Пьезоэлектрическая форсунка: Пьезофорсунки: что инженеру хорошо, то слесарю плохо
Устройство пьезоэлектрической форсунки
Форсунка (инжектор), является основным элементом системы впрыска.
Назначение форсунки
Дозированная подача топлива, распыление его в камере сгорания (впускном коллекторе) и образования топливно-воздушной смеси. Форсунки нашли свое применение в системах впрыска бензиновых и дизельных двигателей. На современных автомобилях устанавливаются форсунки с электронным управлением впрыска.
Виды форсунок
Форсунки различаются в зависимости от способа осуществления впрыска топлива. Давайте рассмотрим основные виды форсунок:
- Электромагнитные форсунки;
- Электрогидравлические форсунки;
- Пьезоэлектрические форсунки.
Устройство электромагнитной форсунки
1 — сетчатый фильтр; 2 — электрический разъем; 3 – пружина; 4 — обмотка возбуждения; 5 — якорь электромагнита; 6 — корпус форсунки; 7 — игла форсунки; 8 – уплотнение; 9 — сопло форсунки.
Электромагнитная форсунка нашла свое применение на бензиновых двигателях
Как работает электромагнитная форсунка
Работа электромагнитной форсунки осуществляется в соответствии с заложенным алгоритмом в электронный блок управления. Электронный блок в определенный момент подает напряжение на обмотку возбуждения клапана. Вследствие этого создается электромагнитное поле, которое преодолевая усилие пружины, втягивает якорь с иглой и освобождает сопло форсунки, после чего производится впрыск топлива. Когда напряжение исчезает, пружина возвращает иглу форсунки обратно на седло.
Устройство электрогидравлической форсунки
1 — сопло форсунки; 2 – пружина; 3 — камера управления; 4 — сливной дроссель; 5 — якорь электромагнита; 6 — сливной канал; 7 — электрический разъем; 8 — обмотка возбуждения; 9 — штуцер подвода топлива; 10 — впускной дроссель; 11 – поршень; 12 — игла форсунки.
Электрогидравлическая форсунка применяется на дизельных двигателях. Электрогидравлическая форсунка включает электромагнитный клапан, камеру управления, впускной и сливной дроссели.
Как работает электрогидравлическая форсунка
Работа электрогидравлической форсунки основана на использовании давления топлива при впрыске. В обычном положении электромагнитный клапан закрыт и игла форсунки прижата к седлу силой давления топлива на поршень в камере управления. Давление топлива на иглу меньше давления на поршень, благодаря этому впрыск топлива не происходит.
Когда электронный блок управления дает команду на электромагнитный клапан, открывается сливной дроссель. Топливо вытекает из камеры управления через сливной дроссель в сливную магистраль. Впускной дроссель препятствует выравниванию давлений в камере управления и впускной магистрали, вследствие чего давление на поршень снижается, а давление топлива на иглу форсунки не изменяется. Игла форсунки поднимается и происходит впрыск топлива.
Устройство пьезоэлектрической форсунки
1 — игла форсунки; 2 – уплотнение; 3 — пружина иглы; 4 — блок дросселей; 5 — переключающий клапан; 6 — пружина клапана; 7 — поршень клапана; 8 — поршень толкателя; 9 – пьезоэлектрический элемент; 10 — сливной канал; 11 — сетчатый фильтр; 12 — электрический разъем; 13 — нагнетательный канал.
Пьезофорсунка(пьезоэлектрическая форсунка) является самым совершенным устройством, обеспечивающим впрыск топлива в современных автомобилях. Форсунка применяется на дизельных двигателях с системой впрыска Common Rail. Основные преимущества пьезоэлектрической форсунки в точности дозировки и быстроте срабатывания. Благодаря этому пьезофорсунка обеспечивает многократный впрыск на протяжении одного рабочего цикла.
Как работает пьезофорсунка (пьезоэлектрическая форсунка)
Работа пьезофорсунки основана на изменении длины пьезокристалла при подачи напряжения. Пьезоэлектрическая форсунка состоит из: корпуса, пьезоэлемента, толкателя, переключающего клапана и иглы.
Пьезофорсунка работает по гидравлическому принципу. В обычном положении игла прижата к седлу силой высокого давления топлива. Электронный блок подает электрический сигнал на пьезоэлемент и его длина увеличивается, воздействуя на поршень толкателя, открывает переключающий клапан и топливо поступает в сливную магистраль. Давление над иглой падает, и за счет давления в нижней части игла поднимается, что приводит к впрыску топлива. Количество впрыскиваемого топлива зависит от длительности воздействия на пьезоэлемент и давления топлива в топливной рампе.
Форсунки
Форсунка (инжектор), является основным элементом системы впрыска.
Назначение форсунки
Дозированная подача топлива, распыление его в камере сгорания (впускном коллекторе) и образования топливно-воздушной смеси. Форсунки нашли свое применение в системах впрыска бензиновых и дизельных двигателей. На современных автомобилях устанавливаются форсунки с электронным управлением впрыска.
Виды форсунок
- Электромагнитные форсунки;
- Электрогидравлические форсунки;
- Пьезоэлектрические форсунки.
Устройство электромагнитной форсунки
1 — сетчатый фильтр; 2 — электрический разъем; 3 – пружина; 4 — обмотка возбуждения; 5 — якорь электромагнита; 6 — корпус форсунки; 7 — игла форсунки; 8 – уплотнение; 9 — сопло форсунки.
Электромагнитная форсунка нашла свое применение на бензиновых двигателях, в том числе оборудованных системой непосредственного впрыска. Электромагнитной форсунка имеет простую конструкцию, которая включает электромагнитный клапан с иглой и соплом.
Как работает электромагнитная форсунка
Работа электромагнитной форсунки осуществляется в соответствии с заложенным алгоритмом в электронный блок управления. Электронный блок в определенный момент подает напряжение на обмотку возбуждения клапана. Вследствие этого создается электромагнитное поле, которое преодолевая усилие пружины, втягивает якорь с иглой и освобождает сопло форсунки, после чего производится впрыск топлива. Когда напряжение исчезает, пружина возвращает иглу форсунки обратно на седло.
Устройство электрогидравлической форсунки
1 — сопло форсунки; 2 – пружина; 3 — камера управления; 4 — сливной дроссель; 5 — якорь электромагнита; 6 — сливной канал; 7 — электрический разъем; 8 — обмотка возбуждения; 9 — штуцер подвода топлива; 10 — впускной дроссель; 11 – поршень; 12 — игла форсунки.
Электрогидравлическая форсунка применяется на дизельных двигателях. Электрогидравлическая форсунка включает электромагнитный клапан, камеру управления, впускной и сливной дроссели.
Как работает электрогидравлическая форсунка
Работа электрогидравлической форсунки основана на использовании давления топлива при впрыске. В обычном положении электромагнитный клапан закрыт и игла форсунки прижата к седлу силой давления топлива на поршень в камере управления. Давление топлива на иглу меньше давления на поршень, благодаря этому впрыск топлива не происходит.
Когда электронный блок управления дает команду на электромагнитный клапан, открывается сливной дроссель. Топливо вытекает из камеры управления через сливной дроссель в сливную магистраль. Впускной дроссель препятствует выравниванию давлений в камере управления и впускной магистрали, вследствие чего давление на поршень снижается, а давление топлива на иглу форсунки не изменяется. Игла форсунки поднимается и происходит впрыск топлива.
Устройство пьезоэлектрической форсунки
1 — игла форсунки; 2 – уплотнение; 3 — пружина иглы; 4 — блок дросселей; 5 — переключающий клапан; 6 — пружина клапана; 7 — поршень клапана; 8 — поршень толкателя; 9 – пьезоэлектрический элемент; 10 — сливной канал; 11 — сетчатый фильтр; 12 — электрический разъем; 13 — нагнетательный канал.
Пьезофорсунка (пьезоэлектрическая форсунка) является самым совершенным устройством, обеспечивающим впрыск топлива в современных автомобилях. Форсунка применяется на дизельных двигателях с системой впрыска Common Rail. Основные преимущества пьезоэлектрической форсунки в точности дозировки и быстроте срабатывания. Благодаря этому пьезофорсунка обеспечивает многократный впрыск на протяжении одного рабочего цикла.
Как работает пьезофорсунка (пьезоэлектрическая форсунка)
Работа пьезофорсунки основана на изменении длины пьезокристалла при подачи напряжения. Пьезоэлектрическая форсунка состоит из: корпуса, пьезоэлемента, толкателя, переключающего клапана и иглы.
Пьезофорсунка работает по гидравлическому принципу. В обычном положении игла прижата к седлу силой высокого давления топлива. Электронный блок подает электрический сигнал на пьезоэлемент и его длина увеличивается, воздействуя на поршень толкателя, открывает переключающий клапан и топливо поступает в сливную магистраль. Давление над иглой падает, и за счет давления в нижней части игла поднимается, что приводит к впрыску топлива. Количество впрыскиваемого топлива зависит от длительности воздействия на пьезоэлемент и давления топлива в топливной рампе.
Устройство и принцип работы пьезофорсунок
Устройство пьезоэлектрической форсунки
В основе устройства форсунки этого типа лежит принцип обратного пьезоэффекта. Суть его заключается в том, что под действием поступающего напряжения происходит изменение геометрических параметров, в частности длины, кристалла, обладающего пьезоэлектрическими свойствами. На этом же принципе, кстати, основаны проверка, диагностика и ремонт пьезофорсунок.
Основными узлами пьезофорсунки являются:
1. пьезоэлемент, соединенный с поршнем-толкателем;
2. толкатель;
3. переключающий клапан;
4. игла впрыска.
Принцип действия
Работа пьезофорсунки основана на принципе гидравлического сопротивления. В исходом состоянии игла устройства плотно посажена в седло. Этому способствует высокое давление над верхней ее частью, создаваемое топливным насосом. При поступлении сигнала из ЭБУ пьезоэлемент увеличивается в длине, что передает усилие на поршень толкателя. Последний открывает переключающий клапан. Благодаря этому топливо, находящееся над иглой, поступает в сливную магистраль за счет высокого давления. В результате этого давление топлива над иглой становится меньше, чем в нижней ее части. По закону гидравлики игла приподнимается и осуществляется впрыск топлива.
Достоинства пьезофорсунок
1. Максимальное быстродействие и совершенное управление фазами впрыска. По сравнению с электромагнитным клапаном пьезоэлектрический срабатывает в 4 раза быстрее. Это способствует меньшему времени отклика и лучшему и более точному разделению фаз впрыска.
2. Переменное значение давления впрыска. Пьезофорсунки лучше отвечают требованиям необходимости применения разного давления впрыска при различных фазах работы двигателя (запальной, рабочей).
3. Минимальный уровень шума при работе двигателя, что обусловлено быстродействием пьезоклапана и минимальным диаметром плунжера форсунки.
4. Высокий КПД форсунки благодаря тому, что для функционирования клапана требуется подавать электрический сигнал минимальной мощности. Уменьшение объема топлива поспособствовало сужению диаметра плунжера пьезофорсунки.
Особенности применения, диагностика и ремонт пьезофорсунок
Пьезоэлектрические форсунки существенно улучшают качество работы двигателя, уменьшают расход топлива и практически сводят к нулю вредные выбросы из-за неполного сжигания топливной смеси. Однако такая совершенная система впрыска требует и максимально качественно топлива. Малейшие загрязнения быстро выведут ее из строя и приведут к поломке. Только последующая проверка пьезофорсунок на стенде компании-производителя может дать точное определение истинной причины их поломок. В любом случае ремонт пьезофорсунок почти вдвое выгоднее покупки и установки новых.
Принцип работы форсунки
Принцип работы форсунки
Форсунка – это электромагнитный клапан, который управляется специальной программой в блоке управления двигателем. Благодаря форсунке топливо в цилиндры подается дозированно. Когда говорят об инжекторе, имеют в виду систему управляемых форсунок.
Существуют различные виды форсунок для:
— центрального впрыска топлива;
— распределенного впрыска топлива;
— непосредственного впрыска топлива.
Топливная форсунка — элемент инжекторной системы современного автомобиля.
Именно этот элемент отвечает за исполнение команды подачи топлива в цилиндр.
Как работает форсунка
Топливная форсунка не что иное как кран. Да, это кран, на который подается напряжение 9-15 вольт, катушка электромагнита притягивает иглу и топливо, факелом, выходит из нее.
Форсунка — это так же и соленоид.
Типовая схема работы топливной форсунки
Принцип работы форсунок
К каждой форсунке топливо от топливной рампы подается под определенным давлением. На электромагнит форсунки поступают электрические импульсы от блока управления двигателем. Они приводят в действие специальный игольчатый клапан, который открывает и закрывает канал в форсунке. Чем дольше поступаемый электрический импульс, тем дольше открыт игольчатый клапан, и тем больше подается топлива. Время открытия игольчатого клапана регулирует блок управления двигателем. Помимо этого, разновидности форсунок позволяют создавать разные формы и направленность факела распыляемого топлива, что существенно влияет на процесс смесеобразования.
Расположение форсунок в двигателе автомобиля
В таблице ниже указано расположение форсунок в двигателе в зависимости от типа впрыска топлива.
| Тип впрыска топлива | Расположение форсунок |
| Центральный впрыск | Одна или две форсунки располагаются во впускном трубопроводе перед дроссельной заслонкой. Таким образом, форсунка заменяет устаревшую технологию – карбюратор. |
| Распределенный впрыск | Для каждого цилиндра установлена своя форсунка, которая осуществляет впрыск топлива во впускной трубопровод цилиндра. Форсунка располагается у основания впускного трубопровода |
| Непосредственный впрыск | Форсунки располагаются в верхней части стенок цилиндра и впрыскивают топливо непосредственно в камеру сгорания. |
Рис. Разрез электрогидравлической форсунки фирмы Бош: 1 – отводящий дроссель; 2 – игла; 3 – распылитель; 4 – пружина запирания иглы; 5 – поршень управляющего клапана; 6 – втулка поршня; 7 – подводящий дроссель; 8 – шариковый управляющий клапан; 9 – шток; 10 – якорь; 11 – электромагнит; 12 – пружина клапана
Форсунка состоит из:
- электромагнита 11
- якоря электромагнита 10
- маленького шарикового управляющего клапана 8
- запорной иглы 2
- распылителя 3
- поршня управляющего клапана 5
- подпружиненного штока 9
Шарик клапана прижимается к седлу с усилием пружины и электромагнита. Сила пружины рассчитана на давление до 100 кг/см2, что значительно ниже давления в линии высокого давления (250…1800 кг/см2), поэтому только при приложении усилия электромагнита шариковый клапан не отойдет от седла, отделяя аккумулятор от линии слива. Игла распылителя форсунки в нерабочем состоянии прижимается к седлу пружиной распылителя – это предотвращает попадание воздуха в форсунку при пуске двигателя.
Рис. Принцип действия электрогидравлической форсунки: а – форсунка в закрытом состоянии; b – форсунка в открытом состоянии; c – фаза закрытия форсунки
При создании давления в аккумуляторе, оно действует как на конусную поверхность иглы, так и на поршень управляющего клапана 5. Поскольку площадь рабочей поверхности поршня на 50% больше площади конусной поверхности иглы, игла распылителя продолжает прижиматься к седлу.
При подаче напряжения от блока управления на электромагнит 11, шток 9 якоря штока поднимается и открывается шариковый управляющий клапан 8. Давление в камере управления 7 падает в результате открытия дроссельного отверстия и топливо пропускается из зоны над поршнем управляющего клапана в зону слива. Давление на поршень управляющего клапана падает, так как подводящее дроссельное отверстие управляющего клапана имеет меньшее сечение чем отводящее. Запорная игла 2 при этом под действием высокого давления в кармане распылителя 3 открывается. Количество подаваемого топлива зависит от времени подачи напряжения в электромагнит 11, а значит от времени открытия шарикового управляющего клапана 8. При прекращении подачи напряжения на электромагнит 11, якорь под действием пружины опускается вниз, при этом шариковый управляющий клапан закрывается, давление в камере управления восстанавливается через специальный жиклер. Под действием давления топлива на поршень управляющего клапана 5, имеющего диаметр больше диаметра иглы, последняя закрывается.
На входе топлива в форсунку установлен аварийный ограничитель подачи топлива. Он предотвращает опорожнение аккумулятора через форсунку с зависшей иглой или клапаном управления, а также повреждение соответствующего цилиндра дизеля. В нем используется принцип возникновения разницы давлений по обе стороны от клапана 1 при прохождении топлива через его жиклеры 2. Сечение жиклеров, затяжка пружины 3 и диаметр клапана подобраны по максимальной продолжительности и расходу, т.е. подаче топлива.
Рис. Аварийный ограничитель подачи топлива через форсунку
В системах «коммон рейл» первых поколений общее количество горючей смеси, впрыскиваемой в цилиндр, разделялось на предварительное и основное. Однако более гармоничной является такая схема сгорания, когда во время одного рабочего такта горючая смесь будет разделена на возможно большее количество частей. До сих пор добиться этого было невозможно по причине инерционности традиционных форсунок с электромагнитным управлением.
Одним из путей совершенствования системы «коммон рейл» является увеличение быстродействия открытия форсунки. Минимальное время открытия форсунки для электромагнита с подвижным сердечником составляет 0,5 мс, что не позволяет оперативно изменять подачу топлива. Для более быстрого срабатывания форсунки в настоящее время применяется пьезокерамическая форсунка, которая работает вчетверо быстрее.
Известно, что при подаче электрического напряжения на пьезокерамическую пластинку она на несколько микрон изменяет свою толщину.
Пьезоэлемент, являющийся исполнительным элементом форсунки, представляет собой параллелепипед длиной 30…40 мм, состоящий из спеченных между собой 300 керамических пластинок (кристаллов), расширяющийся на 80 мкм всего за 0,1 мс, чего достаточно чтобы воздействовать на иглу форсунки с усилием 6300 Н. При этом для управления пьезоэлементом используют напряжение бортовой сети автомобиля.
Рис. Пьезоэлемент
Для усиления пьезоэффекта в керамику добавляют палладиум и цирконий. Пьезоэлемент потребляет энергию только при подаче напряжения и регенерирует ее при выключении напряжения, таким образом, являясь регенератором энергии.
Использование пьезоэлемента, кроме быстроты срабатывания, обеспечивает большую силу открытия клапана сброса давления над иглой форсунки и высокую точность хода для быстрого сброса давления подачи топлива.
Электрогидравлическая форсунка с пьезоэлементом показана на. Основными составляющими форсунки являются модуль исполнительного элемента, состоящего из пьезоэлектрического элемента и его составляющих, модуль плунжера, состоящего из поршней, амортизатора давления и пружины, клапан переключения, игла. Для окончательной очистки топлива применяется специальный стержневой фильтр.
Рис. Разрез пьезоэлектрогидравлической форсунки: 1 – патрубок рециркуляции; 2 – электрический разъем; 3 – стержневой фильтр; 4 – корпус форсунки; 5 – пьезоэлектричесий элемент; 6 – сопряженный поршень; 7 – поршень клапана; 8 – клапан переключения; 9 – игла форсунки; 10 – амортизатор давления
Увеличение длины модуля исполнительного элемента преобразуется модулем соединителя в гидравлическое давление и перемещение, воздействующие на клапан переключения. Модуль плунжера действует как гидравлический цилиндр. На него постоянно воздействует давление подачи топлива 10 кгс/ см2 через редукционный клапан в обратной магистрали.
Топливо выполняет роль амортизатора давления между плунжером соединителя выпускного дросселя 8 и плунжером клапана 5 в модуле плунжера. Из пустого закрытого инжектора (присутствует воздух) воздух удаляется при стартерном пуске двигателя (с частотой вращения вала стартера). Помимо этого, инжектор наполняется топливом, подаваемым погруженным в топливном баке насосом, проходящим через управляемый обратный клапан против направления потока топлива.
Клапан переключения состоит из пластины клапана, плунжера клапана 5, пружины клапана и пластины дросселя 3. Топливо под давлением протекает через впускной дроссель 4 в пластине дросселя к игле форсунки и в камеру над иглой форсунки. Благодаря этому происходит выравнивание давления над и под иглой форсунки. Игла форсунки удерживается в закрытом положении силой пружины форсунки. При нажиме плунжера клапана 5 открывается канал выпускного дросселя и топливо под давлением вытекает через выпускной дроссель 8 большего размера, расположенный над иглой форсунки. Топливо под давлением поднимает иглу форсунки, в результате чего происходит впрыск. Благодаря быстрым командам на переключение пьезо-электрического элемента за один рабочий такт друг за другом производятся несколько впрысков.
Понравилась статья? Расскажите друзьям: Оцените статью, для нас это очень важно:Рис. Принцип работы пьезофорсунки: 1 – игла форсунки; 2 – пружина форсунки; 3 – пластина дросселя; 4 — впускной дроссель; 5 – плунжер клапана; 6 – линия высокого давления; 7 – соединительный элемент; 8 – выпускной дроссель; а – форсунка закрыта; б — форсунка открыта
Проголосовавших: 1 чел.
Средний рейтинг: 5 из 5.
ПЬЕЗОФОРСУНКИ BOSCH COMMON RAIL. ПРИНЦИП РАБОТЫ, КОНСТРУКЦИЯ, КОНЦЕПЦИЯ РЕМОНТА
С момента своего появления в серийном производстве в 1997 году и до настоящего момента аккумуляторные топливные системы Common Rail (СR) находятся в процессе постоянного конструктивного совершенствования. Причем, технический уровень топливной аппаратуры такого типа оценивается по техническому уровню применяемых в ней топливных форсунок.
В настоящее время фирмой Robert BOSCH ведется серийный выпуск уже третьего поколения топливной системы CR, отличительной особенностью которой является применение пьезоэлектрического преобразователя в цепи управления иглой форсунки. По данным фирмы BOSCH это позволило на 3% снизить расход топлива, выбросы вредных веществ с отработавшими газами снизились на 20 %, шум работы двигателя уменьшился на 3 дБ, на 7 % увеличилась мощность. Помимо этого, такая форсунка характеризуется наличием устойчивого многофазового впрыскивания топлива, минимальными порциями предварительного впрыскивания, возможностью короткого промежутка времени между предварительным и основным впрыскиванием и компактным конструктивным решением. Важно отметить также, что по сравнению с электромагнитной форсункой форсунка с пьезоприводом имеет меньший расход топлива на управление и, следовательно, обладает большим КПД.
Указанные преимущества пьезофорсунки достигнуты путем реализации в ней достаточно сложной гидравлической схемы, которая характеризуется наличием нескольких, связанных между собой и оказывающих взаимное влияние, гидродинамических каналов, полостей и динамических звеньев. Сложность конструкции определяет и сложную взаимосвязь процессов, происходящих в работающей форсунке. Это приводит к тому, что такая гидродинамическая система имеет узкий диапазон значений своих конструктивных параметров, которые определяют как оптимальную работу форсунки, так и её работоспособность в принципе. Именно сохранение набора значений этих параметров (длин, сечений каналов, объемов полостей, масс и жесткостей подвижных элементов и др.) является основной задачей при разработке технологии восстановительного ремонта электрогидравлических пьезофорсунок.
Основными составляющими частями пьезофорсунки CR BOSCH являются пьезоэлектрический преобразователь (пьезоэлемент), гидравлическая передача (гидрокомпенсатор), управляющий клапан с дроссельной пластинкой и распылитель которые собраны в едином корпусе и затянуты гайкой.РЕМОНТ ПЬЕЗОФОРСУНОК BOSCH COMMON RAIL
Внешний вид и конструкция пьезофорсунки Common Rail BOSCH показаны на рис.1.Рис.1
Анализ износа деталей пьезофорсунок Common Rail BOSCH дает основание полагать, что эти форсунки можно ремонтировать не методом замены их изношенных деталей, а путем восстановления геометрии изношенных поверхностей деталей форсунки.
Основной, самый нагруженный и подверженный максимальному износу узел форсунки это управляющий клапан. На рис.2 показан шток клапана (грибок) на конической запорной поверхности которого видны следы кавитационного износа (рис. 2, а) и характерные промоины (рис. 2, б).
| Рис. 2, а Рис. 2, б |
| Рис. 3,а |
Рис. 3,б Аналогично восстанавливается и геометрия запорной конической поверхности в клапанной пластинке, которая сопрягается с поверхностью грибка. На рисунках 4,а и 4,б соответственно показана названная коническая поверхность до и после обработки.
Рис. 4,а
| Рис.4,б |
| Рис. 5 |
| Рис. 6 |
| Рис. 7 |
Как правило, следы износа видны и на торце втулки распылителя (рис.8).
| Рис. 8 |
Все вышеперечисленные дефекты (рис.5, рис.6, рис.7 и рис.8), также можно удалить используя технологические методы финишной, отделочно-абразивной обработки. В случае заметных износов (рис. 9) на запорном конусе иглы распылителя, т.е. при появлении кавитационных дефектов и, как следстие, увеличении площади контакта поверхностей иголки и корпуса, что, как правило, вызывает образование капель на носике распылителя при статическом давлением и на работающей форсунке, восстанавливается герметичность контакта названных поверхностей и производится коррекция профиля конуса иголки (рис.10). Рис.9 Рис. 10 Последнее устраняет подтекание топлива, улучшает качество его распыла и соответственно уменьшает дымность выхлопа. Схожая ситуация и с ремонтом пьезофорсунок Common Rail DENSO.Восстановительный ремонт пьезофорсунок BOSCH Common Rail Если стоящие на вашем автомобиле оригинальные форсунки пришли в негодность по причине штатных износов, то это, в первую очередь, проявится в виде повышенного слива топлива в обратку и, как следствие, в трудном запуске, дымности выхлопа и неустойчивой работе двигателя на холостых оборотах. В описанной ситуации самым дешевым и эффективным методом ремонта пьезофорсунок CR BOSCH будет не замена их оригинальных управляющего клапана, дроссельной пластинки и распылителя на новые аналоги, а восстановление геометрии изношенных поверхностей названных деталей. При грамотном подходе к этой процедуре, рабочие параметры форсунки, в частности минимальное давление открытия, гидроплотность, подачи на всех режимах и пр. практически восстанавливаются до значений параметров новой форсунки.Тел. +375 29 6560658 E-mail: [email protected] |
PI Piezo Tutorial: Базовые конструкции пьезоэлектрических устройств позиционирования и элементов: приводы, преобразователи
Пьезоэлектрические приводыне имеют эффекта «прерывистого скольжения» и поэтому предлагают теоретически неограниченное разрешение. Эта особенность важна, так как PZT, используемые в атомных силовых микроскопах, часто требуются для перемещения на расстояния меньше одного атомного диаметра. На практике фактическое разрешение может быть ограничено рядом факторов, таких как пьезоусилитель (электрический шум приводит к нежелательному смещению), сенсорная и управляющая электроника (шум и чувствительность к электромагнитным помехам влияют на разрешение и стабильность положения) и механические параметры (конструкция и монтаж точность датчика, исполнительного механизма и предварительного натяга влияют на микротрение, которое ограничивает разрешение и точность).Пьезоактуаторы с замкнутым контуром PI обеспечивают разрешение и стабильность субнанометров.
Работа пьезоэлектрических устройств с замкнутым и разомкнутым контуром
Пьезоприводы могут работать в разомкнутом и замкнутом контуре. В разомкнутом контуре смещение примерно соответствует напряжению привода. Этот режим идеален, когда абсолютная точность положения не является критичной или когда положение контролируется данными, предоставленными внешним датчиком (интерферометром, микросхемой CCD и т. Д.). Пьезоприводы с разомкнутым контуром демонстрируют гистерезис и ползучесть (как и другие системы позиционирования с разомкнутым контуром).
Приводы с замкнутым контуромидеальны для приложений, требующих высокой линейности, долговременной стабильности положения, повторяемости и точности. Пьезоактюаторы и системы PI с замкнутым контуром оснащены системами измерения положения, обеспечивающими субнанометровое разрешение и полосу пропускания до 10 кГц. Сервоконтроллер (цифровой или аналоговый) определяет выходное напряжение для пьезо, сравнивая опорный сигнал (заданное положение) с фактическим сигналом положения, возвращаемым датчиком.
Компания PI разработала многоосные пьезопозиционеры с замкнутым контуром, которые позволяют многократно определять точку в кубе размером 1 x 1 x 1 нанометров.Важно помнить, что такая точность достижима только в том случае, если окружающая среда находится под контролем, поскольку изменения температуры и вибрации вызывают изменения положения на нанометровом уровне.
Динамическое поведение
Пьезопривод может достичь своего номинального смещения примерно за 1/3 периода резонансной частоты. Возможны времена нарастания порядка микросекунд и ускорения более 10 000 g. Эта функция позволяет быстро переключать приложения.Клапаны форсунок, гидравлические клапаны, электрические реле, адаптивная оптика и оптические переключатели — вот несколько примеров приложений с быстрым переключением.
Резонансные частоты пьезоприводов промышленной надежности находятся в диапазоне от нескольких десятков кГц для приводов с общим ходом от нескольких микрон до нескольких кГц для приводов с ходом более 100 микрон. Эти цифры действительны для самого пьезо; дополнительная нагрузка уменьшит резонансную частоту как функцию квадратного корня из массы (учетверение массы уменьшит резонансную частоту вдвое).
Пьезоприводы не предназначены для работы на резонансной частоте (с полным ходом и нагрузкой), поскольку возникающие высокие динамические силы могут поставить под угрозу структурную целостность керамического материала.
Механические аспекты работы пьезоуправления
Механическая жесткость
В первом приближении пьезопривод можно рассматривать как систему пружина / масса. Жесткость или постоянная упругости пьезопривода зависит от модуля Юнга керамики (примерно 25% от стали), поперечного сечения и длины активного материала (и ряда других параметров).
Допустимая нагрузка и создание силы для устройств с пьезодвижением
Пьезокерамика может выдерживать высокие толкающие силы и выдерживать нагрузки до нескольких тонн. Даже при полной загрузке Piezo не потеряет хода, пока не будет превышена максимальная грузоподъемность.
Следует различать грузоподъемность и создание силы. Максимальная сила (заблокированная сила), которую может создать пьезоэлектрический элемент, определяется произведением жесткости и общего хода. Пьезопривод (как и большинство других приводов), давящий на нагрузку пружины, не достигает своего номинального смещения.Уменьшение смещения зависит от отношения пьезо-жесткости к жесткости пружины. По мере увеличения жесткости пружины смещение уменьшается, а создаваемая сила увеличивается (для получения дополнительной информации щелкните здесь).
Защита от механических повреждений
Поскольку пьезокерамика является хрупкой и не может выдерживать высокие тянущие или сдвиговые усилия, конструкция механического привода должна изолировать эти нежелательные силы от керамики. Например, предварительная нагрузка пружины может быть интегрирована в узел механического привода для сжатия керамики внутри и увеличения тяговых свойств керамики для динамических применений толкания / вытягивания.
Требования к питанию
Пьезоприводы работают как емкостные нагрузки. Поскольку скорость утечки тока через керамический материал очень мала (сопротивление >> 10 МВт), пьезоприводы почти не потребляют энергию в статическом режиме и, следовательно, практически не выделяют тепла.
В динамических приложениях потребляемая мощность увеличивается линейно с частотой и емкостью привода. Приводы с высокой нагрузкой и большим керамическим поперечным сечением имеют более высокую емкость, чем приводы малых размеров.
Например, для типичного многослойного низковольтного привода LVPZT средней нагрузки с диапазоном движения 15 микрон и грузоподъемностью 10 кг требуется всего пять ватт для работы при частоте 1000 Гц, в то время как высоконагруженный привод, способный выдерживать несколько тонн, может потребовать сотни ватт на той же частоте (для получения дополнительной информации нажмите здесь)
Различные конструкции пьезоприводов для различных областей применения
Пьезоэлектрические приводы (переводчики)
Самая распространенная форма пьезоприводов представляет собой набор керамических слоев с двумя электрическими выводами.Чтобы защитить керамику от внешних воздействий, вокруг нее часто строят металлический корпус. Этот корпус также может содержать встроенные пружины для сжатия керамики для обеспечения работы толкателя и вытягивания.
Преобразователь LVPZT с замкнутым контуром P-845 является одним из примеров преобразователя низкого напряжения с предварительной нагрузкой внутренней пружины и встроенным датчиком положения тензодатчика высокого разрешения. Этот переводчик обеспечивает перемещение до 90 мкм и жесткость до 400 Н / мм. Он может выдерживать нагрузки до 300 кг и выдерживать тяговое усилие до 700 Н).Применения включают гашение вибрации, генерацию ударных волн и позиционирование станков для изготовления несферических поверхностей контактных линз.
PI предлагает пьезоэлектрические преобразователи с диапазоном перемещения от нескольких микрон для небольших конструкций до 200 микрон для устройств длиной 200 мм. В некоторых приложениях ограниченное пространство не позволяет использовать такие длинные стопки. В этих случаях можно использовать механические рычажные усилители для уменьшения длины керамической стопки.Увеличение хода, полученное с помощью механического усилителя, снижает жесткость привода и максимальную рабочую частоту.
Пьезоэлектрические материалы: применение стандартов
Ранее в блоге мы подробно описали стандарты, используемые для описания пьезоэлектрических материалов. COMSOL Multiphysics поддерживает два стандарта пьезоэлектрических материалов: стандарт IRE 1949 и стандарт IEEE 1978. Сегодня мы продемонстрируем, как настроить ориентацию кристалла, в частности кварцевой пластины AT-огранки, в рамках обоих стандартов.
Установка ориентации кристалла по двум стандартам
Чтобы задать ориентацию кристалла в COMSOL Multiphysics, необходимо указать ориентацию кристаллографических осей по отношению к глобальным координатным осям, используемым для определения геометрии. Это отличается от того, как стандарты определяют ориентацию кристаллов. Таким образом, при определении ориентации геометрии требуется некоторая осторожность. Например, ориентация осей кристалла изменится, если ориентация пластины изменится.Здесь мы покажем, как настроить кварцевую пластину АТ-огранки в различных положениях в физической геометрии.
В предыдущем сообщении блога мы подробно обсуждали систему, которая используется как в стандарте IEEE 1978, так и в стандарте IRE 1949. Из-за различий в ориентации кристаллографических осей, указанных в каждом стандарте, определение среза AT различается между ними. В таблице ниже показаны оба определения разреза AT:
| Стандарт | AT Cut Определение |
|---|---|
| IRE 1949 г. | (YXl) 35.25 ° |
| IEEE 1978 г. | (YXl) -35,25 ° |
Разницу между стандартами можно понять, вспомнив, что пластина, вырезанная из кристалла, имеет ориентацию, определяемую набором осей l — w — t ( l — w — t обозначает длину, ширину и толщину). Первые две буквы, указанные в скобках в определении огранки — Y и X — определяют оси кристалла, с которыми первоначально выровнены оси l и t .Затем выполняется поворот на 35,25 ° вокруг оси -1. Направление вращения в разных стандартах различается, поскольку в стандартах свойства материала определяются по отношению к различным наборам осей. Это показано на рисунке ниже, который показывает, что вращение вокруг оси -1 имеет положительное значение для стандарта 1978 года, но отрицательное значение для стандарта 1949 года.
Кварц АТ-огранки (розовато-лиловый кубоид) показан вместе с правым кристаллом кварца.Показаны наборы осей, принятые стандартом IRE 1949 и стандартом IEEE 1978, а также ориентация осей l — w — t , установленных на пластине.
Есть еще одно небольшое различие между двумя стандартами. Поскольку разрез AT определен в двух стандартах, направления толщины и длины меняются местами (показано на рисунке выше). Из рисунка видно, что для получения точно такой же ориентации пластины, как и в стандарте 1949 года, стандарт 1978 года потребовал бы дополнительного поворота на 180 ° вокруг направления w .В этом случае разрез AT в стандарте 1978 г. будет определен как: (YXlw) -35,25 ° 180 °. При создании модели в COMSOL Multiphysics необходимо тщательно учитывать эти различия между стандартами.
Глобальная система координат
Один из способов создания модели — выровнять глобальную систему координат с осями кристалла и просто повернуть пластину, чтобы она соответствовала первой фигуре. Как мы увидим, этот метод вполне применим, хотя и приводит к довольно неудобной спецификации геометрии.
Вместо этого мы рассмотрим, как определить ориентацию материала для кварцевого диска с вырезом AT. В этой модели COMSOL Multiphysics ориентация кристалла определяется выбором системы координат в окне настроек пьезоэлектрического материала. Ориентация кристалла задается через определяемую пользователем систему осей, которая выбирается в поле со списком системы координат, изображенном ниже. Этот пример основан на упрощенной версии учебника по кварцевому осциллятору в режиме сдвига толщины, доступного в нашей галерее приложений.
Изменение системы координат для пьезоэлектрического материала в COMSOL Multiphysics.
В приведенном выше примере в качестве материала используется левый кварц, определенный в стандарте 1978 года. Если мы хотим использовать глобальную систему координат для ориентации кристалла, то кварцевый диск должен быть ориентирован так, как показано на первом рисунке, с осями, настроенными для стандарта 1978 года. Это может быть достигнуто путем поворота цилиндра вокруг оси x .
К кварцевому цилиндру применяется операция вращения.
На изображениях ниже показан отклик устройства, когда оно установлено в выбранной ориентации. Кристалл колеблется в режиме сдвига по толщине. Чтобы получить этот ответ, используйте Исследование 1 в файле галереи приложений COMSOL Multiphysics и найдите единственную частоту 5,095 МГц.
| IRE 1949 Стандарт | Стандарт IEEE 1978 г. |
|---|---|
Режим сдвига толщины кристалла среза AT для той же пластины, установленной в соответствии со стандартами IRE 1949 (слева) и IEEE 1978 (справа).Частота возбуждения 5,095 МГц. В обоих случаях глобальные оси координат в COMSOL Multiphysics соответствуют осям кристалла.
Установить модель в соответствии со стандартом IRE 1949 несложно, поскольку COMSOL Multiphysics включает свойства материалов как для левого, так и для правого кварца в каждый стандарт. Чтобы использовать альтернативный стандарт, просто добавьте к модели материал Quartz LH (1949) и выберите кварцевый диск. Это заменит ранее добавленный материал.Затем измените угол поворота диска на -54,75º, чтобы сориентировать диск, эквивалентный пластине, показанной на первом рисунке. На рисунке выше показано, что при выполнении этих шагов стандарт 1949 г. дает тот же результат, что и стандарт 1978 г. Хотя две фигуры кажутся идентичными, глобальные оси были повернуты так, чтобы они соответствовали двум осям, установленным на первом рисунке.
Как показывает этот пример, можно использовать глобальную систему координат для осей кристалла.Однако для разреза, такого как разрез AT, это приводит к необычной ориентации пластины в пределах геометрии. В реальных приложениях можно использовать несколько пьезоэлементов в разных ориентациях, и тогда этот подход нельзя использовать для всех кристаллов. Поэтому часто бывает удобнее задавать ориентацию кристалла с помощью повернутой системы координат.
Вращающаяся система координат
В среде COMSOL Multiphysics наиболее удобный способ задать повернутую систему координат — использовать набор углов Эйлера.Углы Эйлера, необходимые для данного среза кристалла, будут различаться для разных ориентаций пластины относительно глобальных координат модели. Теперь мы рассмотрим, как указать углы Эйлера для двух разных ориентаций пластин в обоих доступных стандартах.
Лучший способ определить углы Эйлера, требуемые в рамках данного стандарта, — это тщательно нарисовать диаграмму, которая указывает ориентацию осей l — w — t относительно осей кристалла.Обратите внимание, что на некоторых рисунках для стандарта 1978 г. l , w и t обозначены как размеры пластины, а не как набор правосторонних осей. Лучше всего убедиться, что они нарисованы как набор правых осей, чтобы избежать возможной путаницы при определении углов Эйлера для пластины в модели COMSOL Multiphysics. Углы Эйлера определяют ориентацию кристаллографических осей ( X cr — Y cr — Z cr ) относительно глобальной системы координат ( X g — Y г — Z г ).Следовательно, и ориентация пластины относительно глобальной системы, и срез кристалла определяют углы Эйлера.
В качестве примера рассмотрим случай, когда глобальные оси X g — Y g — Z g выровнены с l — w — t оси ( соответствующей пластине с ее толщиной в направлении Zg ). Часто это наиболее удобный способ ориентировать пластину в рамках большей геометрии.На рисунке ниже показано, что происходит, когда мы берем первую фигуру и вращаем пластину так, чтобы оси l , w и t соответствовали глобальным осям X g — Y g — Z g в пределах двух стандартов. Для удобства сравнения с исходным рисунком глобальные оси не имеют одинаковой ориентации для двух стандартов.
Носимые полимерные пьезоэлектрические датчики для модной одежды
Инжир.1 Пьезоэлектрический датчик с оплеткой PLLA. Предоставлено: Университет Кансай.Йоширо Таджицу из Университета Кансай, Осака, Япония, и Teijin Limited, Япония, разработали инновационные носимые пьезоэлектрические датчики с плетеным шнуром PLLA. Эта технология может использоваться в качестве носимых датчиков в области моды, спортивной одежды, дизайна интерьера и здравоохранения, где обычные носимые сенсорные устройства не могут использоваться.
Сенсорные дисплеи широко распространены.Трудно представить себе использование смартфонов, персональных компьютеров, цифровых часов и других современных электронных устройств без этой формы интерфейса человек-устройство. Однако, несмотря на распространение устройств с сенсорными панелями, все чаще исследуются устройства следующего поколения «человек-машина», которые можно было бы носить как одежда, так называемые носимые датчики ».
Теперь, используя новаторский подход, Йоширо Таджицу из Университета Кансай, Осака, Япония, и Teijin Limited, Япония, разработали первые в мире носимые пьезоэлектрические ткани, состоящие из проводящей сердцевины из углеродного волокна; пряжа из пьезоэлектрического поликристаллического поли-L-молочной кислоты (PLLA) и средняя оболочка из полиэтилентерефталата (PET); и проводящий внешний экран из углеродного волокна (рис.1).
Пьезоэлектрические плетеные шнуры PLLA генерируют электрические сигналы в ответ практически на любой тип трехмерного движения, включая изгиб и скручивание. Важно отметить, что эти ткани типа коаксиального кабеля вплетены в пьезоэлектрические плетеные шнуры для электромагнитного экранирования и высокой чувствительности, поэтому они не будут реагировать на шум окружающей среды от сотовых телефонов и другие подобные электромагнитные помехи.
Рис 2. Делаем селфи с электронным текстилем: традиционное японское кимоно.Предоставлено: Университет Кансай.«Наше исследование направлено на разработку функциональной одежды, которую иногда называют« электронным текстилем », — говорит Таджицу. необходимость выполнять сложные движения, такие как фокусировка на панели дисплея, чтобы полагаться на инструкции. Кроме того, «электронный текстиль» должен быть удобным и модным для широкого распространения. Эти идеи привели к разработке наших носимых датчиков в форме традиционного японского плетеного шнура или кумихимо, используемых в кимоно.«
Применение пьезоэлектрических плетеных шнуров PLLA
Профессор Таджицу и его коллеги сплели три типа традиционных японских декоративных узлов (Каме, Кичё и Авадзи), которые использовались как часть традиционных кимоно, которые носили женщины (рис. 2), с плетеными шнурами PLLA. «Мы проанализировали величину электрических сигналов, которые мы могли бы ожидать для каждого из этих трех узлов», — объясняет Таджицу. «Наш расчет методом конечных элементов показал, что самый большой сигнал будет генерироваться узлами Каме и Киччё, и что ответ от Авадзи будет очень слабым.Поэтому мы используем узлы Каме и Кичё для потенциальных применений ».
Рис 3. Модные датчики, изготовленные с использованием пьезоэлектрического плетеного шнура PLLA. Предоставлено: Университет Кансай.Одно из уникальных носимых приложений — это японское кимоно (рис. 2), например, чтобы активировать смартфон, чтобы сделать селфи. «Мы работаем с модельерами из Франции и Италии над дизайном одежды, изготовленной из плетеных шнуров PLLA», — говорит Таджисту. «Мы изучаем возможности создания традиционной японской одежды, такой как женское кимоно, вместе с партнерами в Японии.«Пьезоэлектрический плетеный шнур PLLA может использоваться в качестве носимых датчиков, в основном в области моды, спортивной одежды, дизайна интерьера и здравоохранения, благодаря его модности и удобству ношения, чего нельзя достичь с помощью обычных носимых сенсорных устройств (рис. 3).
Рис. 4 Сигнал пульсовой волны, описанный в тексте. Предоставлено: Университет Кансай.Здравоохранение и наблюдение за движением людей — другие потенциальные области применения плетеных шнуров PLLA.Например, Таджисту и его коллеги изготовили декоративные ожерелья с узлами Каме и Киччио, которые успешно использовались для контроля частоты пульса благодаря измерению давления в сонных артериях на каждой стороне шеи. Примечательно, что на импульсный сигнал не влияли движения головы или других частей тела (рис.4). «Субъект не испытывает никакого дискомфорта от ожерелья, поэтому это очень полезное портативное устройство для наблюдения за состоянием здоровья», — говорит Тажицу. «В наших экспериментах мы передавали сигналы на смартфоны по Wi-Fi.Мы также сделали шнурки для обуви, чтобы отслеживать движение. Так что это модная и очень мощная технология для самых разных приложений ».
Биоразлагаемый датчик контролирует давление в организме, а затем исчезает
Доп. Информация: Ю.Tajitsu, «Катетеры для образцов тромбоза в кровеносных сосудах с использованием пьезоэлектрических полимерных волокон», Биомедицинские применения электроактивных полимерных приводов, гл. 21, Редакторы: Федерико Карпи (Университет Пизы, Италия) и Элизабет Смела (Университет Мэриленда, США), книга Wiley (2009)
Ю. Таджицу, «Промышленное применение поли (молочной кислоты)», «Достижения в науке о полимерах», Springer. (2017)
Ю. Таджицу, «Пьезоэлектрическая ткань на основе поли-L-молочной кислоты и ее применение для управления роботом-гуманоидом», Ю.Таджицу, Сегнетоэлектрик, 515, 1 (2017).
Я. Таджицу, IEEE Transactions по диэлектрикам и электрической изоляции, в печати
Предоставлено Кансайский университет
Ссылка : Носимые полимерные пьезоэлектрические датчики для модной одежды (2018, 19 марта) получено 16 декабря 2020 с https: // физ.