Piezo-Ventil

[BJ68]

Für das Aerogel-Projekt bin ich gerade dabei mir aus einer Piezo-Einspritzdüse A2760704095 für Benzin Direkt-Einspritzung ein Piezoventil zu basteln, was sich zur gezielten überkritischen Entspannung des superkritischen CO₂ eignet.

Vorspiel:

Im Paper "Visualization and comparison of methane and hydrogen jet dynamics using schlieren imaging" https://doi.org/10.1016/j.fuel.2022.125762 wird gezeigt, dass sich mit so einem Injektor auch Wasserstoff und Methan injizieren lassen d.h. Gase und das der Nadelhub von der angelegten Spannung abhängt.

Im Paper "Pneumatic and Optical Characterization and Optimization of Hydrogen Injectors for Internal Combustion Engine Application" https://www.frontiersin.org/journals/me ... 68855/full wird ein HDEV4 Injektor ebenfalls für Wasserstoff und Helium benutzt.

Im Paper "Experimental and chemical-kinetic evaluation of a heavy-duty methanol PFI engine with direct water injection"
https://doi.org/10.1016/j.fuel.2023.130326 wird ein HDEV4-Injektor (Part number A2780700687) zur Injektion von Wasser bei einem Druck von 160 bar benutzt.

Ausgehend von diesen drei Papern habe ich beschlossen, dass es einen Versuch wert wäre, so einen Injektor als Piezoventil für die Entspannung zu benutzen, da vom Druckbereich und vom Medium her dieser Injektor auch mit gasförmigen, flüssigen und auch überkritischen CO₂ zurecht kommen sollte. Kommt noch dazu, dass diese Injektoren, sofern kein Originalteil relativ billig sind.

Die Theorie:

Normalerweise werden diese Injektoren über ein spezielles Steuergerät vgl. Seite 26 ff. https://www.ni.com/pdf/manuals/DI_Driver_UM_RevF.pdf bzw. ab Seite 22 ff. https://www.vieletech.com/static/Drivve ... M_RevD.pdf angesteuert, wobei die Spannungen bis zu 150 V gehen und die Stromstärken bei bis zu 12 A liegen.
Auf https://autoditex.com/page/petrol-piezo ... -52-1.html findet sich ein Test für diese Injektoren wo sich auch die Wellenform der Spannung und die Stromstärke sehen lässt, die da am Injektor anlegen sollte.
Allerdings wurde meiner Ansicht nach im Punkt 4. da etwas vertauscht...das blaue Signal dürfte die Steuerspannung darstellen und das Rote den Stromfluss und nicht umgekehrt.

Die Praxis:
Da diese Steuergeräte mit über 1000 Euro zu Buche schlagen, habe ich mir eine billigere Lösung überlegt:

Ein Powersupply was bis zu 200 V liefert wird über ein SSR (Solid State Relay) angesteuert. Das SSR selbst dann über einen Puls-Generator wo sich die Pulsdauer als auch die Pausenzeiten variieren lassen. So sollte sich eine Entspannungskurve einstellen lassen, die das Aerogel beim Trocken heile lässt....

Die ersten Probleme:

Habe Vorgestern einen Schnelltest probiert:

Es wurde trocken d.h. ohne Druckbeaufschlagung ein Injektor an ein Pharmacia Powersupply GPS 200/400 was eigentlich für Elektrophorese gedacht ist angeschlossen und wenn die Spannung auf 190 V eingestellt war öffnete sich beim einstecken des zweiten Anschlusses die Düse, was mit dem Binocular deutlich zu sehen war. Soweit so gut...das Powersupply liefert bei 200 V eine Stromstärke von 400 mA, was weit unter der den Stromstärken liegt, was diese Injektoren normalerweise abbekommen. Allerdings ist die Ausdehnung des Piezo-Stacks von der Spannung abhängig und nicht von der Stromstärke, soviel ich weiß.
Das Komische, für das ich noch keine Erklärung habe ist, dass die Öffnung recht kurzzeitig war d.h. beim Einstecken eines Steckers (der andere war schon eingesteckt) hat sich das Ventil kurz geöffnet, sich dann aber wieder geschlossen, obwohl die komplette Spannung am Injektor anlag. Eigentlich sollte der Injektor solange offen bleiben, bis die Spannung wieder entfernt wird u.a. auch deshalb weil zu dem Pizeostack da ein Widerstand mit 220 kOhm parallel geschaltet ist, der dann den Stack langsam wieder entlädt vgl.:

Hat wer eine Ahnung warum sich das Teil nur kurzzeitig öffnet und auch beim Anlegen der Spannung nicht offen bleibt?


bj68

[BJ68]

Am Wochenende wurden die ersten Vortests mit dem Piezoventil Setup gemacht...

Um die Pulse zu erzeugen wurde ein ELV Universal-Puls-Generator UPG100 https://de.elv.com/p/elv-universal-puls ... mId=085806 benutzt, der über ein BINC-Kabel an ein Halbleiterrelais DD220D80 www.amazon.de/dp/B07ZJKHSS8 mit folgenden Eigenschaften https://aukeman.cn/products/pd106.html angeschlossen wurde. Dazwischen kam noch eine Spule mit 100 µH 5 A http://us.100y.com.tw/viewproduct.asp?MNo=116825 in Reihe.

Ein SSR (Solid State Relay) für Wechselstrom funktioniert nicht zur Ansteuerung des Injektors, es muss eines für DC sein.

Vorvorversuche mit
a) einem Bio-rad 200/2.0 Electrophoresis Power Supply was 2 A bei 150 V und
b) einem Xantrex XHR150-7 Power Supply was 7 A bei 150 V liefert
führten zu keiner längeren Öffnungszeit des Injektors, daher wurde wieder das Power Supply GPS 200/400 von Pharmacia benutzt (u.a. auch weil beim basteln es doch einen Unterschied machen dürfte ob ich mit 400 mA, 2 A oder gar 7 A eine gewischt bekomm).


Der Injektor wurde hinten mit einem M6 Gewinde ausgestattet und mit diversen Adaptern und einem Hochdruckschlauch für Kohlensäure www.amazon.de/gp/product/B08BZM7CV3 angeschlossen (nach Entfernung der Adapter hat der Schlauch zwei M10x1 männliche Gewinde) an den Autoklaven angeschlossen.

Vorversuche:

Die Apparatur wurde mit einer kleinen Menge Trockeneis beschickt und verschlossen, nach dem Erwärmen auf 40°C auf dem Magnetrührer stellte sich ein Druck von 52.7 bar ein, was auch beabsichtigt war, um alle Verbindungen zu testen.

Beobachtungen:
a) Mit der Spannung ließ sich die Größe der Öffnung des Injektors regeln d.h. je höher die Spannung um so größer der Öffnungsspalt. Nach einigen Versuchen wurden 70 V als Spannung gewählt

b) Auffällig war, dass beim einschalten des Puls-Generators die erste Öffnung des Injektors sehr stark war und erst beim zweiten Impuls deutlich kleiner wurde liegt u.U. (Vermutung von mir) daran, dass das Power Supply nur 400 mA schafft und sich am Anfang da ein Kondensator entlädt.

c) In der Zuleitung zum Injektor kühlte das überkritische Kohlendioxid zwar ab, so dass wahrscheinlich flüssig vorliegen dürfte. Abkühlung des Injektors durch Verdampfen war kein Problem, wurde zwar kühler, fing aber nicht an zu vereisen.

Erster Versuch:
Da sich der Injektor eh nach kurzer Zeit von selber schließt und er ja eigentlich für Impulse im ms Bereich entworfen ist, wurde die T_on Zeit auf 0.00103 s eingestellt, was für einen kurzen Gasimpuls völlig reichte.
Die T_off Zeit wurde auf 2 s begrenzt und das System gestartet. Mittels einem digitalen Manometer HG-806XB wurde der Druck zu unterschiedlichen Zeiten abgelesen, was folgenden Graph ergab:

Zweiter Versuch:
Am nächsten Tag wurde mit einer erheblich größeren Menge Trockeneis versucht wirklich in den überkritischen Zustand zu kommen. Die T_on Zeit blieb gleich. T_off wurde auf 3 s erhöht und die Temperatur auf 66°C. Nach der Aufheizphase stellte sich ein Druck von 101.2 bar ein.
Hier die Graph bis gestern Abends:

Zusammenfassung:

Beim ersten Vorversuch wurde eine Druckreduktion von 2.6 bar/h erreicht (gemittelt über die gesamte Zeit). Beim zweiten mit 3 s Off-Zeit zwischen den Pulsen waren es 0.6 bar/h trotz höheren Druck.

Laut viewtopic.php?p=67284#p67284 sollte die Druckreduktion bei bis zu 7 bar/h liegen d.h. dieses Injektor-Setup würde da für meine Zwecke reichen.....

bj68

[mgritsch]

Powersupply liefert bei 200 V eine Stromstärke von 400 mA, was weit unter der den Stromstärken liegt, was diese Injektoren normalerweise abbekommen. Allerdings ist die Ausdehnung des Piezo-Stacks von der Spannung abhängig und nicht von der Stromstärke, soviel ich weiß. Das Komische, für das ich noch keine Erklärung habe ist, dass die Öffnung recht kurzzeitig war d.h. beim Einstecken eines Steckers (der andere war schon eingesteckt) hat sich das Ventil kurz geöffnet, sich dann aber wieder geschlossen, obwohl die komplette Spannung am Injektor anlag.

200 V x 400 mA = 80 W.
wenn da tatsächlich so viel Strom fließt (warum eigentlich? Piezo müsste doch Bauartbedingt eher hohe Spannung aber sehr niedrigen Strom ziehen? Das ist ja ärger als jedes Relais?) dann hättest du mit Dauerbetrieb ein Problem, denn die 80 W würden als Hitze so ein kleines Teil ganz schön ins schwitzen bringen. Daher vermute ich dass da irgend eine Art Begrenzer eingebaut ist der den Stromfluss bald wieder unterbricht. Dass im µs Bereich kurz sehr hohe Kapazitive Ströme >400 mA fließen bis sich das aufgeladen hat mag ja durchaus sein. Schon mal mit Speicheroszi reingeschaut? Das sollte alles sagen was da abgeht.

Eigentlich sollte der Injektor solange offen bleiben, bis die Spannung wieder entfernt wird u.a. auch deshalb weil zu dem Pizeostack da ein Widerstand mit 220 kOhm parallel geschaltet ist, der dann den Stack langsam wieder entlädt

die 0,9 mA Entladestrom klingen vernünftig und dürften so einen Piezo sogar ziemlich rasch entladen. So groß ist die Kapazität nicht dass da länger ein Strom fließen müsste.

[BJ68]

Update:

a) Um zu testen, ob die kurze Öffnungsdauer des Injektor von der Stromstärke abhängt wurden folgende Versuche gemacht:

Über einen Variac (0-250 V 10 A) wurden 110 V Ausgangspannung eingestellt und diese in einen Gleichrichter MDQ150A-1600V https://asenergi.com/en/products/diode- ... 50-16.html eingespeist. Über das SSR und den Pulser wurde dann mit dieser Spannung und Stromstärke der Injektor angesprochen.
Führte subjektiv zu keiner Verlängerung der Öffnungszeit.

Auch als am Ausgang des Gleichrichters parallel ein Kondensator (SPRAGUE Powerlytic 36DX) mit 7800 µF 250 VDC angeschlossen wurde veränderte sich die Öffnungszeit auch nicht.

Der gleiche Test wurde auch noch mit dem Xantrex XHR150-7 Power Supply durchgeführt, mit ebenfalls dem gleichen Ergebnis.

In Bavaria steht auch noch ein Variac, der bis zu 20 A liefern kann (habe den mal zum Forentreffen mitgebracht, für den leuchtenden Gurken-Versuch), schätze aber, dass das Ergebnis das Gleiche sein dürfte....

Die gute Nachricht....es stört für diese Aufgabe nicht....


Hier mal Bilder vom Aufbau:

Das Power Supply:

Der Pulser:

Das SSR, mit der Drosselspule:

b) Bei den ursprünglichen Test, habe ich im Verlauf beobachtet, dass das CO₂ aus dem Injektor flüssig austrat, was ich photographieren wollte.
Der Autoklav wurde mit rund 350 g Trockeneis geladen und verschlossen. Über den Magnetrührer wurde er auf 88°C erwärmt, was zu einer Kopftemperatur von 72°C führte. Der Druck stellt sich auf 1800 psi (124 bar) ein (das digitale Manometer wurde gegen das ursprüngliche ausgetauscht, weil sich herausgestellt hat, dass ersteres ein G 1/4" Gewinde hat, die Aufnahme selber aber ein 1/4 NPT Gewinde ist, was dazu führt, dass da nur so 10 mm ineinander greifen (Glück gehabt)).
Zu diesem Zweck wurde ein Vela One High Speed Flash http://www.vela.io/vela-one-high-speed-flash mittels eines MIOPS Triggers https://www.miops.com/de/products/smart der auf Sound eingestellt war, mit der Kamera verbunden. Die Hasselblad wurde auf T mit manuellem Fokus eingestellt und über den Trigger ausgelöst, wobei der Trigger über das Natel eingestellt wurde, da jegliche Manipulation am Trigger selber, diesen auslöste. Als Objektiv wurde ein XCD 120 Marco verwendet und das auf die Düse fokussiert. Die Lichter wurden gelöscht, der Verschluss der Kamera ausgelöst, so dass er offen blieb und beim Auslösen des Injektors über den Pulser triggert der Ton, den Kurzzeitblitz, der die Aufnahme belichtet und zugleich den Verschluss der Kamera wieder schließt.

Hier der Aufbau in der Übersicht:

Detail 1:

Detail 2:

Die Ergebnisse:

Die Düse:

Injektion-1:

Injektion-2:

Injektion-3:
Diese wurde mit weniger Spannung ausgeführt.

bj68

[Propan-2-on]

denn die 80 W würden als Hitze so ein kleines Teil ganz schön ins schwitzen bringen

Ob das so ist? Im hier geplanten Betrieb wird die Geschichte passiv durch das CO2 gekühlt, und im automotiven Betrieb sitzt das Ding direkt im Zylinderkopf. Ich zweifle wenig dran das hier auch im Angesicht automotiver Steuerzeiten bei höheren Drehzahlen eventuell noch Elektronik ist die eine schnellere Schließung verursacht, aber ob Hitze da ein Designgedanke war?