About / Advertise
Siemens har tagit ett piezoelektriskt material till sin hjälp för att utveckla en snabbverkande insprutningsventil. Snabb bränsleinsprutning är nämligen en förutsättning för förbättrad förbränning med minskade utsläpp av farliga avgaser som följd. Siemens piezohydrauliska insprutningsventil har en svarstid på mindre än 0,1 ms, tio gånger snabbare än konventionella ventiler.
Elektromagnet duger inte
Vid höga varvtal finns mycket lite tid för bränsleinsprutning i cylindrarna. I en bensinmotor tar insprutningen maximalt 10 ms och i en dieselmotor endast 4 ms. Om processen ska styras mellan öppningen och stängningen av ventilen måste ventilen svara snabbt på spänningspulser från motorns styrsystem.Elektromagnetiska ventiler är för långsamma för att uppnå denna snabba svarstid. Deras kopplingstid är runt 0,6 ms och de kan inte ge den mycket exakta dosering av bränsle som är nödvändig för effektiv förbränning.
Siemens nya ventil baseras på principen att vissa material utvidgas när de utsätts för en spänning. Det har dessutom visat sig fördelaktigt att stapla flera tunna lager av detta piezoelektriska material på varandra för att hålla styrspänningen så låg som möjligt.
En 20 mm hög flerlagerstrave expanderar cirka en promille, det vill säga 20 μm. Denna förstoring kan sedan förstärkas till cirka 100 μm med hjälp av en hydraulisk mekanism. Den resulterande kraften är nog för att driva ventilen.
För närvarande är den pålagda spänningen 120 V, men Siemens hoppas kunna minska denna genom att göra de piezoelektriska lagren ännu tunnare. Om lagren görs alltför tunna kan dock minsta lilla strukturfel leda till att det bryts sönder. De elektriska fält som utvecklas är i storleksordningen 1 000 V/mm.
Doserar bränslet exakt
Till skillnad från konventionella ventiler har Siemens ventil dessutom den fördelen att den ger mycket exakt dosering av små mängder bränsle - ytterligare en förutsättning för förbättrad förbränning.
Helst ska bränslet nå cylindern i en finfördelad, men samtidigt fokuserad stråle. Detta har Siemens lyckats uppnå med hjälp av mikrofabricerade injektionsplåtar med ett stort antal mycket små hål.
För att kontrollera att förbränningen sker på optimalt bästa sätt, har Siemens dessutom utvecklat ett antal detektorer med extra hög känslighet. En av dessa, den så kallade lambdasonden, är mycket värmetålig, vilket gör att den kan monteras direkt på cylindern. Därmed är det för första gången möjligt att kontrollera luft-bränsle-blandningen i varje cylinder via motorns styrsystem.
Sondens kärna är ett halvledarmaterial vars motstånd beror huvudsakligen på sammansättningen hos den omgivande gasen. Materialet är titanat täckt av ytterligare lager av metalloxid. Man har utnyttjat det faktum att vissa metalloxider är känsliga för olika gaskoncentrationer. Syrekoncentrationen kan därmed mätas, vilket relaterar direkt till förbränningseffektiviteten.
Men eftersom sonden sitter i grenröret måste den tåla temperaturer mellan 800 och 1 100 °C. Temperaturen påverkar resistiviteten hos halvledarmaterialet exponentiellt och hotar alltså att störa dess funktion. En elektrisk värmekälla har därför placerats ovanpå substratet som håller en konstant temperatur runt 900 °C.
Sonden har en svarstid på mindre än 10 ms, vilket gör att den kan hålla full kontroll över luft-bränsle-blandningen även vid hastigheter på 6 000 varv/minut. Siemens menar att deras teknik är idealisk för övervakning av avgaskatalysatorer. Biltillverkare väntas inom några år förse sina nya bilar med ett effektivt övervakningssystem för katalysatorerna.
Lambdasonden kan dock även utnyttjas för att kontrollera luftkvaliteten inne i bilen. BMW och Mercedes har planer på att använda detektorn för detta ändamål inom några år.
Gittan Cedervall
