CC BY
70
УДК 621.436.038
ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ В ТОПЛИВНОЙ СИСТЕМЕ ДИЗЕЛЕЙ
А.И. Воронков, доцент, к.т.н., Николенко Ю.А., мл. научн. сотр., инженер, С.И. Отченашко, аспирант, ХНАДУ
Аннотация. Предложен принципиально новый метод совершенствования форсунок дизелей с применением магнитострикционных материалов для актюаторов элек-троуправляемых форсунок.
Ключевые слова: пьезоэлектрик, магнитострикция, пьезоактюатор.
Введение
Одним из основных направлений совершенствования дизельных двигателей является выбор оптимальной характеристики топливоподачи в цилиндр двигателя. Наиболее эффективным решением, обеспечивающим требуемые характеристики впрыскивания, на всех режимах работы двигателя следует признать применение топливной системы с электронным управлением аккумулирующего типа. В такой топливной системе узлом, задающим продолжительность, количество дополнительных впрыскиваний, а также оптимальный момент топливоподачи, является элек-троуправляемая форсунка, в которой используются интеллектуальные магнитострикционные и пьезоэлектрические материалы.
Интеллектуальные материалы способны «чувствовать» и реагировать на внешнее воздействие (например, электрическое или магнитное). По этой причине их все шире и шире применяют в машиностроении.
Анализ публикаций
Фирма Bosch разработала третье поколение систем Common Rail [1], в которых установлены форсунки типа Inline-Injektors. Примерно 75-80% стоимости форсунки - это стоимость пьезоэлемента, состоящего из более чем 300 кристаллических пластин с металлическими пленками - электродами на торцах общей толщиной каждой пластины 0,1 - 0,3 мм и электрически соединенными параллельно. Пьезопакет расположен в удлиненном носке распылителя в непосредственной близости от иглы. Характеристики форсунок по сравнению с известными пьезоэлектрическими форсунками существенно улучшены. Быстродействие увеличено вдвое, масса подвижных деталей снижена с 16 до 4 г, длина форсунки составляет
42 мм вместо прежних 152 мм. Допуск на объем цикловой подачи менее 0,2 мм3, минимальная подача - 0,5 мм3. Применение новых форсунок позволяет снизить токсичность ОГ на 15-20%, или повысить мощность двигателя на 5-7%, или снизить уровень шума на 3 дБ. Фирма планирует к 2007 году повысить давление впрыскивания топлива до 250 МПа.
Вполне очевидно, что такое усовершенствования стало возможно благодаря новым технологиям получения высокоэффективных пьезоэлектриков с применением в химических формулах пьезоэлектриков атомов с недостроенной М-элект-ронной оболочкой - это иттрий, цирконий, ниобий, молибден.
Кроме высокой стоимости пьезопакет имеет ограниченный ресурс (примерно 9-108 циклов срабатывания) работы из-за больших скоростей движения дислокаций в кристаллической решетке пьезоэлектрика; в результате - быстрое старение.
Цель и постановка задачи
Цель данной работы - обосновать выбор исполнительного электроуправляемого механизма для форсунки дизельного двигателя.
Использование магнитострикции редкоземельных магнетиков
Предлагается использовать магнитострикцион-ный материал для изготовления активного элемента форсунки.
Возможность силового воздействия с помощью магнитострикционных материалов на иглу либо на другой какой-либо исполнительный орган форсунки (инжектора) существовала практически с открытия эффекта магнитострикции. Поскольку
при приложении магнитного поля к стриктору (телу из материала, претерпевающего изменение длины при изменении приложенного к нему магнитного поля), в нем возникают значительные усилия (рис. 1). Однако в обычных, хорошо известных магнитострикционных материалах, например у N1, относительное удлинение X не превышает 10-8, что недостаточно для управления ни иглой, ни электрическим клапаном форсунки.
30 |--------1---------1---------1--------<---------
----ТЦС-преобразователь
Терфенол-преобразователь
1 20
2
ф
О 2 4 6 8 10
Сила (кН)
Рис. 1 Зависимость смещения от величины создаваемой силы для актюаторов на основе пьезокерамики (ТЦС) и редкоземельных металлов (Терфенол) одинакового размера [2]
В табл. 1 [3] приведены параметры типичных и экономически доступных магнитострикционных материалов. Из них можно изготавливать сплошные стержни не только для актюаторов форсунок, но и стержни для электрически управляемых клапанов в системе газораспределения двигателя.
Сравнение эффективности применения пьезоак-тюатора и магнитострикционного привода приведены в табл. 1.
Таблица 1 Сравнительные характеристики пьезо- и магнитострикционного приводов для форсунки
Параметр пьезопривод магнитострикци-онный привод
Относительное удлинение X до 10-3 более 10-3
Развиваемое усилие, кН 1 6
Применяя редкоземельные химические элементы, такие как 8ш - самарий, Gd - гадолиний, ТЬ -тербий для изготовления магнитострикционных материалов, можно получить стержни с гигантской магнитострикцией и в то же время с высокой прочностью.
В табл. 2 [3] приведены основные параметры магнитострикционных материалов, изготовленных из чистых металлов ТЬ - тербия, Бу - диспрозия, железа, никеля и кобальта.
Таблица 2 Характеристики материалов с гигантской магнитострикцимией
Магнетик ^-10-6 1 Т, °К Кюри Кристалл оси
ТЬ 1230 78 поликристалл
оу 1400 78 поликристалл
ТЬ 5460 4,2 Н II d - ось
ТЬ 22000 4,2 Н11 с - ось
ТЬРе2 4700 300 Н II [111]
ТЬзРез012 2460 4,2 Н II [111]
Бе - 10 300 поликристалл
N1 - 37 300 поликристалл
N1 - 60 78 Н II [111]
Со - 71 300 поликристалл
Включая в химический состав магнитострикци-онных материалов редкоземельные лантаноиды и актиноиды, можно получить гигантскую магни-тострикцию такую как у монокристаллического тербия. Если лантаноиды очень дорогие материалы, то можно использовать такой актиноид, как объединенный и - уран, который едва превосходит стоимость никеля. Из соединений урана методом порошковой металлургии можно изготовить сплошные стержни с гигантской магнито-стрикцией. Эти стержни будут удовлетворять самым жестким требованиям к деталям систем впрыска топлива управляемой системы и газораспределения двигателя.
Выводы
Предложено в качестве исполнительного механизма электрогидравлической дизельной форсунки использовать материал, обладающий магнито-стрикционными свойствами. Такой материал по сравнению с пьезокерамическими материалами имеет ряд преимуществ, главные из которых высокие относительное удлинение и развиваемое усилие.
Литература
1. УБШасЬг. - 2003. - №20. - с. 9. Нем. БЕ ¡ББМ
0042-1758.
2. Уорден К. Новые интеллектуальные материалы
и конструкции. Свойства и применение. М.: Техносфера, 2006. - 224 с.
3. Белов К. П. Магнитострикционные явления и их
технические приложения. - М., 1987.
Рецензент: Ф.И. Абрамчук, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 16 октября 2006 г.
138
