高压共轨(压电式

前言概论从上世纪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，从而降低噪声排放。特别是随着轿车舒适性要求的不断提高，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。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。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，还应附加合适的后喷射。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性显得尤为重要。为满足欧Ⅳ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NOx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），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。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。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。一.当前柴油机发展的状态（1）提高在发动机最低速的扭矩（2）轻量化下的功率输出（3）通过测量进气系统和燃油喷射以及燃烧室的改进提高功率输出（4）减少燃油消耗（5）高压喷射（6）极低噪声和排放，特别是NOx由于以上原因，必须在混合气形成和燃烧室改进，可通过更高压力的喷射和更精确以及更灵活的喷射方式，例如压电方式的喷油器。这主要时它的更短的切换时间和喷油量的更精确的控制。2.压电效应1.压电效应：piezoelectriceffect,是该原理在1880年由发明人的名字（Pierre和Curie）来的。压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。如上图，正压电效应：当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部就产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。压电式传感器大多是利用正压电效应制成的。逆压电效应：是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象。用逆压电效应制造的变送器可用于电声和超声工程。压电敏感元件的受力变形有厚度变形型、长度变形型、体积变形型、厚度切变型、平面切变型5种基本形式。压电晶体是各向异性的，并非所有晶体都能在这5种状态下产生压电效应。例如石英晶体就没有体积变形压电效应，但具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。3.在压电式共轨燃油喷射系统中的压电效应的应用1.压电喷油共轨系统在此类共轨系统中，间接压电效应应用于控制喷油器的开启。电能量（ECM的驱动信号）通过元件的形变转换为机械能量。由形变产生的力确定了喷油器针阀的提升。单个元件产生的形变（位移）非常小，因此将多个元件连接在一起产生较大的位移，所以叫做‘元件堆(stack)’。ECM：EngineControlModule引擎控制模块为产生需要的位移以控制喷油器的针阀提升，喷油器中的压电执行器由大量的陶瓷膜叠加成以产生针阀提升所需的位移。压电控制喷油器的切换时间比传统的电磁驱动的喷油器快4倍。因此其对喷油量的计量更精确，例如在预喷（pilotinjection）可提供非常小的喷油量（约1mm3）2.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。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。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80μm的压电陶瓷薄片组成。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40μm。这种专用陶瓷首先要解决一个问：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（Curie—Punkt），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（piezoelectrictransition）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，必须要开发出一种可精确控制的制造工艺．以防止在烧结时单片陶瓷层之间接触部位的扩散。3.压电执行器优点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，喷油器中的压电执行器具备以下特点：压电执行器优点：①压电执行器实际上无滞后时间；②开关非常迅速而精确；③可重复性非常好；④无结构设计所造成的诸如间隙之类的误差；⑤在使用寿命期内性能稳定；⑥压电模块可以预生产和预检验的执行器方式供货；压电执行器难点：①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；②能量的吸收和反馈要设计的能量消耗最少；③针对压电执行器优化电子控制单元、控制策略和可靠性。右图为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。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。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150μs，这样就能获得高的针阀速度和重复性较好的最小喷油量。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。工作原理：开始喷油:ECU控制压电执行器伸长,推动液压位移放大器活塞向下运动;伺服控制阀活塞在液压位移放大器输出端作用下,向下运动较大位移,推动伺服控制阀下座落座,针阀背压腔与低压油连通;在针阀腔高压油压强作用下,针阀开启喷油。结束喷油:ECU控制压电执行器缩短,伺服控制阀活塞上表面的液压力消失,伺服控制阀在底部弹簧力以及向上的液压合力的作用下向上运动,伺服控制阀上座落座;则针阀背压腔与高压油连通,在背压腔中弹簧对针阀向下的压力和向下的液压合力的作用下向下,针阀落座停止喷油。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2μm。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=0.6μm，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，并必须确保性能的高可靠性，因此即使50μm大小的微粒就会妨害喷油器的正常功能，尤其是200μm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。四.压电执行器特性压电执行器的机械特性可用力~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。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。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。压电执行器的电压与形成的线性关系具有较准确的近似值，实际上压电系数取决于电场强度亦即所施加的电压。五.压电共轨喷油系统修正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，用一个合适的补偿算法计算出一个修正量。3.预喷射油量的调节修正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，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。4.λ调节修正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λ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气的变化，从而影响到废气排放。为了进行补偿，用一个宽带λ传感器来检测废气中的氧分压，由此就能反算出过量空气系数λ。由于汽车加速时λ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。5.压电式共轨系统优化效果在相同的系统压力（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，在保持低噪声水平的同时，微粒和NOx排放量也能降低约13～18％。由于运动质量减小，液压控制链缩短，预喷射油量在必要时能够减小到小于1mm3。在主喷之前增加一次预喷射,可以缩短主喷滞燃期,从而大幅度的降低NOx的排放,并能有效降低燃烧噪声；随着预喷油量的增加,NOx的排放水平提高,而颗粒排放水平下降，最佳预喷油量还与负荷有关。预喷与主喷之间的间隔对颗粒排放水平也有一定影响,应进行优化，采用两次预喷射可以降低燃烧噪声。对不同负荷下的预喷射的研究表明,低负荷条件下的预喷可以大幅度降低燃烧噪声和油耗，并有效抑制烟度;在中负荷时的预喷可以大幅度降低燃烧噪声,抑制HC的生成，并降低NOx的排放;在低速全负荷工况下,可以增加烟度限制条件下的扭矩。对后喷的研究表明,后喷是减少颗粒排放的最佳途径,它还能有效减少烟度、HC的排放和降低油耗。由于应用第三代压电共轨喷油系统能大大扩展调节燃烧过程的自由度，将优化的焦点转移到有利于降低噪声水平上。由于应用了两次预喷射，中等负荷时的噪声可降3dB(A)。根据所选择的燃烧过程，后喷射为减少颗粒排放提供了很大的可能性。在后喷射相位和油量方面为柴油机开发人员提供了新的自由度。这就允许在排放、噪声和燃油耗之间达到最佳的平衡，例如根据运行工况通过后喷射颗粒排放最多能降低35％。为了满足未来各种不同排气后处理方案对喷油系统的要求，第三代压电共轨喷油系统能够在膨胀冲程的不同相位进行后喷射，这样一方面能在燃烧进行中就为可能存在的颗粒过滤器的再生准备好热量，另一方面同样也能为存储式NOx催化器提供所必需的CO峰值。（注：素材和资料部分来自网络，供参考。请预览后才下载，期待你的好评与关注！）