Пьезоэлектрическая форсунка

Впервые форсунки с пьезоэлектрическим приводом появились в конструкции системы аккумуляторного впрыска Common Rail дизельных двигателей. В отличие от широко использующихся соленоидов форсунки нового поколения отличаются предельно быстрым откликом. Использование пьезоэлектрических форсунок позволяет производить впрыск топлива многократно в течении одного цикла, за счет рекордного быстродействия. В дальнейшем принцип был с успехом применен в системах непосредственного впрыска.

История применения пьезоэлектрических форсунок

Система аккумуляторного впрыска Common Rail была разработана в середине девяностых специалистами японской корпорации DENSO. Первоначально планировалось использовать новую технологию впрыска на дизелях грузовых автомобилей, но она оказалась столь успешной, что с 1995 года DENSO продает лицензию на производство другим производителям.

Открытие пьезоэффекта принадлежит французским физикам братьям Жаку и Пьеру Кюри

Большую роль в усовершенствовании системы сыграла компания Robert Bosch GmbH. Она же стала пионером адаптации системы для бензиновых двигателей.

В системе непосредственного впрыска производства Robert Bosch используются форсунки с пьезоэлектрическим приводом. Хорошим примером может служить двигатель Mercedes-Benz M278. На этом восьмицилиндровом двигателе, который устанавливается в Mercedes-Benz S-Class S500 с 2011 года применение пьезоэлектрических форсунок позволило добиться такой экономичности, что в США автомобиль перестал попадать под действие так называемого "Gas Guzzler Tax", закона, по которому автомобили с двигателями большого объема облагаются дополнительным налогом по принципу повышенного расхода топлива. При этом фактический рабочий объем двигателя S-Class S500 не изменился.

Принцип действия пьезоэлектрической форсунки

Действие управляющего клапана форсунки основано на широко известном пьезоэлектрическом эффекте, который применяется, к примеру, в конструкции газовых зажигалок. Кнопка, на которую человек с усилием нажимает пальцем, деформирует рабочий элемент из специального материала - диэлектрика. Деформация способствует возникновению заряда, который используется для воспламенения газа.

Помимо топливных форсунок пьезоэффект применяется в конструкции датчика детонации и датчика абсолютного давления во впуске (MAP)

В пьезоэлектрических форсунках используется так называемый обратный пьезоэлектрический эффект. На диэлектрик подается напряжение, что способствует деформации материала. С диэлектриком сопряжен шток клапана, который поднимается, когда на форсунку подается ток.

Преимущества пьезоэлектрических форсунок

Управление фазами впрыска

Применение пьзоэлектрического клапана позволило почти в 4 раза увеличить быстродействие форсунки по сравнению с электромагнитным клапаном (соленоидом). Наиболее точно разделить фазы впрыска удалось за счет того, что высокая скорость отклика способствует полному открыванию и запиранию клапана за короткое время. Та же особенность позволила с высокой точностью изменять продолжительность открытия управляющего клапана форсунки.

Переменное давление впрыска

Зачастую при послойном впрыске, подразумевающем многократное открытие форсунок, для каждой фазы требуется не только разная продолжительность, но и давление. Скажем для первичной, "запальной" фазы давление должно быть минимальным, а для подачи рабочей дозы требуется очень высокое давление. Применение пьезоэлектрической форсунки дало возможность изменять давление впрыска в широких пределах, приблизительно от 130 до 2200 бар.

Снижение шума при работе двигателя

Шум при работе мотора на холостом ходу вызван резкими перепадами давления топлива в форсунках, а также возникающих при этом вибрациях, отражающихся на элементах двигателя. Новые форсунки, благодаря быстродействию пьезоклапана, позволяют заметно понизить уровень шума. При разработке пьезоэлектрической форсунки был уменьшен диаметр ее плунжера, что позволило снизить механический шум возникающий при ее работе.

КПД форсунки

Высокий КПД насос-форсунки объясняется уменьшением электрической мощности, необходимой для работы клапана. За счет снижения объема топлива, необходимого для впрыска, удалось довести диаметр плунжера форсунки до 6,35 мм без потери интенсивности его подачи.

Особенности конструкции пьезоэлектрической форсунки

Рычажный мультипликатор

Особенность пьезопривода заключается в том, что его рабочий элемент сжимается всего на 0,04 мм, а для полного открытия иглы клапана необходимо минимум 0,1 мм. Для решения данной проблемы между иглой клапана и пьезоприводом монтируется рычажный мультипликатор, имеющий нужное передаточное отношение. В момент подачи напряжения мультипликатор приводится в действие от нажимной пластины, обеспечивая передвижение иглы на необходимые 0,1 мм.

Пружина форсунки

Пружина - важная часть конструкции пьезоэлектрической форсунки. В специально предусмотренной полости находится пружина, контролирующая посадку иглы распылителя в седло. Пружина выполняет и еще одну ответственную функцию - предотвращает чересчур раннее открытие форсунки при впрыске топлива в самой первой фазе (в конце такта сжатия). Сгогласно принципу послойного впрыска для разных фаз требуются разное усилие давления на иглу клапана.

Обратный клапан

Конец каждой фазы впрыска сопровождается удалением из форсунки неиспользованных излишков топлива. На сливе установлен дроссель, снабженный обратным клапаном. Если поток сливаемого топлива ослабевает, то снижается и давление перед дросселем. Обратный клапан закрывается для сохранения давления в области расположения иглы для очередной фазы впрыска.

Особенности эксплуатации пьезоэлектрических форсунок

Использование в двигателях такого прецизионного механизма, как пьезоэлектрическая форсунка, позволяет достичь вершин быстродействия. По той же самой причине в топливе, которое используется в автомобиле, не должно быть даже мельчайших примесей. При попадании грязи форсунки выходят из строя практически мгновенно. Стоимость пьезоэлектрических форсунок колеблется в пределах от 10 до 15 тысяч рублей, а ремонт обойдется приблизительно в половину указанной суммы.