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 уравнение – Второй 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
- Грехов Л.В., Иващенко Н.А., Марков В.А. Топливная аппаратура и системы управления дизелей. М.: ЛЕГИОН-АВТОДАТА, 2004. – 356с.
- 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.
- 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.[schema type=»book» name=»МЕТОД РАСЧЕТА ПЕЗОПРИВОДА В СОСТАВЕ ТОПЛИВНОЙ АППАРАТУРЫ ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ» description=»Рассматривается исполнительный механизм – пьезоэлектрический привод управляющих клапанов топливной аппаратуры дизельных двигателей; предлагается математическая модель его расчета, а также анализ важнейших параметров.» author=»Грехов Леонид Вадимович, Лобода Станислав Сергеевич» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2016-12-22″ edition=»euroasian-science.ru_25-26.03.2016_3(24)» ebook=»yes» ]