Вход | Регистрация
Главная > Новости > Многослойные пьезоэлектрические актюаторы компании «Элпа»: надёжность высочайшая, точность микронная

Многослойные пьезоэлектрические актюаторы компании «Элпа»: надёжность высочайшая, точность микронная

11:37 / 24 марта 2022
Многослойные пьезоэлектрические актюаторы от АО НИИ «Элпа» – новое слово в системах впрыска дизельных двигателей.
Автор: Андрей Дайнеко
Рабочий процесс в АО «НИИ «ЭЛПА»
Рабочий процесс в АО «НИИ «ЭЛПА»

В дизельном двигателе сгорание топлива в цилиндре тесно связано с процессом впрыскивания горючего. Путём управления периодичностью впрыскивания, его длительностью, качеством и скоростью протекания топлива как функции времени становится возможным эффективно управлять рабочими характеристиками двигателя.

К сожалению, параметры традиционной системы впрыска не обеспечивают одновременно минимума выбросов, наилучшей экономии топлива и высокой величины крутящего момента.

Автомобильная промышленность за рубежом усовершенствовала систему впрыска дизельного топлива с помощью пьезофорсунки. Общая топливная магистраль (Common Rail) – это система впрыска, которая подаёт топливо высокого давления в любой момент. Для повышения эффективности работы двигателя необходимо добавить несколько предварительных впрыскиваний в основную подачу топлива в течение рабочего цикла дизельного двигателя.

Система впрыска топлива высокого давления (Common Rail)

Система впрыска топлива высокого давления (Common Rail)

Основной компонент общей топливной магистрали – инжектор, в состав которого входит пьезоэлектрический актюатор, выполняющий роль быстродействующего пьезопривода.

Использование пьезоэлектрических актюаторов обеспечивает возможность соответствия стандартам Евро-5 и Евро-6 в будущем как для дизельных, так и для бензиновых двигателей. Такая система уменьшает задержку воспламенения топлива за счёт:

  • очень высокого давления впрыска, что приводит к сверхтонкому распылению топлива;
  • быстрого и независимого управления форсунками (длительность одного впрыска – 100-200 мкс), что позволяет осуществлять несколько впрысков в один и тот же цилиндр в течение одного цикла;
  • дозирования с высокой точностью количества топлива на различных фазах работы двигателя, что увеличивает его КПД, срок службы, снижает расход топлива и улучшает экономичность двигателя.

Применение пьезокерамического актюатора для впрыска топлива

Применение пьезокерамического актюатора для впрыска топлива

Пьезоэлектрический актюатор – привод быстродействующего клапана, позволяющий управлять формой и длительностью импульса впрыска, что приводит к улучшению рабочих характеристик и гибкости системы управления впрыском по заданному алгоритму для различных режимов управления:

  • экономичный режим, обеспечивающий максимальное КПД и минимальное потребление топлива. Для его реализации желательно производить сгорание топлива при достижении максимальной температуры в центре зоны (TDC), при этом форма импульса впрыска обеспечивает плавное нарастание и падение скорости протекания топлива;
  • экологически чистый режим, обеспечивающий минимальный уровень выброса вредных примесей в атмосферу. Для его реализации желательно создание в цилиндре профиля скорости инжекции с низкими начальными значениями в сочетании с резким снижением температуры и последующим резким фронтом спада;
  • режим форсажа, обеспечивающий максимальную тягу. Профиль скорости инжекции характеризуется плавно нарастающим фронтом, за которым следует относительно длительный цикл, и далее резким спадом фронта. При длительном цикле достигается максимально высокая температура в цилиндре.

При работе пьезоэлектрического актюатора в составе форсунки под действием электрического напряжения пьезопакеты, из которых состоит актюатор, расширяются в направлении электрического поля, при этом обеспечивая перемещение, пропорциональное управляющему напряжению и длине актюатора, и развиваемое усилие, пропорциональное площади поперечного сечения элемента.

Таким образом движение пьезопакета передаётся беспрепятственно прямо к игле форсунки без какого-либо механического элемента. Малая инерционность позволяет работать с частотой до 100 герц (длительность импульса – 100-200 мс), что позволяет точнее дозировать количество впрыскиваемого топлива и тем самым сократить количество вредных веществ, возникающих при сгорании.

В последнее время по созданию систем впрыска дизельного топлива с применением многослойного пьезоэлектрического актюатора активно работают такие зарубежные фирмы, как EPCOS, SIEMENS, BOSСH, KYOCERA, DELPHI и другие, с целью соответствия стандарту эмиссии Евро-6, осуществление которого просто невозможно без пьезокерамики.

Форсунка

Форсунка

Многослойные пьезоэлектрические актюаторы предназначены для преобразования электрической энергии в механическую. Их действие основано на использовании обратного пьезоэлектрического эффекта, то есть на деформации пьезоэлемента под действием электрического поля.

Если к пьезокерамическому материалу приложить электрическое напряжение, то материал расширяется в направлении электрического поля, при этом обеспечивая перемещение, пропорциональное управляющему напряжению и длине актюатора, а развиваемое усилие пропорционально площади поперечного сечения элемента.

Многослойные пьезоэлектрические актюаторы используются для получения перемещения от нанометров до сотен микрон с очень высокой точностью, очень коротким временем реакции и небольшим потреблением энергии. Многослойные компоненты имеют преимущества перед пакетными керамическими пластинами, обладая возможностью производить смещение при низковольтных напряжениях, а также компактный размер.

Пьезоэлектрические актюаторы изготавливают из многослойных керамических блоков толщиной слоя от 25 до 150 мкм, площадью сечения от 2 х 2 до 10 х 10 и высотой от 20 до 60 и более миллиметров.

Многослойные актюаторы позволяют обеспечить малые перемещения, точность которых определяется только аппаратурой контроля и управления, то есть для обеспечения высокой точности и стабильности актюатор должен использоваться с датчиками точного позиционирования.

Пьезопривод в корпусе. Форсунка и игла

Пьезопривод в корпусе. Форсунка и игла

Тензодатчик, соединённый с поверхностью актюатора, является эффективным и недорогим средством определения действительной позиции (перемещения рабочей плоскости) актюатора. Он позволяет определять влияние различных факторов, воздействующих на перемещение актюатора, включая входное напряжение, переменную нагрузку, эффекты крипа (времени задержки перемещения для данного приложенного напряжения, вызванного инерцией материала) и гистерезиса в пьезокерамических элементах. Определение позиции может осуществляться с точностью приблизительно 0,1 процента от максимального перемещения актюатора на микросекундном уровне времени реакции.

В настоящее время срок службы и надёжность актюатора определяются двумя режимами:

  • статическим режимом при высоком значении возбуждающего напряжения;
  • интенсивным динамическим режимом, характеризуемым потенциально большим внутренним напряжением благодаря внешним условиям (усилие, частота, температура среды), действующим на актюатор.

Данная ситуация может часто возникать в стабилизированных обратной связью механических системах (например, в системах активного гашения вибраций).

Срок службы в статическом режиме обычно определяется как время работы актюатора при потенциальном возбуждении при оговорённом напряжении и окружающих условиях, таких как влажность, температура, давление.

Надёжность актюатора, работающего в динамическом режиме, обычно определяется количеством циклов, которое он способен выдержать при установленном предварительном механическом напряжении, рабочей температуре и точно определённых условиях возбуждения, таких как сигнал возбуждения, частота повторения и так далее.

Ещё на ранних этапах применения типичной картиной отказов считалось образование трещин внутри керамики, что являлось причиной возникновения электрического пробоя и образования короткого замыкания. Воздействие внешних факторов на поверхность актюатора может привести к возникновению трещин в конструкции актюатора.

Разрыв электродов приводит к потере активности актюатора. Существенным вкладом в повышение надёжности актюатора при динамическом циклировании является создание значительного механического напряжения, составляющего до 50 процентов указанной максимальной нагрузки. Для повышения надёжности могут быть приняты меры по уменьшению величины деформации.

Пьезопривод в разборе

Пьезопривод в разборе

Если требуется перемещение 10 мкм, то использование актюатора с перемещением 20 мкм при работе с вдвое меньшим напряжением имеет двойное преимущество: надёжность в статическом режиме повышается благодаря снижению напряжения, при динамическом режиме уменьшается потребление мощности.

В настоящее время в нормальных условиях достигнутый срок службы многослойных актюаторов в статическом режиме составляет 5000 и более часов, срок хранения в нерабочем состоянии – свыше 10 лет, частота отказов многослойных актюаторов в промышленной аппаратуре составляет менее одного процента за пять лет. В динамических режимах время наработки – более 109 циклов переключения.

Эксплуатационные параметры многослойных актюаторов:

  • диапазон рабочих температур – от минус 35 до плюс 85 градусов;
  • механическое воздействие: синусоидальные вибрации – 1-200 герц, амплитуда ускорения – 50 м/с2;
  • механический удар многократного действия: пиковое ускорение – 150 м/с2, длительность – 2-15 мс, количество ударов – 100, относительная влажность при температуре 25 градусов – до 98 процентов.

При изменении температуры от минус 20 градусов ёмкость и перемещение практически линейно растут с увеличением температуры до 120 градусов.

Созданные многослойные актюаторы позволяют их использовать в бытовой аппаратуре и изделиях спецтехники.

АО «НИИ «Элпа» обладает технологией изготовления многослойных пьезоактюаторов.

В 2020 году на основе пьезоактюаторов разработан пьезопривод корабельной форсунки, способной работать с любым видом топлива, включая мазут, при этом разработанный пьезопривод не требует изменения внешних габаритов форсунки.

Разработанный пьезопривод прошёл испытания на базе МАДИ и подтвердил свою работоспособность с давлением до 800 атмосфер и частотой до 400 герц, что гарантирует эффективное сжигание топлива и реализацию различных режимов работы двигателя.

Модернизация двигателя проводится простой заменой форсунок и подключением блока управления для задания режимов работы.

В АО «НИИ «Элпа» ведутся дальнейшие разработки номенклатуры пьезоприводов различной мощности для давления до 1200 атмосфер.

Опубликовано в газете «Военно-Промышленный курьер»
№ 10 (923) за 22 марта 2022 года


Также вам может быть интересно
14:27 / 24 июня 2022
Социум-соседи: знакомьтесь с партнёром компании «МОСКВА-СОКОЛ» и его космическими тренажёрами
В центре культуры и бизнеса «МОСКВА-СОКОЛ» открыта студия растяжки Stretching.ru. Для достижения максимального результата здесь используют швейцарские БМС-тренажёры – спортивные аналоги тренировочных комплексов, которые используют астронавты NASA для подготовки к полётам.
Игорь Ильин, генеральный директор АО «СОЦИУМ-А», на VIII Конференции руководящего состава Группы компаний «Социум» вручил Светлане Спиридоновой диплом и ветеранский знак III степени – за 15-летний стаж в холдинге
13:06 / 24 июня 2022
Поздравляем Светлану Спиридонову с первой наградой за волонтёрство и с очередной наградой «Социума»!
Светлана Спиридонова, начальник отдела по работе с клиентами компании «СОЦИУМ-ЭНЕРГО», в свободное время активно занимается волонтёрством. Она успевает всё – и на работе, и вне её.
В селе Хирино отметили День памяти и скорби
13:02 / 23 июня 2022
В Общественном центре «СОЦИУМ-ХИРИНО» почтили память павших в Великой Отечественной
22 июня, в День памяти и скорби, ученики Общественного центра вместе со взрослыми организовали митинг и концерт.
Екатерина Латынцева, генеральный директор ООО «СОТЕЛ»
12:07 / 22 июня 2022
Услуги: многоканальный номер от «СОТЕЛ» – стабильность связи с клиентом
Чтобы не покупать дорогостоящее оборудование и не обеспечивать каждого сотрудника персональным номером, компании используют многоканальные номера. При наборе клиент перенаправляется на свободного оператора. А если все операторы заняты, то ожидает в очереди первого освободившегося. Таков принцип работы многоканального номера.
Детский праздник Jeans Day в холдинге «Социум», 17 июня 2022 года
21:00 / 21 июня 2022
Наш первый Jeans Day. Мы тут пошумели немного...
В прошлую пятницу в нашем московском офисе было шумно. Всё слегка перевернулось с ног на голову. В том смысле, что обычно родители приходят к детям в школу или приезжают к ним в лагерь. А у нас наоборот: дети приехали к родителям на работу, посмотреть, что же такое мамы, папы, бабушки делают в свободное от детей и внуков время.