2----博世第三代压电控制共轨喷油系统

博世第三代压电控制共轨喷油系统一、概论从上世纪80年代起．特别是第一代共轨喷油系统引入汽车柴油机喷油系统领域以来。

直喷式柴油机燃烧过程开发的理念就发生了划时代的变化：为了较大幅度地降低废气排放和燃油消耗，应尽可能采用越来越高的喷油压力。

这就涉及到如何充分利用高喷油压力的潜力，其中包括提高柴油机的功率、有害物排放量和燃油经济性。

而不损害其运转的稳定性和柔和性。

随着柴油机平均有效压力的提高，活塞侧压力的急剧升高使得柴油机的运转噪声明显增大，此时采用位于主喷射之前的预喷射不愧为最合适的应对措施，它可以平缓汽缸压力升高率，从而降低躁声排放。

特别是随着轿车舒适性的不断提高，为了进步降低柴油机的燃烧噪声，需要不止一次的预喷射，而且预喷射的油量越来越小，当然对喷油系统的计量精度和重复性的要求就更高了。

在喷油压力继续提高和更严格的排放法规（欧洲2005年实施欧Ⅳ排放标准，北京2006年实施国Ⅲ排放标准）形势下，在主喷射前后补充附加喷射是进一步优化直喷式柴油机燃烧过程的有效途径。

一方面，喷油压力进一步升高时，必须采用多次喷射使得燃烧过程始终具有柔和的压力升高率，以便进一步降低燃烧噪声另一方面，机内净化炭烟颗粒始终是直喷式柴油机燃烧过程开发的重要目标，为使缸内燃烧过程中形成的碳烟颗粒能更好地燃烧，还应附加台适的后喷射。

这特别适合于发动机中低转速范围，在这些运转工况范围内喷油控制的灵活性显得尤为重要。

随着废气排放法规进一步严格，为满足欧Ⅳ及以上的排放法规的要求，轿车柴油机越来越多地装用吸附式N0X和颗粒捕集器，这又对喷油系统提出了另一个要求：为在柴油机运转期间实现这两种装置的再生，以持续地保持它们的净化功能，须在主喷射主后再补充一部分燃油，以便为吸附式NO X催化器还原净化NO X，提供所需的还原剂（CO、HC）图1 发动机不同转速和扭矩工况所学的喷射次数示意图为颗粒捕集器再生提供定期烧掉累积起来的碳烟颗粒所需热量，并提高催化器和颗粒捕集器中的温度，这在中低转速区域更显得特别重要，否则就不能确保它们在该区域中每个运转工况下都能达到进行循环再生所必需的温度。

综合上述要求，喷油系统统必须具备每循环尽量多次的喷射能力，最理想的状况是：在转速低于2500/min的运转工况区最多达5次喷射，在中等转速区2次或3次喷射．而在标定转速区只需单次喷射（图1），这就要求喷油器中的控制阀必须具有很高的工作频响和控制柔性，而且对喷油计量精度和重复性提出了更高的要求。

但是，电磁阀控制的喷油器因受电磁线圈的电感和磁滞回线的影响而具有较长的滞后时间，限制了其达到更高的工作频响和控制柔性。

为此，西门子及博世等公司，相继于2000年及2003年推出了第三代压电控制式喷油器共轨系统，其显著特点是集成在喷油器体中压电执行器能使喷油器比高速电磁阀控制的喷油器更迅速的开闭。

与迄今为止最好的电磁阀控制的喷油系统相比，同在160MPa系统压力下，这种第三代压电控制式喷油器共轨系统能降低排放有害物高达约20%，而且图2 Bosch第三代压电共轨喷油系统示意图其新颖的调节功能有助于提高喷油量计量精度，甚至用在重型车，不采用排气后处理装置，也可能达到欧Ⅳ排放标准，同时能提高功率约5%，降低油耗3%左右，降低噪音约3dB（A）。

下面主要介绍Bosch公司的压电式喷油器共轨系统。

二、第三代压电控制共轨喷油系统简介图2及图3分别表示了Bosch公司第三代压电共轨喷油系统及其用于一种V6柴油机的系统布置图。

低压电动输油泵将燃油输送给具有进油计量功能的高压油泵，其中的分配单元将进入的燃油分成两路：一路供给泵有元件，另一路用于冷却。

高压油泵的最大供油压力可达180MPa，并将其输入共轨。

共轨上安装了共轨压力传感器，并通过安装在高压泵山的进油计量电磁阀调节共轨压力，共轨上还安装了压力限压阀（机械式），用于限制共轨的最高压力。

图3 V6柴油机用第三代压电共轨喷油系统布置图高压燃油经过共轨送往压电喷油器，它由控制端元根据运行工况来控制，能精确的调节喷油正时、喷油量及喷油规律。

1.泵油量可调式高压油泵第三代压电控制喷油器共轨系统采用了CP3.X型泵油量可调式高压油泵，为单缸径向柱塞式，CR/CP3S3高压泵的外形如图4所示。

其工作原理与第二代共轨系统用高压油泵相同。

图4 CR/CP3S3高压油泵CP3.X高压油泵有各种不同的结构尺寸，能满足不同排量的发动机需要。

通过不同的壳体尺寸、柱塞直径和行程的分级来改变泵油量以适应不同机型的需要。

同样，将输油泵分为电动输油泵和集成在高压泵内的整体式输油泵，以供选择，并可根据发动机的需要，选用不同形式的联轴节。

2.高压油管、调压阀和共轨总成高强度模块式激光焊接共轨的结构方案基本上能满足未来的要求，其表面涂层不含Cr6+，已满足2007年开始实施的法规要求。

为了检测共轨压力，在共轨的两端轴向分别装有最新一代的压力传感器和共轨压力限制阀（图5）。

共轨的容积必须足够大，以便补偿压力的波动，将其对喷油的影响降至最小程度；另一方面，共轨容积应足够小，以便起动时迅速建立轨压。

在设计阶段利用AMESIM程序进行模拟计算，使其达到最佳程度。

图5 CRS3.0系统的共轨三、压电控制式喷油器1.逆压电效应实际上．汽车上运用压电技术并非什么新鲜的事情。

下车时提醒司机关闭灯光的蜂鸣器就是一个典型的应用实例。

其基础原理可以追溯到1880年库里(Curie)兄弟的发现，当时他们观察到某些晶体一旦受到压力或敲击时就会产生一个电压，他们将观察到的这种现象按照希腊宇“Piezein”（压）命名为压电（Piezo）效应。

1881年研究人员首次发现这种效应也可以逆向起作用：在一个合适的晶体上施加一个电压．这样就会引起晶体晶格的变形，从而产生一种线性位移。

这种逆压电效应就成为了压电共轨喷油系统的技术基础。

2.压电执行器及其特点一个压电元件的晶体晶格的变形是非常微小的，以至于对作为执行器使用提出了巨大的挑战。

压电薄层技术对压电共轨喷油器的压电执行器的开发十分重要，该项技术直到20世纪70年代才趋于成熟。

为了使压电执行器获得足够的位移（行程），将很多片陶瓷薄片烧结威一个长方形六面体，因此喷油器中30mm长的压电元件由300多层厚度为80μm的压电陶瓷薄片组成（图6）。

这种多层压电元件在汽车应用场合（温度一40～+140℃，高振动）以预装配执行器模块装在喷油器中，工作行程大约为40μm。

经过多年的开发工作，研究人员制作出了一种专用陶瓷用于执行器。

图6 多层压电执行器的结构示意图这种专用陶瓷首先要解决一个问题：高温引起执行器中晶体晶格的极化及其由此使压电元件变形位移缩小，从而使得压电执行器的工作行程减小。

因此，对于用于喷油器场台的压电材料性能必须具有高的库里点（Curie—Punkt），而具备这种性能的陶瓷又偏偏只有较弱的压电效应。

现在所应用的执行器由一种采用多层技术的PZT（piezo electric transition）压电跃变陶瓷组成．这种陶瓷材料是一种铅一锆一钛混合物，而在烧结工艺过程中插入的电极则由银一钯合金组成。

为了开发这种机电一体化的元件，必须要综合有关化学、电子学和物理学等方面的技术秘诀。

另一个挑战是要开发出一种可精确控制的制造工艺方法．以防止在烧结时单片陶瓷层之间接触部位的扩散。

与电磁阀执行器相比，压电执行器首先具有快速响应性的特点。

作为机电一体化的元件，它就好象是一个多层陶瓷电容器，在电压下立即就能充电，在0.1ms 内就会发生晶格变形，比任何其他众所周知的可应用的物理现象都要来得快。

与电磁阀相比（见表1），喷油器中的压电执行器具备以下特点：表1 电磁阀控制和压电控制喷油器性能比较②开关非常迅速而精确；③可重复性非常好i④无结构设计所造成的诸如间隙之类的误差；⑤在使用寿命期内性能稳定；⑥压电模块可以预生产和预检验的执行器方式供货；其开发的难点是：①不同材料的温度补偿，并集成在一个可预生产的压电执行器模块中；②能量的吸收和反馈要设计的能量消耗最少；③针对压电执行器优化电子控制单元、控制策略和可靠性方案。

3.压电喷油器的基本工作原理图7显示出了压电控制式喷油器的结构。

喷嘴针阀是由一个伺服阀来控制的，喷油量则由其控制持续期决定。

以图8示说明其工作原理。

实现压电喷油器功能的主要组件是压电执行器、液压接杆、伺服阀和喷嘴。

压电执行器在非工作状态时处于原始位置，伺服阀关闭。

高压范围和低压范围相互隔断。

此时，液压接杆补偿可能存在（例如由干热膨胀所引起的）间隙，喷嘴借助于紧接着控制室的共轨压力保持关闭状态。

压电执行器起作用时就将伺服阀打开，从而使控制室中的压力降低．喷嘴开启。

若伺服阀关闭，控制室中的压力随之增大，喷嘴针阀也随之关闭。

图7 压电控制喷油器示意图这种压电喷油器被设计成没有机械力通过推杆作用在喷嘴针阀上，因此运动质量和摩擦大大降低，并且喷油器的稳定性和喷油误差比通常的电磁阀控制喷油系统明且改善。

伺服阀与喷嘴针阀的紧密连接使得针阀对压电执行器的动作能直接作出迅速的反应，控制始点与喷油始点之间的延迟时间总共约150 μs，这样就能获得高的针阀速度和重复性较好的最小喷油量。

由于压电执行器集成在喷油器体中，因此取消了电磁瞬控制喷油器中将喷嘴针阀运动传递到控制室的控制柱塞。

与常规的电磁阀控制的喷油器相比．这种压电喷油器的液压传递路线从152mm缩短至42mm，减少了2／3。

最大的喷嘴针阀运动速度可达1.3 m/s，要比其他所生产的电磁阀式共轨喷油系统约高一倍。

将许多功能高度集成在最小的空间内，必须开发新的喷嘴模块和阀模块的各种不同的功能结台在一起。

如图9所示。

此外，从原理上讲．这种压电喷油器没有从高压油路向低压油路泄漏的部位。

这样就提高了整个系统的液压效率。

同时，这种压电喷油系统还能实现很短的喷射间隔。

图10示范性地示出了每循环5次喷射的实例，其喷射次数和时刻能与发动机工况相匹配。

图8 压电共轨喷油器工作原理示意图图9 喷嘴模块的工作原理图图10 压电喷油器柔性控制实例每循环5次喷射示意图由于压电共轨喷油系统工作的压力高达180MPa，因此压电喷油器对零件表面质量和几何精度等方面的机械性能提出了极高的耍求。

其最小的喷孔直径可达到0.12mm，并有意加工成圆锥形，喷孔内侧进孔处还要采用液力研磨（液力冲蚀）工艺倒成圆角。

所有的喷嘴针阀体孔直径都经气动量仪测量，针阀直径则按测得的喷嘴针阀体孔直径尺寸进行自动配磨，确保该对精密偶件的配合间隙保持在大约2 μm。

正因为针阀体和针阀偶件必须以如此小的公差来相互配对，因此机械加工的要求十分苛刻。

毛坯要在23℃的恒温车间内进行加工，喷嘴针阀体内孔的表面粗糙度要求达到Rz=0 6μm，并采用激光干涉仪进行无缺陷检验。