84 M A S T E R T H E B A S I C S 基础知识讲座 博世第三代压电控制共轨喷油系统(二) ● 文/湖南 范明强 范明强(本刊专家委员会委员) 教授级高级工程师，湖南奔腾动力科技有限公司 轿车柴油机项目部总工程师。有四十余年车用发动机 研发经验。曾先后主持过多种机型的研发工作和国家 “八五”重点科技攻关项目——“汽车发动机电子控 制技术”，荣获国家重大科技成果奖，国家科技进步二 等奖和汽车工业科技进步二等奖等，并出版《汽车发动 机电控汽油喷射技术》和《现代汽车电子控制技术和装 置》等专著。 (接第9期) 三、压电控制式喷油器 1．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 按照希腊字“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。 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。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 结成一个长方形六面体，因此喷油器中 30m m长的压电元件由300多层厚度为 80μ 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～+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。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。 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 于用于喷油器场合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(piezoelectric transition) 压电跃变陶瓷组成，这种陶瓷材料是一 种铅-锆-钛混合物，而在烧结工艺过程 中插入的电极则由银-钯合金制成。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)，喷油器中的压电执行 器具备以下特点： 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； 其开发的难点是： 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； 表1　电磁阀控制和压电控制喷油器的性能比较 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 图6　多层压电执行器的结构示意图 85 M A S T E R T H E B A S I C S 基础知识讲座 ② 能量的吸收和反馈(回收)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(例如由于 热膨胀所引起的) 间隙，喷嘴借助于紧 挨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。 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比通常的电磁阀 控制喷油系统明显改善。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。 由于压电执行器集成在喷 油器体中，因此取消了电磁阀控 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 1 5 2m m缩短至4 2m m，减少了 2/3。最大的喷嘴针阀运动速度可 达1.3 m/s，要比其他所有大量生 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，将喷嘴 和阀块的各 种不同的功能结 合在一起，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。 由于压电共轨喷油系统工作的压 力高达160M P a，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 能提出了极高的要求。其最小的喷孔直 径可达到0.12m m，并有意加工成圆锥 形，喷孔内侧进口处还采用液力研磨(液 图7　压电控制喷油器示意图力冲蚀)工艺倒成圆角。所有的喷嘴针 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 86 M A S T E R T H E B A S I C S 基础知识讲座 S U V汽油车以其强大的动力、轿车 般的舒适感、多变的空间组合，深得追 求个性生活的年轻一族喜欢。但随着环 保节能意识逐渐深入人心，以及燃油成 本的逐渐走高，S U V汽油车高油耗的弊 端也暴露无疑。 基于动力性、经济性特别是日益严 格的排放法规之考虑，柴油动力正日渐 兴起，柴油机采用电控高压共轨系统在 欧洲已普遍采用，我国也已有多个车厂 生产柴油版SUV。 增压技术在普通柴油机上已趋普 及，而在共轨柴油机上采用的涡轮增压 增压技术 气涡轮增压器由涡轮、径流式压气机、 中间壳、转子总成和旁通阀等组成(如图 1)。涡轮和压气机分别被安装在轴的两 头，并有各自的铸造壳体，轴本身被安 装在中间壳中，并由中间壳来支撑。 涡轮部分主要包括涡轮壳和单级径 流式涡轮(如图2)，它们是一个能量转换 ● 文/山东 刘华 刘华(本刊专 家委员会委 员) 哈尔滨 工业大学车 辆工程专业 工学硕士， 高级工程 师。威海职业学院教师，汽车专业的 专业带头人。北京现代汽车威海4S 店(威海振洋汽车销售服务有限公司) 兼职技术顾问。 器主要有两种：旁通阀式和可变截面 式。长城哈弗SUV的GW2.8TC型柴油机 采用了旁通阀式涡轮增压器，华泰圣达 菲SUV的D4EA柴油机(CRDi)采用了可变 截面涡轮增压器VGT。 1.旁通阀式废气涡轮增压器在长城哈弗 GW2.8TC型柴油机中的应用 长城哈弗车装备了具有电控高压 共轨系统(Bosch公司的CRS2.0系统)的 G W2.8T C型柴油机，该柴油机采用了 带旁通阀式的废气涡轮增压器，增压器 为G a r r e t公司的G T22型或三菱公司的 TF035HM增压器，其中TF035HM最高转 速达1 8 0 0 0 0 r/min，最高压 比为1.83。 (1)旁通阀式增 压器的结构 GW2.8TC 型柴油机的废 图1 废气涡轮增压器的构成图 图10　压电喷油器柔性控制实例每循环5次喷射示意图 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2μ 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R z=0.6μ m， 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，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 产品质量一致性的基础。 (未完待续) (编辑 曾晓云) 在SUV共轨柴油机上的应用