共軌噴油器第三代壓電晶體執行器

燃油系統

共軌噴油器第三代壓電晶體執行器

徐家龍 褚云舟 荒井一嘉 編譯

2014年8月26日，TDK公司對外公布，已經成功地開發出了用于清潔柴油機主要零部件，即電控共軌系統的燃油噴射裝置(噴油器)等壓電晶體執行器的第三代產品，已經完成了產品定價和小批量試銷。該業務的發展目標是于2017年應用于量產汽車上。

壓電晶體 共軌 量產 位移

1 壓電晶體

清潔柴油機電控共軌系統從噴油器中將高壓燃油噴射到氣缸中。為了抑制燃料燃燒過程中生成的碳煙和氮氧化物(NOx)，必須將噴油過程分成若干次，每次噴射最佳劑量的燃料。而用于控制噴射過程的噴油器中就需要裝入壓電晶體執行器。

目前，噴油器中采用的執行器有電磁閥式和壓電晶體式。其中，壓電晶體式可以用在更加精密控制的燃油噴射系統中。TDK公司的壓電晶體執行器就是應用于這種噴油器中。

壓電晶體執行器內部的電極和陶瓷是相互分層的，如果電壓利用陶瓷的伸縮特性，可以使噴油器產生噴油。

2 壓電晶體執行器

一般的壓電晶體執行器內部電極采用鈀/銀(Pd/Ag)組合材料，但是TDK公司的EPCOS分公司將Pd/Ag組合置換成價格更低的銅(Cu)，并在2003年開發成功。2009年，TDK公司采用Cu研發生產出第二代壓電晶體執行器。2014年發布的第三代產品(圖1)，特征如下：

圖1 第三代壓電晶體執行器

(1) 陶瓷伸縮所產生的位移量增加了20%，由于材料和元件結構的改進，位移量有所增加；

(2) 輸入壓電晶體執行器的電能轉變成機械能的效率(機電結合系數)超過75%；

(3) 在170℃的高溫環境下，耐久性可以達到連續工作10億次。

以前，使用Cu制成的壓電晶體執行器與Pd/Ag組合的壓電晶體執行器相比，雖然價格較低，但在變形位移量和機電結合系數都比較低。第三代產品的位移變形量和機電結合系數都比Pd/Ag組合壓電晶體執行器高。而且，在170℃高溫下的耐久性比原來的Pd/Ag組合壓電晶體執行器提高了10倍，即由原來的可以連續驅動1億次，提高到可以連續驅動10億次。在高溫高濕環境下(溫度85℃,濕度85%)依然可以連續驅動10億次。TDK公司表示，這樣的耐久性相當于行駛距離提高了2倍。

現在，第三代壓電晶體執行器可以承受的電壓范圍為50～400V，線路板尺寸是3×3～12×12mm，長度是5～600mm，位移變形量是 5～100μm，作用力是100～10kN(圖2)。

圖2 壓電晶體的遲滯曲線

現在，采用納米技術進行研究可以將壓電元件組裝在各種顯微鏡、磁盤檢測裝置、自動聚焦系統、生物相關的設備和半導體檢查設備內，壓電元件的應用正在不斷擴展。

3 壓電遲滯

研究已經證實： 壓電元件的位移量，即使是在加上相同電壓的狀態下也會產生幾微米的幅度變化。這是壓電元件特有的“遲滯”特性。如圖3所示，壓電元件的電壓和位移的關系不是線性比例關系，而是可以用“遲滯曲線”來描述。因此，將壓電元件作為執行器使用時，即使是加上相同的電壓也不會得到相同的位置。也就是說，如果只控制電壓，無法得到相同位移。

為了克服這個缺點，必須采用能夠反饋位移精度的“位移傳感器”。傳感器一直監視著實際的位移量，同時控制附加到壓電元件上的電壓，將遲滯曲線修正到理想的直線，使得在同1個軌道上的位移成為可能(圖3)。但是，這必須通過壓電晶體的高精度以及高分辨率位移傳感器的技術進行支撐。

圖3 壓電晶體遲滯曲線的修正

何丹妮 編輯

2016-01-06)