26 Мар

МЕТОД РАСЧЕТА ПЕЗОПРИВОДА В СОСТАВЕ ТОПЛИВНОЙ АППАРАТУРЫ ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ




Номер части:
Оглавление
Содержание
Журнал
Выходные данные


Науки и перечень статей вошедших в журнал:

Введение.

К современным дизелям предъявляются все большие экологические требования. Для их обеспечения широко используется многоразовое впрыскивание, а это требует повышения быстродействия электроприводов управляющих клапанов.

Для дальнейшего развития топливной аппаратуры и максимально эффективного использования высокого давления в системе впрыскивания наиболее перспективными являются форсунки с пьезоэлектрическим приводом, при применении которых появляется возможность более точного дозирования топлива и обеспечение малых устойчивых цикловых подач.

Существенными проблемами создания форсунок с пьезоприводом являются: малые перемещения от пьезоэлементов; высокая стоимость; ограничения ресурса, связанные с быстрым износом прецезионных элементов привода; малый опыт проектирования и необходимость детального анализа.

Математическая модель.

Электрическая задача (зарядка/разрядка пьезоактюатора).

Исходное уравнение – Второй закон Кирхгофа:

где R – активное сопротивление цепи, Ом; Cпит – емкость бустерного конденсатора, Ф; Cп – емкость пьезоактюатора, Ф; Δt – шаг счета по времени, с; t – время счета, с.

Механическая задача.

Исходное уравнениеВторой закон Ньютона:

где mΣ – масса подвижных элементов пьезопривода, кг; l – длина пьезоактюатора, м; d – толщина одного слоя пьезокерамики, м; Sпьезо – сечение пьезоактюатора, м2; d33 – пьезомодуль в продольном направлении, Кл/Н; E33 – модуль упругости пьезоактюатора в продольном направлении, Па; Fпр0 – предварительная сила пружины, Н; С – жесткость пружины, Н/м; k – коэффициент сопротивления, кг/с; pку – давление в камере управления, Па.

Численное исследование пьезопривода.

Наряду с быстродействием качество работы пьезопривода может характеризоваться такими показателями, как максимальное удлинение и максимальная блокирующая сила пьезоактюатора. При поэтапной оптимизации за основные параметры были приняты: максимальное удлинение xmax, мкм; полупериод колебаний t1/2, мкс; максимальная блокирующая сила Fb max, Н; длительность переходного процесса при зарядке tпер, мкс. Длительностью переходного процесса здесь будем называть время стабилизации блокирующей силы до максимального целого значения [Н]. Полупериод колебаний определяет время достижения максимального хода управляющего органа.

С точки зрения динамики работы пьезопривод – колебательная система, содержащая некоторую возмущающую силу, зависящую от прикладываемого напряжения – т.н. блокирующую силу.

Пьезопривод работает в два этапа: зарядка — расширение и разрядка — сжатие. Оба процесса аналогичны между собой, имеют одинаковые временные и амплитудные характеристики. Поэтому быстродействие было решено оценивать только для первого.

Оптимизация материалов.

Оценивалось влияние каждого из свойств материалов в отдельности: модуля упругости E33, относительной диэлектрической проницаемости ε33 и пьезомодуля d33 в продольном направлении пьезоактюатора (поперечном направлении монослоя пьезокерамики), а также плотности ρ.

Более высокий модуль упругости увеличивает максимальную блокирующую силу, а также увеличивает максимальное удлинение пьезоактюатора, но уменьшает быстродействие по удлинению. Повышение диэлектрической проницаемости замедляет переходный процесс (достижение максимальной блокирующей силы). Повышение пьезомодуля увеличивает блокирующую силу и значительно увеличивает удлинение актюатора. Изменение плотности в пределах существующей пьезокерамики почти не влияет на свойства пьезопривода. Все рассмотренные свойства связаны друг с другом и при выборе определенного типа керамики они могут неоднозначно менять свойства пьезопривода, улучшая одни параметры и ухудшая другие. Для выбора наиболее оптимального варианта пьезокерамики при заданных исходных данных были проанализированы материалы ЦТС-19, ЦТС-36, ЦТС-50, НЦТБС-1, НЦТС-2.

Таблица 1. Свойства рассматриваемых материалов

Материал\свойство E33, ГПа ε33 d33, 10-12 м/В ρ, кг/м3
ЦТС-19 68 1750 350 7500
ЦТС-36 72 670 220 7700
ЦТС-50 55 2200 470 7600
НЦТБС-1 51 5700 650 7600
НЦТС-2 26 5100 800 7800

Таблица 2. Результаты анализа пьезоматериалов.

Материал\параметр tпер, мкс Fb max, Н t1/2, мкс xmax, мкм
ЦТС-19 184 10 840 132 70.1
ЦТС-36 84 6 568 116 27.17
ЦТС-50 214 11 730 148 92.11
НЦТБС-1 478 13 520 178 96.37
НЦТС-2 606 8 663 230 86.29

При заданных исходных данных (габаритных ограничениях форсунки, напряжению питания) целеобразным является выбор материала ЦТС-50 в виду относительно высокого максимального удлинения и силы, а также высокому быстродействию.

Для рассмотренных материалов блокирующая сила возрастает с большим максимальным удлинением, а быстродейсвтие – уменьшается. Так, материал ЦТС-36 имеет наименьшие время переходного процесса и полупериод колебаний, но и наименьшие максимальную блокирующую силу и удлинение.

Оптимизация длины и площади поперечного сечения.

Рассматривались 9 комбинаций минимальных, средних и максимальных значений двух факторов — длины и площади поперечного сечения пьезоактюатора из материала ЦТС-50: Smax=300мм2; Sm=225мм2; Smin=150мм2; Lmax=150мм; Lm=100мм; Lmin=50мм.

В процессе эксперимента для каждой комбинации получались разные значения. Наиболее существенные влияния факторов на параметры:

  • При увеличении S вдвое наблюдается увеличение tпер, примерно в 2 раза (рис. 1). Аналогичная зависимость наблюдается для L.

Рис. 1. Продолжительность переходного процесса tпер, мкс, при изменении длины и площади поперечного сечения пьезоматериала.

  • При увеличении S вдвое, Fb max увеличивается примерно в 2 раза (рис.2). Повышение L дает незначительные изменения Fb max.

Рис. 2. Максимальная блокирующая сила Fb max, Н, при изменении длины и площади поперечного сечения пьезоматериала.

  • При увеличении L вдвое t1/2 увеличивается примерно в 1.8 раза (рис. 3). S влияет незначительно.

Рис. 3. Полупериод колебания t1/2, мкс, при изменении длины и площади поперечного сечения пьезоматериала.

  • При увеличении L вдвое xmax увеличивается примерно в 2 раза (рис. 4). При увеличении S вдвое xmax увеличивается примерно в 1.8 раза.

Рис. 4. Максимальное удлинение xmax, мкм, при изменении длины и площади поперечного сечения пьезоматериала.

В качестве оптимального был выбран вариант 6 с максимальной длиной и средней площадью поперечного сечения (L=150мм, S=225мм2).

Уменьшение S и L повышают быстродействие по достижению максимальной силы пьезопривода. Уменьшение L повышает быстродействие по достижению максмиального перемещения. Увеличение S повышает максимальную блокирующую силу. Увеличение L и S повышают максимальное удлинение пьезопривода.

Оптимизация пружины пьезопривода.

Требуемые параметры по жесткости пружины должны согласовываться с возможностью изготовления и технологичностью пьезопривода. При оптимизации пьезопривода форсунки необходимо обеспечивать условия предварительной нагрузки пьезоактюатора: 1) Fпред≥2.5·FΣmax; 2) 20 МПа<σпред <25 МПа для сохранения долговечности устройства [3]. Таким образом, область допустимых значений по силе предварительной нагрузки пружины зависит от максимального ускорения пьезоактюатора и принятой ранее площади поперечного сечения.

Важным условием разработки пьезопривода является учет размещения пружины в корпусе пьезоактюатора. Пьезопривод требует довольно высокие значения жесткости пружины. Рекомендуется применять дисковые пружинные шайбы [3]. На осоновании вышесказанного было решено выбрать пружину жесткостью С=5000кН/м и предварительным усилием Fпр0=5000Н.

Из двух факторов – предварительное усилие и жесткость пружины основное влияние на параметры колебаний пьезопривода имеет первый. Однако величина силы предварительной нагрузки связана с жесткостью и выбирается в совокупности с условиями и технологическими параметрами пьезопривода.

Оптимизация сопротивления пьезопривода.

Сопротивление для пьезопривода является важной величиной и на практике определяет подвижность органа управления в момент подачи топлива. При увеличении коэффициента сопротивления максимальное удлинение пьезопривода уменьшается и характеристика удлинения становится более гладкой, а также снижается быстродействие. В современных пьезофорсунках коэффициент сопротивления регулируется гидравлическим толкателем, который может одновременно являться мультипликатором перемещения.

Рис. 5. Влияние коэффициента сопротивления на удлинение пьезопривода.

а – k=0 кг/с, b – k=2500 кг/с; c – k=5000 кг/с.

Рис. 6. Результаты расчета оптимизированного пьезопривода.

a – ток управления пьезоактюатором, А; b – удлинение пьезоактюатора, м.

Выводы.

Выбор конкретного материала для изготовления пьезопривода зависит от требований, предъявляемых к его быстродействию, силе и перемещению. Сила и перемещение для определенного материала возрастают, в то время, как быстродействие уменьшается. Максимальная сила пьезопривода прямо пропорциональна площади поперечного сечения, но обратно влияет на быстродействие. Максимальное удлинение пьезоактюатора зависит, прежде всего, от его длины, а также от величины питающего напряжения. Жесткость пружины и ее предварительная затяжка ограничивается требованиями по предварительной нагрузке и конструктивными факторами. Сопротивление в пьезоприводе должно быть задано таким образом, чтобы колебательная система пьезопривода обеспечивала устойчивость управляющего органа.

Созданная методика численного анализа пьезопривода позволяет оптимизировать электрогидравлические форсунки перспективных топливных систем аккумуляторного типа, в частности, обеспечить многоразовый впрыск топлива.

Оптимизация пьезопривода форсунки является поэтапным процессом и требует согласования материалов, габаритов, дополнительных элементов и требований. Для обеспечения требуемой работы в составе форсунки при оптимизации необходимо задаться требованиями по быстродействию, руководствоваться силовыми и габаритными ограничениями. При расчетах в составе топливной аппаратуры возможно применение универсальных вариантов пьезопривода, наиболее подходящих определенным типам двигателей.

Литература

  1. Грехов Л.В., Иващенко Н.А., Марков В.А. Топливная аппаратура и системы управления дизелей. М.: ЛЕГИОН-АВТОДАТА, 2004. – 356с.
  2. Чернов В.А. Совершенствование конструктивно-технологических параметров многослойных пьезоэлектрических актюаторов: дисс. … канд. техн. наук : 05.11.14 : защищена 12.02.09 : утв. 24.06.09 / Чернов Владимир Александрович. – М., 2009. – 213 с. – Библиогр.: с. 194–211. – 04200903677.
  3. Meyer-Salfeld S. Piezogesteuertes Forschungs-Einspritzsystem für direkteinspritzende PKW-Dieselmotoren: дисс. … Doktors der Ingenieurwissenschaften: защищена 10.08.04 : утв. 19.11.04 / Meyer-Salfeld Steffen. – Hannover, 2004. – 118 с. – Библиогр.: с. 101–107.
    МЕТОД РАСЧЕТА ПЕЗОПРИВОДА В СОСТАВЕ ТОПЛИВНОЙ АППАРАТУРЫ ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
    Рассматривается исполнительный механизм – пьезоэлектрический привод управляющих клапанов топливной аппаратуры дизельных двигателей; предлагается математическая модель его расчета, а также анализ важнейших параметров.
    Written by: Грехов Леонид Вадимович, Лобода Станислав Сергеевич
    Published by: БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА
    Date Published: 12/22/2016
    Edition: euroasian-science.ru_25-26.03.2016_3(24)
    Available in: Ebook