2-博世第三代壓電控制共軌噴油系統(tǒng)

1、博世第三代壓電控制共軌噴油系統(tǒng)一、概論從上世紀(jì) 80年代起特別是第一代共軌噴油系統(tǒng)引入汽車柴油機噴油系統(tǒng)領(lǐng) 域以來。直噴式柴油機燃燒過程開發(fā)的理念就發(fā)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(yīng)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(jīng)濟性。而不損害其運轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性和柔和性。隨著柴油機平均有效壓力的提高， 活塞側(cè)壓力的急劇升高使得柴油機的運轉(zhuǎn) 噪聲明顯增大， 此時采用位于主噴射之前的預(yù)噴射不愧為最合適的應(yīng)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

2、高，為了進步降低柴油機的燃燒噪聲， 需要不止一次的預(yù)噴射， 而且預(yù)噴射的油 量越來越小，當(dāng)然對噴油系統(tǒng)的計量精度和重復(fù)性的要求就更高了。 在噴油壓力繼續(xù)提高和更嚴(yán)格的排放法規(guī) （歐洲 2005年實施歐排放標(biāo)準(zhǔn)， 北京 2006年實施國排放標(biāo)準(zhǔn)） 形勢下，在主噴射前后補充附加噴射是進一步優(yōu)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(nèi)凈化炭煙顆粒始終是直噴式柴油機燃燒過程開發(fā)的重要目標(biāo)， 為使缸 內(nèi)燃燒過程中形成的碳煙顆粒能更好地燃燒， 還應(yīng)附加臺適的后噴射。 這特別適合于發(fā)

3、動機中低轉(zhuǎn)速范圍， 在這些運轉(zhuǎn)工況范圍內(nèi)噴油控制的靈活性顯得尤為重要。隨著廢氣排放法規(guī)進一 步嚴(yán)格，為滿足歐及以上的 排放法規(guī)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(tǒng) 提出了另一個要求： 為在柴油 機運轉(zhuǎn)期間實現(xiàn)這兩種裝置 的再生，以持續(xù)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(fā)動機不同轉(zhuǎn)速和扭矩工況所學(xué)的噴射次數(shù)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(zhuǎn)速區(qū)域更顯得特別重

4、要， 否則就不能確保它們 在該區(qū)域中每個運轉(zhuǎn)工況下都能達到進行循環(huán)再生所必需的溫度。綜合上述要求， 噴油系統(tǒng)統(tǒng)必須具備每循環(huán)盡量多次的噴射能力， 最理想的 狀況是：在轉(zhuǎn)速低于 2500/min 的運轉(zhuǎn)工況區(qū)最多達 5次噴射，在中等轉(zhuǎn)速區(qū) 2次或 3次噴射而在標(biāo)定轉(zhuǎn)速區(qū)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(fù)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

5、式噴油器共軌系 統(tǒng)，其顯著特點是集成在噴油器 體中壓電執(zhí)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(tǒng)相比，同在 160MPa系統(tǒng)壓力下， 這種第三代 壓電控制式噴油器共軌系統(tǒng)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(tǒng)示意圖其新穎的調(diào)節(jié)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(biāo)準(zhǔn)， 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(tǒng)。二、第三代壓電控制共軌噴油系統(tǒng)簡介圖2及圖 3分別表示

6、了 Bosch公司第三代壓電共軌噴油系統(tǒng)及其用于一種 V6 柴油機的系統(tǒng)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(diào)節(jié)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。高壓燃油經(jīng)過共軌送往壓電噴油器， 它由控制端元根據(jù)運行工況來控制， 能 精確的調(diào)節(jié)噴油正時、噴油量及噴油規(guī)律。泵油量可調(diào)式高壓油泵第三代壓電控制噴油器共軌系統(tǒng)采用了 CP3.X型泵油

7、量可調(diào)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(tǒng)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(jié)構(gòu)尺寸，能滿足不同排量的發(fā)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(yīng)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(nèi)的整體式輸油泵， 以供選 擇，并可根據(jù)發(fā)動機的需要，選用不同形式的聯(lián)軸節(jié)。高壓油管、調(diào)壓閥和共軌總成 高強度模塊式激光焊接共軌的結(jié)構(gòu)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(guī)要求。 為了檢測共軌壓力， 在

8、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(yīng)足夠小， 以便起動時迅速建立軌壓。 在設(shè)計階段利用 AMESIM 程序進 行模擬計算，使其達到最佳程度。圖5 CRS3.0系統(tǒng)的共軌三、壓電控制式噴油器逆壓電效應(yīng)實際上汽車上運用壓電技術(shù)并非什么新鮮的事情。 下車時提醒司機關(guān)閉燈 光的蜂鳴器就是一個典型的應(yīng)用實例。 其基礎(chǔ)原理可以追溯到 1880年庫里 （Curie） 兄弟的發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時他們觀察到某些晶體一旦受到壓力或敲擊時就會產(chǎn)生一個電 壓，他們將觀察到的這種現(xiàn)象按照希臘宇

9、“ Piezein”（壓）命名為壓電（ Piezo） 效應(yīng)。1881年研究人員首次發(fā)現(xiàn)這種效應(yīng)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(chǎn)生一種線性位移。 這種 逆壓電效應(yīng)就成為了壓電共軌噴油系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)。壓電執(zhí)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(zhí)行器使用提 出了巨大的挑戰(zhàn)。壓電薄層技術(shù)對壓電共軌噴油器的壓電執(zhí)行器的開發(fā)十分重 要，該項技術(shù)直到 20世紀(jì) 70年代才趨于成熟。 為了使壓電執(zhí)行器獲得足夠的位移 （行程），將很多片陶瓷薄片燒結(jié)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

10、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(yīng)用場合 （溫度一 40+140，高振動）以預(yù)裝配執(zhí)行器模塊裝在噴油 器中，工作行程大約為 40m。經(jīng)過多年的開發(fā)工作，研究人員制作出了一種專 用陶瓷用于執(zhí)行器。圖 6 多層壓電執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)示意圖 這種專用陶瓷首先要解決一個問題： 高溫引起執(zhí)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(zhí)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(yīng)。 現(xiàn)在所應(yīng)用的執(zhí)行器由一種采用多 層技術(shù)的 PZT（ piezo

11、 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(jié)工藝過程中插入的電極則由銀一鈀合金組成。 為 了開發(fā)這種機電一體化的元件， 必須要綜合有關(guān)化學(xué)、 電子學(xué)和物理學(xué)等方面的 技術(shù)秘訣。 另一個挑戰(zhàn)是要開發(fā)出一種可精確控制的制造工藝方法 以防止在燒 結(jié)時單片陶瓷層之間接觸部位的擴散。與電磁閥執(zhí)行器相比， 壓電執(zhí)行器首先具有快速響應(yīng)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(nèi)就會發(fā)生晶格變形， 比任何其他眾所周知的可應(yīng)用的物理現(xiàn)象都要來得快。 與 電磁閥相比（見表 1），噴油器中

12、的壓電執(zhí)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(guān)時間滯后時間重復(fù)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(zhí)行器實際上無滯后時間；開關(guān)非常迅速而精確；可重復(fù)性非常好 i無結(jié)構(gòu)設(shè)計所造成的諸如間隙之類的誤差；在使用壽命期內(nèi)性能穩(wěn)定；壓電模塊可以預(yù)生產(chǎn)和預(yù)檢驗的執(zhí)行器方式供貨； 其開發(fā)的難點是：不同材料的溫度補償，并集成在一個可預(yù)生產(chǎn)的壓電執(zhí)行器模塊中； 能量的吸收和反饋要設(shè)計的能量消耗最少；針對壓電執(zhí)行器優(yōu)化電子控制單元、控制策略和可靠性方案。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(jié)構(gòu)。噴嘴針閥是由一個伺服閥來控制 的，噴

13、油量則由其控制持續(xù)期決定。以圖 8示說明其工作原理。實現(xiàn)壓電噴油器 功能的主要組件是壓電執(zhí)行器、 液壓接桿、伺服閥和噴嘴。 壓電執(zhí)行器在非工作 狀態(tài)時處于原始位置，伺服閥關(guān)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(guān)閉狀態(tài)。 壓電執(zhí)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(guān)閉，控制室中的壓力隨之增大，噴嘴針閥 也隨之關(guān)閉。圖 7 壓電控制噴油器示意圖這種壓電噴油器被設(shè)計成沒有機械力通過推桿作用在噴嘴針閥上， 因此運動 質(zhì)量和摩擦大大降低， 并且噴油器的穩(wěn)定性和噴油誤差

14、比通常的電磁閥控制噴油 系統(tǒng)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(zhí)行器的動作能直 接作出迅速的反應(yīng)，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(fù)性較好的最小噴油量。由于壓電執(zhí)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(guī)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。最大的噴嘴針閥 運動速度可達 1.3 m/s，要比其他所生產(chǎn)的電磁閥式共軌噴油系統(tǒng)約高一倍。將許多功能高度集成在最小的空間內(nèi)， 必須開發(fā)新的噴嘴模塊和閥模塊的各 種不同的功能結(jié)

15、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(tǒng)的液壓效率。 同時，這種壓電噴油系統(tǒng)還能實現(xiàn)很短的噴射間隔。圖 10示范性地示出了每循環(huán) 5次噴射的實例，其噴射次數(shù)和時刻能與發(fā)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(huán) 5次噴射示意圖由于壓電共軌噴油系統(tǒng)工作的壓力高達 180MPa，因此壓電噴油器對零件表6面質(zhì)量和幾何精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(nèi)側(cè)進孔處還要采用液力研磨（液力沖 蝕

16、）工藝倒成圓角。 所有的噴嘴針閥體孔直徑都經(jīng)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(nèi)進行加工， 噴嘴針閥體內(nèi) 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(tài)。 為了證實加工質(zhì)量完全一致， 另外還要進行噴射油束 形狀檢驗來控制最終的實際應(yīng)用質(zhì)量。噴油器的最后裝配則要求在凈化室內(nèi)進 行

17、，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(fā)， 壓電共軌噴油系統(tǒng)對高壓零件的清潔度的要求 比通常行程控制的噴油系統(tǒng)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(xiàn)自動化，這是確保產(chǎn)品質(zhì)量致性的基礎(chǔ)。壓電執(zhí)行器特性 為了能夠最佳地利用壓電噴油器中壓電執(zhí)行器的高動態(tài)特性， 必須遵循嚴(yán)格 的設(shè)計規(guī)范。壓電執(zhí)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個特性參數(shù)的含義： 空行程是指充電狀態(tài)下不產(chǎn)生力 時的行程， 而閉鎖力

18、則指不產(chǎn)生行程時的最大力。 根據(jù)結(jié)構(gòu)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(nèi)。圖 11 壓電執(zhí)行器結(jié)構(gòu)原理及其力 形成圖應(yīng)用在噴油閥上， 執(zhí)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(zhuǎn)換器將壓電執(zhí)行器的行程放大， 其結(jié)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(shù)， 為顧及到動態(tài)運行， 還應(yīng)考 慮到系統(tǒng)總剛度也會降低。壓電執(zhí)行器能產(chǎn)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(zhí)行器的有效長度即片數(shù)成正比。 雅典執(zhí)行器的電壓 與形成的線性關(guān)系具有較準(zhǔn)確的近似值， 實際上壓電系數(shù)取

19、決于電場強度亦即所 施加的電壓。按照表2內(nèi)的公式 (1)，壓電執(zhí)行器閉鎖力與行程成近似的線性關(guān)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(shù)有關(guān)，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(zhuǎn)換器的剛度 CK，會降低執(zhí)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(guān)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(zhí)行器內(nèi)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(tǒng)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。

20、1.噴油器的油量修正( 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(shù)據(jù)， 并以數(shù)據(jù)點陣編碼的形式標(biāo)示在噴油器上； 對于壓電噴油器， 還要附 加上有關(guān)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(fā)動機運轉(zhuǎn)過程中這些數(shù)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(tǒng)中燃油噴射總會引起壓力波， 當(dāng)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(guān)，電控單元考慮到這些參數(shù)，用一個 合適的補

21、償算法計算出一個修正量。預(yù)噴射油量的調(diào)節(jié) 可靠地控制很小的預(yù)噴射油量對同時達到舒適性和排放目標(biāo)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(tǒng)中采用了一種實際功率調(diào)節(jié)方法， 與壓力波修正一起來修正預(yù)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(zhuǎn)速傳感器可探測到 由此相應(yīng)產(chǎn)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(guān)，學(xué)習(xí)算法確定這種預(yù)噴射油量的最小變化量， 并相應(yīng)地修正所有預(yù)噴射 的控制持續(xù)期。4.調(diào)節(jié)與預(yù)噴射油量的調(diào)節(jié)一樣， 同時調(diào)節(jié)總噴油量和進氣空氣質(zhì)量的 調(diào)節(jié)同樣 具有重要意義，無論是噴油量還是進氣空氣質(zhì)量的誤差都會導(dǎo)致混合汽的變化，

22、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(biāo)定， 因此檢測的精 度較高。專用的學(xué)習(xí)和調(diào)節(jié)方法確保在廢氣排放過程中重要的運行工況范圍內(nèi)調(diào) 節(jié)到經(jīng)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(huán)以 后就可以使用到學(xué)習(xí)值。五、電控單元 第三代壓電共軌噴油系統(tǒng)的電控單元以用于柴油機控制的電控單元平臺為 基礎(chǔ)，控制和調(diào)節(jié)壓電噴油器所需的所有軟硬件功能都已重新開發(fā)， 并集成在現(xiàn) 有的電控單元平臺上， 同時模塊式的軟件設(shè)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

23、硬件上。 為了勝任高的功能要求， 那些計 時嚴(yán)格的功能被安裝在一個協(xié)同處理器和一個智能驅(qū)動級功能塊上。 壓電驅(qū)動級的功率放大級（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(qū)動器集成電路的充放電單元； 帶有驅(qū)動器集成電路的汽缸選擇單元。圖 12 壓電執(zhí)行器驅(qū)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(jié)能的緣故， 在放電過程中 壓電執(zhí)行器的能量被返回到蓄能器中。這樣就能使變壓器的結(jié)構(gòu)尺寸非常緊湊。 壓電驅(qū)動級的模塊化設(shè)計使其有可能廣泛應(yīng)用于 38缸柴油機。六、第三代壓電共軌噴油系統(tǒng)的發(fā)動機試驗結(jié)果 壓電共軌噴油系統(tǒng)的最初開發(fā)目標(biāo)是要大大地改善系統(tǒng)的整體性能。 在相同 的系統(tǒng)壓力（如 160MPa）下，電磁閥系統(tǒng)的全負(fù)荷特性可與壓電系統(tǒng)相比，這兩種系統(tǒng)在整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都能獲得豐滿的扭矩曲線， 但是在排放重要的部分負(fù) 荷范圍內(nèi)，新的壓電技術(shù)就顯示出其潛力來了。即使用電磁閥系統(tǒng)達到一個非常好的水平， 但是與之相比，