压电陶瓷喷油器的发展现状

陶瓷是天然或人工合成的粉状化合物，经过成形和高温烧结制成的，由金属和非金属元素的无机化合物构成的多晶固体材料。压电陶瓷是在一定的工艺下，将压电材料经过高温烧结，然后进行机械加工，按照需要的方式烧上银电极，并用直流电压电场进行极化处理后得到的多晶体材料就是一种具有压电效应的功能型材料，因为它的生产工艺与陶瓷生产工艺相似，所以称其为压电陶瓷.压电学是上个世纪四十年代时的一个晶体物理学的分支。一开始时，压电材料只是指的石英和电气石等一些单晶体材料。1947年，美国的Roberts发现了　

钛酸钡(BaTi03)的压电性能，使多晶体压电材料得到了很大的发展，并迅速得到了初步的应用。钛酸钡(Bam03)的发现是压电陶瓷材料的一个飞跃，因而压电陶瓷材料分为两大类：一个是压电单晶体陶瓷材料，1954年，在美国出现的PzT压电陶瓷(Pb(Zr，Ti)03压电陶瓷)获得了专利权，PzT作为二元系的压电陶瓷拥有比钛酸钡陶瓷更好的压电性能，它的出现迅速扩展了压电陶瓷的应用领域；而另一大类压电陶瓷出现在1965年，日本松下电气公司的研究人员在原有的PZT中加入了Pb(Mgv3Nb2／3)03后，制成了三元系的压电陶瓷，并取名为PCM。PCM是一种透明的压电陶瓷，其压电性能可与PZT相媲美，它的出现也使新型压电陶瓷的研究进入到了一个非常活跃的阶段。　

我国对压电陶瓷的研究开始于上个世纪六十年代，1966年至1969年，在压电与声光技术研究所里，张福学、刘一声等人也是在二元系PZT的基础上，研究制成了三元的压电陶瓷材料PMS，它的研制成功扩大了我们国家对压电陶瓷的应用领域，并用它先后研制成了多种压电器件。之后，在科研人员的努力下，以不同种化合物作为第三成分或第四成分的三元系以及四元系的压电陶瓷相继出现14J。在压电陶瓷的使用领域中，最常见的压电陶瓷材料就是利用金属锆、钛、铅等的氧化物烧结制成的压电陶瓷片。压电陶瓷驱动器是利用其压电效应近年来研制和应用的一种新型微位移器件，它已经广泛应用于电子、航天航空、光，学、生物工程、机械制造、机器人等领域。由于用压电材料设计成的驱动器响应快、低能耗、承载力高和价格低廉等特点受各国学者的重视，所以它广泛的应用在制造换能器、滤波器、变压器、超声延迟线和引燃引爆装置等压电器件。1．2压电陶瓷喷油器的发展现状。

压电陶瓷喷油器柴油机系统是迄今为止柴油机电控喷油技术中，结构最完善、性能最先进、技术难度最大、最有发展前途的电控喷射系统它具有以下特征：高压的产生和喷油控制是分别独立进行的，喷油压力可以根据发动机的运行工况，在较宽范围内进行调节；它还能实现预喷射、主喷射以及多次喷射等；可以自由地改变喷油参数和喷油形态可以高自由度地控制燃油喷射，大大提高柴油机的燃烧效率、降低排放水平、提高发动机的性能。　

目前，各燃油系统方案提供商都已对压电陶瓷电控喷油系统进行了全面的研究，并推出了各自的产品：

德国公司到目前为止共设计了3代高压共轨系统。　

第一代于1977年7月批量投放市场，喷射压力达135MPa，主要应用于轿车。　

第二代2000年开始批量生产，最大系统压力提高到160MPa，并开始使用具有油量调节功能的高压油泵、经改进的电磁阀喷油器，喷射循环由预喷射、主喷射和多级喷射等多次喷射组成，采用降噪新技术。第三代产品于2003年5月推出，最高压力可达160MPa2005年末推出的第三代共轨系统的改进型采用了压电陶瓷执行器，其运动部件由原来的4个减少为1个，运动质量减少75％，开关时间比电磁阀少50％。该系统的喷射压力为160MPa，喷油器响应时间为0．1ms，每次循环可实现5次喷射。目前正在开发的第四代共轨喷射系统，最高喷射压力可达250MPa，并允许喷油压力逐步上升。日本电装公司：其典型代表是它的ECU．U2系统。该系统由高压油泵、共轨、喷油器、和ECU各种传感器组成。高压油泵上有一个泵控制阀PCV，共轨压力，由高压油泵的供油量来控制。安装在共轨上的压力传感器对油压进行反馈控制，使之维持在由发动机转速和负荷确定的目标值。喷油量取决于施加在三通阀上的喷油脉宽，喷油正时取决于喷油脉冲施加于三通阀的时刻。ECU．U2系统能实现对喷油量、喷油正时、喷油速率和喷射压力这燃油喷射四大要素的独立控制。　

它可实现三种喷油率：三角形型喷射，靴型喷射和预喷射。日本电装公司目前的压电式共轨系统的喷射压力为180MPa，并预计在2010年提高到200MPa。　

意大利菲亚特集团：与上世纪80年代在世界上首次设计成功压电陶瓷喷油器，将它应用于Unijet高压共轨系统。Unijct高压共轨系统主要由喷油泵、传感器、电液控制喷油器和ECU组成。与传统凸轮驱动的喷油系统相比，系统对降低和颗粒排放量具有最佳的喷油压力匹配能力，并且能提高最大扭矩。系统能灵活的控制预喷射定时和预喷油量，有效的协调燃烧噪声和烟雾控制之间的关系。

2003年，菲亚特研制成功第二代JTDl6气门多重喷射共轨式柴油发动机，其特点在于：多次喷射系统在发动机的每一个循环中能够进行更多次数的喷射，它们可以产生一系列间隔非常小的喷射。由于柴油被分配得更细，从而得到更平顺的燃烧效果。同时，发动机的主要部件和控制程序都进行了彻底改进。这些技术降低了发动机的运转噪声，特别是降低了发动机冷态时的噪声，提高了功率和扭矩，油耗减少，降低了尾气排放，提前满足了严格的欧排放法规的要求。

美国德尔福公司的Multec　DCR系统：该系统的主要部件有共用高压油轨、高压燃油调压器、高压燃油泵、燃油喷油器、电控单元、燃油滤清器和传感器等。它的喷射压力与发动机转速和负荷无关，即使在低速运行时，系统仍可保持足够压力的高压燃油喷射。可实现多次喷射，能满足欧III排放法规要求。MultecDCR主要采用了带有平衡控制和反馈控制策略的电控电磁阀结构的燃油喷油器，它能提供极快的动作响应并精确地进行燃油流量的计量。这种响应迅速、结构紧凑、小巧玲珑的电磁阀控制的喷油器只需常规12V汽车蓄电池驱动就能正常工作，比世界上现生产的任何一种柴油机共轨喷射系统都节能，大大降低汽车电子系统设计的系统生产成本和复杂程度。整个系统采用积木式设计，便于应用于不同形式和不同种类的发动机。在2007年上海发动机及制造技术展上，德尔福展出了它最新的共轨系统。该系统采用电磁阀执行器，但其响应速度可以和压电式喷油器相媲美。在第29届维也纳汽车讨论会上举办的讲座中，德尔福展示了设计中的直动式共轨系统，它采用压电执行器直接驱动喷油器针阀，为柴油机燃油喷射技术带来了一种创新胜的概念。