Acoplamento de atuadores eletromecânicos a válvulas de esquentadores

Abstract

Os esquentadores produzidos atualmente pela Bosch Termotecnologia utilizam válvulas baseadas em atuadores de solenóide para a regulação do fluxo de combustível. Cada atuador é caracterizado por parâmetros que garantem o correto funcionamento dos dispositivos, designadamente no que se refere a caudais de gás e quedas de pressão através das válvulas. Recentemente a Bosch Termotecnologia manifestou o interesse em explorar a viabilidade de substituir os atuadores solenóide por atuadores piezoelétricos. O seu possível interesse reside na necessidade de substituir a matéria-prima principal do solenóide, o cobre, devido ao seu preço e sua variabilidade, dependência dos mercados orientais, como a China, e instabilidade da pureza da composição química do Cu, que origina flutuações no desempenho do solenóide. No presente projeto propõem-se soluções baseadas em atuadores piezoelétricos, para dois tipos de válvulas em uso nos esquentadores da Bosch, a macroválvula e a microválvula. Estas válvulas últimas são caracterizadas por apresentarem um deslocamento do atuador de 1mm e uma diferença de potencial de 1.6V. É sabido que os atuadores à base de materiais piezoelétricos apresentam deslocamentos pequenos, mas de elevada precisão. A necessidade de deslocamentos elevados supera-se por acoplamento de soluções de amplificação. Por outro lado permitem variação do deslocamento por variação da tensão aplicada. Para a macroválvula propõe-se uma solução baseada num atuador piezoelétrico bimorfo em forma de disco e para a microválvula um atuador piezoelétrico bimorfo do tipo bender. A solução proposta para a microválvula é aqui aprofundada, sendo abordados dois benders de diferentes dimensões. Caracterizam-se os desempenhos piezoelétricos dos benders em termos das suas respostas a variações de tensão, i.e. curvas de deslocamento em função do campo elétrico e respetivo comportamento histerético. Com o intuito de avaliar o impacto do funcionamento do atuador nas atuais condições de escoamento do gás, desenhou-se e construiu-se um protótipo de uma microválvula por manufatura aditiva usando o termoplástico acrilonitrilo-butadieno-estireno (ABS) e incorporou-se nele o bender de menores dimensões. A caracterização do desempenho deste protótipo através das relações observadas entre tensões elétricas aplicadas, deslocamentos do bender, quedas de pressão do gás na sua passagem pela microválvula e caudais associados, permitiu identificar condições de operação do atuador piezoelétrico semelhantes às da microválvula com atuador solenóide. Observou-se que ativações do atuador piezoelétrico bimorfo do tipo bender com tensões aplicadas próximas de 35 V asseguram quedas de pressão (e caudais) semelhantes aos observados na microválvula com atuador solenóide. A otimização da implementação da atuação piezoelétrica em válvulas da Bosch Termotecnologia, nomeadamente a nível das tensões elétricas e custo, poderá passar pelo redimensionamento de algumas das válvulas. Em conclusão, foi demonstrada a viabilidade técnica de substituição de um atuador solenóide por um atuador piezoelétrico tipo bender bimorfo numas das atuais microválvulas da Bosch Termotecnologia, sem recurso a um novo desenho da microválvula.

The heaters currently produced by Bosch Thermotechnology rely on valves based on solenoid actuators for regulating the fuel flow. Each actuator is characterized by parameters that ensure the correct functioning of the devices, namely with regard to gas flows and pressure drops through the valves. Bosch Thermotechnology has recently expressed an interest in exploring the feasibility of replacing solenoid actuators with piezoelectric actuators. Its possible interest lies in the need to replace the main raw material of the solenoid, copper, due to its price and variability, dependence on the eastern markets, such as China, and instability of the chemical composition of Cu, which causes fluctuations in the solenoid performance. In the present project we propose solutions based on piezoelectric actuators, for two types of valves in use in Bosch water heaters, the macrovalve and the microvalve. These valves are characterised by XXX For the macrovalve a solution based on a disc type bimorphic piezoelectric actuator is proposed and for the microvalve a bender type bimorph piezoelectric actuator. The proposed solution for the microvalve is detailed here, and two benders of different dimensions are considered. The piezoelectric performances of the benders are characterized in terms of their responses to voltage variations, i.e. displacement curves as a function of the electric field and respective hysteretic behavior. In order to evaluate the impact of the actuator operation on gas flow conditions, a prototype of a microvalve was designed and constructed by additive manufacturing using acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS) thermoplastic and the small bender was coupled to the prototype. The characterization of the performance of this prototype through the observed relations between applied voltages, bender displacements, gas pressure drops through the microvalve and associated flow rates allowed to identify conditions of operation of the piezoelectric actuator similar to those of the solenoid actuator microvalve. It has been observed that activations of the bimorph piezoelectric actuator of the bender type with applied voltages close to 35 V ensure pressure drops (and flow rates) similar to those observed in the micro-valve with solenoid actuator. The optimization of the implementation of the piezoelectric actuation in valves of Bosch Thermotechnology, namely in relation to the electrical voltages and cost, may pass through resizing / redesigning some of the valves. In conclusion, the technical feasibility of replacing a solenoid actuator with a bimorph bender piezoelectric actuator was demonstrated in one of Bosch Thermotechnology's current micro-valves, without resorting to a new design of the microvalve.