2014 七月

燃油喷射系统用压电执行器

极佳的可靠性和性价比

压电执行器是现代节能喷油系统的核心组件。TDK新近推出的的第三代爱普科斯 (EPCOS) 铜内电极压电执行器不仅改善了性能,且性价比更高。

用于燃油喷射系统的爱普科斯 (EPCOS) 压电执行器系列产品始于2000年。截止到目前,已出货的压电执行器远远超过1亿个。为了进一步降低压电执行器的成本,提高耐久性,公司进行了深入且卓有成效的研究。2003年,公司首次引进了带铜内电极执行器,使用铜内电极替代了最初的银-钯电极,实现了更高的性价比。这是一个重要的里程碑,因为使用钯的成本相对较高。TDK是目前世界上唯一一家使用价格经济的铜作为执行器电极材料的公司。市场上有些竞争者为了降低成本,在电极材料中增加了银的比重。但这种做法会导致银迁移后,执行器出现故障,尤其是在高湿度情况下。

带铜内电极的第一代压电执行器的缺陷是压电耦合略低,只有63%;而银-钯执行器的压电耦合可达71%。压电耦合是电极材料将电能转换为机械能的能力衡量标准。带铜内电极的第二代爱普科斯 (EPCOS) 压电执行器初创于2009年,此时其压电耦合已提高至72%。现在,带铜内电极的第三代压电执行器更是进一步提高了这一关键值(图1)。

图1:第三代爱普科斯 (EPCOS) 铜内电极压电执行器

TDK可满足不断增长的技术需求

以下需求是开发压电执行器的主要决定因素:

  • 增强了执行器延伸性和应力性能
  • 减小了组件体积
  • 改善了坚固性和可靠性,提高了使用寿命(开合次数)和延伸性
  • 提高了工作温度

TDK公司提供的的第三代铜内电极压电执行器采用了全新的陶瓷材料,具有更高的耦合因子 (>75) %和效能,完全可满足以上需求。表1显示了每一代带传统隔离区和预定断裂层的多层压电执行器的压电陶瓷材料的主要参数。

表1:每一代压电执行器及其技术的比较

TDK竞争者
叠层设计AgPdCu1Cu2Cu3多样
材料类别软PZT
内部电极Ag75/Pd25CuCu + 1% PdCuAg95/Pd5 至 Ag70/Pd30
压电系数
[pm/V]
800680760915770至910
压电介电常数39103920305038003060至4040
Young’s系数[GPa]2731292822至24
压电耦合[%]7163727663至76
第三代铜内电极压电执行器采用陶瓷材料,具有高活动容积,实现了更高的性能和性价比。

烧结过程是生产带铜电极的压电执行器的关键。整个过程中,氧气分压的温度必须维持在一个非常窄的容差范围内,从而避免陶瓷中氧化铅的还原以及铜的氧化。该工艺经过多年实践证明有效后仍用于的第三代爱普科斯 (EPCOS) 铜内电极压电执行器。

采用选择性刻蚀实现高活动容积

在第三代铜压电执行器(具有最大的活动容积比)的设计过程中,我们减小了隔离区,并剔除了绝大多数传统执行器设计所需的预定断裂层,从而将多层执行器的压电系数(每层延伸)从840pm/V增加至915pm/V。鉴于此,高活动容积技术可最大限度提高了容积效率。

在最新的执行器中,内电极的选择性刻蚀可用于产生隔离区,因此隔离区的厚度可以限定为100µm(图2);而在传统执行器中,该区域的厚度至少为400µm。这种厚度的显著降低以及预定断裂层的去除不仅显著提高了活动容积,其性能与传统设计相比也提高了20%(图3)。

图2:第三代爱普科斯 (EPCOS) 铜内电极 压电执行器的截面图

隔离区的选择性刻蚀实现了更高的活动容积

图3:显著改善的性能

带铜内电极的第三代爱普科斯 (EPCOS) 压电执行器与同等大小的传统压电执行器的性能比较。由于前者具备更高的活动容积,其延伸性和机械应力都得到了明显提升。

选择性刻蚀还可防止传统执行器(带额外隔离层和预定断裂层)中发生的极化裂痕,从而显著提高了可靠性。

为了接触外部电极,TDK开发了一种新型无铅高熔点金属。该金属即便在高温下焊接也不会脆化,从而不会产生接触损失。经证实,该新型金属甚至比用于电极接触的基于铅的焊接物更可靠。因此,新的压电执行器成功通过了200 °C 条件下2000个小时无故障运行的测试,并且无脆化迹象。相反,在180 °C条件下,传统执行器只经过1500个小时的测试就发生故障了。

人们在选择新型压电执行器的关键原则之一是其工作寿命或即便在高温或高空气湿度等恶劣环境下可达到的最大循环次数。由于其杰出的稳定性和可靠性(图4),的第三代爱普科斯 (EPCOS) 铜内电极压电执行器在这方面表现突出。

图4:第三代爱普科斯 (EPCOS) 铜内电极压电执行器的可靠性测试

显而易见:170°C时,第三代爱普科斯 (EPCOS) 铜内电极压电执行器进行10亿次切换操作而无故障。反之,尚未达到这些条件时,银-钯执行器早早就已经表现出显著的故障率。

凭借其显著增强的性能,第三代爱普科斯 (EPCOS) 铜内电极压电执行器在提高柴油和汽油喷射系统的可靠性和延长其工作寿命方面有着不可或缺的重要作用。

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