博世公司第3代轿车用压电直接控制式喷油器共轨喷油系统(二)

◆文/浙江 范明强

(接上期)

③伺服阀的集成

第3代压电直接控制式共轨喷油器被设计成无机械力形式，它通过推杆作用在喷嘴针阀上，因此运动质量及摩擦大大降低，并且稳定性和喷油误差较好。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可直接做出反应，控制始点与喷油始点之间的延迟时间共约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。

此外，这种喷油器没有从高压油路向低压油路泄漏的部位，整个系统的液压效率明显提高的同时又减短了喷射间隔。压电直接控制式喷油器柔性实例(每循环五次喷射)如图13所示，其喷射次数和时刻可与发动机工况相匹配。

图13 压电直接控制式喷油器柔性实例

④喷嘴模块

由于压电执行器集成在喷油器体中，因此将喷嘴针阀运动传递到控制室的活塞被取消了。与常规喷油器相比，这种压电直接控制式喷油器的液压传递路线从152mm减短至42mm，缩短了2/3。最大的喷嘴针阀运动速度可达1.3m/s，要比其他的共轨喷油系统高一倍。将这样多的功能高度集成在最小的空间内，喷嘴模块必须重新设计，以便让喷嘴和阀块的各种不同功能结合在一起，如图14所示。

图14 喷嘴模块的功能

⑤喷油压力提高到200MPa后喷油器的技术开发重点

喷油压力提高到200MPa后对密封性和强度的要求有所提高，因此包含喷油器体、喷油嘴和由伺服阀、液压偶件和压电执行器组件所组成的功能结构模块都需作进一步的改进(图15)。改进后伺服链(压电执行器、液压偶件和转换阀)内部具有更高的刚度，还可避免喷油嘴针阀上的机械力，而在带有挺杆的喷油器中会产生这种机械力从而增加磨损，对喷油器的工作十分有利。改进后的模块具有很多的优势，例如：针阀具有高的动态性能，可降低阀座节流损失；每工作循环最多可实现8次喷射；在整个共轨压力范围内具有稳定的最小喷油量能力，即最小喷油量的计量精度高；优化长油道钻孔偏位，高压强度被提高；整个喷射过程中的压力损失最小；在使用寿命期内整个特性曲线场中的喷油量(包括电控单元的补偿功能在内)精度高而重复性又好等。

喷油嘴是燃烧室与喷油系统之间的接口，因此由喷油嘴完成的油束准备工作具有重要意义。博世公司已经为这种200MPa压电直接控制式喷油器开发了一种喷油嘴方案，使其在高喷油压力下具有较高的液压效率，良好的抗积炭耐久性功能及几何参数偏差更小等优势，例如喷孔夹角(注：指喷孔中心线与喷油器轴线之间的夹角)公差减小了一半。

在开发过程中，直径约为100μm的的喷孔最为关键，其对位置和直径精度以及表面粗糙度都有很高的要求。为此，博世公司内部开发了一种创新的机械加工技术——侵蚀工艺方法来确保满足高的加工要求，共同对喷孔表面进行液力研磨加工。采用这种喷油嘴能够在中高负荷范围内获得高的升功率和非常低的排放值。

图15 喷油压力提高到200MPa后共轨喷油器的技术开发重点

4.新的软件功能

(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需采集每个喷油器的测量数据，并以数据点阵编码的形式标志在喷油器上；对于压电直接控制式喷油器，还要附加上有关喷油器被堵塞后形成的信息。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从而影响喷油量。延迟喷射所引起的误差与喷入的油量、喷射间隔、油轨压力和燃油温度有关，电控单元考虑到这些参数，可用补偿算法计算出修正量。

(3)预喷射油量的调节

控制预喷射油量同样非常重要，因此在博世公司第3代压电直接控制式共轨喷油系统中采用了一种实际功率调节方法，此方法与压力波修正一起开辟了预喷射应用中新的自由度。

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。扭矩提升与喷入的燃油量有关，学习算法可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)λ-调节

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λ传感器来检测废气中的氧分压，由此就能反算出空燃比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.电控单元

第3代压电直接控制式共轨喷油系统的电控单元建立在电控单元平台上，控制和调节压电喷油器所需的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功能，计时严格的功能被安装在协同处理器和智能驱动级功能块上。

压电驱动级示意图如图16所示，基本上由能量单元、充放电单元、汽缸选择单元三部分组成。其中，能量单元的能量直流/直流变压器可提供必需的高电压。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3-8缸发动机中。

图16 压电驱动级示意图

6.第3代压电共轨喷油系统发动机的试验结果

最初的开发目标是要改善系统的整体性能。在相同的系统压力(160MPa)下，电磁阀系统的全负荷特性与压电系统相比，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，新的压电技术具有明显优势。即便使用电磁阀系统也可达到较好效果，但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排放量还能降低约13%～18%(图17)。由于运动质量减小，液压控制链缩短，预喷射油量在需要时能够减小到小于1mm3，且能够大大扩展调节燃烧过程的自由度，因此在排放/噪声折衷方面允许将优化的焦点转移到有利于降低噪声水平上。另外，由于应用了两次预喷射，中等负荷时的噪声可降低3dB(A)。

图17 压电喷油器降低排放和噪声的潜力

根据所选择的燃烧过程，后喷射为减少微粒排放提供了很大的可能性。在后喷射相位和油量方面为发动机开发人员提供了新的自由度，排放、噪声和燃油耗是三者之间达到最佳的折衷，例如，根据运行工况通过后喷射微粒排放最多能降低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3代压电直接控制式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微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一氧化碳峰值。

综上所述，博世公司第3代轿车用压电直接控制式喷油器使喷嘴针阀的最高速度能达到1.3m/s，其优异的性能为发动机的开发提供了更大的自由度。泵油量可调式高压泵的结构紧凑而高效。电控单元附加的软件修正功能确保系统达到很小的误差，能使约1800kg重的汽车不采用排气后处理装置就能达到欧4排放标准(欧IV排放标准，2005年底开始在多国家实施)，实际工作能力十分优异。