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共轨喷油器第三代压电晶体执行器

1 压电晶体

清洁柴油机电控共轨系统从喷油器中将高压燃油喷射到气缸中。为了抑制燃料燃烧过程中生成的碳烟和氮氧化物(NOx),必须将喷油过程分成若干次,每次喷射最佳剂量的燃料。而用于控制喷射过程的喷油器中就需要装入压电晶体执行器。

目前,喷油器中采用的执行器有电磁阀式和压电晶体式。其中,压电晶体式可以用在更加精密控制的燃油喷射系统中。TDK公司的压电晶体执行器就是应用于这种喷油器中。

压电晶体执行器内部的电极和陶瓷是相互分层的,如果电压利用陶瓷的伸缩特性,可以使喷油器产生喷油。

2 压电晶体执行器

一般的压电晶体执行器内部电极采用钯/银(Pd/Ag)组合材料,但是TDK公司的EPCOS分公司将Pd/Ag组合置换成价格更低的铜(Cu),并在2003年开发成功。2009年,TDK公司采用Cu研发生产出第二代压电晶体执行器。2014年发布的第三代产品(图1),特征如下:

(1)陶瓷伸缩所产生的位移量增加了20%,由于材料和元件结构的改进,位移量有所增加;

(2)输入压电晶体执行器的电能转变成机械能的效率(机电结合系数)超过75%;

(3)在170℃的高温环境下,耐久性可以达到连续工作10亿次。

以前,使用Cu制成的压电晶体执行器与Pd/Ag组合的压电晶体执行器相比,虽然价格较低,但在变形位移量和机电结合系数都比较低。第三代产品的位移变形量和机电结合系数都比Pd/Ag组合压电晶体执行器高。而且,在170℃高温下的耐久性比原来的Pd/Ag组合压电晶体执行器提高了10倍,即由原来的可以连续驱动1亿次,提高到可以连续驱动10亿次。在高温高湿环境下(温度85℃,湿度85%)依然可以连续驱动10亿次。TDK公司表示,这样的耐久性相当于行驶距离提高了2倍。

图1 第三代压电晶体执行器

现在,第三代压电晶体执行器可以承受的电压范围为50~400V,线路板尺寸是3×3~12×12mm,长度是5~600mm,位移变形量是5~100μm,作用力是100~10kN(图2)。

图2 压电晶体的迟滞曲线

现在,采用纳米技术进行研究可以将压电元件组装在各种显微镜、磁盘检测装置、自动聚焦系统、生物相关的设备和半导体检查设备内,压电元件的应用正在不断扩展。

3 压电迟滞

研究已经证实:压电元件的位移量,即使是在加上相同电压的状态下也会产生几微米的幅度变化。这是压电元件特有的“迟滞”特性。如图3所示,压电元件的电压和位移的关系不是线性比例关系,而是可以用“迟滞曲线”来描述。因此,将压电元件作为执行器使用时,即使是加上相同的电压也不会得到相同的位置。也就是说,如果只控制电压,无法得到相同位移。

为了克服这个缺点,必须采用能够反馈位移精度的“位移传感器”。传感器一直监视着实际的位移量,同时控制附加到压电元件上的电压,将迟滞曲线修正到理想的直线,使得在同1个轨道上的位移成为可能(图3)。但是,这必须通过压电晶体的高精度以及高分辨率位移传感器的技术进行支撑。

图3 压电晶体迟滞曲线的修正

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