高壓共軌壓電式

1、前言概論 從上世紀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，從而降低噪聲排放。特別是隨著轎車舒適性要求的不斷提高，為了進步降低柴油機的燃燒噪聲，需要不止一次的預噴射，而且

2、預噴射的油量越來越小，當然對噴油系統(tǒng)的計量精度和重復性的要求就更高了。 在噴油壓力繼續(xù)提高和更嚴格的排放法規(guī)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。 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。 機內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，為使缸內燃燒過程中形成的碳煙顆粒能更好地燃燒，還應附加合適的后噴射。這特別適合于發(fā)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。 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NOx和顆粒捕集器，這又對噴油系統(tǒng)提出了

3、另一個要求：為在柴油機運轉期間實現(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），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(qū)域更顯得特別重要，否則就不能確保它們在該區(qū)域中每個運轉工況下都能達到進行循環(huán)再生所必需的溫度。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：在轉速低于2500/min的運轉工況區(qū)最多達5次噴射，在中等轉速區(qū)2次或3次噴射而在標定轉速區(qū)只需單次噴射。噴油器中的控制閥必須具有很高的工作頻響和控制柔性，

4、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。一.當前柴油機發(fā)展的狀態(tài)（1）提高在發(fā)動機最低速的扭矩（2）輕量化設計下的功率輸出（3）通過測量進氣系統(tǒng)和燃油噴射以及燃燒室的改進提高功率輸出（4）減少燃油消耗（5）高壓噴射（6）極低噪聲和排放，特別是NOx 由于以上原因，必須在混合氣形成和燃燒室改進，可通過更高壓力的噴射和更精確以及更靈活的噴射方式，例如壓電方式的噴油器。這主要時它的更短的切換時間和噴油量的更精確的控制。2. 壓電效應1.壓電效應：piezo electric ef

5、fect,是該原理在1880年由發(fā)明人的名字（Pierre和Curie）來的。壓電效應可分為正壓電效應和逆壓電效應。 如上圖，正壓電效應：當晶體受到某固定方向外力的作用時,內部就產(chǎn)生電極化現(xiàn)象,同時在某兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷；當外力撤去后，晶體又恢復到不帶電的狀態(tài)；當外力作用方向改變時，電荷的極性也隨之改變；晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。壓電式傳感器大多是利用正壓電效應制成的。 逆壓電效應：是指對晶體施加交變電場引起晶體機械變形的現(xiàn)象。用逆壓電效應制造的變送器可用于電聲和超聲工程。壓電敏感元件的受力變形有厚度變形型、長度變形型、體積變形型、厚度切變型、平面切變型5種基本形式。

6、壓電晶體是各向異性的，并非所有晶體都能在這5種狀態(tài)下產(chǎn)生壓電效應。例如石英晶體就沒有體積變形壓電效應，但具有良好的厚度變形和長度變形壓電效應。3. 在壓電式共軌燃油噴射系統(tǒng)中的壓電效應的應用1. 壓電噴油共軌系統(tǒng) 在此類共軌系統(tǒng)中，間接壓電效應應用于控制噴油器的開啟。電能量（ECM的驅動信號）通過元件的形變轉換為機械能量。由形變產(chǎn)生的力確定了噴油器針閥的提升。 單個元件產(chǎn)生的形變（位移）非常小，因此將多個元件連接在一起產(chǎn)生較大的位移，所以叫做元件堆(stack)。 ECM：Engine Control Module引擎控制模塊 為產(chǎn)生需要的位移以控制噴油器的針閥提升，噴油器中的壓電執(zhí)行器由大量

7、的陶瓷膜疊加成以產(chǎn)生針閥提升所需的位移。 壓電控制噴油器的切換時間比傳統(tǒng)的電磁驅動的噴油器快4倍。因此其對噴油量的計量更精確，例如在預噴（pilot injection）可提供非常小的噴油量（約1mm3）2. 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，該項技術直到20世紀70年代才趨于成熟。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。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80m

8、的壓電陶瓷薄片組成。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(zhí)行器模塊裝在噴油器中，工作行程大約為40m。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。現(xiàn)在所應用的執(zhí)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(fā)這種

9、機電一體化的元件，必須要開發(fā)出一種可精確控制的制造工藝方法以防止在燒結時單片陶瓷層之間接觸部位的擴散。3. 壓電執(zhí)行器優(yōu)點 與電磁閥執(zhí)行器相比，壓電執(zhí)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(fā)生晶格變形，比任何其他眾所周知的可應用的物理現(xiàn)象都要來得快。與電磁閥相比，噴油器中的壓電執(zhí)行器具備以下特點：壓電執(zhí)行器優(yōu)點：壓電執(zhí)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；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(wěn)定；壓電模塊可以預生產(chǎn)和預檢驗的執(zhí)行器方式供貨；壓電執(zhí)行器難點：不同材料的溫度補

10、償，并集成在一個可預生產(chǎn)的壓電執(zhí)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(zhí)行器優(yōu)化電子控制單元、控制策略和可靠性方案。右圖為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(xù)期決定。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(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。若伺服閥關閉，控制室中的壓力隨之增大，噴嘴針閥也隨之關閉

11、。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(wěn)定性和噴油誤差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，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。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。工作原理：開始噴油:ECU控制壓電執(zhí)行器伸長,推動液壓位移放大器活塞向下運動;伺服控制閥活塞在液壓位移放大器輸出端作用下,向下運動較大位移,推動伺服控

12、制閥下座落座,針閥背壓腔與低壓油連通;在針閥腔高壓油壓強作用下,針閥開啟噴油。結束噴油:ECU控制壓電執(zhí)行器縮短,伺服控制閥活塞上表面的液壓力消失,伺服控制閥在底部彈簧力以及向上的液壓合力的作用下向上運動,伺服控制閥上座落座;則針閥背壓腔與高壓油連通,在背壓腔中彈簧對針閥向下的壓力和向下的液壓合力的作用下向下,針閥落座停止噴油。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面質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(jīng)氣動量儀測量

13、，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(tài)。為了證實加工質量完全一致，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

14、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。四.壓電執(zhí)行器特性壓電執(zhí)行器的機械特性可用力行程圖來表示。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，而閉鎖力則指不產(chǎn)生行程時的最大力。根據(jù)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。應用在噴油閥上，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。具有傳動比的轉換器將壓電執(zhí)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(shù)，為顧及

15、到動態(tài)運行，還應考慮到系統(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。壓電執(zhí)行器的電壓與形成的線性關系具有較準確的近似值，實際上壓電系數(shù)取決于電場強度亦即所施加的電壓。五.壓電共軌噴油系統(tǒng)修正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(fā)動機運轉過程中這些數(shù)值被用來補償計量和電路方面

16、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(shù)，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(jié)修正 可靠地控制很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(tǒng)中采用了一種實際功率調節(jié)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(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

17、的燃油量有關，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。4.調節(jié)修正 與預噴射油量的調節(jié)一樣，同時調節(jié)總噴油量和進氣空氣質量的調節(jié)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氣的變化，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，由此就能反算出過量空氣系數(shù)。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(jié)方法確保在廢氣排放過程中重要的運行工況范圍內調節(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習值。5.壓電式共軌系統(tǒng)優(yōu)化效果 在相同的系統(tǒng)壓力（如160MP

18、a）下，電磁閥系統(tǒng)的全負荷特性可與壓電系統(tǒng)相比，這兩種系統(tǒng)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。即使電磁閥系統(tǒng)達到一個非常好的水平，但是與之相比，由于壓電噴油器的噴油曲線優(yōu)化，預噴射油量減小，在保持低噪聲水平的同時，微粒和NOx排放量也能降低約1318。由于運動質量減小，液壓控制鏈縮短，預噴射油量在必要時能夠減小到小于1mm3。在主噴之前增加一次預噴射,可以縮短主噴滯燃期,從而大幅度的降低NOx的排放,并能有效降低燃燒噪聲；隨著預噴油量的增加,NOx的排放水平提高,而顆粒排放水平下降，最佳預噴油量還與負荷有關。預噴與主噴之間的間隔對顆粒排放水平也有一定影響,應進行優(yōu)化，采用兩次預噴射可以降低燃燒噪聲。對不同負荷下的預噴射的研究表明,低負荷條件下的預噴可以大幅度降低燃燒噪聲和油耗，并有效抑制煙度;在中負荷時的預噴可以大幅度降低燃燒噪聲,抑制HC的生成，并降低NOx的排放;在低速全負荷工況下,可以增加煙度限制條件下的扭矩。對后噴的研究表明,后噴是減少顆粒排放的最佳途徑,它還能有效減少煙度、HC的排放和降低油耗。由于應用第三代壓電共