電裝公司的壓電式噴油器和壓電執(zhí)行器

【日】 淺野浩章

0 前言

汽車上使用的壓電元件是在20世紀(jì)后半期問世的，一開始是作為動作檢測元件（即“無源元件”），被用于爆震傳感器或偏航速率傳感器等產(chǎn)品。即使是用于其他部件的“有源元件”，一直以來也是被用于可傾斜伸縮式轉(zhuǎn)向柱用超聲波電動機(jī)，或是開閉液壓閥以切換減振力的電控懸掛裝置等。由于要求的工作循環(huán)數(shù)及工作環(huán)境方面的原因，壓電元件的用途曾受到一定的限制。然而，在21世紀(jì)初，歐洲的柴油車占汽車市場約50%的份額，為了使柴油車具備與汽油車同等的高輸出功率和低廢氣排放性能，汽車制造商開始應(yīng)用壓電式共軌噴油系統(tǒng)。這樣，有源元件開始應(yīng)用于在苛刻環(huán)境下工作的發(fā)動機(jī)零部件。

與利用電磁鐵的傳統(tǒng)電磁閥式噴油器相比，壓電式共軌噴油系統(tǒng)中壓電式噴油器所采用的執(zhí)行器壓電元件所產(chǎn)生的力較大，且響應(yīng)迅速，可提高單位時間內(nèi)的噴油量，優(yōu)化燃油噴霧的霧化特性，縮短噴油間隔，從而優(yōu)化燃燒控制狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)高功率和低排放的性能目標(biāo)。但是，對壓電元件的性能要求極高，壓電執(zhí)行器必須具備高輸出功率，以及在苛刻工作環(huán)境（-40～160℃）下耐受1億次以上工作循環(huán)的高可靠性。本文介紹日本電裝公司第3代（2008年起）共軌噴油系統(tǒng)及其所采用的壓電式噴油器和壓電執(zhí)行器，同時也對能兼顧高功率和高可靠性的壓電系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行解說。

1 壓電式共軌噴油系統(tǒng)及壓電式噴油器的結(jié)構(gòu)

圖1示出了電裝公司壓電式共軌噴油系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，圖2為壓電式噴油器的照片。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)噴油的過程如下：首先，供油泵泵送高壓燃油，并輸送至共軌；帶壓電執(zhí)行器的壓電式噴油器與共軌連接，由共軌供應(yīng)燃油；噴油時，由發(fā)動機(jī)電控單元（ECU）向電控驅(qū)動單元（EDU）輸出控制信號，EDU將電能輸入壓電元件后，壓電執(zhí)行器產(chǎn)生位移（伸長）和力；利用位移放大機(jī)構(gòu)將位移放大，使控制閥下降，利用液壓差提升噴油嘴針閥，同時開始噴射燃油。

圖3示出了電磁閥式噴油器的詳細(xì)結(jié)構(gòu)；圖4示出了壓電式噴油器的詳細(xì)結(jié)構(gòu)；圖5示出了壓電式噴油器中位移放大機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)。在采用電磁閥式噴油器的情況下，電磁閥斷電時，利用彈簧將控制閥向下推壓，切斷出油孔的燃油通道。此時，控制室內(nèi)處于高壓狀態(tài)，噴油嘴針閥下壓，關(guān)閉燃油噴孔。一旦向電磁閥通電，由此產(chǎn)生的電磁力將控制閥向上提升，控制室內(nèi)的壓力降低，噴油嘴針閥上升，燃油

噴孔被打開，同時開始噴油。也就是說，在電磁閥式噴油器中，借助電磁閥工作的控制閥和噴油嘴針閥都是向上產(chǎn)生位移的。與此相反，在采用壓電式噴油器的情況下，壓電元件在通電后是向下伸長，這樣，在噴油嘴針閥向上產(chǎn)生位移打開燃油噴孔時，就必須改變運(yùn)動方向。下文將詳細(xì)說明這一技術(shù)的具體工作原理。

壓電執(zhí)行器的位移傳遞至大直徑活塞，再經(jīng)由位移放大室的燃油推壓小直徑活塞。此時，基于大直徑活塞與小直徑活塞的直徑（面積）之比，獲得相應(yīng)的位移放大。此外，位移放大室還能吸收由金屬制壓電式噴油器與陶瓷制壓電元件之間的熱膨脹系數(shù)差造成的位移，這有利于在任何溫度條件下維持燃油噴射量的穩(wěn)定性。

接下來，小直徑活塞推壓控制閥，控制閥閥座上部開啟，下部關(guān)閉。由此，控制閥上方的燃油壓力降低，控制室內(nèi)的壓力也隨之降低，噴油嘴針閥下方的壓力相對高于其上方的壓力，從而使噴油嘴針閥上升，燃油噴孔被打開，同時開始噴射燃油。換言之，借助于壓力差，壓電元件的向下位移轉(zhuǎn)換為噴油嘴針閥的向上運(yùn)動（位移）。

2 壓電執(zhí)行器的驅(qū)動方式與壓電材料

為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的燃油噴射，必須使相對于溫度變化的壓電執(zhí)行器位移保持恒定，另外，驅(qū)動方式也是主要的影響因素。壓電執(zhí)行器的驅(qū)動方式可分為恒定電壓控制、恒定電荷控制及恒定能量控制3種，表1列出了各種驅(qū)動方式所產(chǎn)生的位移。位移可用壓電常數(shù)D（通常，將附加低電場時的壓電常數(shù)規(guī)定為“d”，而將附加高電場包括分區(qū)回轉(zhuǎn)在內(nèi)的壓電常數(shù)規(guī)定為“D”）與容量C的函數(shù)來表示：采用恒定電壓控制方式時，位移與D成正比；采用恒定電荷控制方式時，位移與D／C成正比；采用恒定能量控制方式時，位移與D／成正比。

表1 壓電執(zhí)行器的驅(qū)動方式與位移

壓電常數(shù)D與容量C都具有材料固有的溫度特性。如圖6所示，以通常使用的鋯鈦酸鉛（PZT）為壓電材料時，與容量的溫度變化率ΔC相比，壓電常數(shù)的溫度變化率ΔD要小一些。因此，如圖7所示，如采用恒定電壓控制或恒定電荷控制方式，那么，相對于溫度變化的位移變化會較大，而如采用恒定能量控制方式，位移的溫度特性與ΔD／成正比，就可以獲得基本恒定的位移，所以，決定采用恒定能量控制方式作為壓電執(zhí)行器的驅(qū)動方式。

在采用恒定能量控制方式時，為了獲得恒定位移所要求的ΔD／，可以通過調(diào)整壓電材料組成，減少相對于溫度變化的位移變化。首先，在材料設(shè)計上的關(guān)鍵要點(diǎn)之一是介電常數(shù)急劇變化時容量C也發(fā)生變化的居里溫度（Tc）應(yīng)設(shè)定的區(qū)域。此時，Tc應(yīng)設(shè)定在足夠高于工作溫度上限的范圍。另外，對于工作溫度的下限值附近，可以通過調(diào)整壓電材料的準(zhǔn)同型相界（MPB，即晶體結(jié)構(gòu)變化的邊界）減少容量C的變化。

對于居里溫度（Tc）及MPB的調(diào)整，一般是通過以ABO3為代表的具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的PZT材料組成中A點(diǎn)堿土元素的置換，以及B點(diǎn)Zr／Ti比率的微調(diào)來進(jìn)行的。

3 壓電執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)

圖8示出了壓電執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)。壓電執(zhí)行器被設(shè)置在壓電式噴油器的燃油通道內(nèi)，因此，必須隔離燃油成分對壓電元件的影響。為此，電裝公司是將壓電元件封入金屬外管中。但是，封入外管的壓電元件必須將其位移傳遞至管路外部。對此，通過采用可耐受必要工作循環(huán)數(shù)的由高疲勞強(qiáng)度材料制成的膜片，實(shí)現(xiàn)上述要求性能。另外，為了不產(chǎn)生偏心載荷，金屬管上部和下部的支承部分都設(shè)計成R形狀。

4 壓電元件的結(jié)構(gòu)

壓電執(zhí)行器所使用的壓電元件大致可分為以下2種：（1）單板層積型壓電元件，即在燒結(jié)而成的球狀元件2面形成電極，并通過電極板層壓而成；（2）整體層積型壓電元件，即層壓印刷了內(nèi)層電極的壓電陶瓷電路基板，再整體燒結(jié)而成。

電裝公司的噴油器用壓電執(zhí)行器采用小型且更易獲得高位移的整體層壓型壓電元件。此外，如圖9所示，內(nèi)層電極的結(jié)構(gòu)可分為全電極型與部分電極型2種，為確保在高溫高電壓工作環(huán)境下運(yùn)行的噴油器具備足夠的循環(huán)壽命，采用具備高可靠性的部分電極型結(jié)構(gòu)。采用這一結(jié)構(gòu)，內(nèi)層電極工作時在不重合的非驅(qū)動部分與重合的驅(qū)動部分邊界附近會產(chǎn)生應(yīng)力，電極的層積數(shù)越多，應(yīng)力就會累積得越大，就有可能會因裂紋而產(chǎn)生元件斷裂的危險。對此，在壓電元件層壓結(jié)構(gòu)中設(shè)置應(yīng)力衰減機(jī)構(gòu)，以防止出現(xiàn)元件損壞的情況。

應(yīng)力衰減機(jī)構(gòu)采用切口型式。這是因?yàn)榭紤]到裂紋是由于應(yīng)力累積而產(chǎn)生的，在即使產(chǎn)生裂紋也不會發(fā)生問題的部位預(yù)先設(shè)置人工裂紋（切口），就可以避免對壓電元件造成損壞。

圖10示出了壓電元件及其切口的示意圖。在切口的設(shè)計中，深度及間隔是重要的關(guān)鍵因素。圖11示出了切口深度設(shè)計上的要點(diǎn)。如果在非驅(qū)動部分設(shè)置切口前端，那么，壓電元件在工作時，切口前端的拉伸應(yīng)力集中，反而會產(chǎn)生裂紋；相反，如在驅(qū)動部分設(shè)置切口前端，則會產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，從而可避免產(chǎn)生裂紋。此外，在產(chǎn)生拉伸應(yīng)力的情況下，切口前端呈銳角時產(chǎn)生的應(yīng)力較高，而在壓縮應(yīng)力狀態(tài)下，則可以獲得不受切口前端形狀影響的效果。

在切口間隔的設(shè)計上，一般來說是間隔越小，就越能抑制應(yīng)力的累積。另一方面，設(shè)置切口也會降低表觀的拉伸彈性模量，從而引發(fā)壓電元件整體發(fā)生力降低的相反效果。所以，在設(shè)計切口間隔時，要求能兼顧壓電元件所需發(fā)生力與應(yīng)力降低效果這兩方面的性能要求。

5 結(jié)語

壓電式噴油器及壓電執(zhí)行器應(yīng)用于車用發(fā)動機(jī)的歷史并不長，預(yù)計今后將會呈現(xiàn)多樣化的發(fā)展趨勢。例如，運(yùn)用壓電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更低排放的高功率發(fā)動機(jī)；以及在卡車等商用車領(lǐng)域拓展應(yīng)用，為保護(hù)環(huán)境作出更大的貢獻(xiàn)。為此，壓電執(zhí)行器的使用壽命必須進(jìn)一步延長。

此外，在向高性能及小型化方向發(fā)展的同時，壓電系統(tǒng)所必需的高電壓回路的成本也應(yīng)進(jìn)一步降低，以便應(yīng)用于汽油機(jī)。而且，考慮到環(huán)保的要求，使用無鉛壓電材料的噴油器應(yīng)得到進(jìn)一步發(fā)展。目前，由于位移特性低，以及與內(nèi)層電極成分的反應(yīng)性，無鉛壓電材料不適宜采用整體層積型制造方式，其用途受到一定限制，但在材料開發(fā)及制作方面仍存在充分的發(fā)展空間。

綜上所述，雖然壓電式噴油裝置仍存在許多有待研究和解決的課題，但從另一方面來講，如能解決這些課題，那么，響應(yīng)性能優(yōu)異的壓電式噴油器及壓電執(zhí)行器極有可能成為主流技術(shù)。期待通過今后的技術(shù)開發(fā)，能在這一領(lǐng)域獲得進(jìn)一步的發(fā)展。