压电效应在柴油机喷油系统中的应用

1880年，埃帕尔·库里·施托弗（EhePaar Curie Stoffe）就巳发现了压电效应，即晶体在变形的时候会产生电压，而若在晶体上施加一个电压，就会引起晶体晶格的变形，从而产生线性位移。这种反压电效应就成为了压电共轨喷油系统的技术基础。压电晶体是非弹性体，如果施加一个电压使其发生变形，那么就需要一个反向电压脉冲，晶体才能返回到原始长度。

一个压电元件的晶体晶格的变形是非常微小的，为了使压电执行器能获得足够的位移（行程），将很多片陶瓷薄片烧结成一个长方形六面体，因此用于喷油器的30mm长的压电元件由300多层厚度为80μm的压电陶瓷薄片所组成（图5-6）。这种多层压电元件在汽车应用场合（温度—40～+140℃，高振动）是以预装配执行器模块（图5-7）装在喷油器顶部，工作行程为40～50μm。但是，柴油机运转时的高温会引起执行器中陶瓷晶体晶格发生化，从而使压电元件伸长位移缩小，使得压电执行器的工作行程减小，因此对于用于喷油器场合的压电材料性能必须具有高的陶瓷晶体晶格发生极化的库里温度点（Curie-Punkt），而具备这种性能的陶瓷又偏偏只有较弱的压电效应，因而现在喷油器所应用的执行器都是由一种采用多层技术的PZT（Piezoelectric transition）压电跃变陶瓷组成的，这种陶瓷材料是一种铅—锆—钛混合物，而在烧结工艺过程中插入的电极是由银—钯合金制成的。

这种结构类型的压电执行器要求只承受压应力，为了避免在快速收缩时产生拉应力，用一个管状弹簧从外部给压电堆施加预压应力。当发动机电控单元给压电执行器施加一个电压时，它就会膨胀，并向图示的方向伸长。由于其最大伸长量很小，大约只有其总长度的0.1%，因此现在的压电喷油器都包含有用于加大行程的机械和液压传动元件，有的还有液压伺服回路、补偿元件和增压装置。

当然，为了控制喷油器，多层陶瓷执行器中仅仅一部分由电控单元充电，这样就利用了两种压电效应：充电的石英片将机械力施加到其余的石英片上，于是就产生一个电压。通过这种效应，电控单元施加的电压从70V变高到140V，最终使得压电执行器的总伸长量达到大约50μm。

压电执行器作为机电一体化的元件，它就好像是一个多层陶瓷电容器，在电压下立即充电，在0.1ms内就发生晶格变形，比任何其他众所周知的可应用的物理现象都要来得快。与电磁阀相比，喷油器中的压电执行器具有以下特点（表5-1）：

1）压电执行器响应速度很快，几乎无滞后时间。

图5-6 多层压电执行器的结构示意图

图5-7 用于喷油器的压电执行器模块的基本结构(www.xing528.com)

表5-1 压电控制和电磁阀控制喷油器的性能比较

注：“+”表示好；“—”表示差；“¤”表示中等。

2）开关喷嘴针阀非常迅速而精确。

3）可重复性非常好。

4）无结构设计所造成的诸如间隙之类的误差。

5）在使用寿命期内性能稳定。

6）压电模块可以进行预生产和预检验，以单独执行器方式供货。