共軌噴油器第三代壓電晶體執(zhí)行器

燃油系統(tǒng)

共軌噴油器第三代壓電晶體執(zhí)行器

徐家龍 褚云舟 荒井一嘉 編譯

2014年8月26日，TDK公司對外公布，已經(jīng)成功地開發(fā)出了用于清潔柴油機(jī)主要零部件，即電控共軌系統(tǒng)的燃油噴射裝置(噴油器)等壓電晶體執(zhí)行器的第三代產(chǎn)品，已經(jīng)完成了產(chǎn)品定價和小批量試銷。該業(yè)務(wù)的發(fā)展目標(biāo)是于2017年應(yīng)用于量產(chǎn)汽車上。

壓電晶體 共軌 量產(chǎn) 位移

1 壓電晶體

清潔柴油機(jī)電控共軌系統(tǒng)從噴油器中將高壓燃油噴射到氣缸中。為了抑制燃料燃燒過程中生成的碳煙和氮氧化物(NOx)，必須將噴油過程分成若干次，每次噴射最佳劑量的燃料。而用于控制噴射過程的噴油器中就需要裝入壓電晶體執(zhí)行器。

目前，噴油器中采用的執(zhí)行器有電磁閥式和壓電晶體式。其中，壓電晶體式可以用在更加精密控制的燃油噴射系統(tǒng)中。TDK公司的壓電晶體執(zhí)行器就是應(yīng)用于這種噴油器中。

壓電晶體執(zhí)行器內(nèi)部的電極和陶瓷是相互分層的，如果電壓利用陶瓷的伸縮特性，可以使噴油器產(chǎn)生噴油。

2 壓電晶體執(zhí)行器

一般的壓電晶體執(zhí)行器內(nèi)部電極采用鈀/銀(Pd/Ag)組合材料，但是TDK公司的EPCOS分公司將Pd/Ag組合置換成價格更低的銅(Cu)，并在2003年開發(fā)成功。2009年，TDK公司采用Cu研發(fā)生產(chǎn)出第二代壓電晶體執(zhí)行器。2014年發(fā)布的第三代產(chǎn)品(圖1)，特征如下：

圖1 第三代壓電晶體執(zhí)行器

(1) 陶瓷伸縮所產(chǎn)生的位移量增加了20%，由于材料和元件結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，位移量有所增加；

(2) 輸入壓電晶體執(zhí)行器的電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能的效率(機(jī)電結(jié)合系數(shù))超過75%；

(3) 在170℃的高溫環(huán)境下，耐久性可以達(dá)到連續(xù)工作10億次。

以前，使用Cu制成的壓電晶體執(zhí)行器與Pd/Ag組合的壓電晶體執(zhí)行器相比，雖然價格較低，但在變形位移量和機(jī)電結(jié)合系數(shù)都比較低。第三代產(chǎn)品的位移變形量和機(jī)電結(jié)合系數(shù)都比Pd/Ag組合壓電晶體執(zhí)行器高。而且，在170℃高溫下的耐久性比原來的Pd/Ag組合壓電晶體執(zhí)行器提高了10倍，即由原來的可以連續(xù)驅(qū)動1億次，提高到可以連續(xù)驅(qū)動10億次。在高溫高濕環(huán)境下(溫度85℃,濕度85%)依然可以連續(xù)驅(qū)動10億次。TDK公司表示，這樣的耐久性相當(dāng)于行駛距離提高了2倍。

現(xiàn)在，第三代壓電晶體執(zhí)行器可以承受的電壓范圍為50～400V，線路板尺寸是3×3～12×12mm，長度是5～600mm，位移變形量是 5～100μm，作用力是100～10kN(圖2)。

圖2 壓電晶體的遲滯曲線

現(xiàn)在，采用納米技術(shù)進(jìn)行研究可以將壓電元件組裝在各種顯微鏡、磁盤檢測裝置、自動聚焦系統(tǒng)、生物相關(guān)的設(shè)備和半導(dǎo)體檢查設(shè)備內(nèi)，壓電元件的應(yīng)用正在不斷擴(kuò)展。

3 壓電遲滯

研究已經(jīng)證實(shí)： 壓電元件的位移量，即使是在加上相同電壓的狀態(tài)下也會產(chǎn)生幾微米的幅度變化。這是壓電元件特有的“遲滯”特性。如圖3所示，壓電元件的電壓和位移的關(guān)系不是線性比例關(guān)系，而是可以用“遲滯曲線”來描述。因此，將壓電元件作為執(zhí)行器使用時，即使是加上相同的電壓也不會得到相同的位置。也就是說，如果只控制電壓，無法得到相同位移。

為了克服這個缺點(diǎn)，必須采用能夠反饋位移精度的“位移傳感器”。傳感器一直監(jiān)視著實(shí)際的位移量，同時控制附加到壓電元件上的電壓，將遲滯曲線修正到理想的直線，使得在同1個軌道上的位移成為可能(圖3)。但是，這必須通過壓電晶體的高精度以及高分辨率位移傳感器的技術(shù)進(jìn)行支撐。

圖3 壓電晶體遲滯曲線的修正

何丹妮 編輯

2016-01-06)