Что значит пьезо форсунки

Multi Diesel

авторизованный дизель сервис

Устройство пьезоэлектрической форсунки

В основе устройства форсунки этого типа лежит принцип обратного пьезоэффекта. Суть его заключается в том, что под действием поступающего напряжения происходит изменение геометрических параметров, в частности длины, кристалла, обладающего пьезоэлектрическими свойствами. На этом же принципе, кстати, основаны проверка, диагностика и ремонт пьезофорсунок.

Основными узлами пьезофорсунки являются:

1. пьезоэлемент, соединенный с поршнем-толкателем;

3. переключающий клапан;

Принцип действия

Работа пьезофорсунки основана на принципе гидравлического сопротивления. В исходом состоянии игла устройства плотно посажена в седло. Этому способствует высокое давление над верхней ее частью, создаваемое топливным насосом. При поступлении сигнала из ЭБУ пьезоэлемент увеличивается в длине, что передает усилие на поршень толкателя. Последний открывает переключающий клапан. Благодаря этому топливо, находящееся над иглой, поступает в сливную магистраль за счет высокого давления. В результате этого давление топлива над иглой становится меньше, чем в нижней ее части. По закону гидравлики игла приподнимается и осуществляется впрыск топлива.

Достоинства пьезофорсунок

1. Максимальное быстродействие и совершенное управление фазами впрыска. По сравнению с электромагнитным клапаном пьезоэлектрический срабатывает в 4 раза быстрее. Это способствует меньшему времени отклика и лучшему и более точному разделению фаз впрыска.

2. Переменное значение давления впрыска. Пьезофорсунки лучше отвечают требованиям необходимости применения разного давления впрыска при различных фазах работы двигателя (запальной, рабочей).

3. Минимальный уровень шума при работе двигателя, что обусловлено быстродействием пьезоклапана и минимальным диаметром плунжера форсунки.

4. Высокий КПД форсунки благодаря тому, что для функционирования клапана требуется подавать электрический сигнал минимальной мощности. Уменьшение объема топлива поспособствовало сужению диаметра плунжера пьезофорсунки.

Особенности применения, диагностика и ремонт пьезофорсунок

Пьезоэлектрические форсунки существенно улучшают качество работы двигателя, уменьшают расход топлива и практически сводят к нулю вредные выбросы из-за неполного сжигания топливной смеси. Однако такая совершенная система впрыска требует и максимально качественно топлива. Малейшие загрязнения быстро выведут ее из строя и приведут к поломке. Только последующая проверка пьезофорсунок на стенде компании-производителя может дать точное определение истинной причины их поломок. В любом случае ремонт пьезофорсунок почти вдвое выгоднее покупки и установки новых.

Источник

Пьезофорсунки: что инженеру хорошо, то слесарю плохо

Пьезоэлектрические форсунки находят сейчас все большее применение в топливных системах Common Rail у современных дизелей. Конструкторы получают инструмент для точной настройки двигателей, а автовладельцы и механики — букет финансовых и технических нюансов. Так в чем тут достоинства и в чем недостатки? «Движок» будет разбираться с вопросом.

Путем прогресса

Состоявшееся в конце девяностых внедрение системы Common Rail стало новой вехой в развитии двигателя Дизеля. Рядный топливный насос высокого давления (ТНВД) сменил магистральный насос, а гидравлические форсунки уступили место форсункам с электромагнитными клапанами, управляемыми электроникой.

В отличие от прежней конструкции, где открывание иглы распылителя происходило только за счет давления, электрогидравлические форсунки работают несколько иначе. В состоянии покоя давление топлива на конусе иглы распылителя и в камере управляющего клапана, расположенного над иглой, оказывается одинаково, подпружиненная игла запирает сопла, и впрыска не происходит. Когда поступает сигнал от блока управления, электромагнитный клапан срабатывает, давление над иглой сбрасывается, она поднимается, открывая сопла, и осуществляется впрыск.

Подобным образом работают и пьезофорсунки, в которых вместо электромагнита с подвижным сердечником применяется другой исполнитель — пьезоэлемент. Он имеет форму квадратного столбика, состоящего из множества установленных друг на друга и спеченных между собой керамических пластинок. Под воздействием тока в них возникает пьезоэффект, за счет которого конструкция способна быстро изменить свою длину, воздействуя на управляющий клапан. По сравнению с электромагнитом пьезоэлемент обеспечивает более быстрое срабатывание, время которого составляет порядка 0,1 мс (против 0,5 мс у форсунки с электромагнитом), а также способен создать большее усилие по воздействию на клапан управления и имеет более высокую точность хода для быстрой отсечки подачи топлива.

Конструкция пьезоэлектрической форсунки: 1 — пьезоэлемент; 2 — гидрокомпенсатор; 3 — управляющий клапан; 4 — дроссельная шайба; 5 — игла распылителя

Применение пьезоэлемента в форсунке позволило конструкторам реализовать до десяти впрысков за один такт работы двигателя — предварительные, основной, послевпрыски. При этом сами порции, их объем и частоту здесь можно гибко регулировать, исходя из режимов работы двигателя. Таким образом, в моторе достигается плавность и полнота сгорания топлива, снижается шумность и токсичность. Для современных дизелей у легковых автомобилей пьезоэлектрические форсунки становятся неотъемлемым элементом в конструкции топливной системы. Но за высокие технологии приходится платить.

Чинить нельзя менять

С точки зрения сервиса главной особенностью пьезофорсунок оказывается высокая сложность ремонта, для которого необходимо специальное оборудование. В некоторых случаях ремонт и вовсе невозможен. При этом сами пьезофорсунки очень требовательны к качеству топлива, его составу и степени очистки, при снижении которых они быстро выходят из строя.

Для моторов легковых автомобилей пьезофорсунки производят такие компании, как Bosch, Delphi, Denso и Siemens. Но отдавать этот рынок сторонним сервисам по ремонту они не спешат, предлагая замену целиком. Компонент этот достаточно дорогой: в зависимости от марки и модели пьезофорсунка может стоить от 16 000 до 40 000 рублей. Поэтому ремонт, средняя стоимость которого составляет половину и меньше от цены новой форсунки, оказывается востребован. Но по силам он не каждому сервису.

Управляющий клапан чаще всего выходит из строя. При этом деталь изготавливается с высокой точностью и размерностью на микронном уровне.

Трудности начинаются уже с момента диагностики, которую невозможно провести в условиях гаражной мастерской. Например, тест на переливание, когда к штуцерам слива в обратную магистраль подсоединяются трубки со стаканами, в системе с пьезофорсунками просто так сделать нельзя, поскольку «в обратке» здесь должен быть подпор давлением.

Как рассказывают сервисмены, наиболее уязвимым оказывается управляющий клапан, который выходит из строя чаще всего. При этом он является одним из самых важных узлов — его неисправность может привести к выходу из строя всей форсунки. Клапан либо заменяется целиком, либо восстанавливается методом шлифовки и притирки рабочей кромки самого клапана и рабочей кромки седла клапана. Но сделать это непросто. Клапан имеет очень высокую, прецизионную точность изготовления с параметрами измерений на микронном уровне.
Например, поясок в верхней части плунжера клапана имеет ширину порядка ста микрон (одна десятая миллиметра), при этом должен быть определенный угол фаски. И чем точнее будут воспроизведены заводские параметры, тем легче будет настроить форсунку и тем большим будет дальнейший срок ее службы.

Дмитрий Ефременко, директор компании spbparts.ru — «Европром»:

— Подшипники качения в узлах отечественных обрабатывающих станков имеют большие допуски по люфтам и зазорам, чем клапаны пьезофорсунок. Соответственно, добиться требуемой точности на таких станках невозможно. Поэтому оборудование для восстановления нам потребовалось конструировать самим, отдельные узлы и элементы которого пришлось покупать в Швейцарии.

Восстановить можно и распылители, у которых обрабатываются и притираются игла и седло, продуваются сопла. Если распылитель необратимо поврежден (например, при перегреве форсунки), то берется деталь от другой форсунки, где распылитель можно восстановить. Точно так же поступают и с клапанами, разновидностей которых, в отличие от видов распылителей, в десятки раз меньше, что существенно облегчает подбор. Например, у пьезофорсунок Bosch более чем в десяти разных форсунках может использоваться один и тот же клапан.

В последнее время появились на рынке и новые запчасти (клапаны, гидрокомпенсаторы, распылители) китайского производства. Но качество их сильно «плавает», сложно разобраться, где пригодный к ремонту неоригинал, а где выброшенные деньги.

Предлагают китайцы в виде запчасти и пьезоэлемент, который тоже является одним из слабых мест пьезофорсунки. Но, как рассказывают сервисмены, его замена не оправдывает себя по трудозатратам. Часть пьезоэлемента прочно припаяна к колодке с разъемами, которая, в свою очередь, опрессована на корпусе, что образует неразборную конструкцию. Поэтому проще заменить эту часть корпуса целиком.

Каков итог?

Пьезофорсунка — высокотехнологичный компонент, изначально предназначенный для замены целиком и плохо поддающийся ремонту. Но жизнь диктует свои правила — появились сервисы, в которых научились восстанавливать эти детали так, чтобы клиент был доволен. Осталось сказать свое слово производителям неоригинала и начать выпуск аналогов. А также самим производителям оригинальных пьезофорсунок, предложив фирменные технологии восстановления и запчасти для ремонта.

Алексей Зубиков, руководитель развития сети Бош Дизель Центр / Сервис в России, Закавказье и Средней Азии:

— Для ремонта пьезофорсунок в мастерских Бош Дизель Сервис у компании пока нет технологий, не готовы комплекты специального инструмента и запасных частей. На данный момент мы можем только проводить диагностику форсунок этого типа. Планируется, что услуги по ремонту пьезофорсунок мы начнем оказывать с 2017–2018 года.

Источник

Пьезоэлектрическая форсунка, устройство, принцип работы

Пьезофорсунка – самое совершенное устройство впрыска топлива, устанавливаемое на дизельные двигатели с системой Common rail в настоящее время.

Преимуществом пьезофорсунок является быстрота их срабатывания – до 4х раз быстрей обычных электромагнитных инжекторов, и как следствие возможность многократного впрыска топлива в течение одного такта, а также гораздо более точная дозировка впрыскиваемого топлива.

Устройство пьезофорсунки

Все эти преимущества стали возможны благодаря использованию обратного пьезоэффекта в управлении форсункой, основанного на изменении размера пьезокристалла под действием напряжения.

Информация из Википедии: Пьезоэлектрический эффект — эффект возникновения поляризации диэлектрика под действием механических напряжений (прямой пьезоэлектрический эффект). Существует и обратный пьезоэлектрический эффект — возникновение механических деформаций под действием электрического поля. При прямом пьезоэффекте деформация пьезоэлектрического образца приводит к возникновению электрического напряжения между поверхностями деформируемого твердого тела, при обратном пьезоэффекте приложение напряжения к телу вызывает его деформацию.

Конструкция пьезоэлектрической форсунки схематично показана на рисунке:

1. игла распылителя

2. огнеупорная шайба

3. пружина иглы распылителя

4. блок дросселей

5. переключающий клапан

6. пружина клапана

7. поршень клапана

8. поршень толкателя

10. канал обратки

12. электрический разъем форсунки

13. канал подачи топлива

Как и в обыкновенной CR форсунке, пьезоэлектрической форсунке используется гидравлический принцип: В закрытом состоянии инжектора – игла остается посаженой на седло, за счет высокого давления. При поступлении с ЭБУ (блока управления) электрического сигнала на пьезоэлемент – увеличивается его длинна, открывая переключающий клапан. Топливо начинает сливаться в обратку – давление выше иглы падает и игла, под давлением в нижней части поднимается, производя впрыск дизельного топлива.

Количество впрыскиваемого топлива определяется двумя факторами: длительностью управляющего сигнала на пьезоэлемент и давлением топлива в рампе создаваемого наосом и регулируемого дозирующим клапаном.

В самое ближайшее время в 2015 году, в BOSCH Дизель Сервисах «БЕЛАВТОДИЗЕЛЬ.РУ», будет доступна возможность диагностики и восстановления пьезофорсунок BOSCH.

Источник

Пьезоэлектрическая форсунка: устройство, принцип работы и проверка на стенде

Поставщики дизельных топливных форсунок ведут технологическую дуэль, чтобы завоевать нишу, поскольку каждый год ужесточаются требования по выбросам.

Немецкие поставщики Robert Bosch и Siemens VDO Automotive и итальянский Magneti Marelli говорят, что форсунки, использующие пьезо-технологию, являются единственным способом, которым более крупные дизельные двигатели могут соответствовать будущим правилам Euro 5. Но конкурент Delphi говорит, что он может улучшить производительность обычных электромагнитных форсунок достаточно, чтобы избежать инвестиций в пьезо-инжекторы. Пятый и самый маленький из ведущих производителей инжекторов, Denso из Японии, планирует продолжить разработку обеих технологий.

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.

Перспективы развития

Благодаря последним разработкам есть возможность использовать до семи впрысков за один рабочий такт форсунки. За счет этого вырисовываются новые возможности для увеличения мощности двигателя, снижения его шумности и создаются условия для более точного контроля отработанных газов.

На сегодняшний день производители разрабатывают системы common rail с рабочим давлением до 2500 bar. Максимальное давление в таких форсунках достигается не в топливной рейке, а в самой форсунке. Они оборудованы небольшим гидроусилителем давления и двумя электромагнитами для точного контроля момента и количества подаваемого топлива. Это позволит увеличить давление впрыска и КПД топливной системы.

Ждем с нетерпением эти форсунки у себя в мастерской…

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.

Пьезоэлемент

Это скомпонованный пьезокристалл (длиной 30-40 мм), который состоит из спаянных между собой керамических пластинок. При подаче на него электрического импульса он способен за 0,1 мс расширяться на 80 мкм. Этого вполне достаточно, чтобы воздействовать на иглу распылителя форсунки с усилием в 6300 Н. Для усиления эффективности в его структуру добавляют палладиум и цирконий. Интересно то, что потребляет он электроэнергию только при подаче напряжения. А при выключении электрического напряжения он регенерирует эту энергию.

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.

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.

Чинить нельзя менять

С точки зрения сервиса главной особенностью пьезофорсунок оказывается высокая сложность ремонта, для которого необходимо специальное оборудование. В некоторых случаях ремонт и вовсе невозможен. При этом сами пьезофорсунки очень требовательны к качеству топлива, его составу и степени очистки, при снижении которых они быстро выходят из строя.

Для моторов легковых автомобилей пьезофорсунки производят такие компании, как Bosch, Delphi, Denso и Siemens. Но отдавать этот рынок сторонним сервисам по ремонту они не спешат, предлагая замену целиком. Компонент этот достаточно дорогой: в зависимости от марки и модели пьезофорсунка может стоить от 16 000 до 40 000 рублей. Поэтому ремонт, средняя стоимость которого составляет половину и меньше от цены новой форсунки, оказывается востребован. Но по силам он не каждому сервису.

Управляющий клапан чаще всего выходит из строя. При этом деталь изготавливается с высокой точностью и размерностью на микронном уровне.

Трудности начинаются уже с момента диагностики, которую невозможно провести в условиях гаражной мастерской. Например, тест на переливание, когда к штуцерам слива в обратную магистраль подсоединяются трубки со стаканами, в системе с пьезофорсунками просто так сделать нельзя, поскольку «в обратке» здесь должен быть подпор давлением.

Как рассказывают сервисмены, наиболее уязвимым оказывается управляющий клапан, который выходит из строя чаще всего. При этом он является одним из самых важных узлов — его неисправность может привести к выходу из строя всей форсунки. Клапан либо заменяется целиком, либо восстанавливается методом шлифовки и притирки рабочей кромки самого клапана и рабочей кромки седла клапана. Но сделать это непросто. Клапан имеет очень высокую, прецизионную точность изготовления с параметрами измерений на микронном уровне. Например, поясок в верхней части плунжера клапана имеет ширину порядка ста микрон (одна десятая миллиметра), при этом должен быть определенный угол фаски. И чем точнее будут воспроизведены заводские параметры, тем легче будет настроить форсунку и тем большим будет дальнейший срок ее службы.

Дмитрий Ефременко, директор компании spbparts.ru — «Европром»:

— Подшипники качения в узлах отечественных обрабатывающих станков имеют большие допуски по люфтам и зазорам, чем клапаны пьезофорсунок. Соответственно, добиться требуемой точности на таких станках невозможно. Поэтому оборудование для восстановления нам потребовалось конструировать самим, отдельные узлы и элементы которого пришлось покупать в Швейцарии.

Восстановить можно и распылители, у которых обрабатываются и притираются игла и седло, продуваются сопла. Если распылитель необратимо поврежден (например, при перегреве форсунки), то берется деталь от другой форсунки, где распылитель можно восстановить. Точно так же поступают и с клапанами, разновидностей которых, в отличие от видов распылителей, в десятки раз меньше, что существенно облегчает подбор. Например, у пьезофорсунок Bosch более чем в десяти разных форсунках может использоваться один и тот же клапан.

В последнее время появились на рынке и новые запчасти (клапаны, гидрокомпенсаторы, распылители) китайского производства. Но качество их сильно «плавает», сложно разобраться, где пригодный к ремонту неоригинал, а где выброшенные деньги.

Предлагают китайцы в виде запчасти и пьезоэлемент, который тоже является одним из слабых мест пьезофорсунки. Но, как рассказывают сервисмены, его замена не оправдывает себя по трудозатратам. Часть пьезоэлемента прочно припаяна к колодке с разъемами, которая, в свою очередь, опрессована на корпусе, что образует неразборную конструкцию. Поэтому проще заменить эту часть корпуса целиком.

Особенности конструкции пьезоэлектрической форсунки

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 — 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.

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.

Строение пьезофорсунки

Разрез пьезоэлектрической форсунки: 1 – сливная магистраль; 2 – электрический разъем; 3 – пьезоэлемент; 4 – канал высокого давления; 5 – гидравлический цилиндр; 6 – сопряженные поршни; 7 – переключающий клапан (мультипликатор); 8 – дроссельная пластина; 9 – игла распылителя; 10 – надигольная камера; 11 – выпускной дроссель.

Пьезоэлектрическую форсунку можно условно разделить на три части:
управляющая, гидравлическая и исполнительная часть. Вверху у нас находится пьезоэлемент, ее основное «секретное оружие». Посредине – гидравлический цилиндр (еще одно новшество) и переключающий клапан. А внизу у нас расположен распылитель и дроссельная пластина (проставка).
Теперь рассмотрим эти узлы поподробнее

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.

Источник