В дизельном двигателе сгорание топлива в цилиндре тесно связано с процессом впрыскивания горючего. Путем управления периодичностью впрыскивания, его длительностью, качеством и скоростью протекания топлива как функции времени становится возможным эффективно управлять рабочими характеристиками двигателя.

       К сожалению, параметры традиционной системы впрыска не обеспечивают одновременно минимума выбросов, наилучшей экономии топлива и высокой величины крутящего момента.

       Автомобильная промышленность за рубежом усовершенствовала систему впрыска дизельного топлива с помощью пьезофорсунки. Общая топливная магистраль (Common Rail) – это система впрыска, которая подает топливо высокого давления в любой момент. Для повышения эффективности работы двигателя необходимо добавить несколько предварительных впрыскиваний в основную подачу топлива в течение рабочего цикла дизельного двигателя.

       Основной компонент общей топливной магистрали – инжектор, в состав которого входит пьезоэлектрический актюатор, выполняющий роль быстродействующего пьезопривода.

       Использование пьезоэлектрических актюаторов обеспечивает возможность соответствия стандарту Евро 5-6 в будущем как для дизельных, так и для бензиновых двигателей. Такая система уменьшает задержку воспламенения топлива за счет:

       Применение пьезокерамического

       актюатора для впрыска топлива очень высокого давления впрыска, что приводит к сверхтонкому распылению топлива; быстрого и независимого управления форсунками (длительность одного впрыска – 100–200 мкс), что позволяет осуществлять несколько впрысков в один и тот же цилиндр в течение одного цикла; дозирования с высокой точностью количества топлива на различных фазах работы двигателя, что увеличивает его КПД, срок службы, снижает расход топлива и улучшает экономичность двигателя. Пьезоэлектрический актюатор – привод быстродействующего клапана, позволяющий управлять формой и длительностью импульса впрыска, что приводит к улучшению рабочих характеристик и гибкости системы управления впрыском по заданному алгоритму для различных режимов управления:

       экономичный режим, обеспечивающий максимальное КПД и минимальное потребление топлива. Для его реализации желательно производить сгорание топлива при достижении максимальной температуры в центре зоны (TDC), при этом форма импульса впрыска обеспечивает плавное нарастание и падение скорости протекания топлива; экологически чистый режим, обеспечивающий минимальный уровень выброса вредных примесей в атмосферу. Для его реализации желательно создание в цилиндре профиля скорости инжекции с низкими начальными значениями в сочетании с резким снижением температуры и последующим резким фронтом спада; режим форсажа, обеспечивающий максимальную тягу. Профиль скорости инжекции характеризуется плавно нарастающим фронтом, за которым следует относительно длительный цикл, и далее резким спадом фронта. При длительном цикле достигается максимально высокая температура в цилиндре. При работе пьезоэлектрического актюатора в составе форсунки под действием электрического напряжения пьезопакеты, из которых состоит актюатор, расширяются в направлении электрического поля, при этом обеспечивая перемещение, пропорциональное управляющему напряжению и длине актюатора, и развиваемое усилие, пропорциональное площади поперечного сечения элемента. Таким образом движение пьезопакета передается беспрепятственно прямо к игле форсунки без какого-либо механического элемента. Малая инерционность позволяет работать с частотой до 100 герц (длительность импульса – 100–200 мс), что позволяет точнее дозировать количество впрыскиваемого топлива и тем самым сократить количество вредных веществ, возникающих при сгорании.

       В последнее время по созданию систем впрыска дизельного топлива с применением многослойного пьезоэлектрического актюатора активно работают такие зарубежные фирмы, как EPCOS, SIEMENS, BOSСH, KYOCERA, DELPHI, и другие с целью соответствия стандарту эмиссии Евро 6, осуществление которого просто невозможно без пьезокерамики.

       Форсунка

       Многослойные пьезоэлектрические актюаторы предназначены для преобразования электрической энергии в механическую. Их действие основано на использовании обратного пьезоэлектрического эффекта, то есть на деформации пьезоэлемента под действием электрического поля.

       Если к пьезокерамическому материалу приложить электрическое напряжение, то материал расширяется в направлении электрического поля, при этом обеспечивая перемещение, пропорциональное управляющему напряжению и длине актюатора, а развиваемое усилие пропорционально площади поперечного сечения элемента.

       Многослойные пьезоэлектрические актюаторы используются для получения перемещения от нанометров до сотен микрон с очень высокой точностью, очень коротким временем реакции и небольшим потреблением энергии. Многослойные компоненты имеют преимущества перед пакетными керамическими пластинами, обладая возможностью производить смещение при низковольтных напряжениях, а также компактный размер.

       Пьезоэлектрические актюаторы изготавливают из многослойных керамических блоков толщиной слоя от 25 до 150 мкм, площадью сечения от 2х2 до 10х10 и высотой от 20 до 60 и более миллиметров.

       Многослойные актюаторы позволяют обеспечить малые перемещения, точность которых определяется только аппаратурой контроля и управления, то есть для обеспечения высокой точности и стабильности актюатор должен использоваться с датчиками точного позиционирования.

       Пьезопривод в корпусе. Форсунка и игла Тензодатчик, соединенный с поверхностью актюатора, является эффективным и недорогим средством определения действительной позиции (перемещения рабочей плоскости) актюатора. Он позволяет определять влияние различных факторов, воздействующих на перемещение актюатора, включая входное напряжение, переменную нагрузку, эффекты крипа (времени задержки перемещения для данного приложенного напряжения, вызванного инерцией материала) и гистерезиса в пьезокерамических элементах. Определение позиции может осуществляться с точностью приблизительно 0,1 процента от максимального перемещения актюатора на микросекундном уровне времени реакции.

       В настоящее время срок службы и надежность актюатора определяются двумя режимами:

       статическим режимом при высоком значении возбуждающего напряжения; интенсивным динамическим режимом, характеризуемым потенциально большим внутренним напряжением благодаря внешним условиям (усилие, частота, температура среды), действующим на актюатор. Данная ситуация может часто возникать в стабилизированных обратной связью механических системах (например, в системах активного гашения вибраций).

       Срок службы в статическом режиме обычно определяется как время работы актюатора при потенциальном возбуждении при оговоренном напряжении и окружающих условиях, таких как влажность, температура, давление.

       Надежность актюатора, работающего в динамическом режиме, обычно определяется количеством циклов, которое он способен выдержать при установленном предварительном механическом напряжении, рабочей температуре и точно определенных условиях возбуждения, таких как сигнал возбуждения, частота повторения и так далее.

       Еще на ранних этапах применения типичной картиной отказов считалось образование трещин внутри керамики, что являлось причиной возникновения электрического пробоя и образования короткого замыкания. Воздействие внешних факторов на поверхность актюатора может привести к возникновению трещин в конструкции актюатора. Разрыв электродов приводит к потере активности актюатора. Существенным вкладом в повышение надежности актюатора при динамическом циклировании является создание значительного механического напряжения, составляющего до 50 процентов указанной максимальной нагрузки. Для повышения надежности могут быть приняты меры по уменьшению величины деформации.

       Пьезопривод в разборе Если требуется перемещение 10 мкм, то использование актюатора с перемещением 20 мкм при работе с вдвое меньшим напряжением имеет двойное преимущество: надежность в статическом режиме повышается благодаря снижению напряжения, при динамическом режиме уменьшается потребление мощности.

       В настоящее время в нормальных условиях достигнутый срок службы многослойных актюаторов в статическом режиме составляет 5000 и более часов, срок хранения в нерабочем состоянии – свыше 10 лет, частота отказов многослойных актюаторов в промышленной аппаратуре составляет менее одного процента за пять лет. В динамических режимах время наработки – более 109 циклов переключения.

       Эксплуатационные параметры многослойных актюаторов:

       диапазон рабочих температур – от минус 35 до плюс 85 градусов; механическое воздействие: синусоидальные вибрации – 1–200 герц, амплитуда ускорения – 50 м/с2; механический удар многократного действия: пиковое ускорение – 150 м/с2, длительность – 2–15 мс, количество ударов – 100, относительная влажность при температуре 25 градусов – до 98 процентов. При изменении температуры от минус 20 градусов емкость и перемещение практически линейно растут с увеличением температуры до 120 градусов.

       Созданные многослойные актюаторы позволяют их использовать в бытовой аппаратуре и изделиях спецтехники.

       АО ？НИИ ？Элпа？ обладает технологией изготовления многослойных пьезоактюаторов.

       В 2020 году на основе пьезоактюаторов разработан пьезопривод корабельной форсунки, способной работать с любым видом топлива, включая мазут, при этом разработанный пьезопривод не требует изменения внешних габаритов форсунки.

       Разработанный пьезопривод прошел испытания на базе МАДИ и подтвердил свою работоспособность с давлением до 800 атмосфер и частотой до 400 герц, что гарантирует эффективное сжигание топлива и реализацию различных режимов работы двигателя.

       Модернизация двигателя проводится простой заменой форсунок и подключением блока управления для задания режимов работы.

       В АО ？НИИ ？Элпа？ ведутся дальнейшие разработки номенклатуры пьезоприводов различной мощности для давления до 1200 атмосфер.

       Андрей Дайнеко

       Опубликовано в выпуске № 10 (923) за 22 марта 2022 года