博世公司第3代轎車用壓電直接控制式噴油器共軌噴油系統(二)

◆文/浙江 范明強

(接上期)

③伺服閥的集成

第3代壓電直接控制式共軌噴油器被設計成無機械力形式，它通過推桿作用在噴嘴針閥上，因此運動質量及摩擦大大降低，并且穩定性和噴油誤差較好。伺服閥與噴嘴針閥的緊密連接使得針閥對壓電執行器的動作可直接做出反應，控制始點與噴油始點之間的延遲時間共約150μs，這樣就能獲得高的針閥速度和重復性較好的最小噴油量。

此外，這種噴油器沒有從高壓油路向低壓油路泄漏的部位，整個系統的液壓效率明顯提高的同時又減短了噴射間隔。壓電直接控制式噴油器柔性實例(每循環五次噴射)如圖13所示，其噴射次數和時刻可與發動機工況相匹配。

圖13 壓電直接控制式噴油器柔性實例

④噴嘴模塊

由于壓電執行器集成在噴油器體中，因此將噴嘴針閥運動傳遞到控制室的活塞被取消了。與常規噴油器相比，這種壓電直接控制式噴油器的液壓傳遞路線從152mm減短至42mm，縮短了2/3。最大的噴嘴針閥運動速度可達1.3m/s，要比其他的共軌噴油系統高一倍。將這樣多的功能高度集成在最小的空間內，噴嘴模塊必須重新設計，以便讓噴嘴和閥塊的各種不同功能結合在一起，如圖14所示。

圖14 噴嘴模塊的功能

⑤噴油壓力提高到200MPa后噴油器的技術開發重點

噴油壓力提高到200MPa后對密封性和強度的要求有所提高，因此包含噴油器體、噴油嘴和由伺服閥、液壓偶件和壓電執行器組件所組成的功能結構模塊都需作進一步的改進(圖15)。改進后伺服鏈(壓電執行器、液壓偶件和轉換閥)內部具有更高的剛度，還可避免噴油嘴針閥上的機械力，而在帶有挺桿的噴油器中會產生這種機械力從而增加磨損，對噴油器的工作十分有利。改進后的模塊具有很多的優勢，例如：針閥具有高的動態性能，可降低閥座節流損失；每工作循環最多可實現8次噴射；在整個共軌壓力范圍內具有穩定的最小噴油量能力，即最小噴油量的計量精度高；優化長油道鉆孔偏位，高壓強度被提高；整個噴射過程中的壓力損失最小；在使用壽命期內整個特性曲線場中的噴油量(包括電控單元的補償功能在內)精度高而重復性又好等。

噴油嘴是燃燒室與噴油系統之間的接口，因此由噴油嘴完成的油束準備工作具有重要意義。博世公司已經為這種200MPa壓電直接控制式噴油器開發了一種噴油嘴方案，使其在高噴油壓力下具有較高的液壓效率，良好的抗積炭耐久性功能及幾何參數偏差更小等優勢，例如噴孔夾角(注：指噴孔中心線與噴油器軸線之間的夾角)公差減小了一半。

在開發過程中，直徑約為100μm的的噴孔最為關鍵，其對位置和直徑精度以及表面粗糙度都有很高的要求。為此，博世公司內部開發了一種創新的機械加工技術——侵蝕工藝方法來確保滿足高的加工要求，共同對噴孔表面進行液力研磨加工。采用這種噴油嘴能夠在中高負荷范圍內獲得高的升功率和非常低的排放值。

圖15 噴油壓力提高到200MPa后共軌噴油器的技術開發重點

4.新的軟件功能

(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需采集每個噴油器的測量數據，并以數據點陣編碼的形式標志在噴油器上；對于壓電直接控制式噴油器，還要附加上有關噴油器被堵塞后形成的信息。這些信息在汽車制造過程中都被輸入電控單元，在發動機運轉過程中這些數值被用來補償計量和電路方面的偏差。

(2)壓力波修正(DWK)

原則上，在所有的共軌噴油系統中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從而影響噴油量。延遲噴射所引起的誤差與噴入的油量、噴射間隔、油軌壓力和燃油溫度有關，電控單元考慮到這些參數，可用補償算法計算出修正量。

(3)預噴射油量的調節

控制預噴射油量同樣非常重要，因此在博世公司第3代壓電直接控制式共軌噴油系統中采用了一種實際功率調節方法，此方法與壓力波修正一起開辟了預噴射應用中新的自由度。

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生的扭矩提升。扭矩提升與噴入的燃油量有關，學習算法可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的控制持續期。

(4)λ-調節

無論是噴油量還是進氣空氣質量的誤差都會導致混合汽的變化，從而影響到廢氣排放。為了進行補償，用一個寬帶λ傳感器來檢測廢氣中的氧分壓，由此就能反算出空燃比λ。由于汽車加速時λ傳感器用大氣中的氧分壓來標定，因此檢測的精度較高。專用的學習和調節方法確保在廢氣排放重要的運行工況范圍內調節到經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以后就可以使用到學習值。

5.電控單元

第3代壓電直接控制式共軌噴油系統的電控單元建立在電控單元平臺上，控制和調節壓電噴油器所需的軟硬件功能都已重新開發，并集成在現有的電控單元平臺上，同時模塊式的軟件設計允許用壓電特有的功能替代電磁閥功能，計時嚴格的功能被安裝在協同處理器和智能驅動級功能塊上。

壓電驅動級示意圖如圖16所示，基本上由能量單元、充放電單元、汽缸選擇單元三部分組成。其中，能量單元的能量直流/直流變壓器可提供必需的高電壓。出于節能的緣故，在放電過程中壓電執行器的能量被返回到蓄能器中，這樣就能使變壓器的結構尺寸非常緊湊。壓電驅動級的模塊化設計使其有可能廣泛應用于3-8缸發動機中。

圖16 壓電驅動級示意圖

6.第3代壓電共軌噴油系統發動機的試驗結果

最初的開發目標是要改善系統的整體性能。在相同的系統壓力(160MPa)下，電磁閥系統的全負荷特性與壓電系統相比，這兩種系統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，新的壓電技術具有明顯優勢。即便使用電磁閥系統也可達到較好效果，但由于壓電噴油器的噴油曲線優化，預噴射油量減小，在保持低噪聲水平的同時，微粒和NOx排放量還能降低約13%～18%(圖17)。由于運動質量減小，液壓控制鏈縮短，預噴射油量在需要時能夠減小到小于1mm3，且能夠大大擴展調節燃燒過程的自由度，因此在排放/噪聲折衷方面允許將優化的焦點轉移到有利于降低噪聲水平上。另外，由于應用了兩次預噴射，中等負荷時的噪聲可降低3dB(A)。

圖17 壓電噴油器降低排放和噪聲的潛力

根據所選擇的燃燒過程，后噴射為減少微粒排放提供了很大的可能性。在后噴射相位和油量方面為發動機開發人員提供了新的自由度，排放、噪聲和燃油耗是三者之間達到最佳的折衷，例如，根據運行工況通過后噴射微粒排放最多能降低35%。為了滿足未來各種不同排氣后處理方案對噴油系統的要求，第3代壓電直接控制式共軌噴油系統能夠在膨脹沖程的不同相位進行后噴射，這樣一方面能在燃燒進行中就為可能存在的微粒過濾器的再生準備好熱量，另一方面同樣也能為存儲式NOx催化器提供所必需的一氧化碳峰值。

綜上所述，博世公司第3代轎車用壓電直接控制式噴油器使噴嘴針閥的最高速度能達到1.3m/s，其優異的性能為發動機的開發提供了更大的自由度。泵油量可調式高壓泵的結構緊湊而高效。電控單元附加的軟件修正功能確保系統達到很小的誤差，能使約1800kg重的汽車不采用排氣后處理裝置就能達到歐4排放標準(歐IV排放標準，2005年底開始在多國家實施)，實際工作能力十分優異。