1、 博世第三代壓電控制共軌噴油系統一、概論從上世紀80年代起特別是第一代共軌噴油系統引入汽車柴油機噴油系統領域以來。直噴式柴油機燃燒過程開發的理念就發生了劃時代的變化：為了較大幅度地降低廢氣排放和燃油消耗，應盡可能采用越來越高的噴油壓力。這就涉及到如何充分利用高噴油壓力的潛力，其中包括提高柴油機的功率、有害物排放量和燃油經濟性。而不損害其運轉的穩定性和柔和性。隨著柴油機平均有效壓力的提高，活塞側壓力的急劇升高使得柴油機的運轉噪聲明顯增大，此時采用位于主噴射之前的預噴射不愧為最合適的應對措施，它可以平緩汽缸壓力升高率，從而降低躁聲排放。特別是隨著轎車舒適性的不斷提高，為了進步降低柴油機的燃燒噪聲，

2、需要不止一次的預噴射，而且預噴射的油量越來越小，當然對噴油系統的計量精度和重復性的要求就更高了。在噴油壓力繼續提高和更嚴格的排放法規（歐洲2005年實施歐排放標準，北京2006年實施國排放標準）形勢下，在主噴射前后補充附加噴射是進一步優化直噴式柴油機燃燒過程的有效途徑。一方面，噴油壓力進一步升高時，必須采用多次噴射使得燃燒過程始終具有柔和的壓力升高率，以便進一步降低燃燒噪聲另一方面，機內凈化炭煙顆粒始終是直噴式柴油機燃燒過程開發的重要目標，為使缸內燃燒過程中形成的碳煙顆粒能更好地燃燒，還應附加臺適的后噴射。這特別適合于發動機中低轉速范圍，在這些運轉工況范圍內噴油控制的靈活性顯得尤為重要。 隨著

3、廢氣排放法規進一步嚴格，為滿足歐及以上的排放法規的要求，轎車柴油機越來越多地裝用吸附式N0X和顆粒捕集器，這又對噴油系統提出了另一個要求：為在柴油機運轉期間實現這兩種裝置的再生，以持續地保持它們的凈化功能，須在主噴射主后再補充一部分燃油，以便為吸附式NOX催化器還原凈化NOX，提供所需的還原劑（CO、HC）圖1 發動機不同轉速和扭矩工況所學的噴射次數示意圖為顆粒捕集器再生提供定期燒掉累積起來的碳煙顆粒所需熱量，并提高催化器和顆粒捕集器中的溫度，這在中低轉速區域更顯得特別重要，否則就不能確保它們在該區域中每個運轉工況下都能達到進行循環再生所必需的溫度。綜合上述要求，噴油系統統必須具備每循環盡量多

4、次的噴射能力，最理想的狀況是：在轉速低于2500/min的運轉工況區最多達5次噴射，在中等轉速區2次或3次噴射而在標定轉速區只需單次噴射（圖1），這就要求噴油器中的控制閥必須具有很高的工作頻響和控制柔性，而且對噴油計量精度和重復性提出了更高的要求。但是，電磁閥控制的噴油器因受電磁線圈的電感和磁滯回線的影響而具有較長的滯后時間，限制了其達到更高的工作頻響和控制柔性。為此，西門子及博世等公司，相繼于2000年及2003年推出了第三代壓電控制式噴油器共軌系統，其顯著特點是集成在噴油器體中壓電執行器能使噴油器比高速電磁閥控制的噴油器更迅速的開閉。與迄今為止最好的電磁閥控制的噴油系統相比，同在160MP

5、a系統壓力下，這種第三代壓電控制式噴油器共軌系統能降低排放有害物高達約20%，而且 圖2 Bosch第三代壓電共軌噴油系統示意圖其新穎的調節功能有助于提高噴油量計量精度，甚至用在重型車，不采用排氣后處理裝置，也可能達到歐排放標準，同時能提高功率約5%，降低油耗3%左右，降低噪音約3dB（A）。下面主要介紹Bosch公司的壓電式噴油器共軌系統。二、第三代壓電控制共軌噴油系統簡介圖2及圖3分別表示了Bosch公司第三代壓電共軌噴油系統及其用于一種V6柴油機的系統布置圖。低壓電動輸油泵將燃油輸送給具有進油計量功能的高壓油泵，其中的分配單元將進入的燃油分成兩路：一路供給泵有元件，另一路用于冷卻。高壓油

6、泵的最大供油壓力可達180MPa，并將其輸入共軌。共軌上安裝了共軌壓力傳感器，并通過安裝在高壓泵山的進油計量電磁閥調節共軌壓力，共軌上還安裝了壓力限壓閥（機械式），用于限制共軌的最高壓力。圖3 V6柴油機用第三代壓電共軌噴油系統布置圖 高壓燃油經過共軌送往壓電噴油器，它由控制端元根據運行工況來控制，能精確的調節噴油正時、噴油量及噴油規律。1.泵油量可調式高壓油泵第三代壓電控制噴油器共軌系統采用了CP3.X型泵油量可調式高壓油泵，為單缸徑向柱塞式，CR/CP3S3高壓泵的外形如圖4所示。其工作原理與第二代共軌系統用高壓油泵相同。圖4 CR/CP3S3高壓油泵CP3.X高壓油泵有各種不同的結構尺寸

7、，能滿足不同排量的發動機需要。通過不同的殼體尺寸、柱塞直徑和行程的分級來改變泵油量以適應不同機型的需要。同樣，將輸油泵分為電動輸油泵和集成在高壓泵內的整體式輸油泵，以供選擇，并可根據發動機的需要，選用不同形式的聯軸節。2.高壓油管、調壓閥和共軌總成 高強度模塊式激光焊接共軌的結構方案基本上能滿足未來的要求，其表面涂層不含Cr6+，已滿足2007年開始實施的法規要求。為了檢測共軌壓力，在共軌的兩端軸向分別裝有最新一代的壓力傳感器和共軌壓力限制閥（圖5）。共軌的容積必須足夠大，以便補償壓力的波動，將其對噴油的影響降至最小程度；另一方面，共軌容積應足夠小，以便起動時迅速建立軌壓。在設計階段利用AME

8、SIM程序進行模擬計算，使其達到最佳程度。圖5 CRS3.0系統的共軌三、壓電控制式噴油器1.逆壓電效應實際上汽車上運用壓電技術并非什么新鮮的事情。下車時提醒司機關閉燈光的蜂鳴器就是一個典型的應用實例。其基礎原理可以追溯到1880年庫里(Curie)兄弟的發現，當時他們觀察到某些晶體一旦受到壓力或敲擊時就會產生一個電壓，他們將觀察到的這種現象按照希臘宇“Piezein”（壓）命名為壓電（Piezo）效應。1881年研究人員首次發現這種效應也可以逆向起作用：在一個合適的晶體上施加一個電壓這樣就會引起晶體晶格的變形，從而產生一種線性位移。這種逆壓電效應就成為了壓電共軌噴油系統的技術基礎。2.壓電執

9、行器及其特點一個壓電元件的晶體晶格的變形是非常微小的，以至于對作為執行器使用提出了巨大的挑戰。壓電薄層技術對壓電共軌噴油器的壓電執行器的開發十分重要，該項技術直到20世紀70年代才趨于成熟。為了使壓電執行器獲得足夠的位移（行程），將很多片陶瓷薄片燒結威一個長方形六面體，因此噴油器中30mm長的壓電元件由300多層厚度為80m的壓電陶瓷薄片組成（圖6）。這種多層壓電元件在汽車應用場合（溫度一40+140，高振動）以預裝配執行器模塊裝在噴油器中，工作行程大約為40m。經過多年的開發工作，研究人員制作出了一種專用陶瓷用于執行器。圖6 多層壓電執行器的結構示意圖這種專用陶瓷首先要解決一個問題：高溫引起

10、執行器中晶體晶格的極化及其由此使壓電元件變形位移縮小，從而使得壓電執行器的工作行程減小。因此，對于用于噴油器場臺的壓電材料性能必須具有高的庫里點（CuriePunkt），而具備這種性能的陶瓷又偏偏只有較弱的壓電效應。現在所應用的執行器由一種采用多層技術的PZT（piezo electric transition）壓電躍變陶瓷組成這種陶瓷材料是一種鉛一鋯一鈦混合物，而在燒結工藝過程中插入的電極則由銀一鈀合金組成。為了開發這種機電一體化的元件，必須要綜合有關化學、電子學和物理學等方面的技術秘訣。另一個挑戰是要開發出一種可精確控制的制造工藝方法以防止在燒結時單片陶瓷層之間接觸部位的擴散。與電磁閥執行

11、器相比，壓電執行器首先具有快速響應性的特點。作為機電一體化的元件，它就好象是一個多層陶瓷電容器，在電壓下立即就能充電，在0.1ms內就會發生晶格變形，比任何其他眾所周知的可應用的物理現象都要來得快。與電磁閥相比（見表1），噴油器中的壓電執行器具備以下特點：表1 電磁閥控制和壓電控制噴油器性能比較噴油器開關時間滯后時間重復性能量消耗針閥升程可變性電磁閥控制差有差中等無壓電控制好無好好有壓電執行器實際上無滯后時間；開關非常迅速而精確；可重復性非常好i無結構設計所造成的諸如間隙之類的誤差；在使用壽命期內性能穩定；壓電模塊可以預生產和預檢驗的執行器方式供貨；其開發的難點是：不同材料的溫度補償，并集成在

12、一個可預生產的壓電執行器模塊中；能量的吸收和反饋要設計的能量消耗最少；針對壓電執行器優化電子控制單元、控制策略和可靠性方案。3.壓電噴油器的基本工作原理圖7顯示出了壓電控制式噴油器的結構。噴嘴針閥是由一個伺服閥來控制的，噴油量則由其控制持續期決定。以圖8示說明其工作原理。實現壓電噴油器功能的主要組件是壓電執行器、液壓接桿、伺服閥和噴嘴。壓電執行器在非工作狀態時處于原始位置，伺服閥關閉。高壓范圍和低壓范圍相互隔斷。此時，液壓接桿補償可能存在（例如由干熱膨脹所引起的）間隙，噴嘴借助于緊接著控制室的共軌壓力保持關閉狀態。壓電執行器起作用時就將伺服閥打開，從而使控制室中的壓力降低噴嘴開啟。若伺服閥關閉

13、，控制室中的壓力隨之增大，噴嘴針閥也隨之關閉。圖7 壓電控制噴油器示意圖這種壓電噴油器被設計成沒有機械力通過推桿作用在噴嘴針閥上，因此運動質量和摩擦大大降低，并且噴油器的穩定性和噴油誤差比通常的電磁閥控制噴油系統明且改善。伺服閥與噴嘴針閥的緊密連接使得針閥對壓電執行器的動作能直接作出迅速的反應，控制始點與噴油始點之間的延遲時間總共約150 s，這樣就能獲得高的針閥速度和重復性較好的最小噴油量。由于壓電執行器集成在噴油器體中，因此取消了電磁瞬控制噴油器中將噴嘴針閥運動傳遞到控制室的控制柱塞。與常規的電磁閥控制的噴油器相比這種壓電噴油器的液壓傳遞路線從152mm縮短至42mm，減少了23。最大的噴

14、嘴針閥運動速度可達1.3 m/s，要比其他所生產的電磁閥式共軌噴油系統約高一倍。將許多功能高度集成在最小的空間內，必須開發新的噴嘴模塊和閥模塊的各種不同的功能結臺在一起。如圖9所示。此外，從原理上講這種壓電噴油器沒有從高壓油路向低壓油路泄漏的部位。這樣就提高了整個系統的液壓效率。同時，這種壓電噴油系統還能實現很短的噴射間隔。圖10示范性地示出了每循環5次噴射的實例，其噴射次數和時刻能與發動機工況相匹配。圖8 壓電共軌噴油器工作原理示意圖圖9 噴嘴模塊的工作原理圖圖10 壓電噴油器柔性控制實例每循環5次噴射示意圖由于壓電共軌噴油系統工作的壓力高達180MPa，因此壓電噴油器對零件表面質量和幾何精

15、度等方面的機械性能提出了極高的耍求。其最小的噴孔直徑可達到0.12mm，并有意加工成圓錐形，噴孔內側進孔處還要采用液力研磨（液力沖蝕）工藝倒成圓角。所有的噴嘴針閥體孔直徑都經氣動量儀測量，針閥直徑則按測得的噴嘴針閥體孔直徑尺寸進行自動配磨，確保該對精密偶件的配合間隙保持在大約2 m。正因為針閥體和針閥偶件必須以如此小的公差來相互配對，因此機械加工的要求十分苛刻。毛坯要在23的恒溫車間內進行加工，噴嘴針閥體內孔的表面粗糙度要求達到Rz=0 6m，并采用激光干涉儀進行無缺陷檢驗。確保噴嘴針閥體孔和針閥幾何精度的正確性和一致性，從而使針閥在針閥體孔中的自由滑動達到最理想的狀態。為了證實加工質量完全一

16、致，另外還要進行噴射油束形狀檢驗來控制最終的實際應用質量。噴油器的最后裝配則要求在凈化室內進行，因為公差極其小，并必須確保性能的高可靠性，因此即使50 m大小的微粒就會妨害噴油器的正常功能，尤其是200m大小以上的微粒決不允許進入噴油器。從功能和可靠性觀點出發，壓電共軌噴油系統對高壓零件的清潔度的要求比通常行程控制的噴油系統更高。因此除了噴油器的裝配之外最終檢驗也要進一步實現自動化，這是確保產品質量致性的基礎。4.壓電執行器特性為了能夠最佳地利用壓電噴油器中壓電執行器的高動態特性，必須遵循嚴格的設計規范。壓電執行器的機械特性可用如圖11的力行程圖來表示。為了描述其特性，先解釋空行程和閉鎖力這兩

17、個特性參數的含義：空行程是指充電狀態下不產生力時的行程，而閉鎖力則指不產生行程時的最大力。根據結構形式和所使用的壓電陶瓷材料的不同，他們分別處于幾毫米和幾千牛頓范圍內。圖11 壓電執行器結構原理及其力形成圖 應用在噴油閥上，執行器必須達到各種不同的開啟位置，也就是各種不同的行程和力的組合。具有傳動比的轉換器將壓電執行器的行程放大，其結果由于能量的原因會使理論上最大可能的力減小同樣的系數，為顧及到動態運行，還應考慮到系統總剛度也會降低。壓電執行器能產生的閉鎖力FAB的線性近似值與有效橫斷面積成正比；而空行程較精確的近似值與壓電執行器的有效長度即片數成正比。雅典執行器的電壓與形成的線性關系具有較準

18、確的近似值，實際上壓電系數取決于電場強度亦即所施加的電壓。按照表2內的公式(1)，壓電執行器閉鎖力與行程成近似的線性關系。為了盡量減少能量損耗，必須使閉鎖力和空行程盡可能最小。此外，所需要的能量還與材料的特性參數有關，因此要求閥接通的行程較小，所需的液壓力也盡可能小。在實際情況下，轉換器的剛度CK，會降低執行器閥端可用的閉鎖力FVB。公式(2)示出了閥作用力Fv與液壓傳動比i的關系。閥端閉鎖力FVB及其理論上可能的最大值分別可由公式(3)和(4)計算。表2 執行器內各力的計算公式表四、新的軟件功能為了進一步改善壓電共軌噴油系統的高精度和確保汽車的使用壽命，使用了新的控制軟件功能。1.噴油器的油

19、量修正（IMA）和電壓修正（ISA）為了進行噴油器油量修正，在噴油器制造過程中對每個噴油器都要采集很多測量數據，并以數據點陣編碼的形式標示在噴油器上；對于壓電噴油器，還要附加上有關噴油器被堵塞后行程的信息。這些信息在汽車制造過程中都被輸入電控單元，在發動機運轉過程中這些數值被用來補償計量和電路方面的偏差。2.壓力波修正（DWK）原則上，在所有的共軌噴油系統中燃油噴射總會引起壓力波，當噴射間隔變化時，這種壓力振動會延遲噴射而影響噴油量。延遲噴射所引起的誤差與噴入的油量、噴射間隔、共軌壓力和燃油溫度有關，電控單元考慮到這些參數，用一個合適的補償算法計算出一個修正量。3.預噴射油量的調節可靠地控制很

20、小的預噴射油量對同時達到舒適性和排放目標具有特別的意義。為此，在博世公司第三代壓電共軌噴油系統中采用了一種實際功率調節方法，與壓力波修正一起來修正預噴射油量。在汽車加速時，針對性地將某個小油量噴入汽缸，通過轉速傳感器可探測到由此相應產生的扭矩提升。顯然，這種駕駛者感覺不到的扭矩提升與噴入的燃油量有關，學習算法確定這種預噴射油量的最小變化量，并相應地修正所有預噴射的控制持續期。4.調節與預噴射油量的調節一樣，同時調節總噴油量和進氣空氣質量的調節同樣具有重要意義，無論是噴油量還是進氣空氣質量的誤差都會導致混合汽的變化，從而影響到廢氣排放。為了進行補償，用一個寬帶傳感器來檢測廢氣中的氧分壓，由此就能

21、反算出空燃比。由于汽車加速時傳感器用大氣中的氧分壓來標定，因此檢測的精度較高。專用的學習和調節方法確保在廢氣排放過程中重要的運行工況范圍內調節到經使用后所給定的空燃比。其匹配過程極其迅速，以至于第一個運行循環以后就可以使用到學習值。五、電控單元第三代壓電共軌噴油系統的電控單元以用于柴油機控制的電控單元平臺為基礎，控制和調節壓電噴油器所需的所有軟硬件功能都已重新開發，并集成在現有的電控單元平臺上，同時模塊式的軟件設計允許用壓電特有的功能替代電磁閥的功能，這些功能都被安裝在電控單元硬件上。為了勝任高的功能要求，那些計時嚴格的功能被安裝在一個協同處理器和一個智能驅動級功能塊上。壓電驅動級的功率放大級

22、（圖12）基本上由3部分組成：帶有直流直流變壓器和蓄能器的能量單元；帶有變壓器部件和驅動器集成電路的充放電單元；帶有驅動器集成電路的汽缸選擇單元。圖12 壓電執行器驅動級示意圖直流直流變壓器用于提供必需的高電壓。出于節能的緣故，在放電過程中壓電執行器的能量被返回到蓄能器中。這樣就能使變壓器的結構尺寸非常緊湊。壓電驅動級的模塊化設計使其有可能廣泛應用于38缸柴油機。六、第三代壓電共軌噴油系統的發動機試驗結果壓電共軌噴油系統的最初開發目標是要大大地改善系統的整體性能。在相同的系統壓力（如160MPa）下，電磁閥系統的全負荷特性可與壓電系統相比，這兩種系統在整個轉速范圍內都能獲得豐滿的扭矩曲線，但是在排放重要的部分負荷范圍內，新的壓電技術就顯示出其潛力來了。即使用電磁閥系統達到一個非常好的水平，但是與之相