新聞主題	壓電式噴油器工作原理、結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)

 

摘要：壓電式燃油噴射系統(tǒng)是柴油發(fā)電機(jī)電控共軌噴油系統(tǒng)的一種，20世紀(jì)90年代中期才開始推向市場的第3代電控噴射技術(shù)，它摒棄了傳統(tǒng)使用的直列泵系統(tǒng)，而代之以用一供油泵建立一定油壓后將柴油送到各缸共用的高壓油管內(nèi)，再由共軌把柴油送入各缸的噴油器。壓電式燃油噴射系統(tǒng)噴油壓力與噴油量無關(guān)，也不受柴油發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷和轉(zhuǎn)速的影響，能根據(jù)要求任意改變壓力水平，使NOx和顆粒排放都大大降低。由于采用了獨(dú)立的高壓油泵，可提供很高的噴油壓力，最高可達(dá)200~ 220MPa，即使聯(lián)結(jié)各噴油器的高壓油管很短也不會(huì)出現(xiàn)不可控制的異常噴射情況。

 

一、壓電技術(shù)的概述和發(fā)展

 

1、壓電效應(yīng)

      壓電效應(yīng)英文名稱piezo electric effect，該原理在1880年由發(fā)明人的名字（Pierre和Curie）來的。壓電效應(yīng)可分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)，效果圖如圖1所示。

（1）正壓電效應(yīng)：

      當(dāng)晶體受到某固定方向外力的作用時(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生電極化現(xiàn)象，同時(shí)在某兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)外力撤去后，晶體又恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)；當(dāng)外力作用方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變；晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。壓電式傳感器大多是利用正壓電效應(yīng)制成的。

（2）逆壓電效應(yīng)：

      逆壓電效應(yīng)是指對(duì)晶體施加交變電場引起晶體機(jī)械變形的現(xiàn)象。用逆壓電效應(yīng)制造的變送器可用于電聲和超聲工程。壓電敏感元件的受力變形有厚度變形型、長度變形型、體積變形型、厚度切變型、平面切變型5種基本形式。壓電晶體是各向異性的，并非所有晶體都能在這5種狀態(tài)下產(chǎn)生壓電效應(yīng)。例如石英晶體就沒有體積變形壓電效應(yīng)，但具有良好的厚度變形和長度變形壓電效應(yīng)。

（3）計(jì)算公式

① 壓電材料外部施加力F的產(chǎn)出計(jì)算

      如圖2所示。外部施加力下壓電材料產(chǎn)生的電荷Q或者電壓V就是正壓電效應(yīng)的應(yīng)用。通用常數(shù)比例變化（如壓電常數(shù)d₃₃和C_d大小的變化）施加全部外部作用下，壓電陶瓷會(huì)對(duì)應(yīng)產(chǎn)生電荷量Q。

Q=C_d×V=F×d₃₃........................（公式1）

      此時(shí)輸出電壓V可由壓電材料元件的壓電常數(shù)g₃₃、厚度t、截面積A的關(guān)系表達(dá)出來，具體見下公式：

V=F×d₃₃/C_d=F×g₃₃×t/A........................（公式2）

② 壓電材料外部施加電壓V的產(chǎn)出計(jì)算

      外部施加電壓壓電材料產(chǎn)生形變就是逆壓電效應(yīng)的應(yīng)用。在應(yīng)用實(shí)例中，壓電材料可以在直流或低頻交流電下運(yùn)行。此時(shí)，無負(fù)荷的電位移U和施加電壓V有下列關(guān)系：

U=V×d₃₃........................（公式3）   

式中，V——施加電壓；

d₃₃——壓電常數(shù)。

圖1  電控柴油機(jī)噴油器壓電效應(yīng)

圖2  壓電材料外部施加力F示意圖.

 

2、壓電陶瓷的定義及發(fā)展過程

（1）什么是壓電陶瓷？

      陶瓷是天然或人工合成的粉狀化合物，經(jīng)過成形和高溫?zé)Y(jié)制成的，由金屬和非金屬元素的無機(jī)化合物構(gòu)成的多晶固體材料。壓電陶瓷是在一定的工藝下，將壓電材料經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)，然后進(jìn)行機(jī)械加工，按照需要的方式燒上銀電極，并用直流電壓電場進(jìn)行極化處理后得到的多晶體材料，即一種具有壓電效應(yīng)的功能型材料，因?yàn)樗纳a(chǎn)工藝與陶瓷生產(chǎn)工藝相似，所以稱其為壓電陶瓷。

（2）壓電陶瓷的發(fā)展

      壓電學(xué)是上個(gè)世紀(jì)四十年代時(shí)的一個(gè)晶體物理學(xué)的分支。一開始時(shí)，壓電材料只是指的石英和電氣石等一些單晶體材料。1947年，美國的羅伯茨發(fā)現(xiàn)了欽酸鋇(BaTi0₃)的壓電性能，使多晶體壓電材料得到了很大的發(fā)展，并迅速得到了初步的應(yīng)用。欽酸鋇(BaTi0₃)的發(fā)現(xiàn)是壓電陶瓷材料的一個(gè)飛躍，因而壓電陶瓷材料分為兩大類：

① 一個(gè)是壓電單晶體陶瓷材料，1954年，在美國出現(xiàn)的PzT壓電陶瓷(Pb(Zr，Ti)O3壓電陶瓷)獲得了專利權(quán)，PzT作為二元系的壓電陶瓷擁有比欽酸鋇陶瓷更好的壓電性能，它的出現(xiàn)迅速擴(kuò)展了壓電陶瓷的應(yīng)用領(lǐng)域；

② 另一大類壓電陶瓷出現(xiàn)在1965年，日本松下電氣公司的研究人員在原有的PzT中加入了Pb(Mg1/3Nb2/3)O3后，制成了三元系的壓電陶瓷，并取名為PCM。PCM是一種透明的壓電陶瓷，其壓電性能可與PzT相媲美，它的出現(xiàn)也使新型壓電陶瓷的研究進(jìn)入到了一個(gè)非?；钴S的階段。

 

二、壓電技術(shù)在共軌燃油噴射系統(tǒng)應(yīng)用

 

1、壓電式共軌系統(tǒng)的特點(diǎn)

      在此類共軌系統(tǒng)中，間接壓電效應(yīng)應(yīng)用于控制噴油器的開啟。

（1）電能量（ECM的驅(qū)動(dòng)信號(hào)）通過元件的形變轉(zhuǎn)換為機(jī)械能量，由形變產(chǎn)生的力確定了噴油器針閥的提升。

（2）單個(gè)元件產(chǎn)生的形變（位移）非常小，因此將多個(gè)元件連接在一起產(chǎn)生較大的位移，所以叫做‘元件堆(stack)’。

（3）為產(chǎn)生需要的位移以控制噴油器的針閥提升，噴油器中的壓電發(fā)生器由大量的陶瓷膜疊加成以產(chǎn)生針閥提升所需的位移。

（4）壓電控制噴油器的切換時(shí)間比傳統(tǒng)的電磁驅(qū)動(dòng)的噴油器快4倍。因此其對(duì)噴油量的計(jì)量更精確，例如在預(yù)噴（pilot injection）可提供非常小的噴油量（約1mm³）。

2、壓電發(fā)生器優(yōu)點(diǎn)

      與電磁閥執(zhí)行器相比，壓電發(fā)生器首先具有快速響應(yīng)性的特點(diǎn)，性能對(duì)比如表1所列。作為機(jī)電一體化的元件，它就好象是一個(gè)多層陶瓷電容器，在電壓下立即就能充電，在0.1ms內(nèi)就會(huì)發(fā)生晶格變形，比任何其他眾所周知的可應(yīng)用的物理現(xiàn)象都要來得快。與電磁閥相比，噴油器中的壓電發(fā)生器具備以下特點(diǎn)：

① 壓電發(fā)生器實(shí)際上無滯后時(shí)間；

② 開關(guān)非常迅速而精確；

③ 可重復(fù)性非常好；

④ 無結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所造成的諸如間隙之類的誤差；

⑤ 在使用壽命期內(nèi)性能穩(wěn)定；

⑥ 壓電模塊可以預(yù)生產(chǎn)和預(yù)檢驗(yàn)的執(zhí)行器方式供貨；

表1    電磁式和壓電式噴油器性能對(duì)比

3、壓電發(fā)生器特性

      為了描述其特性，先解釋空行程和閉鎖力這兩個(gè)特性參數(shù)的含義：空行程是指充電狀態(tài)下不產(chǎn)生力時(shí)的行程，而閉鎖力則指不產(chǎn)生行程時(shí)的最大力。根據(jù)結(jié)構(gòu)形式和所使用的壓電陶瓷材料的不同，他們分別處于幾毫米和幾千牛頓范圍內(nèi)。

      應(yīng)用在噴油閥上，執(zhí)行器必須達(dá)到各種不同的開啟位置，也就是各種不同的行程和力的組合。具有傳動(dòng)比的轉(zhuǎn)換器將壓電發(fā)生器的行程放大，其結(jié)果由于能量的原因會(huì)使理論上最大可能的力減小同樣的系數(shù)，為顧及到動(dòng)態(tài)運(yùn)行，還應(yīng)考慮到系統(tǒng)總剛度也會(huì)降低。壓電發(fā)生器能產(chǎn)生的閉鎖力FAB的線性近似值與有效橫斷面積成正比；而空行程較精確的近似值與壓電發(fā)生器的有效長度即片數(shù)成正比。壓電發(fā)生器的電壓與形成的線性關(guān)系具有較準(zhǔn)確的近似值，實(shí)際上壓電系數(shù)取決于電場強(qiáng)度亦即所施加的電壓。

三、壓電式噴油器結(jié)構(gòu)組成

 

      實(shí)現(xiàn)壓電噴油器功能的主要組件是壓電發(fā)生器、液壓接桿、控制閥和噴嘴，結(jié)構(gòu)如圖3所示。壓電發(fā)生器在非工作狀態(tài)時(shí)處于原始位置，控制閥關(guān)閉。高壓范圍和低壓范圍相互隔斷。此時(shí)，液壓接桿補(bǔ)償可能存在（例如由干熱膨脹所引起的）間隙，噴嘴借助于緊接著控制室的共軌壓力保持關(guān)閉狀態(tài)。壓電發(fā)生器起作用時(shí)就將控制閥打開，從而使控制室中的壓力降低．噴嘴開啟。若控制閥關(guān)閉，控制室中的壓力隨之增大，噴嘴針閥也隨之關(guān)閉。

      壓電噴油器被設(shè)計(jì)成沒有機(jī)械力通過推桿作用在噴嘴針閥上，因此運(yùn)動(dòng)質(zhì)量和摩擦大大降低，并且噴油器的穩(wěn)定性和噴油誤差比通常的電磁閥控制噴油系統(tǒng)明且改善?？刂崎y與噴嘴針閥的緊密連接使得針閥對(duì)壓電發(fā)生器的動(dòng)作能直接作出迅速的反應(yīng)，控制始點(diǎn)與噴油始點(diǎn)之間的延遲時(shí)間總共約150μs，這樣就能獲得高的針閥速度和重復(fù)性較好的最小噴油量。

      這種壓電噴油器沒有從高壓油路向低壓油路泄漏的部位。這樣就提高了整個(gè)系統(tǒng)的液壓效率。同時(shí)，這種壓電噴油系統(tǒng)還能實(shí)現(xiàn)很短的噴射間隔。

1、噴嘴針閥

      噴嘴是噴油器的核心部件，結(jié)構(gòu)如圖4所示。它主要由針閥體、針閥、針閥座等部分組成。針閥體是噴嘴中最重要的部件之一，它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，包括了多個(gè)噴孔和噴嘴通道。針閥是噴嘴的關(guān)鍵部件，它的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)直接影響著噴油器的噴油量和噴油時(shí)間。針閥座則是噴嘴的支撐部件，它的質(zhì)量和精度直接影響著噴嘴的噴油效果。

 

圖3  壓電噴油器結(jié)構(gòu)示意圖

圖4  噴油器針閥偶件結(jié)構(gòu)圖

 

2、液力放大器

      由于綠色閥腔內(nèi)的液壓油或多或少存在泄漏，因此有必要對(duì)閥腔內(nèi)的液壓油進(jìn)行補(bǔ)給，如圖5所示。

3、控制閥

      控制閥原理如圖6所示，壓電發(fā)生器的位移變化在液力放大器的推動(dòng)下使得旁通閥開啟與關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)油嘴針閥的關(guān)閉與抬起，最終實(shí)現(xiàn)噴油器定時(shí)噴射。

 

圖5  壓電噴油器液力放大器工作原理圖

圖6  壓電噴油器控制閥工作原理圖

 

4、壓電發(fā)生器

（1）壓電陶瓷的極化特性

      壓電陶瓷在通電的情況下，其晶粒會(huì)產(chǎn)生極性重組，這使得晶體的長度會(huì)產(chǎn)生變換，極化過程如圖7所示。

（2）壓電發(fā)生器多層設(shè)計(jì)

      為使得壓電晶體的變形更有規(guī)律更穩(wěn)定，噴油器的壓電發(fā)生器采用了多層設(shè)計(jì)。如圖所8示。

 

圖7  壓電發(fā)生器極化特性

圖8  壓電發(fā)生器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

 

總結(jié)：

      壓電式燃油噴射系統(tǒng)采用的是壓力—時(shí)間計(jì)量原理，ECU根據(jù)工況、油溫、空氣溫度等信號(hào)，由油壓傳感器測出壓力值并輸送給ECU，并使所測得的壓力與發(fā)動(dòng)機(jī)工況所給定的油壓脈譜圖（所設(shè)的最佳壓力值）比較，ECU給出信號(hào)控制電磁式柴油泵控制閥（PCV）的啟閉，來調(diào)整高壓油泵的供油量，以改變共軌油道中的油壓，使油壓為最佳值。  總的來說，壓電噴油器是一種高精度、高效率的噴油器，它的工作原理是利用壓電效應(yīng)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，從而實(shí)現(xiàn)燃油的噴射。它具有噴油量精度高、響應(yīng)速度快、燃油經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為現(xiàn)代國三柴油發(fā)電機(jī)中不可或缺的關(guān)鍵部件。

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