PCR高壓共軌新技術與發展

黃和祥

（長江大學 機械工程學院，湖北 荊州 434023）

柴油發動機電控共軌系統的應用，使柴油噴射燃燒過程的開發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的噴射壓力。在這期間，采用高壓蓄能系統使燃油的噴射壓力，達到120 MPa～150 MPa。

為了滿足繼續不斷提高的噴射壓力和越來越苛刻的環保排放要求，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化處理。

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

但是，現有的噴射系統，不能滿足如上所述要求的柔性功能。西門子公司開發的PCR共軌系統，由于采用了機電式的壓電石英作為執行器，而取代了原有的機械式的噴射電磁閥，從而能夠實現非常柔性的多次噴射功能。

1 噴射系統的技術要求

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

（1）只要噴射系統壓力還在繼續提高，就必須采用多次噴射的辦法，使燃燒過程經常處在平緩的壓力上升狀態下（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，將炭煙顆粒在發動機內部處理并降低，是一項意義重大的開發研究目標。

（3）針對排放的尾氣在催化過濾系統和顆粒濾清器中的后處理過程，對噴射系統提出了新的要求。為了能夠達到上述尾氣處理系統的再生條件，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和顆粒濾清器中所必要的提高。這項要求對發動機在低、中轉速的范圍時特別重要，因為必須保證在發動機的任何工況下，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，必須提高噴射系統的燃油分配精度，保證其精確性；

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

2 壓電技術

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

從根本上講，將壓電石英技術應用在汽車領域中，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年發現的，當時她觀察到這樣一種現象，某些晶體在壓力和撞擊的作用下，會產生電壓輸出。這就是在壓力的作用下，極性晶體中的載荷會產生部分的離子連接的移動現象。居里夫人將這一發現稱為“壓電”現象。

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

3 壓電執行器

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

為了能夠將其作為共軌噴油器的執行器，在開始研發時，利用了我們在壓電石英中的薄層技術，這種技術是西門子公司在德國慕尼黑市的開發總部在20世紀70年代開發的。

為了保證壓電執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成為一個立方整體。在實際中，為噴油器所采用的壓電執行器有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構，是一個整體的執行器，安裝在噴油器總成內部，多用于汽車領域中。

其正常使用溫度在-40～140℃之間，這個執行器可以提供出40μm的工作行程。根據西門子公司多年開發工作積累的經驗表明，必須正確地選擇構成執行器的石英材料，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生晶格偏振現象，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象。

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

毫無疑問，這種機電式執行器的開發，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方法，我們也遇到了挑戰，如何在燒結過程中，防止在每層石英之間的接觸擴散問題。

4 壓電技術優點

對比電磁閥式的共軌噴射系統，壓電執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，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構相比，帶有壓電石英執行器的共軌噴射系統，有下面的明顯優點：

（1）壓電石英執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）系統的重復精度非常高；

（4）避免了由于設計中的局限而產生的公差，例如，來自于空隙等；

（5）具有非常穩定的長壽命性能；

（6）壓電石英執行器作為一個獨立的單元，可以實現預加工和檢驗后供貨；

在開發工作中，所遇到的困難和挑戰還有：不同材料之間的溫度補償和將壓電石英執行器作為能夠進行預加工的模塊；由于系統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，針對壓電技術進行優選處理。

5 共軌供油泵的結構及其工作原理

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

為了能夠達到更高的效率，在油泵中設置了相應的流量調節閥。在油泵中還有壓力調節閥系統。因此，高壓油泵從設計上達到了非常緊湊的目標。由于噴油泵系統是采用模塊化設計的，所以可按照各種用戶的要求，對噴油泵系統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構件設計而成的，在共軌管上安裝有相應的壓力傳感器。

6 電子控制系統

共軌系統的電子控制系統，是與原有的發動機控制儀合成的。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個電子數字輸入通道和10電子數字輸出通道，另外，還有一個診斷接口和CAN數據通道。更重要的是，帶有能量回收處理功能的壓電石英執行器的輸出端，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動機的控制系統，始終是按照模塊化及分級布置的。控制系統的設置，采用單元模塊式的基礎結構，如同PI網絡，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。

對控制系統上界面的控制原則，重要的是要根據發動機所具有的零件系統進行必要的劃分。扭矩結構系統已經與共軌電控系統相適應，通過扭矩結構系統可以將全部來自于汽車操作人員、車輛驅動回路上各種儀器部件以及發動機控制儀的各種要求，進行協調處理，然后，在控制模塊中相應的調節各個噴射環節的燃油分配量。各種有關噴射的技術參數，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和利用的。除了通過扭矩結構參數以外，同時還有另外一個工作模塊，對壓電共軌系統的控制也是非常重要的，就是車輛的怠速調節器（空運轉調節器），其不僅對怠速穩定性，還要針對發動機啟動時的各項要求。

7 目前的狀態和展望

壓電技術的先進性，促使目前使用電磁閥技術的共軌系統以及其他噴射系統，將會拋棄原有技術而轉向壓電技術。這種技術上的更新換代工作，已經開始。首先，對現有技術在相同的功能范圍內進行替代，就是先在高壓直噴系統中使用預噴射功能；然后，使用這套系統來實現相應的符合特征曲線的多次噴射功能。

高壓共軌系統并不是唯一能夠利用壓電技術領域的最新的一種壓電執行器，由于其具有更快的開關時間，所以從原理上可以將其利用在其它噴射系統中。

針對壓電技術進一步的開發研究，可以在系統中實現可變油針開啟行程，從而實現了對噴射開始、噴射結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，對發動機的與排量相關的功率性能進行優化。在每一工作循環下的噴射次數最多可以達到5次。

8 結束語

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

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