2博世第三代压电控制共轨喷油系统详解

1、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为了较大幅度 这就涉及到如以来。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： 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 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

2、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年实施国田排放标准）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

3、性显得尤为重要。随着废气排放法规进一为满足欧IV及以上的步严格，轿车柴油机排放法规的要求，和N0越来越多地装用吸附式x这又对喷油系统颗粒捕集器，为在柴油提出了另一个要求：机运转期 间实现这两种装置以持续地保持它们的的再生，净化功能，须在主喷射主后再以便为吸附补充一 部分燃油，NO式NO催化器还原净化xx ）、HCCO提供所需的还原剂（发动机 不同转速和扭矩工况所学的喷射次数示意图图1并提高催化器和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，否则就不能确保它们颗粒捕集器中的温度，这在中低转速区域更显得特别重要， 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。最理想的综合上

4、述要求，喷油系统统必须具备每循环尽量多次的喷射能力，次或在中等转速区 次喷射，22500/min状况是：在转速低于的运转工况区最多达 5）,这就要求喷油 器中的控制阀必1次喷射.而在标定转速区只需单次喷射（图3而且对喷油计量 精度和重复性提出了更高的须具有很高的工作频响和控制柔性，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要求。但是，较长的滞后时问，限制了其达到更高的工作频响和控制柔性。1西门子及博世等公司，为此，年推出了第 2003相继于2000年及三代压电控制 式喷油器共轨系统，具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

5、止最好的电磁阀控制的喷油系统 相比，同在这种第三代系统压力下，160MPa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 第三代压电共轨喷油系统示意图图2 Bosch不采用排气后甚至用在重型车，其新颖的调节功能有助于提高喷油量计量精度，左右，降低油耗3%也可能达到欧IV排放标准，同时能提高功率约5%,处理装置，Bosch 公司的压电式喷油器共轨系统。（A）。下面主要介绍降低噪音约3dB二、第三 代压电控制共轨喷油系统简介 V6公司第三代压电共轨喷油系统及其用于一种 3 分别表示了 Bosch图2及图 柴油机的系统布置图。其中的分配单低压电动输油 泵将燃油输送给具有进油计量功能的高

6、压油泵，高压油泵的最一路供给泵有元件，元将进入的燃油分成两路：另一路用于冷却。，并将其输入共轨。共轨上安装了 共轨压力传感器，并大供油压力可达180MPa共轨上还安装了压力限压通过安装 在高压泵山的进油计量电磁阀调节共轨压力，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能它由控制端元根据运行工况来控制,fl It Fk J： If高压燃油经过共轨送往压电喷油器， 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 型泵油量可调式高压油泵，为第三代压电控制喷油器共 轨系统采用了 CP3.X 2单缸径向柱塞式，CR/CP3s3高压泵的外形如图4所

7、示。其工作原理与第二代共 轨系统用高压油泵相同。高压油泵图4 CR/CP3s3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CP3.X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 适应不同机型的需以供选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，要。同样， 择，并可根据发动机的需要，选用不同形式的联轴节。高压油管、调压阀和共轨总成2.其表面涂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，在共轨的年开始实施的法规要求。2007为了检测共轨压力，层不含 Cr6+,已满 足共轨的容积）。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另一方

8、面，以便补偿压力的波动，将其对喷油的影响降至最小程度；必须足够 大，程序进在设计阶段利用 AMESIM共轨容积应足够小，以便起动时迅速建立 轨压。行模拟计算，使其达到最佳程度。5 CRS3.0系统的共轨图 三、压电控制式喷油器 逆压电效应1.下车时提醒司机关闭 灯汽车上运用压电技术并非什么新鲜的事情。实际上.（Curie）其基础原理可以追 溯到光的蜂鸣器就是一个典型的应用实例。1880年库里兄弟的发现，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）Piezo （压）命名为压电（压，他们将观察到的这种现象按照希腊字“Piezein”在一个合适的晶体1881效应。年研究人员首次发现这

9、种效应也可以逆向起作用：这种从而产生一种线性位移。这样就会引起晶体晶格的变形，上施加一个电压.逆压电效应就成为了压电共轨喷油系统的技术基础。32.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80仙m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 40+140C,高振动）以预装配执行器模块装

10、在喷 油器中，工作行程大约为40仙m。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。芋凰区电钮行雄再6多层压电执行器的结构示意图图高温引起执行器中晶体晶格的极化及其这种专用 陶瓷首先要解决一个问题：对因此，从而使得压电执行器的工作行程减小。 由此 使压电元件变形位移缩小，而具备，一 Punkt）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现在所应用的执行器由一种采用多这种性能的陶瓷又偏偏只有较弱的压电效应。）压电跃变陶瓷组成.这种陶瓷材料是一 transition （piezo electric层技术的PZT为而在烧结工艺过程中插入的电极则由银一钳合金组成。种

11、铅一皓一钛混合物，电子学和物理学等方面的必须要综合有关化学、 了开发这种机电一体化的元件，以防止在烧另一个挑战是要开发出一种可精确控 制的制造工艺方法.技术秘诀。结时单片陶瓷层之间接触部位的扩散。作为机电一压电执行器首先具有快速响应性的特点。与电磁阀执行器相比，0.1ms在电压下立即就能充电，在体化的元件，它就好象是一个多层陶瓷电容器，与内就会 发生品格变形，比任何其他众所周知的可应用的物理现象都要来得快。），喷油器中的压电执行器具备以下特点： 电磁阀相比（见表1电磁阀控制和压电控制喷油器 性能比较1表喷油器开关时间滞后时间重复性能量消耗针阀 开程 可变 性电磁阀控制差有差中等压电控制好无好好

12、压电执行器实际上无滞后时间；开关非常迅速而精确；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；在使用寿命期内性能稳定；压电模块可以预生产和预检验的执行器方式供货；开开发的难点是：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；能量的吸收和反馈要设计的能量消耗最少；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

13、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。电插共胶制模块7压电控制喷油器示意图图因此运动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，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质 量和摩擦大大降低，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 能直系统明且改善。，这样s150仙接作出迅速的反应，控制始点与喷油始点之 问的延迟时间总共

14、约就能获得高的针阀速度和重复性较好的最小喷油量。因此 取消了电磁瞬控制喷油器中将喷嘴由于压电执行器集成在喷油器体中，这种压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.。最大的喷嘴针阀3,减少了 42mm2/电喷油器的液压传递路线从152mm缩短至，要 比其他所生产的电磁阀式共轨喷油系统约高一倍。运动速度可达1.3 m/s必须开发新的喷嘴模块和阀模块的各将许多功能高度集成在最小的空间内，所示。9种不同的功能结台在一起。如图 从原理上讲.止匕外，这种压电喷油器没有从高 压油路向低压油路泄漏的部位。这种压电喷油系统还能实现很短的喷同时， 这样 就提高了整个系统的液压效率。5射间隔

15、。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压电执行期液力接杆低压范围发动机工况相匹配。8压电共轨喷油器工作原理示意图图L启动位置=； I沿蒙方，针消开启*安跑美网 H常义如啜咕&岷,3"苒关闭,曾炉总也打F前十匕*fit建r 衿初审匕打喷嘴模块的工作原理图图9计初升程曲线t在割）次喷射示意图510图压电喷油器柔性控制实例每循环因此压电喷油器对零件表由于压电共轨喷油系统工作的压力高达180MPa 6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

16、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 pm。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 23c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 6pm,并采用激光干涉仪进行无缺陷检验。 确 保喷嘴针阀体孔和针阀几何精度的正确性和一致性， 从而使针阀在针阀体孔中的 自由滑动达到最理想的状态。为了证实加工质量完全一致，另外还要进行喷射油 束形状检验来控制最终的实际应用质量。喷油器的最后装配则要求在净化室内进 行，因为公差极其小，并

17、必须确保性能的高可靠性，因此即使 50 pm大小的微 粒就会妨害喷油器的正常功能，尤其是200仙m大小以上的微粒决不允许进入喷 油器。从功能和可靠性观点出发，压电共轨喷油系统对高压零件的清洁度的要求 比通常行程控制的喷油系统更高。因此除了喷油器的装配之外最终检验也要进一 步实现自动化，这是确保产品质量致性的基础。4 .压电执行器特性为了能够最佳地利用压电喷油器中压电执行器的高动态特性，必须遵循严格的设计规范。压电执行器的机械特性可用如图11的力行程图来表示。为了描述其特性，先解 释空行程和闭锁力这两个特性参数的含义： 空行程是指充电状态下不产生力时的 行程，而闭锁力则指不产生行程时的最大力。

18、根据结构形式和所使用的压电陶瓷 材料的不同，他们分别处于几毫米和几千牛顿范围内。形成图11图压电执行器结构原理及其力 也就是各种不同的执行器必须达到各种不同 的开启位置，应用在喷油阀上，其结果由于能具有传动比的转换器将压电执行器的行程放大，行程和力的组合。 还应考为顾及到动态运行，量的原因会使理论上最大可能的力减小同样的系数， 虑到系统总刚度也会降低。的线性近似值与有效横断面积成正比； 而空F压电执 行器能产生的闭锁力AB雅典执行器的电压行程较精确的近似值与压电执行器的 有效长度即片数成正比。实际上压电系数取决于电场强度亦即所与形成的线性关 系具有较准确的近似值，施加的电压。7按照表2内的公式

19、（1）,压电执行器闭锁力与行程成近似的线性关系。为了尽量 减少能量损耗，必须使闭锁力和空行程尽可能最小。止匕外，所需要的能量还与材 料的特性参数有关，因此要求阀接通的行程较小，所需的液压力也尽可能小。在实际情况下，转换器的刚度 C,会降低执行器阀端可用的闭锁力 F。公VBK式 示出了阀作用力Fv与液压传动比i的关系。阀端闭锁力F及其理论上可能的 VB最大值分别可由公式（3）和（4）计算。表2执行器内各力的计算公式表公式ih二g .久卜二K A/L Ar=E A/d d I代中：尸样一执行器用锁力、如一空行程的一帆仃器刚度£一弹性模威二一批行器横断面积上一执行零仃效长度4一核行器乐电陶

20、漆片数公式工一 匚Ku M_ II' _以+ 4大中:心一陶作阳"K一阀行程，一液J长传动比/一转换器刚度公式3匚 Rh IAu =、必-9f GK，式中：Fv.一陀端闭锁力公式4_ %F -* * 1 Mi1*jf| J CK T 2式中：Nh 一最大的前隔用锚打四、新的软件功能使用了为了进一步改善压电共轨喷油系统的高精度和确保汽车的使用寿命， 新的控制软件功能。 ） ISA 喷油器的油量修正（ IMA ）和电压修正 （ 1.在喷油器制造过程中对每个喷油器都要采集很多为了进行喷油器油量修正，还要附对于压电喷油器，测量数据， 并以数据点阵编码的形式标示在喷油器上； 这些信息在

21、汽车制造过程中都被输入电控加上有关喷油器被堵塞后行程的信息。 单元， 在发动机运转过程中这些数值被用来补偿计量和电路方面的偏差。 ）压力波修正（ DWK2. 当喷射间隔变原则上，在所有的共轨喷油系统中燃油喷射总会引起压力波， 这种压力振动会延迟喷射而影响喷油量。延迟喷射所引起的误差与喷入的化时，油量、喷射间隔、共轨压力和燃油温度有关，电控单元考虑到这些参数，用一个合适的补偿算法计算出一个修正量。 预喷射油量的调节3 .可靠地控制很小的预喷射油量对同时达到舒适性和排放目标具有特别的意在博世公司第三代压电共轨喷油系统中采用了一种实际功率调节方法，义。为此，与压力波修正一起来修正预喷射油量。 通过转

22、速传感器可探测到针对性地将某个小油量喷入汽缸， 在汽车加速时， 这种驾驶者感觉不到的扭矩提升与喷入的燃油由此相应产生的扭矩提升。 显然， 并相应地修正所有预喷射学习算法确定这种预喷射油量的最小变化量，量有关， 8的控制持续期。4 .入调节与预喷射油量的调节一样，同时调节总喷油量和进气空气质量的人调节同样具有重要意义， 无论是喷油量还是进气空气质量的误差都会导致混合汽的变化， 从而 影响到废气排放。为了进行补偿，用一个宽带入传感器来检测废气中的氧分压，由此就能反算出空燃比入。由于汽车加速时入传感器用大气中的氧分压来标定，因此检测的精度较高。 专用的学习和调节方法确保在废气排放过程中重要的运行工况

23、范围内调节到经使用后所给定的空燃比。 其匹配过程极其迅速， 以至于第一个运行循环以后就可以使用到学习值。五、电控单元第三代压电共轨喷油系统的电控单元以用于柴油机控制的电控单元平台为基础， 控制和调节压电喷油器所需的所有软硬件功能都已重新开发，并集成在现有的电控单元平台上，同时模块式的软件设计允许用压电特有的功能替代电磁阀的功能， 这些功能都被安装在电控单元硬件上。为了胜任高的功能要求，那些计时严格的 功能被安装在一个协同处理器和一个智能驱动级功能块上。压电驱动级的功率放大级（图12）基本上由3部分组成：带有直流/直流变压器和蓄能器的能量单元；带有变压器部件和驱动器集成电路的充放电单元；带有驱动

24、器集成电路的汽缸选择单元。压电执行器驱动级示意图图 12在放电过程中出于节能的缘故，直流/直流变压器用于提供必需的高电压。 压电 执行器的能量被返回到蓄能器中。这样就能使变压器的结构尺寸非常紧凑。缸柴油机。8压电驱动级的模块化设计使其有可能广泛应用于 3六、第三代压电 共轨喷油系统的发动机试验结果在相同压电共轨喷油系统的最初开发目标是要 大大地改善系统的整体性能。）下，电磁阀系统的全负荷特性可与压电系统相比， 这160MPa的系统压力（如9 两种系统在整个转速范围内都能获得丰满的扭矩曲线，但是在排放重要的部分负荷范围内，新的压电技术就显示出其潜力来了。即使用电磁阀系统达到一个非常好的水平， 但是与之相比，由于压电喷油器的喷 油曲线优化，预喷射油量减小，在保持