電裝公司的壓電式噴油器和壓電執行器

【日】 淺野浩章

0 前言

汽車上使用的壓電元件是在20世紀后半期問世的，一開始是作為動作檢測元件（即“無源元件”），被用于爆震傳感器或偏航速率傳感器等產品。即使是用于其他部件的“有源元件”，一直以來也是被用于可傾斜伸縮式轉向柱用超聲波電動機，或是開閉液壓閥以切換減振力的電控懸掛裝置等。由于要求的工作循環數及工作環境方面的原因，壓電元件的用途曾受到一定的限制。然而，在21世紀初，歐洲的柴油車占汽車市場約50%的份額，為了使柴油車具備與汽油車同等的高輸出功率和低廢氣排放性能，汽車制造商開始應用壓電式共軌噴油系統。這樣，有源元件開始應用于在苛刻環境下工作的發動機零部件。

與利用電磁鐵的傳統電磁閥式噴油器相比，壓電式共軌噴油系統中壓電式噴油器所采用的執行器壓電元件所產生的力較大，且響應迅速，可提高單位時間內的噴油量，優化燃油噴霧的霧化特性，縮短噴油間隔，從而優化燃燒控制狀態，實現發動機高功率和低排放的性能目標。但是，對壓電元件的性能要求極高，壓電執行器必須具備高輸出功率，以及在苛刻工作環境（-40～160℃）下耐受1億次以上工作循環的高可靠性。本文介紹日本電裝公司第3代（2008年起）共軌噴油系統及其所采用的壓電式噴油器和壓電執行器，同時也對能兼顧高功率和高可靠性的壓電系統技術進行解說。

1 壓電式共軌噴油系統及壓電式噴油器的結構

圖1示出了電裝公司壓電式共軌噴油系統的結構，圖2為壓電式噴油器的照片。該系統實現噴油的過程如下：首先，供油泵泵送高壓燃油，并輸送至共軌；帶壓電執行器的壓電式噴油器與共軌連接，由共軌供應燃油；噴油時，由發動機電控單元（ECU）向電控驅動單元（EDU）輸出控制信號，EDU將電能輸入壓電元件后，壓電執行器產生位移（伸長）和力；利用位移放大機構將位移放大，使控制閥下降，利用液壓差提升噴油嘴針閥，同時開始噴射燃油。

圖3示出了電磁閥式噴油器的詳細結構；圖4示出了壓電式噴油器的詳細結構；圖5示出了壓電式噴油器中位移放大機構的結構。在采用電磁閥式噴油器的情況下，電磁閥斷電時，利用彈簧將控制閥向下推壓，切斷出油孔的燃油通道。此時，控制室內處于高壓狀態，噴油嘴針閥下壓，關閉燃油噴孔。一旦向電磁閥通電，由此產生的電磁力將控制閥向上提升，控制室內的壓力降低，噴油嘴針閥上升，燃油

噴孔被打開，同時開始噴油。也就是說，在電磁閥式噴油器中，借助電磁閥工作的控制閥和噴油嘴針閥都是向上產生位移的。與此相反，在采用壓電式噴油器的情況下，壓電元件在通電后是向下伸長，這樣，在噴油嘴針閥向上產生位移打開燃油噴孔時，就必須改變運動方向。下文將詳細說明這一技術的具體工作原理。

壓電執行器的位移傳遞至大直徑活塞，再經由位移放大室的燃油推壓小直徑活塞。此時，基于大直徑活塞與小直徑活塞的直徑（面積）之比，獲得相應的位移放大。此外，位移放大室還能吸收由金屬制壓電式噴油器與陶瓷制壓電元件之間的熱膨脹系數差造成的位移，這有利于在任何溫度條件下維持燃油噴射量的穩定性。

接下來，小直徑活塞推壓控制閥，控制閥閥座上部開啟，下部關閉。由此，控制閥上方的燃油壓力降低，控制室內的壓力也隨之降低，噴油嘴針閥下方的壓力相對高于其上方的壓力，從而使噴油嘴針閥上升，燃油噴孔被打開，同時開始噴射燃油。換言之，借助于壓力差，壓電元件的向下位移轉換為噴油嘴針閥的向上運動（位移）。

2 壓電執行器的驅動方式與壓電材料

為實現穩定的燃油噴射，必須使相對于溫度變化的壓電執行器位移保持恒定，另外，驅動方式也是主要的影響因素。壓電執行器的驅動方式可分為恒定電壓控制、恒定電荷控制及恒定能量控制3種，表1列出了各種驅動方式所產生的位移。位移可用壓電常數D（通常，將附加低電場時的壓電常數規定為“d”，而將附加高電場包括分區回轉在內的壓電常數規定為“D”）與容量C的函數來表示：采用恒定電壓控制方式時，位移與D成正比；采用恒定電荷控制方式時，位移與D／C成正比；采用恒定能量控制方式時，位移與D／成正比。

表1 壓電執行器的驅動方式與位移

壓電常數D與容量C都具有材料固有的溫度特性。如圖6所示，以通常使用的鋯鈦酸鉛（PZT）為壓電材料時，與容量的溫度變化率ΔC相比，壓電常數的溫度變化率ΔD要小一些。因此，如圖7所示，如采用恒定電壓控制或恒定電荷控制方式，那么，相對于溫度變化的位移變化會較大，而如采用恒定能量控制方式，位移的溫度特性與ΔD／成正比，就可以獲得基本恒定的位移，所以，決定采用恒定能量控制方式作為壓電執行器的驅動方式。

在采用恒定能量控制方式時，為了獲得恒定位移所要求的ΔD／，可以通過調整壓電材料組成，減少相對于溫度變化的位移變化。首先，在材料設計上的關鍵要點之一是介電常數急劇變化時容量C也發生變化的居里溫度（Tc）應設定的區域。此時，Tc應設定在足夠高于工作溫度上限的范圍。另外，對于工作溫度的下限值附近，可以通過調整壓電材料的準同型相界（MPB，即晶體結構變化的邊界）減少容量C的變化。

對于居里溫度（Tc）及MPB的調整，一般是通過以ABO3為代表的具有鈣鈦礦結構的PZT材料組成中A點堿土元素的置換，以及B點Zr／Ti比率的微調來進行的。

3 壓電執行器的結構

圖8示出了壓電執行器的結構。壓電執行器被設置在壓電式噴油器的燃油通道內，因此，必須隔離燃油成分對壓電元件的影響。為此，電裝公司是將壓電元件封入金屬外管中。但是，封入外管的壓電元件必須將其位移傳遞至管路外部。對此，通過采用可耐受必要工作循環數的由高疲勞強度材料制成的膜片，實現上述要求性能。另外，為了不產生偏心載荷，金屬管上部和下部的支承部分都設計成R形狀。

4 壓電元件的結構

壓電執行器所使用的壓電元件大致可分為以下2種：（1）單板層積型壓電元件，即在燒結而成的球狀元件2面形成電極，并通過電極板層壓而成；（2）整體層積型壓電元件，即層壓印刷了內層電極的壓電陶瓷電路基板，再整體燒結而成。

電裝公司的噴油器用壓電執行器采用小型且更易獲得高位移的整體層壓型壓電元件。此外，如圖9所示，內層電極的結構可分為全電極型與部分電極型2種，為確保在高溫高電壓工作環境下運行的噴油器具備足夠的循環壽命，采用具備高可靠性的部分電極型結構。采用這一結構，內層電極工作時在不重合的非驅動部分與重合的驅動部分邊界附近會產生應力，電極的層積數越多，應力就會累積得越大，就有可能會因裂紋而產生元件斷裂的危險。對此，在壓電元件層壓結構中設置應力衰減機構，以防止出現元件損壞的情況。

應力衰減機構采用切口型式。這是因為考慮到裂紋是由于應力累積而產生的，在即使產生裂紋也不會發生問題的部位預先設置人工裂紋（切口），就可以避免對壓電元件造成損壞。

圖10示出了壓電元件及其切口的示意圖。在切口的設計中，深度及間隔是重要的關鍵因素。圖11示出了切口深度設計上的要點。如果在非驅動部分設置切口前端，那么，壓電元件在工作時，切口前端的拉伸應力集中，反而會產生裂紋；相反，如在驅動部分設置切口前端，則會產生壓縮應力，從而可避免產生裂紋。此外，在產生拉伸應力的情況下，切口前端呈銳角時產生的應力較高，而在壓縮應力狀態下，則可以獲得不受切口前端形狀影響的效果。

在切口間隔的設計上，一般來說是間隔越小，就越能抑制應力的累積。另一方面，設置切口也會降低表觀的拉伸彈性模量，從而引發壓電元件整體發生力降低的相反效果。所以，在設計切口間隔時，要求能兼顧壓電元件所需發生力與應力降低效果這兩方面的性能要求。

5 結語

壓電式噴油器及壓電執行器應用于車用發動機的歷史并不長，預計今后將會呈現多樣化的發展趨勢。例如，運用壓電系統實現更低排放的高功率發動機；以及在卡車等商用車領域拓展應用，為保護環境作出更大的貢獻。為此，壓電執行器的使用壽命必須進一步延長。

此外，在向高性能及小型化方向發展的同時，壓電系統所必需的高電壓回路的成本也應進一步降低，以便應用于汽油機。而且，考慮到環保的要求，使用無鉛壓電材料的噴油器應得到進一步發展。目前，由于位移特性低，以及與內層電極成分的反應性，無鉛壓電材料不適宜采用整體層積型制造方式，其用途受到一定限制，但在材料開發及制作方面仍存在充分的發展空間。

綜上所述，雖然壓電式噴油裝置仍存在許多有待研究和解決的課題，但從另一方面來講，如能解決這些課題，那么，響應性能優異的壓電式噴油器及壓電執行器極有可能成為主流技術。期待通過今后的技術開發，能在這一領域獲得進一步的發展。