PCR高壓共軌新技術(shù)與發(fā)展

黃和祥

（長江大學 機械工程學院，湖北 荊州 434023）

柴油發(fā)動機電控共軌系統(tǒng)的應用，使柴油噴射燃燒過程的開發(fā)研制形勢有了徹底的改變，其主要目的就是要不斷地提高柴油直噴系統(tǒng)的噴射壓力。在這期間，采用高壓蓄能系統(tǒng)使燃油的噴射壓力，達到120 MPa～150 MPa。

為了滿足繼續(xù)不斷提高的噴射壓力和越來越苛刻的環(huán)保排放要求，必須要采用在主噴射前后的預噴射和后噴射而達到的多次噴射方法，對燃燒過程進行不斷的優(yōu)化處理。

在發(fā)動機的低速和中速時，其系統(tǒng)的柔性是非常重要的，所以，在發(fā)動機轉(zhuǎn)速低于2 500 r/min范圍時，需要實現(xiàn)5次噴射；在中速范圍，需要有2次到3次噴射過程；而在發(fā)動機的額定轉(zhuǎn)速時，只要有1次噴射，就可以滿足優(yōu)化的效果。

但是，現(xiàn)有的噴射系統(tǒng)，不能滿足如上所述要求的柔性功能。西門子公司開發(fā)的PCR共軌系統(tǒng)，由于采用了機電式的壓電石英作為執(zhí)行器，而取代了原有的機械式的噴射電磁閥，從而能夠?qū)崿F(xiàn)非常柔性的多次噴射功能。

1 噴射系統(tǒng)的技術(shù)要求

在高壓共軌系統(tǒng)噴油器中使用電磁閥技術(shù)，來控制噴射過程的開始和結(jié)束。由于電子線圈的電感性，電磁閥系統(tǒng)有原理上的缺陷，使其存在有相對較大的偏差。所以，未來有希望的噴射系統(tǒng)，必須具備下面附加的功能：

（1）只要噴射系統(tǒng)壓力還在繼續(xù)提高，就必須采用多次噴射的辦法，使燃燒過程經(jīng)常處在平緩的壓力上升狀態(tài)下（即指燃燒室中壓力和溫度），保證將燃燒中的噪音降低。

（2）為了更好地將炭煙和顆粒燃燒掉，附加的后噴射是十分必要的，將炭煙顆粒在發(fā)動機內(nèi)部處理并降低，是一項意義重大的開發(fā)研究目標。

（3）針對排放的尾氣在催化過濾系統(tǒng)和顆粒濾清器中的后處理過程，對噴射系統(tǒng)提出了新的要求。為了能夠達到上述尾氣處理系統(tǒng)的再生條件，要求在主噴射后有一個使用精確定量燃油的后噴射功能，從而保證尾氣溫度在催化過濾系統(tǒng)和顆粒濾清器中所必要的提高。這項要求對發(fā)動機在低、中轉(zhuǎn)速的范圍時特別重要，因為必須保證在發(fā)動機的任何工況下，都有所需要的溫度將顆粒濾清器進行循環(huán)更新。

（4）從尾氣排放的法律要求和日益提高的舒適性要求出發(fā)，必須提高噴射系統(tǒng)的燃油分配精度，保證其精確性；

因此，在發(fā)動機要求有多次噴射的工況下，保證系統(tǒng)反映的快速性和精確性，是非常必要的。

2 壓電技術(shù)

由于壓電陶瓷元件的大批量生產(chǎn)還不成熟，同時市場上對這種技術(shù)的要求也不是十分迫切。而真正需要壓電石英技術(shù)，是在共軌產(chǎn)品出現(xiàn)以后，發(fā)動機臺架對比試驗的結(jié)果和對市場發(fā)展分析的結(jié)論，促使西門子公司將帶有革新性質(zhì)的壓電石英技術(shù)，應用在柴油噴射系統(tǒng)中。

從根本上講，將壓電石英技術(shù)應用在汽車領(lǐng)域中，并不是新生事物。例如，提醒汽車司機在離開汽車時不要忘記關(guān)閉車燈的功能，就是一個典型應用。

這一基本原理是由居里夫人在1880年發(fā)現(xiàn)的，當時她觀察到這樣一種現(xiàn)象，某些晶體在壓力和撞擊的作用下，會產(chǎn)生電壓輸出。這就是在壓力的作用下，極性晶體中的載荷會產(chǎn)生部分的離子連接的移動現(xiàn)象。居里夫人將這一發(fā)現(xiàn)稱為“壓電”現(xiàn)象。

在1881年的進一步研究發(fā)現(xiàn)，上述的壓電現(xiàn)象也有其逆反功能：當我們向一種特定的晶體上施加電壓后，就會出現(xiàn)相應的晶格變形，從而產(chǎn)生了線性移動。這種可以相互轉(zhuǎn)化的壓電現(xiàn)象，就是我們壓電式共軌系統(tǒng)的基本原理。

3 壓電執(zhí)行器

由于在一個壓電晶格單元中產(chǎn)生的晶格變形，是非常小的，所以要利用壓電石英作為執(zhí)行器，就必然有很大的困難和挑戰(zhàn)性。

為了能夠?qū)⑵渥鳛楣曹墖娪推鞯膱?zhí)行器，在開始研發(fā)時，利用了我們在壓電石英中的薄層技術(shù)，這種技術(shù)是西門子公司在德國慕尼黑市的開發(fā)總部在20世紀70年代開發(fā)的。

為了保證壓電執(zhí)行器能夠提供所必要的行程，必須將盡可能多的壓電石英薄層燒結(jié)成為一個立方整體。在實際中，為噴油器所采用的壓電執(zhí)行器有30 mm長，是由300多層石英組成的，其每層厚度只有80μm。這種多層石英單元結(jié)構(gòu)，是一個整體的執(zhí)行器，安裝在噴油器總成內(nèi)部，多用于汽車領(lǐng)域中。

其正常使用溫度在-40～140℃之間，這個執(zhí)行器可以提供出40μm的工作行程。根據(jù)西門子公司多年開發(fā)工作積累的經(jīng)驗表明，必須正確地選擇構(gòu)成執(zhí)行器的石英材料，才能夠很好的解決在實際應用中所遇見的困難：由于較高的溫度而產(chǎn)生晶格偏振現(xiàn)象，使壓電單元中的變形減少，導致所需要的工作行程消失。

所以，對在噴油器中當作執(zhí)行器使用的壓電石英，要求其材料配比有較高的居里溫度。但很不幸的是，帶有這種特性的石英陶瓷材料只有非常微小的壓電現(xiàn)象。

我們今天所使用的壓電執(zhí)行器，是由一種被稱為PZT的陶瓷材料，采用多層技術(shù)制造的。這種陶瓷石英材料是配比非常精確的鉛—鋯酸鹽—鈦酸鹽燒結(jié)而成的，并在其燒結(jié)過程中加入由銀—鈀合金材料作為電極。

毫無疑問，這種機電式執(zhí)行器的開發(fā)，是在化學、電子學和物理學等學科緊密合作的成果。同時，為了得到可控制的可靠的大批量生產(chǎn)方法，我們也遇到了挑戰(zhàn)，如何在燒結(jié)過程中，防止在每層石英之間的接觸擴散問題。

4 壓電技術(shù)優(yōu)點

對比電磁閥式的共軌噴射系統(tǒng)，壓電執(zhí)行器首先有反映速度快的特點。作為機電式的單元組件，壓電執(zhí)行器如同一個多層的石英陶瓷聚合裝置，或更確切地說，就是一個能量存儲器，其能量在電壓的作用下，馬上會釋放出來。由于壓電石英晶格的變形速度在0.1 ms內(nèi)，其比目前所有能夠利用的物理方法都要快，所以同電磁閥式的結(jié)構(gòu)相比，帶有壓電石英執(zhí)行器的共軌噴射系統(tǒng)，有下面的明顯優(yōu)點：

（1）壓電石英執(zhí)行器在實際使用中沒有時間死點；

（2）具有開閉速度快，精確度好的特點；

（3）系統(tǒng)的重復精度非常高；

（4）避免了由于設(shè)計中的局限而產(chǎn)生的公差，例如，來自于空隙等；

（5）具有非常穩(wěn)定的長壽命性能；

（6）壓電石英執(zhí)行器作為一個獨立的單元，可以實現(xiàn)預加工和檢驗后供貨；

在開發(fā)工作中，所遇到的困難和挑戰(zhàn)還有：不同材料之間的溫度補償和將壓電石英執(zhí)行器作為能夠進行預加工的模塊；由于系統(tǒng)所需要的能量非常少，所以對能量消耗和回收的處理比較困難；電子控制單元，控制方案以及安全程序等問題，針對壓電技術(shù)進行優(yōu)選處理。

5 共軌供油泵的結(jié)構(gòu)及其工作原理

高壓共軌供油泵是一種3缸結(jié)構(gòu)的徑向柱塞泵，該油泵的容積效率在進油溫度為40℃，共軌壓力100 MPa，發(fā)動機轉(zhuǎn)速在500 r/min的情況下，可以達到86%以上（當轉(zhuǎn)速在1 000 r/min時，效率就達到90%以上），在油泵中內(nèi)置有葉片泵作為輸油泵。

為了能夠達到更高的效率，在油泵中設(shè)置了相應的流量調(diào)節(jié)閥。在油泵中還有壓力調(diào)節(jié)閥系統(tǒng)。因此，高壓油泵從設(shè)計上達到了非常緊湊的目標。由于噴油泵系統(tǒng)是采用模塊化設(shè)計的，所以可按照各種用戶的要求，對噴油泵系統(tǒng)進行靈活的部件組合，以適應不同的需要。

高壓共軌管是采用焊接結(jié)構(gòu)件設(shè)計而成的，在共軌管上安裝有相應的壓力傳感器。

6 電子控制系統(tǒng)

共軌系統(tǒng)的電子控制系統(tǒng)，是與原有的發(fā)動機控制儀合成的。這個控制儀帶有16位的微程序控制器，8位的安全控制器以及4 MB的閃存功能。其還能夠提供有超過8個模擬輸入通道，6個電子數(shù)字輸入通道和10電子數(shù)字輸出通道，另外，還有一個診斷接口和CAN數(shù)據(jù)通道。更重要的是，帶有能量回收處理功能的壓電石英執(zhí)行器的輸出端，保證了在油閥開啟期間，不再需要有電流通過。

在壓電共軌控制單元中所含有的柴油發(fā)動機的控制系統(tǒng)，始終是按照模塊化及分級布置的?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)置，采用單元模塊式的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，如同PI網(wǎng)絡，使其具有非常好的可維護性，同時，作為一個整體模塊，可以對其進行預先校驗工作。

對控制系統(tǒng)上界面的控制原則，重要的是要根據(jù)發(fā)動機所具有的零件系統(tǒng)進行必要的劃分。扭矩結(jié)構(gòu)系統(tǒng)已經(jīng)與共軌電控系統(tǒng)相適應，通過扭矩結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可以將全部來自于汽車操作人員、車輛驅(qū)動回路上各種儀器部件以及發(fā)動機控制儀的各種要求，進行協(xié)調(diào)處理，然后，在控制模塊中相應的調(diào)節(jié)各個噴射環(huán)節(jié)的燃油分配量。各種有關(guān)噴射的技術(shù)參數(shù)，例如，噴射油量的分配、噴射時間點以及燃油壓力等，都是可以進行各種靈活開發(fā)和利用的。除了通過扭矩結(jié)構(gòu)參數(shù)以外，同時還有另外一個工作模塊，對壓電共軌系統(tǒng)的控制也是非常重要的，就是車輛的怠速調(diào)節(jié)器（空運轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)器），其不僅對怠速穩(wěn)定性，還要針對發(fā)動機啟動時的各項要求。

7 目前的狀態(tài)和展望

壓電技術(shù)的先進性，促使目前使用電磁閥技術(shù)的共軌系統(tǒng)以及其他噴射系統(tǒng)，將會拋棄原有技術(shù)而轉(zhuǎn)向壓電技術(shù)。這種技術(shù)上的更新?lián)Q代工作，已經(jīng)開始。首先，對現(xiàn)有技術(shù)在相同的功能范圍內(nèi)進行替代，就是先在高壓直噴系統(tǒng)中使用預噴射功能；然后，使用這套系統(tǒng)來實現(xiàn)相應的符合特征曲線的多次噴射功能。

高壓共軌系統(tǒng)并不是唯一能夠利用壓電技術(shù)領(lǐng)域的最新的一種壓電執(zhí)行器，由于其具有更快的開關(guān)時間，所以從原理上可以將其利用在其它噴射系統(tǒng)中。

針對壓電技術(shù)進一步的開發(fā)研究，可以在系統(tǒng)中實現(xiàn)可變油針開啟行程，從而實現(xiàn)了對噴射開始、噴射結(jié)束和噴射過程的控制能力。同時，將噴射壓力首先提高到160 MPa，然后達到180 MPa，對發(fā)動機的與排量相關(guān)的功率性能進行優(yōu)化。在每一工作循環(huán)下的噴射次數(shù)最多可以達到5次。

8 結(jié)束語

從根本上講，壓電技術(shù)非常有利于在Otto（奧托）直噴系統(tǒng)上使用。這種趨勢已經(jīng)更加明顯。特別是針對復雜的燃燒結(jié)構(gòu)和燃燒方式控制而言，壓電執(zhí)行器所具有的快速性能是非常重要的。

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