Материал: 2409
10.3. Расчетное определение основных параметров пьезопривода управления клапанным узлом форсунки
Исходные данные:
Материал пьезоэлемента – ЦТБС – 8;
СU – электр ческое входное напряжение, U =100 B; |
|
||
ρ – плотность матер ала пьезоэлемента, ρ = 7,6 ∙103 кг/м3; |
|
||
Y – модуль Юнга, определяющий упругие и резонансные свойства |
|||
|
, Y = 7,7 ∙10 10 Н/м2; |
|
|
g33 – электр ческая константа по напряжению в режиме приема, |
|||
материала-3 |
|
|
|
g33 = 25,4∙10 В∙ м/Н. |
|
|
|
Расчет выполним по методике, предложенной в работе [18]. |
|
||
1. |
Определим площадь пластины пьезоэлемента |
|
|
2. |
Sп = π∙ D2 / 4 = 3,14∙ 32 /4 = 7 см2 (7∙ 10 -4 м2). |
(10.1) |
|
Определим коэффициент упругости (жесткости) из выражения |
|||
3. |
K = Sп ∙ Y / h = 7∙ 10 -4 ∙ 7,7 ∙10 10 / 5 ∙ 10 -4 = 10,78 ∙10 10 Н/м. |
(10.2) |
|
Напряженность электрического поля пьезоэлемента в осевом на- |
|||
|
бА |
|
|
правлении находим по формуле |
|
|
|
4. |
Е3 = U /h3 = 100 / 5∙10 -4 = 2 ∙10 5 B/м. |
(10.3) |
|
Сила, развиваемая пьезоэлементом при подаче электрического на- |
|||
пряжения амплитудой 100 В, равна |
|
|
|
F = Sп ∙U / (g33 ∙h3) = 7∙ 10-4 ∙100 / (25,4 ∙10-3 5 ∙10-4) = 5559 Н. |
(10.4) |
||
5. |
|
Д |
|
Перемещение (увеличение высоты вдоль оси у) одного пьезоэле- |
|||
мента в магнитном поле, создаваемое напряжением 100 В, будет равно |
|||
∆У = F / К = 5559 / 10,78 ∙10 10 = 515 ∙10-10 м (515 ∙10 -4 мкм). |
(10.5) |
||
D – диаметр пластины пьезоэлемента, D = 30 мм;
h3 – высота (толщина) пластины пьезоэлемента, h3 = 0,5 мм;
d33 – осевой пьезомодуль (рабочий диапазон перемещений исполни-
тельного устройства, d33 = 315∙10-12 Кл/Н). Кулон – единица количества электричества, проходящего через поперечное сечение проводника при токе силой 1А в течен е времени 1 с (Кл = А∙с);
Увеличение высоты одного пьезоэлементаИсоставит 0,05 мкм. Если взять общую длину пакета, равную 100 мм, то при толщине одной пластины 0,5 мм их необходимо взять 200 штук. Общее удлинение пакета пластин составит 10 мкм. При использовании рычажного механизма с передаточным числом пять общий ход исполнительного механизма составит 50 мкм. Для эффективной работы клапана управления форсункой необходимо, чтобы ход клапана был не менее 100 мкм (0,1 мм). Для увеличения
101
хода клапана в 2 раза можно увеличить управляющее напряжение питания пакета пьезоэлементов со 100 до 200 В.
Удлинение пьезоэлемента толщиной 0,5 мм при подаче напряжения
величиной 100 В можно также определить по формуле [17] |
||
= 315∙10-12 ∙ 2∙10 5 |
∆У = d33 ∙Е3 ∙h3 = |
(10.6) |
∙5∙10 -4 = 315 ∙10-10 |
м (0,0315 мкм). |
|
С |
показывают, что |
пьезопластинка толщиной |
Результаты расчетов |
||
0,5 мм при подаче управляющего напряжения 100 В изменяет свою толщину (высоту) на 0,03 – 0,05 мкм. Даже при наборе пьезопривода из 200 пластин общее удл нен е составит 6 – 10 мкм. Этого перемещения недостаточно для эффект вной работы (открытия или закрытия) клапана управлен я. Необход мо перемещение клапана не менее 100 мкм. Для этого нужно повышать управляющее напряжение до 200 – 300 В или использ вать рычажный механизм с передаточным числом 3 – 5.
На р с. 10.4 пр ведены результаты расчетного исследования изменения толщ ны (пр ращения) одного пьезоэлемента толщиной 0,5 мм в
от вел ч ны подводимого напряжения. Материал пьезокера- |
|
зависимости |
|
мики ЦТБС- 8. Из анал за рис. 10.4 следует, что приращение пьезоэле- |
|
мента пропорц онально величине подводимого напряжения. |
|
бА |
|
Д |
|
Рис. 10.4. Изменение толщины пьезоэлемента |
|
в зависимости от величины |
|
подводимого напряжения |
|
Электрическая ёмкость одного элементаИСо (Ф) вдоль оси опреде- |
|
ляется из выражения [17] |
|
Со = ε33∙ εо (1- Кэм 33) ∙Sэ /h, |
(10.7) |
где ε33 – диэлектрическая проницаемость, ε33 = 1500 – 3000; |
|
εо – электрическая постоянная, εо = 8,85∙ 10-12 Ф/м;
Sэ – площадь двух электродов, разделяющих пьезоэлемент, м2.
102
Коэффициент электромеханической связи Кэм.33, характеризующий эффективность преобразования электрической энергии, подводимой к материалу, в механическую, определяется расчетным путем или принимает-
ся равным 0,6 – 0,7 [17]. |
|
|
|
|
о = 3000∙ 8,75 ∙10 -12 (1 - 0,6) ∙14 ∙10 -4 / 5∙10-4 =29736 ∙10-12 Ф. |
(10.8) |
|||
Отметим, |
что 1нФ = 10 -9 Ф. Пусть |
один пьезопакет (пьезопривод) |
||
С |
общая |
емкость |
составит |
|
содержит 200 |
пьезоэлементов, тогда |
|||
29,7∙ 200 = 5940 нФ.
На р с. 10.5 показан разрез форсунки с пьезоэлектрическим
управлен ем хода глы.
и бА
Рис. 10.5. Общий вид форсункиДс пьезоэлектрическимИ 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
103
В форсунке пьезоэлектрический элемент воздействует непосредственно через толкатель 6 на переключающий клапан 8, открывая его. Данная форсунка имеет сложную конструкцию и высокую себестоимость (до 30 тыс. руб.), но отличается большим быстродействием и лучшей управляемостью. За впрыск она способна до четырех раз открыть и закрыть уплотнение между запорным конусом иглы и седлом, что не позволяет выполнить форсунка с электрогидравлическим управлением. Быстрое и полное открытие и закрытие клапана с пьезоэлектрическим элементом позволяет четко разделять фазы впрыска (запальную, основную и дополнитель-
ную), точнее зменять продолжительность отдельных фаз и отмерять со- |
|
ответствующ е м дозы топлива. |
|
На р |
с. 10.6 показана характеристика подачи топлива с запальной, |
С |
|
основной |
двумя дополнительными фазами, полученная при помощи |
|
с пьезоэлектр ческим управлением. |
форсунки |
|
|
Рис. 10.6. Характеристика подачи топлива |
|
бА |
|
форсункой с пьезоэлектрическим управлением |
Предположим, что давление аккумуляторе и на входе в форсунку 100 МПа. Пьезопривод 3 (см. рис. 10.5) находится в исходном положении,
подводимое напряжение равно нулю. |
топлива, равное 100 МПа, |
Давление |
|
передается через калиброванное отверстие (например, 0,3 мм) в камеру |
|
управления 10 и в полость корпуса распылителя 15. Учитывая, что |
|
диаметр и площадь поршня 11 больше, чем диаметр и площадь |
|
|
И |
направляющей иглы 14, то со стороны поршня сила будет значительно больше, чем со стороны иглы. Игла 14 будет находиться в закрытом состоянии.
При подаче переменного напряжения на пьезопривод 3, который состоит, например, из 200 пьезопластин, он (деформируется) удлиняется на 20 мкм. При помощи рычажного мультипликатора 5 с передаточным
отношением, например 6, перемещение |
толкателя клапана |
составит |
120 мкм. Клапан 8 откроется, часть |
топлива вытечет из |
камеры |
104
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.
Спроисход т старен е, ухудшение характеристик пьезопривода, отрыв электродов от пьзоэлементов, что приводит к уменьшению хода клапана управлен я нарушен ю процесса подачи топлива.
10.4. Диагностирование форсунок с пьезоэлектрическим управлением хода иглы распылителя
В процессе дл тельной эксплуатации форсунок с пьезоприводом
проверитьпьезопривода. Пьезопр вод форсунки осуществляет ход толкателя на величину пр мерно 100 мкм. Величину микроперемещения возможно опре-
В процессе д агностирования пьезопривода форсунки необходимо
вел ч ну управляемого напряжения, емкость и перемещение
делить при помощи лазерного интерферометра [18], который позволяет оценить вел ч ну перемещения пьезопривода с точностью до 0,05 мкм.
Важным является не только равенство хода клапана (штока) во всех
форсунках, но и их герметичность. При требуемой герметичности клапа- |
|
того вала). |
бА |
нов, например четырех форсунок двигателя, величина сливаемого топлива
из камеры управления каждой из форсунок должна быть одинаковой (на-
± 5 3 Д
пример, 100 см в минуту при номинальной частоте вращения коленча-
Критерием герметичности клапана управления (его исправности) и изменением его хода может служить величина объема сливаемого топлива из форсунки. Слив топлива из камеры управления форсунки необходим для подъема иглы распылителя и впрыска топливаИв камеру сгорания. При закрытии клапана управления форсункой слив топлива прекращается, давление в камере управления увеличивается, игла распылителя под действием перепада давления перемещается в сторону посадочного конуса и закрывает доступ топлива к сопловым отверстиям форсунки.
Объем сливаемого топлива из камеры управления определяют, используя установку (см. рис. 9.10) так же, как и для форсунок с электрогидравлическим управлением.
105