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文档简介
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
2、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年实施欧排放标准, 北京 2006年实施国排放标准) 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
3、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 NOX 催化器还原净化 NOX , 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
4、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
5、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
6、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。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。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
7、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。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
8、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
9、“ 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。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
10、度为 80m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 40m。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 ( CuriePunkt),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
11、 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
12、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喷油器开关时间滞后时间重复性能量消耗针阀升程可变性电磁阀控制差有差中等无压电控制好无好好有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 i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; 其开发的难点是: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。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
13、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
14、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 s,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 23。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
15、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
16、)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 m。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 6m,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
17、,因为公差极其小,并必须确保性能的高可靠性,因此即使 50 m大小的微 粒就会妨害喷油器的正常功能,尤其是 200m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。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
18、则指不产生行程时的最大力。 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。图 11 压电执行器结构原理及其力 形成图应用在喷油阀上, 执行器必须达到各种不同的开启位置, 也就是各种不同的 行程和力的组合。 具有传动比的转换器将压电执行器的行程放大, 其结果由于能 量的原因会使理论上最大可能的力减小同样的系数, 为顾及到动态运行, 还应考 虑到系统总刚度也会降低。压电执行器能产生的闭锁力 FAB 的线性近似值与有效横断面积成正比;而空 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。 雅典执行器的电压 与形成的线性关系具有较准确的近似值, 实际上压电系数取
19、决于电场强度亦即所 施加的电压。按照表2内的公式 (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。 此外,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 CK,会降低执行器阀端可用的闭锁力 FVB 。公 式 (2)示出了阀作用力 Fv 与液压传动比 i的关系。阀端闭锁力 FVB及其理论上可能的 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四、新的软件功能 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, 使用了 新的控制软件功能。
20、1.喷油器的油量修正( IMA )和电压修正( ISA ) 为了进行喷油器油量修正, 在喷油器制造过程中对每个喷油器都要采集很多 测量数据, 并以数据点阵编码的形式标示在喷油器上; 对于压电喷油器, 还要附 加上有关喷油器被堵塞后行程的信息。 这些信息在汽车制造过程中都被输入电控 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。2.压力波修正( DWK ) 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, 当喷射间隔变 化时,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 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
21、偿算法计算出一个修正量。预喷射油量的调节 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 义。为此,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, 与压力波修正一起来修正预喷射油量。在汽车加速时, 针对性地将某个小油量喷入汽缸, 通过转速传感器可探测到 由此相应产生的扭矩提升。 显然,这种驾驶者感觉不到的扭矩提升与喷入的燃油 量有关,学习算法确定这种预喷射油量的最小变化量, 并相应地修正所有预喷射 的控制持续期。4.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 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,
22、从而影响到废气排放。为了进行补偿, 用一个宽带 传感器来检测废气中的氧分压, 由此就能反算 出空燃比 。由于汽车加速时 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
23、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; 带有驱动器集成电路的汽缸选择单元。图 12 压电执行器驱动级示意图 直流直流变压器用于提供必需的高电压。 出于节能的缘故, 在放电过程中 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。 压电驱动级的模块化设计使其有可能广泛应用于 38缸柴油机。六、第三代压电共轨喷油系统的发动机试验结果 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。 在相同 的系统压力(如 160MPa)下,电磁阀系统的全负荷特性可与压电系统相比,这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,
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