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(tǒng)(二)

◆文/浙江 范明強(qiáng)

(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(shè)計(jì)成無機(jī)械力形式，它通過推桿作用在噴嘴針閥上，因此運(yùn)動(dòng)質(zhì)量及摩擦大大降低，并且穩(wěn)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(duì)壓電執(zhí)行器的動(dòng)作可直接做出反應(yīng)，控制始點(diǎn)與噴油始點(diǎn)之間的延遲時(shí)間共約150μs，這樣就能獲得高的針閥速度和重復(fù)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(gè)系統(tǒng)的液壓效率明顯提高的同時(shí)又減短了噴射間隔。壓電直接控制式噴油器柔性實(shí)例(每循環(huán)五次噴射)如圖13所示，其噴射次數(shù)和時(shí)刻可與發(fā)動(dòng)機(jī)工況相匹配。

圖13 壓電直接控制式噴油器柔性實(shí)例

④噴嘴模塊

由于壓電執(zhí)行器集成在噴油器體中，因此將噴嘴針閥運(yùn)動(dòng)傳遞到控制室的活塞被取消了。與常規(guī)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(yùn)動(dòng)速度可達(dá)1.3m/s，要比其他的共軌噴油系統(tǒng)高一倍。將這樣多的功能高度集成在最小的空間內(nèi)，噴嘴模塊必須重新設(shè)計(jì)，以便讓噴嘴和閥塊的各種不同功能結(jié)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(shù)開發(fā)重點(diǎn)

噴油壓力提高到200MPa后對(duì)密封性和強(qiáng)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(zhí)行器組件所組成的功能結(jié)構(gòu)模塊都需作進(jìn)一步的改進(jìn)(圖15)。改進(jìn)后伺服鏈(壓電執(zhí)行器、液壓偶件和轉(zhuǎn)換閥)內(nèi)部具有更高的剛度，還可避免噴油嘴針閥上的機(jī)械力，而在帶有挺桿的噴油器中會(huì)產(chǎn)生這種機(jī)械力從而增加磨損，對(duì)噴油器的工作十分有利。改進(jìn)后的模塊具有很多的優(yōu)勢(shì)，例如：針閥具有高的動(dòng)態(tài)性能，可降低閥座節(jié)流損失；每工作循環(huán)最多可實(shí)現(xiàn)8次噴射；在整個(gè)共軌壓力范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的最小噴油量能力，即最小噴油量的計(jì)量精度高；優(yōu)化長油道鉆孔偏位，高壓強(qiáng)度被提高；整個(gè)噴射過程中的壓力損失最??；在使用壽命期內(nèi)整個(gè)特性曲線場中的噴油量(包括電控單元的補(bǔ)償功能在內(nèi))精度高而重復(fù)性又好等。

噴油嘴是燃燒室與噴油系統(tǒng)之間的接口，因此由噴油嘴完成的油束準(zhǔn)備工作具有重要意義。博世公司已經(jīng)為這種200MPa壓電直接控制式噴油器開發(fā)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(shù)偏差更小等優(yōu)勢(shì)，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(fā)過程中，直徑約為100μm的的噴孔最為關(guān)鍵，其對(duì)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(nèi)部開發(fā)了一種創(chuàng)新的機(jī)械加工技術(shù)——侵蝕工藝方法來確保滿足高的加工要求，共同對(duì)噴孔表面進(jìn)行液力研磨加工。采用這種噴油嘴能夠在中高負(fù)荷范圍內(nèi)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(shù)開發(fā)重點(diǎn)

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(jìn)行噴油器油量修正，在噴油器制造過程中需采集每個(gè)噴油器的測(cè)量數(shù)據(jù)，并以數(shù)據(jù)點(diǎn)陣編碼的形式標(biāo)志在噴油器上；對(duì)于壓電直接控制式噴油器，還要附加上有關(guān)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(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中這些數(shù)值被用來補(bǔ)償計(jì)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(tǒng)中噴射總會(huì)引起壓力波。當(dāng)噴射間隔變化時(shí)，這種壓力振動(dòng)會(huì)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(guān)，電控單元考慮到這些參數(shù)，可用補(bǔ)償算法計(jì)算出修正量。

(3)預(yù)噴射油量的調(diào)節(jié)

控制預(yù)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(tǒng)中采用了一種實(shí)際功率調(diào)節(jié)方法，此方法與壓力波修正一起開辟了預(yù)噴射應(yīng)用中新的自由度。

在汽車加速時(shí)，針對(duì)性地將某個(gè)小油量噴入汽缸，通過轉(zhuǎn)速傳感器可探測(cè)到由此相應(yīng)產(chǎn)生的扭矩提升。扭矩提升與噴入的燃油量有關(guān)，學(xué)習(xí)算法可確定這種預(yù)噴射油量的最小變化量，并相應(yīng)地修正所有預(yù)噴射的控制持續(xù)期。

(4)λ-調(diào)節(jié)

無論是噴油量還是進(jìn)氣空氣質(zhì)量的誤差都會(huì)導(dǎo)致混合汽的變化，從而影響到廢氣排放。為了進(jìn)行補(bǔ)償，用一個(gè)寬帶λ傳感器來檢測(cè)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(shí)λ傳感器用大氣中的氧分壓來標(biāo)定，因此檢測(cè)的精度較高。專用的學(xué)習(xí)和調(diào)節(jié)方法確保在廢氣排放重要的運(yùn)行工況范圍內(nèi)調(diào)節(jié)到經(jīng)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(gè)運(yùn)行循環(huán)以后就可以使用到學(xué)習(xí)值。

5.電控單元

第3代壓電直接控制式共軌噴油系統(tǒng)的電控單元建立在電控單元平臺(tái)上，控制和調(diào)節(jié)壓電噴油器所需的軟硬件功能都已重新開發(fā)，并集成在現(xiàn)有的電控單元平臺(tái)上，同時(shí)模塊式的軟件設(shè)計(jì)允許用壓電特有的功能替代電磁閥功能，計(jì)時(shí)嚴(yán)格的功能被安裝在協(xié)同處理器和智能驅(qū)動(dòng)級(jí)功能塊上。

壓電驅(qū)動(dòng)級(jí)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(jié)能的緣故，在放電過程中壓電執(zhí)行器的能量被返回到蓄能器中，這樣就能使變壓器的結(jié)構(gòu)尺寸非常緊湊。壓電驅(qū)動(dòng)級(jí)的模塊化設(shè)計(jì)使其有可能廣泛應(yīng)用于3-8缸發(fā)動(dòng)機(jī)中。

圖16 壓電驅(qū)動(dòng)級(jí)示意圖

6.第3代壓電共軌噴油系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果

最初的開發(fā)目標(biāo)是要改善系統(tǒng)的整體性能。在相同的系統(tǒng)壓力(160MPa)下，電磁閥系統(tǒng)的全負(fù)荷特性與壓電系統(tǒng)相比，這兩種系統(tǒng)在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都能獲得豐滿的扭矩曲線，但是，在排放重要的部分負(fù)荷范圍內(nèi)，新的壓電技術(shù)具有明顯優(yōu)勢(shì)。即便使用電磁閥系統(tǒng)也可達(dá)到較好效果，但由于壓電噴油器的噴油曲線優(yōu)化，預(yù)噴射油量減小，在保持低噪聲水平的同時(shí)，微粒和NOx排放量還能降低約13%～18%(圖17)。由于運(yùn)動(dòng)質(zhì)量減小，液壓控制鏈縮短，預(yù)噴射油量在需要時(shí)能夠減小到小于1mm3，且能夠大大擴(kuò)展調(diào)節(jié)燃燒過程的自由度，因此在排放/噪聲折衷方面允許將優(yōu)化的焦點(diǎn)轉(zhuǎn)移到有利于降低噪聲水平上。另外，由于應(yīng)用了兩次預(yù)噴射，中等負(fù)荷時(shí)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(jù)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(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)人員提供了新的自由度，排放、噪聲和燃油耗是三者之間達(dá)到最佳的折衷，例如，根據(jù)運(yùn)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(duì)噴油系統(tǒng)的要求，第3代壓電直接控制式共軌噴油系統(tǒng)能夠在膨脹沖程的不同相位進(jìn)行后噴射，這樣一方面能在燃燒進(jìn)行中就為可能存在的微粒過濾器的再生準(zhǔn)備好熱量，另一方面同樣也能為存儲(chǔ)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(dá)到1.3m/s，其優(yōu)異的性能為發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)提供了更大的自由度。泵油量可調(diào)式高壓泵的結(jié)構(gòu)緊湊而高效。電控單元附加的軟件修正功能確保系統(tǒng)達(dá)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(dá)到歐4排放標(biāo)準(zhǔn)(歐IV排放標(biāo)準(zhǔn)，2005年底開始在多國家實(shí)施)，實(shí)際工作能力十分優(yōu)異。