CC BY
86
УДК 621.236.038
Ю. П. МЛКУШЕВ Л. Ю. ВОЛКОВЛ
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия,
г. Омск
Калининградский государственный технический университет, г. Калининград
РЛСЧЕТНЫЕ ИССЛЕДОВЛНИЯ ФОРСУНОК ДИЗЕЛЕЙ С ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИМ УПРЛВЛЕНИЕМ_
Рассмотрены устройство и принцип действия форсунок с пьезоэлектрическим управлением хода и глы распылителя. Д ан пример р асчета пьезопривода форсунки, изменение длины которого зависит от напряженности электрического поля, геометрических размеров, коэффициента упругости ма териала и силы, р азв и ваемой пьезоэлементом. Построен график зависимости толщины пьезоэлемента от величины подводимого напряжения. Д аны рекомендации по контролю основных па ра метров пьезопривода в процессе диагностирования.
Ключевые слова: форсунка, управление, пьезопривод, диагностирование, клапан, и гла ра спылителя, впрыск топлива.
1. Устройство и принцип действия форсунок с пьезоэлектрическим управлением. Форсунка является главным узлом системы питания дизеля [1]. Она служит для подачи в камеру сгорания распыленного топлива под высоким давлением.
На рис. 1 приведена аккумуляторная система подачи топлива, которая может быть оборудована форсунками с электромагнитным или пьезоэлектрическим управлением хода иглы распылителя.
Из бака 1 топливо при помощи подкачивающего насоса 6 подается через фильтр 7 в головку 3 топливного насоса высокого давления (ТНВД). Величина создаваемого давления ТНВД регулируется клапаном, открытие которого происходит при помощи электромагнита, управляемого блоком 16.
На режиме холостого хода давление топлива регулируют до 40 — 50 МПа, а на режимах номинальной мощности и близких к нему до 100 — 200 МПа. Давление, создаваемое насосом, по топливопроводу 5 передается в аккумулятор 9, который соединен при помощи трубопровода высокого давления с форсункой 11. Полость распылителя форсунки и камера управления заполнены топливом под давлением, которое создается в аккумуляторе 9.
В современных дизелях применяют форсунки с гидромеханическим и электрогидравлическим управлением. Форсунки с гидромеханическим управлением не позволяют изменять характеристику впрыска топлива в процессе работы двигателя, что является их главным недостатком.
Применение форсунок с электрогидравлическим управлением позволило изменять угол опережения впрыска и характеристику впрыска. Основным недостатком электромагнитных форсунок является малая скорость подъема якоря (время подъема 0,3 — 0,4 мс), что обеспечивает только однофазный или двухфазный впрыск топлива.
На рис. 2 приведена характеристика с предварительной (запальной) и основной подачей топлива, полученная с применением форсунок с электрогидравлическим управлением.
Для уменьшения времени подъема (менее 0,1 мс) и увеличения быстродействия клапана рекомендуются форсунки с пьезоэлектрическим управлением [2].
В настоящее время выполняются научные работы по исследованию, доводке и внедрению форсунок с пьезоэлектрическим управлением. Данные форсунки, в отличие от форсунок с электромагнитным управлением, позволяют осуществить за время подачи топлива четыре фазы впрыска. Это обеспечивает более гибкое управление процессом впрыска, снижает расход топлива, уменьшает выброс токсичных веществ с отработавшими газами.
На рис. 3 приведен упрощенный вариант форсунки с пьезоэлектрическим управлением хода иглы [2]. Рассмотрим принцип действия форсунки с пьезоэлектрическим управлением.
При подаче переменного напряжения на пьезо-привод 2 происходит его деформация (удлинение). При помощи рычага 4 перемещение пьезопривода передается на шток 5 с запорным конусом (клапан управления). Сливное отверстие 6 открывается, давление в камере управления 15 резко снижается, игла 10 перемещается вверх под действием высокого давления в аккумуляторе 14, открывая сопловые отверстия 11. Начинается процесс подачи топлива. Конструкция и расположение клапана управления может быть различна, но функция одна — изменять величину давления топлива в камере управления.
На рис. 4 показан общий вид форсунки с пьезоэлектрическим управлением хода иглы. Предположим, что давление в аккумуляторе и на входе в форсунку равно 100 МПа. Пьезопривод 3 находится
о
оэ >
Рис. 1. Системы подачи топлива Common Rail: 1 — топливный бак; 2 — сливная магистраль; 3 - ТНВД; 4 — регулятор давления; 5 — топливопровод; 6 — подкачивающий насос; 7 — фильтр; 8 — предохранительный клапан; 9 — аккумулятор; 10 — датчик давления; 11 — форсунка с электрогидравлическим или пьезоэлектрическим управлением; 12 — датчик педали акселератора; 13 — датчик частоты вращения коленчатого вала; 14 — датчик температуры; 15 — другие датчики; 16 — блок управления; 17 — другие исполнительные устройства
Рис. 2. Дифференциальная характеристика с предварительной и основной подачей топлива
в исходном положении, подводимое напряжение равно нулю. Давление топлива, равное 100 МПа, передается через калиброванное отверстие (например, диаметром 0,3 мм) в камеру управления 10 и в полость корпуса распылителя 15. Учитывая, что площадь поршня 11 больше площади направляющей иглы 14, то сила со стороны поршня будет значительно больше, чем со стороны иглы. Игла 14 будет находиться в закрытом состоянии.
При подаче переменного напряжения на пьезо-привод 3, который состоит из 200 пластин, он удлиняется, например, на 20 мкм. При помощи рычажного мультипликатора 5 с передаточным отношением, равным пяти, перемещение толкателя 6 составит 100 мкм.
Клапан 8 откроется, часть топлива вытечет из камеры управления 10, давление и сила над поршнем 11 резко уменьшатся. Сила со стороны иглы 14 станет больше, чем сила со стороны поршня 11, игла поднимется вверх, откроет проходное сечение между конусом иглы и седлом, через сопловые отверсия корпуса распылителя 15 начнется подача топлива в камеру сгорания дизеля.
За счет быстродействия пьезопривода игла способна за время впрыска до четырех раз открыть
Рис. 3. Форсунка с пьезоэлектрическим управлением: 1 — разъем; 2 — пьезопривод; 3 — электрод; 4 — рычаг; 5 — шток с запорным конусом; 6 — сливное отверстие; 7 — поршень управления; 8 — корпус форсунки; 9 — пружина; 10 — игла распылителя; 11 — сопловые отверстия; 12 — подводящий канал; 13 — канал подвода топлива; 14 — аккумулятор; 15 — камера управления; 16 — пружина
и закрыть уплотнение между запорным конусом и седлом.
На рис. 5 показано положение рычажного мультипликатора в рабочем состоянии при максимальном ходе пьезопривода. Мультипликатор — устройство для увеличения передаточного отношения.
На рис. 6 показан впрыск топлива с предварительной, основной и двумя дополнительными фазами, полученный с использованием форсунки с пьезоэлектрическим управлением [3].
В пьезоэлектрическом преобразователе активными элементами являются пластины, изготовленные
Рис. 4. Общий вид форсунки с пьезоэлектрическим управлением хода иглы:
1 — штуцер для подвода топлива из аккумулятора; 2 — разъем электрический; 3 — пьезопривод; 4 — гайка; 5 — рычажный мультипликатор; 6 — толкатель (поршень) клапана; 7 — канал для слива топлива; 8 — клапан переключающий; 9 — пружина клапана; 10 — камера управления; 11 — поршень; 12 — пружина иглы; 13 — толкатель иглы; 14 — игла распылителя; 15 — корпус распылителя; 16 — стакан
из природного кварца или пьезокерамического материала, например, ЦТБС-8 (Цирконат ZrO2, тита-нат бария BaTiO3, окись свинца PbO) [4]. Принцип действия пьезопривода основан на обратном пьезоэлектрическом эффекте, который заключается в том, что внешнее электрическое поле вызывает механическое напряжение внутри материала, которое приводит к изменению формы кристаллической решётки и росту геометрических размеров.
На рис. 7 показан упрощенный вариант кристаллической решётки пьезоэлемента при отсутствии напряжения (исходное положение) и при подаче напряжения, когда изменение формы кристаллической решётки привело к росту (приращению) геометрических размеров [4].
Изменение высоты пьезоэлемента прямо пропорционально напряжению. Таким образом, можно управлять высотой пьезоэлемента, изменяя напряжение на его обкладках. Управляющее напряжение может изменяться в диапазоне от 100 до 200 В и выше.
При подаче высокого напряжения на элемент (столбик), состоящий, например, из 100 кварцевых пластин, он удлиняется (изменяется форма кристаллической решётки). Развиваемое усилие пьезоэлемента площадью 4 мм2 достигает 1000 Н и пропорционально площади поперечного сечения элемента. Форма пьезопакета может быть круглой, квадратной, прямоугольной.
На рис. 8 приведена схема параллельного включения напряжения питания для пакета, состоящего из 9 пластин. Между пластинами расположены электроды толщиной 6—12 мкм, выполненные из серебра. Одна сторона пьезопривода жестко закреп-
Рис. 5. Рычажный мультипликатор
лена в корпусе форсунки, а вторая сторона способна перемещаться при подаче импульса напряжения. Для перехода пакета пластин в начальное положение изменяют полярность напряжения.
2. Расчетное определение основных параметров пьезопривода управления клапанным узлом форсунки.
Исходные данные: Материал пьезоэлемента — ЦТБС — 8; D — диаметр пластины пьезоэлемента, 30 мм; h3 — высота (толщина) пластины пьезоэлемента, 0,5 мм;
d33 — осевой пьезомодуль (рабочий диапазон перемещений исполнительного устройства, 31510-12 Кл/Н). Кулон — единица количества электричества, прохо-
о
ОЭ
м
г// ' мм3/с*10~ 35 30 25 20 15 10 5
г*
\
л
А 1 I
1
1 1. 1 1
О 0,0002 О.ОООЬ 0,0006 0,0008 0,001 0,0012 О.ООК 0,0016 0,0018 0,002 0,0022 1, с
Рис. 6. Характеристика подачи топлива форсункой с пьезоэлектрическим управлением
При отсутствии напряжения
При подаче напряжения
Рис. 7. Изменение формы кристаллической решётки при подаче напряжения
Рис. 8. Схема подвода питания к пьезоприводу
дящего через поперечное сечение проводника при токе силой 1А в течение времени 1 сек. (Кл = Ас); и — входное управляющее напряжение, 100 В; р — плотность материала пьезоэлемента, 7,6' 103 кг/м3; У — модуль Юнга, определяющий упругие и резонансные свойства материала, 7,710 10 Н/м2; д33 — электрическая константа по напряжению в режиме приема, 25,410-3 В м/Н.
1. Определим площадь одного пьезоэлемента
5п = р• £>74 = 3,14374 = 7 см2 , (710-4 м2).
(1)
2. Определим коэффициент упругости (жесткости) из выражения [5]
К = 5 .У/Л =7-10 — 4-7,7-1010/5-10-4 =
п 3 '
= 10,7810 10 Н/м.
(2)
3. Напряженность электрического поля пьезо-
элемента в осевом направлении находим по формуле
4. Сила, развиваемая пьезоэлементом, при подаче электрического напряжения амплитудой 100 В равна
^=5п.и/(д33Л3) = 7.10-4.100/(25,4.10-3 5-10-4) =
= 5559 Н. (4)
5. Перемещение (увеличение высоты вдоль оси у) одного пьезоэлемента в магнитном поле, создаваемое напряжением 100 В будет равно
А У= £УК = 5559/10,78 1010 = 515 10-10 м,
(51510-4 мкм). (5)
На рис. 9 показано изменение толщины одного пьезоэлемента высотой (толщиной) 0,5 мм, в зависимости от величины подводимого напряжения, выполненного из пьезокерамического материала ЦТБС-8.
Результаты расчета показали, что пьезопластинка толщиной 0,5 мм при подаче управляющего напряжения 100 В изменяет свою высоту на 0,05 мкм. Даже при наборе пьезопривода из 200 пластин общее удлинение составит 10 мкм. Малый ход пьезопривода является главным его недостатком. Данного перемещения недостаточно для эффективной работы (открытия или закрытия) клапана управления. Необходимо перемещение клапана не менее 100 мкм. Для этого нужно повысить управляющее напряжение до 200 — 300 В или применить рычажный механизм с передаточным числом 5 — 7.
Электрическая емкость одного элемента, Со (Ф) вдоль оси определяется из выражения [4]
С = е„, е (1—К ,,) 5 /Л,,
о 33 о V эм 33> э 3Г
(6)
Е3=и/Л3= 100/5 10-4 = 2 105 В/м.
(3)
где е33 — диэлектрическая проницаемость вдоль оси, 1500 — 3000; е — электрическая постоянная,
20
Рис. 9. Изменение толщины пьезоэлемента от величины управляющего напряжения
Рис. 10. Контроль технического состояния клапанов управления по объему сливаемого топлива
8,8510 12 Ф/м; 5э — площадь двух электродов, разделяющих пьезоэлемент, м2.
Коэффициент электромеханической связи Кэм33 характеризует эффективность преобразования электрической энергии, подводимой к материалу, в механическую энергию. Он определяется расчетным путем или принимается равным 0,6 — 0,7 [4].
С=3000-8,75'10-12 (1 —0,6)1410-4/510-4 =
= 29736 10-12 Ф или 26,7 нФ. (7)
Отметим, что один нанофарад равен 10-9 Ф. Пусть пьезопакет содержит 200 элементов, тогда общая емкость составит 26,7200 = 5340 нФ. В процессе диагностирования значение электрической емкости пьезопривода служит для контроля его технического состояния.
3. Диагностирование форсунок. В процессе диагностирования пьезопривода проверяют его перемещение, емкость и величину управляющего напряжения. Пьезопривод форсунки осуществляет перемещение на величину около 20 мкм. Данное малое значение перемещения рекомендуется определять при помощи лазерного интерферометра, который позволяет оценивать перемещение с точностью до 0,05 мкм.
Важным является не только равенство хода клапана (толкателя) во всех форсунках, но и их герметичность. Критерием герметичности клапана управления (его исправности) может служить величина объема сливаемого топлива из форсунки. При требуемой герметичности клапанов величина сливаемого топлива из камеры управления каждой форсунки должна быть одинаковой. Контроль выполняют при номинальной частоте вращения коленчатого вала. Объем сливаемого топлива из форсунки при работе двигателя за одну минуту не должен превышать 150 см3 [6].
На рис. 10 показана установка для контроля технического состояния (герметичности) клапанов управления по объему сливаемого топлива из штуцера форсунки.
Выводы.
1. Рассмотрены устройство и принцип действия форсунок с пьезоэлектрическим управлением хода иглы распылителя.
2. Дан пример расчета пьезопривода форсунки, изменение длины которого зависит от напряженности электрического поля, геометрических размеров, коэффициента упругости материала и силы, развиваемой пьезоэлементом.
3. Построен график изменения толщины пьезоэлемента от величины управляющего напряжения.
4. Даны рекомендации по контролю основных параметров пьезопривода и клапана управления.
Библиографический список
1. Трусов В. И., Дмитриенко В. П., Масляный Г. Д. Форсунки автотракторных дизелей. М.: Машиностроение, 1977. 167 с.
2. Макушев Ю. П. Системы питания двигателей внутреннего сгорания: метод. указания к лабораторным и практическим работам по профилю подготовки «Двигатели внутреннего сгорания». Омск: Изд-во СибАДИ, 2012. 84 с.
3. Уве Рокош. Бортовая диагностика: пер. с нем. М.: ООО «СтарСПб»; ООО Изд-во «За рулем», 2013. 224 с.
4. Бобцов А. А., Быстров С. В., Бойков В. И., Григорьев В. В. Исполнительные устройства и системы для микроперемещений: учеб. пособие. СПб.: ГУ ИТМО, 2011. 131 с.
5. Стрелец А. А. Определение величины перемещения пьезопривода форсунки // Электротехника и электромеханика. 2011. № 6. С. 39-41.
6. Губертус Гюнтер. Диагностика дизельных двигателей / пер. с нем. Ю. Г. Грудского. М.: ЗАО КЖИ «За рулем», 2004. 176 с.
МАКУШЕВ Юрий Петрович, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры тепловых двигателей и автотракторного электрооборудования Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии, г. Омск.
Адрес для переписки: makusev321@mail.ru ВОЛКОВА Лариса Юрьевна, кандидат технических наук, доцент кафедры судовых энергетических установок и теплоэнергетики Калининградского государственного технического университета. Адрес для переписки: volkova0969@mail.ru
Статья поступила в редакцию 14.11.2016 г. © Ю. П. Макушев, Л. Ю. Волкова
