1）

式中： Φ 為電氣和機械的轉換系數， Φ=dEA/δ， 其中 d 為壓電電荷（應變）常數， E 為材料的彈性模量，GPa， δ 為單個堆層厚度，m， A 為壓電執行器的橫截面積，mm2 ； k 為壓電元件的剛度， k = EA/（Nδ ），其中 N 為疊層的層數； s 為針尖行程，mm； c 為電容，表達式為： c= ??km /q ，其中， m 為壓電元件質量，g， q 為機械品質因數。

壓電陶瓷的物理特性不確定時，可通過測量空閑行程 s ?idel（ F =0 時壓電陶瓷的行程）和鎖定力 ?F ?lu（ x =0 時壓電陶瓷施加的力）計算執行器所受的力，則式（1）可以表示為：

F=F ?1u U/U 0－F ?1u s/s ?idel －cs · ?，

式中： U ?0為測量空閑行程時的電壓，V。

1.3 壓電晶體噴油器仿真模型

本文中壓電晶體噴油器主要技術參數如表1所示，利用GT-Power建立的壓電晶體噴油器仿真模型如圖2所示。該模型為疊加參數模型，即假設壓電堆棧質量疊加在壓電執行器的頂端，在壓電晶體子模型中存在連接質點和固定彈簧-阻尼器的系統，通過材料壓電效應將電能轉換為機械能。根據不同的輸入條件，對壓電執行器建模。壓電執行器模塊始終與具有直接連接對象的質量模塊連接，該質量模塊表示在壓電執行器或傳感器中使用的壓電元件的質量，壓電質量通過RigidConn連接模塊連接到外部系統質量。模型中假設壓電執行器由 N個單獨層堆疊組成，每層的厚度為δ。電氣側的壓電執行器的動作比機械側的動作快，即作用在壓電體上的質量力F是電壓U產生的力 （從電能到機械能的理想轉換）減去彈簧阻尼器力的靜態函數。當用作壓電執行器時，可以利用壓電元件的物理特性和結構細節進行計算，或用壓電執行器的測試數據計算。在此模型中，燃油流入T形三通管路，該三通管路將燃油流分成2條路徑：一條通向燃油通道，另一條通向控制腔。燃油通過出油孔及由壓電元件輸入電壓驅動的控制閥離開控制腔，從控制閥回流至低壓系統?？刂魄缓腿加屯ǖ乐械牧黧w壓力作用使針閥體產生作用力，當控制腔中的壓力足夠小時，控制活塞上升，針閥隨之上升，燃油從燃油通道通過噴油器孔流出，模擬壓電晶體噴油器的工作環境。

1.4 模型驗證

為評價壓電晶體噴油器模型可靠性，選取相同參數的壓電晶體噴油器進行臺架試驗，設定柴油機轉速為2 000 r/min，軌壓為120 MPa，氣缸壓力為6 MPa，環境熱力學溫度為300 K。測試裝置包括直流驅動電路、壓力傳感器、電流傳感器、計算機、單次噴射儀（測量范圍為0～600 mg，精度為0.01 mg）及測試臺架等。工作中燃油加壓后送到噴油器，燃油噴射過程中，控制單元通過布置于噴油器針閥處的壓阻式動態壓力傳感器采集噴油器針閥壓力，單次噴射儀通過調節噴射次數、噴油壓力和脈寬對噴油規律和噴油量進行測試。根據臺架實測結果設置GT-Power仿真模型中的邊界條件，設置主噴射電壓為180～220 V，測量噴油量和作用于噴油針閥上的壓力，針閥壓力對噴油量影響的仿真和臺架試驗結果對比如圖3所示。由圖3可知：不同電壓下針閥壓力和噴油量的仿真與試驗結果擬合效果較好，最大相對誤差分別為7.096%、2.650%，穩態模型誤差分別為3.45%、1.04%，滿足最大相對誤差不大于10%、穩態模型誤差不大于5%的要求，說明模型的可靠性滿足設計要求，可以運用該模型進行下一步研究。

2 優化方案及結果

2.1 優化方案

在模型中定義邊界條件，以及晶體的電極激勵、約束點。根據臺架實測結果設定發動機轉速為2 000 r/min，軌壓為120 MPa，氣缸壓力為6 MPa，環境熱力學溫度為300 K，預設主噴起始時刻為第1.5 毫秒，壓電激勵器時間為1.55 ms， 經過2.5 ms后對主壓電元件斷電，控制信號變化如圖4所示。

壓電晶體執行器的位移與電荷量相關，電荷量

Q ＝cU。 ??（2）

壓電晶體噴油器執行器在方波激勵電壓的作用下，輸出位移為線性，影響壓電晶體噴油器壓電晶體的彈性模量、位移和噴油器噴油速率峰值及噴油量。本文中以壓電執行器的位移與噴油量作為表征壓電晶體噴油器噴油特性的指標，選取16個彈性模量進行試驗，壓電晶體的輸出電壓和針頭彈簧壓力隨壓電晶體彈性模量的變化如圖5所示。

由圖5a）可知：彈性模量從50 GPa增加到125 GPa，壓電晶體的輸出電壓增大。壓電晶體噴油器中，壓電電壓對噴油特性的影響最大，電壓越大，壓電執行器位移的增長趨勢越大，不同電壓下壓電執行器輸出位移隨驅動電壓升高時間減小呈現增加的趨勢[16]。根據式（2）可知，電荷量與電壓成正比，在有電荷的外部場中，電場強度越大，電壓越大。對壓電晶體噴油器溫度特性的分析表明，在一定的驅動頻率和電場強度條件下，壓電執行器溫度的升高和位移遲滯特性的相關性逐漸增強[17]。因此，晶體壓電電壓增大，使壓電晶體執行器的位移增大，從而提高噴油量，達到優化噴油器的目的。不合適的目標電壓導致噴油器的噴油穩定性（以噴油量標準差為評價指標）和響應速度（以噴油器開啟延遲時間為評價指標）惡化[18]，隨著壓電晶體的壓電電壓增大趨勢逐漸減小，最大壓電電壓與最小壓電電壓的差逐漸增大，噴油器的穩定性下降。

由圖5b）可知：彈性模量增大，閥體彈簧的壓力減小，針頭彈簧的壓力變化不明顯。在電磁閥預緊力不變的情況下，抬起控制閥的力減小，抬起加速度減小，控制腔與回油管道的連通時間推遲，控制腔泄壓，針閥抬起時間延長，導致針閥開啟響應增加?？刂崎y桿落座過程與抬起過程正好相反，閥體彈簧的壓力充當阻力，落座加速度增大，促使落座時間提前，即密封球與回油管道的重新密封時刻提前，控制腔加壓，針閥落座時間縮短，使得關閉響應減小[19]。因此，彈性模量應在一定范圍內增大，以達到最佳的優化方案。

驅動電壓分別為50、100、150 V，彈性模量為50～125 GPa時，彈性模量-位移之間變化規律仿真結果如圖6所示。

由圖6可知：當彈性模量小于75 GPa時，執行器輸出的位移幾乎不變；當彈性模量大于75 GPa時，執行器位移呈現增大的趨勢。這是因為當彈性模量大于75 GPa時，彈性體之間的共振作用導致壓電執行器輸出位移呈現增加趨勢。位移增加速度隨驅動電壓的增加而增加。這主要是因為隨驅動電壓增大，電疇壁運動増強，位移的變化由電疇變化引起。因此為使執行器輸出位移增加以實現噴油特性優化，彈性模量應大于75 GPa。

監測模型管路內流體壓強，發現最大壓強及壓強振幅均在噴油針閥處，針閥作為噴油器中的關鍵部件，控制燃油的流量和噴射時間。在長期高壓高溫的工作環境中，針閥高速往復運動時與閥座進行高速撞擊，每次撞擊都產生很大應力，導致噴油針閥更容易整體磨損。同時，燃油中的微小顆粒在噴油針閥和閥座撞擊時，造成密封面局部磨損，降低針閥的密封性能[20] 。

不同彈性模量下噴油針閥壓強和溫度曲線如圖7所示。

由圖7可知：彈性模量增大到60 GPa時，噴油針閥處壓強開始逐漸增大，且增長率越來越大，彈性模量超過100 GPa后增長速度降低；噴油針閥處的溫度在彈性模量增大到80 GPa后，再次增長。因此，為保證噴油針閥能保持良好的噴油特性及可靠性，彈性模量不應超過80 GPa。

綜上所述，執行器的彈性模量為75～80 GPa時，壓電晶體噴油器的噴油性能較好。

2.2 優化結果

優化壓電晶體噴油器彈性模量為80 GPa，測定不同電壓下壓電晶體執行器位移及每循環噴油量的變化，與優化前進行對比，結果如圖8所示。

由圖8可知：優化后的壓電晶體噴油器彈性模量增大25 GPa后，壓電晶體執行器位移增大156%；同時每循環噴油量顯著增加，較優化前提高2.3%。噴油器單次工作循環噴射油量增大，獲得的噴油量范圍更大，為柴油機輸出更高功率提供可能，更好地適配高轉速柴油機的工作條件，提高噴油速率，縮短噴油持續期，有利于提高柴油機熱效率。

3 結論

1）改變壓電晶體執行器彈性模量，使得壓電電壓增大，可以提高執行器的位移。

2）彈性模量增大到75 GPa后，可以顯著提高執行器位移，彈性模量增大到60 GPa后，針頭所承受的壓強增大，彈性模量大于80 GPa后，伴隨著溫度升高，對執行器的可靠性造成不良影響。

3）噴油器材料的彈性模量為75～80 GPa時，壓電晶體執行器的位移增大最顯著，壓電晶體噴油器單次工作循環下的噴油量增加2.3%；優化噴油器的彈性模量提高了噴油速率，縮短了噴油持續期，有利于提高柴油機熱效率。

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Simulation and analysis of piezoelectric crystal injector

performance based on GT-Power

JIANG Feng1， WANG Chuang1， CHEN Qian2*， WANG Chunfeng3

1.School of Mechanical and Automotive Engineering， Guangxi University of Science and Technology，Liuzhou 545006，China;

2.Guangxi Automobile Tractor Research Institute Co. ， Ltd. ， Liuzhou 545006，China;

3.Guangxi Yuchai Machinery Co. ， Ltd. ， Yulin 537000，China

Abstract： In order to optimize the performance of piezoelectric crystal injectors of diesel engines， GT-Power is used to establish a simulation model of the high-pressure common-rail piezoelectric crystal injectors， the material properties of the piezoelectric crystals in the model is changed and different voltage conditions is set up so as to simulate and analyse the influence of the elasticity modulus of piezoelectric crystal actuators in the piezoelectric crystal injectors， the driving voltage of the crystal on the effects of the elastic modulus of the piezoelectric crystal actuator， the crystal driving voltage on the displacement of the actuator， the pressure and temperature of the injection needle valve， and the injection volume per cycle. The simulation results show that when the elastic modulus of the piezoelectric crystal injector is more than 75 GPa， the displacement of the actuator increases with the increase of driving voltage. When the elastic modulus of the injector is more than 80 GPa， the pressure and temperature at the injection needle valve increase. Compared with a modulus of elasticity of 55 GPa， when the elastic modulus of the piezoelectric crystal injector is 80 GPa， the displacement of the piezoelectric crystal actuator increases by 15.6%， and the injection volume of the injector per cycle increases by 2.3%. The piezoelectric crystal injector with a modulus of elasticity of 75-80 GPa can increase the injection rate and shorten the injection duration， which is conducive to improving the thermal efficiency of the diesel engine.

Keywords： diesel engine; piezoelectric crystal; injector; simulation model; optimize analysis

（責任編輯：劉麗君）