新型电控高压共轨喷油系统的关键技术

德尔福公司于2008年投入批量生产的200MPa喷油压力的新型电控高压共轨喷油系统采用压电直接控制式喷油器。如图4-15所示，与博世公司的压电直接控制式喷油器不同，这种喷油器的针阀直接由一个压电陶瓷执行器驱动，而无须经过液压伺服阀的转换，因此喷嘴针阀能开闭得比前者更加迅速，而与喷油压力无关，这对最小的先导喷射（注：指预喷射之前起引导作用的微量喷油，实际上就是第一次预喷射，参见图4-2）油量的优化控制以及整个使用寿命期内卓越的喷油量稳定性十分有利，确保了达到一流的燃油喷射品质，使得能够在降低燃油耗的同时获得最低的排放。

图4-15 德尔福电磁阀控制式与压电控制式喷油器的比较

图4-16 德尔福压电直接控制式喷油器

这种喷油器最重要的特点是压电执行器（详见第五章“二、喷油器”中“1.压电效应”的内容）以及由其直接操纵的喷嘴针阀（图4-16）。喷油嘴针阀的开关闭速度高达3m/s，比电磁阀控制的喷嘴针阀快3倍。具有非常短的开关时间（200μs），并能够实现喷嘴针阀的全升程和部分升程，其最短的喷油时间可达0.1ms，而目喷射间隔时间可极小甚至无间隔（图4-2）。同时，具有高的静态流量值（在200MPa喷油压力下最多可达约30g/s），因而大大拓展了喷油器的动态流量范围，特别是对于喷油量跨度较大的涡轮增压直喷式柴油机在喷油策略方面可获得很大的自由度，可根据发动机负荷、转速和温度状况，在整个进气和压缩行程期间将喷油量任意分成多次喷射。在小负荷工况时只需进气行程期间的单次喷油脉冲就足以获得均匀的油气混合气，而在低速高负荷运转工况时，将喷油量分成2次或3次喷射，这样就能够尽可能减少燃油湿壁和机油稀释现象。此外，高精度的喷油量计量为现代直喷式柴油机满足越来越严格的废气排放限值提供了必要的前提条件。

德尔福压电直接控制式喷油器应用了一种创新的以共轨压力为动力的两级式针阀运动放大器。通过压电执行器与喷嘴针阀之间的这种直接耦合，确保针阀能达到最高的执行速度。这种针阀运动放大器具备提供分级运动能量的功能，因而能够最佳地胜任针阀开启和关闭阶段时所需能量变化的要求。在第一放大级中压电执行器与喷嘴针阀是刚性耦合的，以便使压电模块打开喷嘴所必需的电流最小，其优点是能完全以紧密刚性耦合的“机械”方式来执行喷油量最小的先导喷射，从而能够获得各次喷射之间极小的喷油量偏差。当针阀打开第一级一结束时，第二放大级中的液压针阀运动放大器就用上了，使得为达到最大针阀升程（喷油量较大时）所必需的压电执行器升程最小。

由于压电直接控制式喷嘴针阀的开启和关闭速度极高，并目与电磁阀控制式喷油器不同，它们与共轨压力无关，以至于即使在较低的共轨压力下仍具有至今电磁阀喷油器尚达不到的针阀速度，因此一方面在所有的共轨压力下都能获得矩形的喷油速率（图4-17），这是电磁阀控制共轨喷油系统不可能做到的，特别是在低于平均共轨压力的范围内，另一方面喷嘴针阀的高速动作提高了喷射油束的动量，从而能获得更好的油束雾化性能。图4-18示出了喷油过程开始阶段（喷油开始后220μs）的喷射油束情况，由于压电直接控制式喷油器打开得比电磁阀控制式喷油器更快，因此喷油开始后前者的油束贯穿深度要比后者更大，油束也更直些，从而促进了空气与燃油更均质化的混合，这对于升功率较高的发动机特别有利，对于燃烧过程中颗粒/NO_x排放的折中将起到有利的作用，而目也改善了燃烧过程对废气再循环（EGR）的适应性。在喷油终了时同样也显示出这两种喷油器的明显差异，压电直接控制式喷油器关闭得更快，因此喷油最后阶段喷入燃烧室的燃油仍具有几乎未被节流的喷射油束动量，因而这些燃油在燃烧室中也贯穿得很远，同时由于具有较好的雾化品质而能够完全汽化，这对混合气形成起到了有利作用，特别是有利于进一步降低颗粒排放。

德尔福压电直接控制式喷油器还具有一个特别重要的结构性能是压电执行器被燃油所包围（图4-15和图4-16），只有采用这种设计方案才能完全避免燃油的泄漏，以至于所有供应的燃油量全都能喷入燃烧室而无须回油，可取消回油管，因而与电磁阀控制式共轨喷油系统相比，由此高压燃油泵能节省多达1kW的传动功率，从而能够取消对成本有较大影响的燃油冷却器。此外，压电执行器周围的燃油容积起到了喷油器中稳压室的作用，因此喷油器与共轨—高压泵之间的压力波动及其对针阀运动和喷油量精度的影响被减少到最小程度。这种稳压室作用以及在流动过程中无各种节流保证了在喷嘴针阀座以上的容积中具有高而稳定不变的压力，因此确保了在整个喷射过程中喷嘴具有相同的流量。同样，由于喷油器中稳压室的作用，降低了喷油器与共轨之间的压力波动，因而预喷射与主喷射之间不会相互影响。因喷嘴针阀座以上容积中的压力稳定不变，使得主喷射不受喷射间隔的影响而保持稳定（图4-19）。

图4-17 在各种共轨压力下压电与电磁阀控制式喷油器喷油速率曲线的比较

图4-18 压电与电磁阀控制式喷油器雾化品质的比较(www.xing528.com)

图4-19 压电直接控制式喷油器当主喷射与预喷射间距变化时主喷射油量保持恒定不变

压电直接控制式喷油器由于针阀完全开启和关闭的可重复性不受共轨压力的影响，因而获得了线性的喷油量特性曲线场，其曲线的走向仅是喷孔流量的函数，并目几乎不受针阀座节流的影响（图4-20）。

图4-20 压电直接控制式喷油器典型的喷油量特性曲线具有良好的线性

发动机试验巳证实，由于压电直接控制式喷油器能获得近似矩形的喷油速率，因此在喷射持续期短的情况下能将更多的燃油喷入燃烧室，从而能够实现在颗粒排放和排气温度保持不变的情况下提高发动机的升功率。与电磁阀控制式共轨喷油系统相比，压电直接控制式共轨喷油系统在中低负荷时能够改善颗粒排放与NO_x排放之间的目标冲突（图4-21）。

正如上述所介绍的那样，压电直接控制式喷油器的重要特性是高针阀速度与共轨压力无关，以及喷射过程之间的相互影响非常小，从而能够在一次喷射后非常迅速地紧跟着进行另一次喷射。这些所列举的性能为压电直接控制式喷油器能以最小的喷射间隔实现品质优异的多次喷射奠定了基础（图4-22），这特别是对于在低共轨压力下的小喷油量蕴藏着重大的应用效果，因为此时大部分燃油仍能够在针阀全开的情况下以最好的雾化品质喷入燃烧室。

图4-21 压电直接控制式喷油器改善柴油机排放的效果

图4-22 压电直接控制式喷油器具有以最小 喷射间隔进行多次喷射的能力