Технический отдел: объяснение пьезотопливных форсунок

Jun 12, 2023

Если вы когда-нибудь видели искры, возникающие от того, что кто-то жует Wint-O-Green Life Savers в затемненной комнате, вы были свидетелем этого явления: некоторые кристаллические материалы, такие как сахар, производят незначительное количество электричества, когда вы их сжимаете. Для этого даже есть слово: «пьезоэлектрик», которое описывает электричество, возникающее под давлением. Но этот процесс также обратим: те же самые материалы слегка расширяются под действием электричества. В автомобиле есть множество мест, где может пригодиться пьезоэлектрическое расширение.

Возьмем, к примеру, точные дозировки, необходимые для современной доставки топлива. Bosch, Continental и Delphi, среди прочих, использовали это специфическое свойство расширения пьезоматериала (а не обычного электромагнита) для открытия форсунки топливной форсунки и точного распыления топлива как в бензиновые, так и в дизельные двигатели. Однако заставить эти устройства работать непросто.

Одна из причин заключается в том, что расширение пьезокристаллов незначительно. Кусочек пьезоматериала толщиной в две сотые дюйма расширяется всего лишь примерно на 0,00002 дюйма, когда на него попадает электричество напряжением примерно 140 вольт. Этих двухсоттысячных дюйма недостаточно, чтобы сдвинуть иглу форсунки, которая является частью, которая запечатывает форсунку и должна открываться для впрыска топлива.

Инжектор Continental состоит из сотен маленьких пьезоэлементов, наложенных друг на друга так, что совместное расширение увеличивает общее движение. Стопка обеспечивает перемещение на 0,004 дюйма — этого достаточно, чтобы переместить иглу достаточно далеко для впрыска топлива. Но поскольку это движение происходит в неправильном направлении — вниз, а не вверх — добавление двух крошечных рычагов позволяет расширить пьезоэлемент, вызывая подъем иглы и начало распыления топлива. Когда впрыск завершен, напряжение отключается, пьезоэлемент сжимается, и пружина закрывает иглу.

У пьезоинжекторов есть несколько ключевых преимуществ, которые оправдывают все эти беспокойства. Во-первых, они открываются и закрываются гораздо быстрее, чем обычные форсунки. Это позволяет более точно контролировать интервал впрыска, который определяет, сколько топлива впрыскивается в двигатель. Пьезоэлементы также обеспечивают обратную связь, создавая незначительные колебания электричества, используемого для их активации. Например, если компьютер управления двигателем запрашивает время открытия форсунки 0,5 секунды, а реакция форсунки показывает, что она открылась только на 0,496 секунды, компьютер может добавить немного времени к следующему циклу впрыска для компенсации. Такое точное дозирование топлива способствует улучшению сгорания, что приводит к большей экономии топлива и снижению выбросов.

Пьезоинжекторы не только более точны, чем обычные твердотельные инжекторы, но и могут выполнять некоторые трюки, которые полностью выходят за рамки возможностей их предшественников. Во-первых, при подаче немного меньшего количества электроэнергии пьезокристаллы меньше расширяются, поэтому форсунки могут открываться частично. Меньшее отверстие означает более длительное время впрыска, что полезно при попытке точного впрыска небольшого количества топлива, например, когда автомобиль почти движется накатом. Поскольку пьезофорсунки действуют очень быстро, они также могут впрыскивать несколько раз (до семи в некоторых дизелях) в течение одного цикла сгорания. Такая гибкость может снизить выбросы во всех двигателях, а также ограничить количество сажи в дизелях.

Эти преимущества обеспечили применение пьезоинжекторов во многих новейших дизельных и бензиновых двигателях с непосредственным впрыском. А компания Continental, например, утверждает, что ее пьезоэлектрические устройства стоят не дороже, чем менее мощные традиционные аналоги. Пьезоинжекторы — одно из ключевых устройств, которые позволят двигателям внутреннего сгорания конкурировать с этими надоедливыми электрическими выскочками на долгие годы вперед.

Чаба Чере присоединился к Car and Driver в 1980 году и так и не ушел. После работы техническим редактором и директором он был главным редактором с 1993 года до выхода на пенсию в 2008 году. Он продолжает заниматься автомобильной журналистикой и гонками LeMons, а также обслуживать свой Jaguar E-type 1965 года выпуска, 2017 год. Porsche 911 и трио мотоциклов — когда он не катается на лыжах и не ходит в походы возле своего дома в Колорадо.