Насос-форсунка "пьезо"

30.03.2006

О "победном шествии" систем непосредственного впрыска топлива говорить не будем - наговорились.
Поговорим о небольшой конкретике: о насосе-форсунке, которые уже успешно применяет не только фирма Mitsubishi, но и BOSCH.
Для наглядности посмотрим на фото:

Здесь показаны насос-форсунки разных поколений, если так можно сказать.
Слева - "вчерашний день", это насос-форсунка с электромагнитным клапаном.
Справа "день сегодняшний", насос-форсунка с пьезоэлектрическим клапаном модели PPD 1/1.

Именно о ней и поговорим.
Но для начала приведем сравнительные характеристики этих двух типов форсунок, откуда станет понятным причина перехода на насос-форсунки нового поколения.

За счет применения композитных материалов и уменьшения размеров плунжера повышено быстродействие и точность работы: диаметр плунжера в НФ ( насос-форсунке) с электромагнитным клапаном=8мм, а в НФ с пьезоэлектрическим клапаном диаметр плунжера намного меньше и равняется 6.35мм.
Но не это главное, другое: быстродействие пьезоэлектрического клапана в 3 - 5 раз превосходит быстродействие клапана с электромагнитным управлением.

Как мы знаем, система управления таких насос-форсунок может предусматривать несколько так называемых "дополнительных впрысков". Так вот, НФ электромагнитного типа может осуществлять их до 2 едениц.
НФ пьезоэлектрического типа - тоже, но с таким приятным "нюансиком" - время и количество дополнительных впрысков топлива может варироваться как по числу, так и по времени:

,- то есть, система управления теперь может управлять и количествами дополнительного впрыска топлива и временем между ними, в зависимости от условий работы двигателя.
Если по условиям работы требуется после основного впрыска сделать только один дополнительный впрыск - так и делается. Если больше - это тоже в силах системы управления.
Кроме того, если по тем же условиям работы требуется сократить или удлиннить временной разрыв между дополнительными впрысками - система управления способна это осуществить.

"Пилотный впрыск".
Насос-форсунка электромагнитного типа в силу своих конструктивных особенностей практически не способна изменить объем топлива для "пилотного" впрыска , он равняется приблизительно от 1 до 3 мм3.
Насос-форсунка пьезоэлектрического типа стала "умнее", и в зависимости от требуемых условий может менять объем "пилотного"впрыска, правда, с одним только ограничением - минимальный объем может составлять не менее 0.5 мм3.
Кроме того, если НФ электромагнитного типа может осуществлять только один "пилотный" впрыск, то НФ пьезоэлектрического типа в зависимости от условий работы может делать их до 2 едениц, и притом - изменяемых по времени и объему.

Точность и, значит, качество работы определяется еще и условиями управления подачей топлива.
НФ электромагнитного типа для этого использует гидромеханику, при помощи компенсанционного поршня, а НФ пьезоэлектрического типа использует электронное управление посредством пьезоэлектрического клапана.

Ну вот, теперь мы подошли к самой конкретике - к самому пьезоэлектрическому клапану.

Греческий язык нам подсказывает, что слово "пьезо" означает "давить, давлю".
Обычно пьезоэлементы применяются в датчиках давления.
При воздействии давления на обкладках пьезоэлемента появляется разность потенциалов, которую можно измерить и использовать при дальнейших расчетах.
В нашем же случае применяется так называемый "обратный пьезоэффект", когда при приложении напряжения к пьезоэлементу изменяются его геометрические размеры:

(металические обкладки на рисунке не показаны)

При отсутствии напряжения пьезоэлемент имеет один геометрический размер, при подаче на него напряжения - другой.

Приращение (изменение) длины пьезоэлемента прямо пропорционально прилагаемому напряжению:

Разбирающийся в электронике человек сразу же задаст такой вопрос:
- Уважаемый, а насколько произойдет приращение длины пьезоэлемента при подаче на него напряжения? Хватит ли этого приращения для управления чем-либо?
И хитро так улыбнется.
Все правильно, не хватит.
Толщина одного элемента пьезопривода приблизительно равняется 0.08мм, а приращение составит всего около 0.11 - 0.16%.
Этого мало.
И поэтому, например, что бы получить перемещение около 0.05мм требуется делать "наборный блок" из пьезоэлементов.
Такие блоки получили название PIEZO-STACK, где отдельные пьезоэлементы разделены между собой металическими прокладками, служащими для подвода к ним напряжения.

Но и этого - мало!
"Рабочий" ход пьезопривода приблизительно равняется 0.05мм.
Нам же по техническим условиям нужно иметь ход перемещения около 0.09 - 1.1мм.
Для "выравнивания" этого несоответствия и был придуман так называемый рычажной мультипликатор со специально подобранным передаточным отношением.
Все, теперь "механическая" задача решена, дело осталось за малым: создать требуемое электронное управление для всего этого придуманного.