Пьезоэлектрический эффект

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВЕДЕНИЕ 4

1.ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ 5

2.ТЕНЗОР ПОЛЯРИЗАЦИИ 9

3. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ПЬЕЗОЭФФЕКТА 15

3.1. Пьезоэлектрический трансформатор 15

3.2. Пьезоэлектрические форсунки 17

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 22

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 23

ВЕДЕНИЕ

В1756 г. русский академик Ф. Эпинус обнаружил, что при нагревании кристалла турмалина на его гранях появляются электрические заряды. В  дальнейшем этому явлению было присвоено  наименование пироэлектрического эффекта. Ф. Эпинус предполагал, что причиной электрических явлений, наблюдаемых  при изменении температуры, является неравномерный нагрев двух поверхностей, приводящий к появлению в кристалле  механических напряжений. Одновременно он указал, что постоянство в распределении  полюсов на определённых концах кристалла  зависит от его структуры и  состава, таким образом, Ф. Эпинус подошел  вплотную к открытию пьезоэлектрического  эффекта.

Пьезоэлектрический эффект в кристаллах был обнаружен в 1880 г. братьями П. и Ж. Кюри, наблюдавшими возникновение на поверхности пластинок, вырезанных при определённой ориентировки из кристалла кварца, электростатических зарядов под действием механических напряжений. Эти заряды пропорциональны  механическому напряжению, меняют знак вместе с ним и исчезают при  его снятии.

1.ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ

Пьезоэлектрический эффект состоит в возникновении электрической поляризации у некоторых  кристаллических материалов под действием механического напряжения. Возникающий на каждой из поверхностей диэлектрика электрический заряд изменяется по линейному закону в зависимости от механических усилий. (рисунок 1.1):

Q=dF       (1.1)

Q/S=dF/S=q_s=P=dσ     (1.2)

Принимая в формуле (1.2) S=1м^2, получаем линейную зависимость поляризации от механического напряжения (рисунок 1.1):

Рисунок 1.1 – Зависимость поляризации от механического напряжения

Наряду с пьезоэлектрическим эффектом существует и обратное ему  явление: в пьезоэлектрических кристаллах возникновение поляризации сопровождается механическими деформациями. Поэтому, если на металлические обкладки, укрепленные на кристалле, подать электрическое напряжение, то кристалл под действием поля поляризуется и деформируется. И в этом случае линейная связь между компонентами тензора деформации U_jk и напряженностью электрического поля Е осуществляется с помощью того же тензора пьезоэлектрических модулей [1]:

U_{jk =} d_ijk Е_i      (1.3)

Пьезоэлектричество появляется только в тех случаях, когда упругая  деформация кристалла сопровождается смещением центров тяжести положительных  и отрицательных зарядов элементарной ячейки кристалла, т. е. когда она  вызывает индивидуальный дипольный  момент, который необходим для возникновения электрической поляризации диэлектрика под действием механического напряжения. В структурах имеющих центр симметрии, никакая однородная деформация не сможет нарушить внутреннее равновесие кристаллической решётки и, следовательно, пьезоэлектрическими являются кристаллы только 20 классов, у которых отсутствует центр симметрии. Отсутствие центра симметрии является необходимым, но не достаточным условием существования пьезоэлектрического эффекта. Наличие других элементов симметрии (оси, плоскости симметрии) может запрещать появление поляризации в некоторых направлениях или при некоторых определенных деформациях. В результате пьезоэлектрики могут принадлежать лишь к 20 точечным группам симметрии (из 32): 1, 2, 3, 4, 6, m, тт2, 3т, 4mm, 6тт, 222, 4, 422, 42m, 6, 622, 6m2, 32, 23, m3. Кристаллы первых 10 классов — пироэлектрики, т. е. обладают поляризацией в отсутствие внешних воздействий. В этих кристаллах пьезоэффект проявляется, в частности, в изменении величины спонтанной поляризации при механической деформации. Пьезоэлектрические свойства можно создавать в некоторых некристаллических диэлектриках за счёт образования в них так называемой пьезоэлектрической текстуры, например поляризацией в электрическом поле (пьезокерамика).

Пьезоэлектрический эффект не может наблюдаться в твёрдых  аморфных и скрытокристаллических  диэлектриках (почти изотропных), так  как это противоречит их сферической  симметрии. Исключение составляют случаи, когда они становятся анизотропными  под влиянием внешних сил и  тем самым частично приобретают  свойства одиночных кристаллов. Пьезоэффект  возможен также в некоторых видах  кристаллических текстур.

Чтобы обнаружить пьезоэлектрические заряды, на грани кристаллической пластинки накладывают металлические обкладки. При разомкнутых обкладках между ними при деформации появляется разность потенциалов. При замкнутых обкладках на них образуются индуцированные заряды, равные по величине поляризационным зарядам, но противоположные им по знаку, и в цепи, соединяющей обкладки, в процессе деформации возникает ток.

Физическую  природу пьезоэффекта лучше всего  рассмотреть на примере наиболее известного пьезоэлектрического кристалла - кварца. Ячейка в целом электрически нейтральна, однако в ней можно выделить три направления, проходящие через центр и соединяющие два разнополярных иона. Эти полярные направления называются электрическими осями или осями X, и по ним направлены векторы поляризации Р₁, Р₂ и Р₃ (рисунок 1.2 а).

Если  к кристаллу кварца вдоль оси  приложена сила Fx, равномерно  распределенная по грани, то в результате деформации элементарной ячейки ее электрическая  нейтральность нарушается. При этом в деформированном состоянии  ячейки сумма проекций векторов Р2 и  Р3 на ось Х становится меньше (при  сжатии) или больше (при растяжении) вектора P1. В результате появляется равнодействующая вектора поляризации, ей соответствуют  поляризационные  заряды на гранях. Нетрудно видеть, что  деформация ячейки не влияет на электрическое  состояние вдоль оси Y. Здесь сумма  проекций векторов равна нулю, так  как P_2Y = P_3Y. (рисунок 1.2 б).

Образование поляризационных зарядов на гранях, перпендикулярных оси X, при действии силы по оси X называется продольным пьезоэффектом.При  механических напряжениях, приложенных  вдоль одной из осей Y (их называют механическими осями), геометрическая сумма проекций векторов Р₂ и Р₃ на ось Y равна нулю, и на гранях пьезоэлемента, перпендикулярных оси Y, заряды не образуются. Однако сумма проекций векторов Р₂ и Р₃ на ось X оказывается не равной вектору P₁. Так, при сжатии пьезоэлемента, указанная сумма превышает Р₁; в результате на нижней грани образуются положительные заряды, а на верхней – отрицательные (рисунок 1.2 в).

Рассмотренный эффект образования зарядов на гранях, называется поперечным. При нагружении по оси Z, перпендикулярной осям X и Y и называемой оптической осью кристалла, кристалл кварца также остается электрически нейтральным. При механическом напряжении сдвига, деформирующем ячейку так, как показано на рисунке, геометрическая сумма проекций векторов Р₂ и Р₃ на ось X равна вектору P₁, направленному по оси X, и на гранях, перпендикулярных оси X, заряд не возникает. Однако проекции векторов Р₂ и Р₃ на ось Y не равны, и на гранях, перпендикулярных оси Y, возникает заряд (рисунок 1.2 г ) [3].

Рисунок 1.2 – Возникновение пьезоэффекта

2.ТЕНЗОР ПОЛЯРИЗАЦИИ

Если кристалл растягивают  или сжимают, он приходит в напряженное состояние. Сила F, действующая на единицу площади S, называется механическим напряжением σ. Механическое  напряженное  состояние  описывается  тензором  напряжений второго ранга. 

Представим себе единичный  куб, вырезанный из кристалла (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1 –  Механические  напряжения

На  рисунке 2.1  изображены  механические  напряжения,  действующие на  элемент объема (а), и проекция элемента объема на плоскость “X₂-X₃” (б) (цифры 1, 2, 3 обозначают видимые на рисунке 2.1,а  грани).

Напряжения,  направленные  нормально  к  граням (σ₁₁,  σ2₂,  σ₃₃),  называются нормальными   напряжениями.  На  рисунке 2.1,а эти напряжения  растягивают кристалл. Напряжения, действующие на невидимые на рисунке 2.1,а грани, не показаны.

В обозначении напряжений первое число указывает направление  по оси координат, второе – номер  грани. 

Так,  σ₁₁  означает  нормальное  напряжение,  действующее вдоль оси Х=Х₁   на   переднюю   (на   рисунке 2.1,а –   первую)   грань.   Соответственно,    σ₂₂ - нормальное напряжение, действующее вдоль оси y = Х₂ на правую грань куба и т.д. Механические напряжения, направленные вдоль граней (σ₁₂, σ₂₁, σ13, σ₃₁, σ₂₃, и σ₃₂), называются тангенциальными или касательными напряжениями. Они вызывают в кристалле деформации сдвига. Механические напряжения не являются векторными величинами, такими, как, например, напряженность электрического поля. Если электрическое поле направлено снизу кристалла вверх, то на нижней грани вектор  электрического  поля  направлен к элементарному объему,  а на верхней грани – от него, т.е. на обеих гранях объема вектор электрического поля имеет одно и то же направление. Механические напряжения на противоположных гранях элементарного объема направлены противоположно друг другу.

Напряженность электрического поля –  вектор. Вектор полностью определяется  заданием значений  трех  его компонент  вдоль    координатных осей    Е = (Е₁,  Е₂,  Е₃). Векторы   являются   также тензорами первого ранга (3¹ = 3). Механически напряженное состояние кристалла описывается заданием девяти компонент напряжений, т.е. тензором второго ранга (3² = 9 ), который записывается  следующим образом:

По диагонали этой таблицы  стоят нормальные напряжения, все  остальные напряжения – тангенциальные.

  На рисунке 2.1,б  представлена двухмерная модель кристалла, расположенного в плоскости “y-z”. Как следует из рисунка, напряжения σ₂₃   создают пару сил, которая стремится повернуть объем по часовой  стрелке. Напряжения σ₃₂  создают пару  сил, стремящуюся повернуть кристалл  против  часовой стрелки. Поскольку  элемент находится  в равновесии, обе пары сил равны по величине; поэтому  σ₂₃ = σ₃₂ .

Аналогично можно показать, что σ₁₂ = σ₂₁  и σ₁₃ = σ₃₁. Таким образом, механически напряженное  состояние кристалла можно описать меньшим числом компонент, в данном случае – шестью компонентами вместо девяти. В связи с этим производят  замену  обозначений  у  напряжений.  Новые  обозначения  называют матричными  обозначениями. 

Поляризованность  Р пропорциональна  механическому напряжению σ: 

Р = dσ ,       (2.1)

где d – константа, называемая пьезоэлектрическим модулем.

Из этого уравнения  следует,  что  замена  напряжения  растяжения  напряжением  сжатия приводит к изменению направления  поляризованности на обратное.

  Пьезомодуль d – величина, численно равная плотности связанного заряда, появляющегося на  поверхности пьезоэлектрика  при единичном напряжении. В СИ размерность этой величины - Kл/м² . Следует обратить внимание на то, что в теории  упругости буквой  σ  обозначают  механическое  напряжение,  в  электротехнике этой буквой обозначают несколько электрических величин и, в частности, поверхностную плотность электрического заряда. Это надо помнить и называть величину в соответствии с ее физическим смыслом. 

Поляризованность задается тремя взаимно перпендикулярными компонентами Р = (Р₁, Р₂, Р₃), где Р₁ – поляризованность объема в направлении оси Х₁; Р₂ -  поляризованность объема в направлении оси Х₂  ; Р₃ – поляризованность объема в направлении оси Х₃.

  Каждая компонента  поляризованности  Р₁ линейно связана со всеми компонентами напряжения σ_jk через компоненты пьезомодулей d_ijk. Для P₁ уравнение записывается так:

P₁= d₁₁₁ σ₁₁ + d₁₁₂ σ₁₂ + d₁₁₃ σ₁₃ + d₁₂₁ σ₂₁ + d₁₂₂ σ₂₂+ d₁₂₃ σ₂₃ + d₁₃₁ σ₃₁ + d₁₃₂ σ₃₂+ d₁₃₃ σ₃₃   

Для Р₂ и Р₃  можно записать аналогичные уравнения: 

Р₂ = d₂₁₁ σ₁₁+ d₂₁₂ σ₁₂+d₂₁₃ σ₁₃+d₂₂₁ σ₂₁+d₂₂₂ σ₂₂+d₂₂₃ σ₂₃+d₂₃₁ σ₃₁+d₂₃₂ σ₃₂+d₂₃₃ σ₃₃;

Р₃= d₃₁₁ σ₁₁+ d₃₁₂ σ₁₂+d₃₁₃ σ₁₃+d₃₂₁ σ₂₁+d₃₂₂ σ₂₂+d₃₂₃ σ₂₃+d₃₃₁ σ₃₁ +d₃₃₂ σ₃₂+d₃₃₃ σ₃₃.

Таким образом, поляризованность пьезоэлектрика описывается двадцатью  семью  компонентами  пьезомодуля.  При  этом  пьезомодуль –  тензор  третьего ранга (3³= 27).

В сокращенном виде система  уравнений для Р₁, Р₂ и Р₃ выглядит следующим образом:

P_i = d_ijk σ_jk; i,jk =1,2,3.

 Поскольку σ₁₂ = σ₂₁, σ₁₃ = σ₃₁  и  σ₂₃ = σ₃₂, постольку предполагают, что касательные напряжения σ₁₂ и σ₂₁ вносят одинаковый вклад в Р₁, а поэтому без доказательств принимают, что

d₁₁₂  = d₁₂₁;  d₁₁₃ = d₁₃₁;   d₁₂₃ = d₁₃₂.

Иными словами, предполагают, что тензор d_ijk симметричен по индексам j и k, т.е.

d_ijk=  d_ikj .

Это  обстоятельство  дает  возможность  исключить  из  рассмотрения  часть пьезоэлектрических  коэффициентов  и  использовать  более  короткие матричные обозначения. Перепишем  пьезомодули,  учитывая  симметричность  по  индексам d_ijk = d_ikj и упрощенное уже обозначение индексов у напряжений:

σ₁₁ = σ₁; σ₂₂ = σ₂;    σ₃₃ = σ₃; σ₂₃ = σ₄; σ₁₃ = σ₅;   σ₁₂ = σ₆;

d₁₁₁  = d₁₁;  d₂₁₁ = d₂₁;   d₃₁₁ = d₃₁; d₁₂₃  = ½d₁₄;  d₂₁₃ = ½d₂₅.

Таким образом, при замене двух одинаковых индексов у пьезомодулей их величина не изменяется, а при  замене двух разных индексов - удваивается, т.е. вводится  множитель ½.  Это  делается  для  того,  чтобы  в  уравнении  для  Р  при  суммировании одинаковых членов избежать появления множителя 2.  

Запишем уравнение для  Р₁ в матричной форме: 

Р₁ = d₁₁σ₁ + ½ d₁₆σ₆ + ½ d₁₅ σ₅ + ½ d₁₆ σ₆ + d₁₂ σ₂ +  ½ d₁₄ σ₄ + ½ d₁₅ σ₅ + ½ d₁₄ σ₄ + d₁₃ σ₃ .

Сложим подобные члены  и, расположив члены в порядке  возрастания индекса при пьезомодуле, получим:

Р₁ = d₁₁σ₁ + d₁₂σ₂ + d₁₃ σ₃ + d₁₄ σ₄ + d₁₅ σ₅  + d₁₆ σ₆ .

Аналогичные  выражения  получаются для Р₂ и Р₃:

Р₂ = d₂₁σ₁ + d₂₂σ₂ + d₂₃ σ₃ + d₂₄ σ₄ + d₂₅ σ₅  + d₂₆ σ₆

Р₃ = d₃₁σ₁ + d₃₂σ₂ + d₃₃ σ₃ + d₃₄ σ₄ + d₃₅ σ₅  + d₃₆ σ₆ .

Теперь матрица пьезомодулей примет  следующий вид:

            σ₁          σ₂            σ₃         σ₄         σ₅       σ₆

Р₁          d₁₁        d₁₂          d₁₃       d₁₄       d₁₅        d₁₆

Р₂          d₂₁        d₂₂          d₂₃       d₂₄       d₂₅        d₂₆

Р₃          d₃₁        d₃₂          d₃₃       d₃₄       d₃₅        d₃₆

При  рассмотрении  кристаллов  различных  кристаллографических  классов можно увидеть, что при  действии простых напряжений (сжатия или растяжения) часть пьезомодулей обращается в нуль, так как не во всех кристаллографических направлениях  при  деформации  на  поверхности  появляется  нескомпенсированный  заряд. Иными словами, для каких-либо кристаллографических направлений  структура кристалла будет  симметричной. Так, для кристалла  γ-кварца (группа симметрии 3:2) матрица пьезомодулей прямого пьзоэффекта выглядит таким образом:

                                             σ₁          σ₂            σ₃         σ₄         σ₅         σ₆

Ось Х₁=Х              Р₁           d₁₁        -d₁₁          0           d₁₄          0            0

Ось Х₂=Y             Р₂          0            0            0            0          -d₁₄       -2d₁

Ось Х₃=Z              Р₃          0            0            0            0           0             0

  Из анализа  матрицы  видно, что деформация в направлении  оси “Z” (ее называют оптической  осью) не приводит к поляризации  – все пьезомодули равны нулю. При деформации в направлении  осей Х и У часть пьезомодулей  тоже обращается в нуль. Матрица  пьезомодулей указывает, в каких  направлениях надо вырезать пластинки  из монокристалла, чтобы получить  наибольший пьезоэлектрический  эффект[4].

В настоящие время разработана  феноменологическая теория пьезоэффекта, связывающая деформации и механические напряжения с электрическим полем  и поляризацией в кристаллах. Установлена  система параметров, определяющих эффективность  кристалла как пьезоэлектрика. Пьезоэлектрический модуль (пьезомодуль) d определяет поляризацию кристалла (или плотность заряда) при заданном приложенном механическом напряжении; пьезоэлектрическая константа определяет механическое напряжение, возникающие в зажатом кристалле под действием электрического поля; пьезоэлектрическая постоянная g характеризует электрическое напряжение в разомкнутой цепи при заданном механическом напряжении; и, наконец, пьезоэлектрическая постоянная h определяет электрическое напряжение в разомкнутой цепи при заданной механической деформации. Эти постоянные являются родственными величинами и связанны друг с другом соотношениями, включающими в себя упругие константы и диэлектрическую проницаемость кристаллов, поэтому можно пользоваться любой из них. Наиболее употребителен пьезомодуль d. Пьезоэлектрические постоянные являются тензорами, и поэтому каждый кристалл может иметь несколько независимых пьезомодулей[1].

3. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ПЬЕЗОЭФФЕКТА

3.1. Пьезоэлектрический трансформатор

Пьезотрансформаторы находят  широкое применение в современной  светотехнической аппаратуре и приборах. Они позволяют минимизировать габариты устройств зажигания и питания  различного класса газоразрядных ламп, создавать высокоэффективные высокочастотные  источники питания с КПД до 95%, обеспечивающие повышение долговечности  ламп в 5–10 раз и светоотдачу более  чем в 1,4 раза. Применение пьезотрансформатора  обеспечивает два режима: зажигание  и питание ламп, позволяет отказаться от индуктивных, конденсаторных и некоторых  активных компонентов в источниках питания и, соответственно, повысить надежность и снизить себестоимость  изделий.

Впервые конструкция пьезотрансформатора (рисунок 3.1) была запатентована в 1956 году американским ученым Розеном.

Пьезотрансформатор представляет собой монолитную конструкцию различной  формы (прямоугольный, квадратный, кольцевой, цилиндрический), изготовленную из пьезокерамического материала. На часть  внешних поверхностей наносятся  методом вжигания серебряные электроды (толщина слоя 6–12 мкм). Для получения  пьезоэлектрических свойств пьезотрансформатор поляризуется при его размещении в сильном электрическом поле.

В зависимости от направления  поляризации пьезотрансформаторы  подразделяются на поперечнопродольные, поперечно-поперечные и продольнопродольные. После поляризации к электродам припаиваются электрические контакты.

В последние годы разработаны  принципиально новые конструкции  пьезотрансформаторов — многослойные. Конструкция многослойных пьезотрансформаторов состоит из чередующихся тонких слоев (пьезокерамика толщиной 100–200 мкм) и электродов (платина или платиново-палладиевый  материал). Технология изготовления аналогична стандартной технологии изготовления многослойных конденсаторов. Данная конструкция позволяет обеспечить высокую плотность мощности пьезотрансформатора (до 40–50 Вт/см2) и, соответственно, уменьшить габариты в 3–5 раз по сравнению с традиционным пьезотрансформатором, а также позволяет работать на низкоомную нагрузку с высоким КПД.

По аналогии с электромагнитными  трансформаторами с помощью электродов формируются две секции — входная  и выходная (рисунок 3.1).

Принцип действия основан  на двойном преобразовании энергии: во входной секции (секции возбуждения) электрическая энергия преобразуется  в механическую, а в выходной секции механическая энергия преобразуется  в электрическую.

а)

б)

Рисунок 3.1 – а) Пьезотрансформатор типа Розена с продольно-поперечной поляризацией (стрелками указано направление поляризации);б) Пьезотрансформатор с продольно-поперечной поляризацией (стрелками указано направление поляризации)

В основном применяются два  типа пьезотрансформаторов:

    - пьезотрансформаторы  Розена с продольно-поперечной  поляризацией;

   - пьезотрансформаторы  с поперечно-поперечной поляризацией (квадрат- кольцо).

Конструкция пьезотрансформатора  Розена из-за высокого внутреннего  импеданса не пригодна для передачи больших мощностей на выходную нагрузку, но обеспечивает высокий коэффициент  трансформации от 100 до 10000 при выходной мощности не выше 5–10 Вт (рисунок 3.1, а).

Пьезотрансформаторы с поперечно-поперечной поляризацией (рисунок 3.1,б) имеют коэффициент трансформации 10 и менее, но обеспечивают на низкоомной нагрузке выходную мощность до 50 Вт.

Конструкция пьезотрансформатора  Розена представляла собой брусок длиной 50, толщиной 12 и шириной 3–5 мм, изготовленный  из пьезокерамического материала типа ЦТС-43. Половина (входная секция) трансформатора поляризована в направлении толщины, а другая (выходная секция) поляризована в направлении длины. Два электрода  расположены на лицевых поверхностях входной секции, а третий электрод — на торцевой стороне выходной секции. Электроды наносились на поверхность  методом вжигания серебряной пасты. Толщина серебряного электродного покрытия — 6–10 мкм. После поляризации, режим которой обеспечивает приобретение пьезотрансформатором требуемых пьезоэлектрических характеристик, к электродам припаивались входные и выходные электрические  контакты (из медной проволоки диаметром 2 мм) с помощью припоя типа ПСР2.

3.2. Пьезоэлектрические форсунки

Пьезоэлектрические форсунки находят широкое применение в  современном машиностроении, например, в аккумуляторных топливных системах с электронным управлением «Коммон  рейл». Главной особенностью этих систем является разделение узла создающего давление (ТНВД – аккумулятор) и узла впрыска (форсунки). Первым промышленным образцом аккумуляторной топливной системы с электронным управлением без мультипликаторов давления, названный Common Rail (общий путь, т.е. общая для форсунок магистраль, аккумулятор), явилась совместная разработка фирм Robert Bosch GmbH, Fiat, Elasis. На серийных автомобилях с применением электронного управления они появились в 1997 году. По сравнению с обычным дизелем система «коммон рейл» позволяет снизить расход топлива до 40% при уменьшении токсичности отработавших газов и снижении шумности при работе на 10 %.

 Одним из путей совершенствования системы «коммон рейл» является уменьшение быстродействия открытия форсунки. Минимальное время открытия форсунки для электромагнита с подвижным сердечником составляет 0,5 мс, что не позволяет оперативно изменять подачу топлива. Для более быстрого срабатывания форсунки концерн «Сименс», разработал пьезокерамический инжектор, который работает вчетверо быстрее.

Известно, что при подаче электрического напряжения на пьезокерамическую  пластинку, она на несколько микрон изменяет свою толщину. Пьезоэлемент, являющийся исполнительным элементом  форсунки, представляет собой параллелепипед длиной 30…40 мм, состоящий из спеченных  между собой 300 керамических пластинок (кристаллов).

Рисунок 3.2 –  Пьезоэлемент

Для усиления пьезоэффектав  керамику добавляют палладиум и  цирконий. После подачи напряжения он удлиняется в общей сложности  на 0,04 мм. Пьезоэлемент потребляет энергию  только при подаче напряжения и регенерирует ее при выключении напряжения, таким  образом являясь регенератором  энергии.  

Изобретателям немецкой фирмы  удалось создать 280-слойный пакет  из пьезокерамики, расширяющийся на 80 мкм всего за 0,1 мс - достаточно, чтобы воздействовать на иглу форсунки с усилием 6300 Н. При этом для управления используют напряжение бортовой сети автомобиля. Электрогидравлическая  форсунка концерна с пьезоэлементом «Сименс» показана на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3 – Разрез электрогидравлической форсунки фирмы Siemens.

Принцип работы форсунки «Сименс» аналогичен работе форсунки «Бош», за исключением регулирования давления в камере управления. Вместо электромагнита здесь применяется пьезоэлемент 1. Для увеличения хода клапана используется механический рычажный мультипликатор перемещения 2. При срабатывании пьезоэлемента 1, в результате его расширения, происходит перемещение и поворот рычажного мультипликатора перемещения 2, который в свою очередь перемещает шток 3, при этом последний открывает клапан управления 4. Давление в камере управления падает и запорная игла под действием высокого давления в кармане распылителя открывается.В начале своего хода (поз I) через рычажный мультипликатор передается максимальное усилие, противодействующее высокому давлению перемещение при этом минимальное а/b ≈ 1. В конце хода усилие уменьшается, а ход увеличивается в а/b > 1 раз (позиция II).

Развитием форсунок с пьезоэлементом стало перенесение управляющего клапана в нижнюю часть форсунки (рисунок 3.4).

Рисунок 3.4 – Схема форсунки с пьезоэлементом второго поколения.

Благодаря тому, что пьезофорсунки  имеют намного меньшее время срабатывания, чем традиционные электромагнитные, стало возможным разделение горючей смеси на несколько отдельных микродоз: после многократных предварительных впрыскиваний очень небольших количеств горючей смеси следуют либо основное впрыскивание, либо при необходимости многие так называемые «послевпрыскивания». Время между предварительным впрыскиванием и основным впрыскиванием составляет 100мс. Объем топлива, попадающего в цилиндр в момент каждого предварительного впрыскивания, составляет 1,5 мм3. Это делается для равномерного распределения давления в камере сгорания и, соответственно, уменьшения шума, создаваемого в процессе сгорания. После впрыскивания, в свою очередь, служат для снижения токсичности отработавших газов. Если в конце цикла сгорания произвести еще одно впрыскивание в цилиндр, то оставшиеся частицы сгорают лучше. Кроме того, в случае, когда во впускной системе установлен фильтр для улавливания несгоревших частиц, такая технология за счет высокой температуры способствует его очистке. Это особенно актуально для двигателей с большим рабочим объемом.