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)(一)

◆文/浙江 范明強

范明強 (本刊編委會委員)

教授級高級工程師，參加過陜西汽車制造總廠的籌建工作，主管柴油機的產(chǎn)品開發(fā)；1984年調往機械工業(yè)部無錫油泵油嘴研究所，曾任一汽無錫柴油機廠?、第一汽車集團公司無錫研究所高級技術顧問、湖南奔騰動力科技有限公司總工程師。

未來的柴油機會要求發(fā)動機性能更高、原始排放更低、燃油消耗更低和可與汽油機相媲美的噪聲水平。此外，未來排放標準的提升也將成為汽車發(fā)動機需要面臨的最大挑戰(zhàn)，而想要達到此標準最關鍵的一點是現(xiàn)代燃油噴射系統(tǒng)的完善，它與發(fā)動機采取的改進措施和廢氣后處理相結合必定能達到上述要求。

一、未來廢氣排放標準對柴油機的挑戰(zhàn)

現(xiàn)在，柴油機越來越受到全球的矚目，在一些柴油轎車比較普及的國家，例如奧地利、法國和意大利等，柴油轎車的市場份額已達到60%，并且還有繼續(xù)增長的趨勢。由于燃油價格不斷升高，而柴油機燃油耗又較低，因此大多數(shù)的人們越來越傾向于選用柴油轎車。此外，柴油機正在向更清潔、更安靜和更省油的直噴式柴油機方向發(fā)展，并已取得了重大進步，這使得柴油機更具魅力。至今，柴油機的比功率已達到了汽油機的水平，扭矩也達到了前所未有的數(shù)量級。

未來，柴油機將繼續(xù)面臨挑戰(zhàn)，因此必須有新的解決方案。除了發(fā)動機方面的改進措施和廢氣后處理的技術創(chuàng)新之外，燃油噴射系統(tǒng)始終是柴油機得以向前發(fā)展的關鍵。按歐4排放標準設計的轎車柴油機運行時噴油量的誤差對其廢氣排放性能的影響如圖1所示。從圖中可以清楚地看到，噴油量極微小的變化也會導致汽車排放出現(xiàn)明顯變化，甚至使廢氣排放超標。若廢氣排放限值進一步縮小，那噴油量的允差也必須進一步縮小，對高壓噴油系統(tǒng)的要求也需更加苛刻。因此，轎車柴油機為獲得較低的原始排放，必須首先從噴油量的計量精度著手，因為噴油量誤差對排放結果的影響近似于同一數(shù)量級。

二、博世公司轎車用高壓共軌噴油系統(tǒng)的發(fā)展

實施歐5排放法規(guī)后，越來越多的人希望在比功率合適的情況下，中級以下轎車采用CRS3.0共軌噴射系統(tǒng)就能達到歐5排放限值，并在許多場合內(nèi)避免使用NOx催化器。而對于比功率較高的車輛，尤其是對車重約1 800kg以下的大型轎車而言，柴油機需要要進一步開發(fā)系統(tǒng)壓力為180MPa(CRS3.2)或者是200MPa(CRS3.3)的第3代共軌噴射系統(tǒng)。

油軌容積必須足夠大，以便補償壓力波動，將其對噴射的影響減至最小程度；另一方面油軌容積又必須足夠小，以便確保啟動時迅速建立起油壓。在設計階段利用AMESIM程序進行模擬計算，使其達到最佳化。

我們應增強文化自信，積極推進文明交流互鑒，書寫民心相通、文明互鑒、發(fā)展成果共享的多彩篇章。各種文明在其悠久的發(fā)展過程中異彩紛呈、各有千秋，但其思想、價值、行為的“同”遠大于“異”，正所謂“東海西海，心理攸同”。比如，各種文明皆有真善美的追求，都有詩歌、繪畫、音樂、雕塑等藝術。中國是盛產(chǎn)詩人的國度，波斯也有享譽世界的文壇四柱，印度有迦梨陀娑、泰戈爾，阿拉伯有努瓦斯、穆太奈比，歐洲有荷馬、莎士比亞，美洲有聶魯達、惠特曼等著名詩人。尋求不同文明之間的“同”與“通”，是推進傳統(tǒng)與現(xiàn)代藝術建設的精神基石。

圖1 噴油量誤差對柴油機廢氣排放的影響

圖2 第3代壓電直接控制式噴油器

歐4和歐5轎車柴油機都要配備顆粒捕集器，壓電共軌噴射系統(tǒng)的高度柔性為其提供了理想的前提條件，并且現(xiàn)在已經(jīng)開始進行批量生產(chǎn)。較遲的后噴射能夠提高廢氣溫度，用于顆粒捕集器的再生，而最多有兩次的預噴射則有助于降低燃燒噪聲。預計用于噴油的曲軸轉角范圍在100°左右，而且使用壓電共軌噴射系統(tǒng)就無需發(fā)動機或液壓方面采用其他的附加結構措施。

為了進一步滿足柴油機對理想噴油規(guī)律的要求，2008年博世公司又開發(fā)出了第4代壓電共軌噴油系統(tǒng)液力增壓噴油器(HADI)，如圖3所示。HADI借助于1個液力轉換活塞將135MPa的系統(tǒng)壓力增壓到250MPa的噴射壓力。這種噴油器的噴油規(guī)律被設計成先慢后快的形狀，使得噴油開始時的噴油速率很小，在噴射期間噴油壓力遞增，噴油速率達到的最大值與系統(tǒng)壓力有關，但噴油終了一側的壓力曲線形狀非常陡峭(壓力降落極快)，避免了噴油終了時因不完全燃燒而引起的炭煙和積炭。

(3)依次單擊[分析]、[回歸]、[線性]，彈出對話框.將左邊源變量Y送入 <因變量> 小框中，將X1、X2、X3、X4送入 <自變量> 小框中.自變量因變量

脈壓雷達所采用的寬脈沖不僅可以提高雷達的平均發(fā)射功率，還能夠確保足夠大的作用距離。在接收端通過脈沖壓縮處理將寬脈沖轉化為窄脈沖，則可實現(xiàn)較好的距離分辨率，因此較好地解決了雷達大作用距離和高距離分辨率之間的矛盾。此外，脈沖壓縮處理大大提高了雷達對非相干干擾的抑制能力[1]。如何對脈壓雷達進行有效干擾已成為電子戰(zhàn)領域的研究熱點。

圖3 第4代共軌噴油系統(tǒng)液力增壓式噴油器(HADI)

博世公司共軌噴射系統(tǒng)更新后的模塊化結構，使得它能夠根據(jù)柴油機所要達到的使用范圍來決定系統(tǒng)的選擇。各種不同車重和升功率的轎車達到歐5廢氣排放限值的共軌噴油系統(tǒng)的選配情況如圖4所示，當然整車廢氣排放的達標還必須配備相應的廢氣后處理裝置，特別是顆粒捕集器和降NOx催化轉化器，但其中與廢氣排放標準相適應的共軌噴油系統(tǒng)則是最重要的一個條件。根據(jù)汽車質量、柴油機升功率的不同，若配備的共軌噴油系統(tǒng)得當，則無需使用價格昂貴的降NOx催化轉化器就能達到歐5廢氣嚴格的排放標準限值要求，但對于質量較重的轎車、高檔轎車而言，第4代共軌噴射系統(tǒng)則是一種非常好的技術方案。

圖4 博世公司共軌噴油系統(tǒng)的選配情況

三、第3代壓電共軌噴油系統(tǒng)

用于V6柴油機的第3代壓電共軌噴油系統(tǒng)布置圖如圖5所示。低壓電動燃油泵將燃油輸送給具有泵油量調節(jié)功能的高壓油泵，分配單元將進入的燃油一路供給泵油元件，另一路供給冷卻傳動機構和潤滑軸承。高壓油泵將燃油壓縮至最高壓力可達160MPa，并將其輸入油軌。擰緊在油軌上的油軌壓力傳感器采集實時壓力，并通過集成在高壓油泵上的分配單元進行燃油壓力調節(jié)，而擰緊在油軌上的壓力調節(jié)閥則用于汽車加速行駛時進行的快速泄壓。

圖5 用于V6柴油機的第3代壓電共軌噴油系統(tǒng)布置圖

高壓燃油經(jīng)油軌通往壓電噴油器，它由電控單元根據(jù)運行工況來控制，能精確地調節(jié)噴油始點和噴油持續(xù)期，并且可柔性控制噴油規(guī)律形狀(噴油相位、噴油次數(shù)和噴油量)。

1.泵油量可調式高壓泵

第3代壓電共軌噴油系統(tǒng)采用的CP3.x型泵油量可調式高壓泵是一種徑向式柱塞泵，它由3個柱塞和安裝在鋼殼體中的多邊凸輪軸組成。CP3.x型泵油量可調式高壓油泵轉速達到4 000r/min時能提供高達160MPa噴油壓力。它通過向油軌精確地供應燃油的方法來調節(jié)油軌壓力，因此在泵油元件的進油管路中有一個燃油壓力調節(jié)電磁閥，此調節(jié)電磁閥根據(jù)需要限制進入泵油室被壓縮的燃油量進而維持系統(tǒng)的噴油壓力，這樣可以減少被壓縮至高壓的燃油量，減少油泵消耗的功率，從而明顯提高整個系統(tǒng)的效率。

在眾人見證下，新洋豐技術人員分別測量了示范田和對照田茄子株高和葉厚，數(shù)了分枝數(shù)和花朵數(shù)。結果顯示新洋豐百倍邦套餐肥示范田平均株高65cm、葉片厚0.52mm、分枝量4-5個、花7-10朵，且主根壯，毛細根多；反觀對照田平均株高55cm、葉厚0.42mm、分枝量1-2個、花4-5朵，且主根弱，毛細根少，基本為光條根。在現(xiàn)場幫忙刨根的農(nóng)戶忍不住說：“對照田刨了半天都沒看到毛根，這百倍邦示范田，剛刨了幾下就看到了毛根，而且還特別多。”

既然現(xiàn)行的教學模式已經(jīng)不能滿足社會對人才培養(yǎng)的需要，要解決人才供需不平衡結構性矛盾的現(xiàn)狀，探索先進的教學模式就顯得尤為必要。[4]現(xiàn)階段我國作為世界第二大經(jīng)濟體，制造業(yè)規(guī)模大、產(chǎn)值高，是一個名副其實的制造業(yè)大國，制造業(yè)能夠為雙元制教學模式改革提供必要的人力和財力支持，也符合企業(yè)發(fā)展的需要。因此，雙元制教學模式改革的企業(yè)主體愿意參與為雙元制職業(yè)教育模式改革打下了堅實的基礎，同時也符合現(xiàn)階段我國的需要。

按最佳方案進行模擬填充，鑄造澆注過程如圖8所示．從圖8可以看出，在鑄造溫度720 ℃、注射速度3 m/s和模具溫度220 ℃條件下，鑄件的充型過程平穩(wěn)、冷卻過程溫度場的分布合理．

噴射壓力提高到200MPa的共軌系統(tǒng)采用新型的CP4系列共軌高壓泵，其結構特點與市場上可購買到的博世CP1H型3缸偏心輪泵不同，它是一種具有雙凸輪和滾輪的徑向柱塞泵，非常新穎，如圖6所示。與傳統(tǒng)的偏心輪泵相比，這種泵基于雙凸輪的工作原理是它只包含1個柱塞泵油單元，因此CP4型共軌高壓泵所占空間很小并且其質量很輕。

圖6 CP4型共軌高壓油泵

CP4型共軌高壓泵在被研發(fā)時目的就是為了達到高轉速(泵最高試驗轉速高達5 500r/min)，因此該泵能適應發(fā)動機以高轉速和1∶1的傳動比運轉。雙凸輪與較高油泵轉速相結合使得供油時間比傳統(tǒng)的偏心輪泵明顯減小，因而柱塞的泄漏相應減小，所以它的效率也得以最大化的提高 (圖7)。此外，由于系統(tǒng)壓力建立迅速，所以停車系統(tǒng)能夠最佳地適應啟動。

圖7 CP4型共軌高壓泵與傳統(tǒng)偏心輪泵的效率比較

為了使變型數(shù)目盡可能少，CP4型共軌高壓泵油泵的高壓部分被限制在一個緊湊的泵頭上(圖8)，這樣不僅在變型管理方面，而且在實際的高壓強度和質量方面都能帶來不少好處，因此它能夠采用鋁合金泵體。除了上述提及的結構特點之外，與CP1H共軌高壓泵相比，它的質量也進一步減輕，帶高壓元件的CP4型共軌高壓泵的質量只有CP1H高壓泵的60%。每1 000bar噴油壓力的油泵質量比較如圖9所示。此外，CP4型共軌高壓泵的這種模塊化單柱塞或雙柱塞結構能夠達到較大的3柱塞泵所能達到的泵油量。

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噴油系統(tǒng)的工作能力還取決于它所能達到的計量精度。CP4型共軌高壓泵在此方面就具有明顯的優(yōu)點，它通過選擇適當?shù)膫鲃颖燃纯蓾M足3～8缸發(fā)動機的同步供油需要。由于CP4型共軌高壓泵具有高的泵油效率，因此在低轉速時就能夠達到高的泵油壓力，特別適合于減少缸內(nèi)炭煙顆粒和NOx形成的新型燃燒過程。

圖8 CP4型共軌高壓泵的泵油元件

圖9 各種共軌高壓泵的單位壓力質量

2.高壓油管、調壓閥和油軌總成

高強度模塊式激光焊接油軌(LWR)的結構方案基本上能滿足未來的要求，其表面涂層不含Cr6+，已滿足從2007年開始實施的法規(guī)要求。為了調節(jié)油軌壓力，在油軌兩端軸向裝有最新一代的壓力傳感器和調壓閥(圖10)。電磁調壓閥由供電電流占空比來控制，通過優(yōu)化電磁回路和減小磁滯回線能迅速和精確地調節(jié)油軌壓力，這樣就有可能在各種不同的體積流量下保持油軌壓力恒定。

第3代壓電直接控制式噴油器共軌噴射系統(tǒng)如圖2所示。在160MPa最高系統(tǒng)壓力(CRS3.0)下，大型轎車都能夠達到相當?shù)偷臍W4排放標準，且無需采用比氧化催化器要求更高的廢氣后處理裝置，同時由于預噴射的效果使得柴油機的運行噪聲更低。

圖10 帶壓力傳感器和調壓閥的激光焊接油軌總成

3.壓電直接控制式噴油器

為了能夠最佳地利用共軌噴油器中壓電執(zhí)行器的高動態(tài)特性，柴油機的設計必須遵循嚴格的規(guī)范。下面通過與普通共軌噴油器的對比來簡要介紹壓電直接控制式噴油器的性能。

(1)CRI-3壓電直接控制式噴油器的基本工作原理

①功能說明

CP3.x型高壓泵有各種不同的結構尺寸，能滿足從小排量轎車至大型載貨車等柴油機的需要。供貨目錄通過各種不同殼體尺寸、柱塞直徑和行程的分級來改變泵油量。此外，供貨目錄中還將電動燃油泵或集成式齒輪泵規(guī)定為初級輸油泵，并可選用爪式、錐型或十字型聯(lián)軸節(jié)。

在博世公司的壓電直接控制式噴油器中，噴嘴針閥是由一個伺服閥來控制的，噴油量則由控制持續(xù)期來決定，其工作原理如圖11所示。實現(xiàn)噴油器功能的主要組件是壓電執(zhí)行器、液壓接桿、伺服閥和噴嘴。

壓電執(zhí)行器在非工作狀態(tài)時處于原始位置， 伺服閥關閉，高壓范圍和低壓范圍相互隔斷。此時， 液壓接桿補償可能存在的(例如由于熱膨脹所引起的) 間隙，噴嘴借助于緊挨著控制室的油軌壓力保持關閉狀態(tài)。

圖11 轎車用壓電共軌噴油器工作原理示意圖

應用在噴油閥上，必須達到各種不同的開啟位置，也就是各種不同的行程和力的組合。具有傳動比i的轉換器將壓電執(zhí)行器的行程放大，其結果由于能量的原因會使理論上最大可能的力減小同樣的系數(shù)i；為顧及到動態(tài)運行，還應考慮到系統(tǒng)總剛度也會降低i2。

壓電執(zhí)行器在工作時產(chǎn)生力和調節(jié)行程。為了描述其特性，先解釋空行程和閉鎖力。這兩個特性參數(shù)分別是充電狀態(tài)下不產(chǎn)生力時的行程和不產(chǎn)生行程時最大的力。根據(jù)結構形式和所使用的壓電陶瓷，它們分別處于幾毫米和幾千牛頓范圍內(nèi)。

②壓電執(zhí)行器特性

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壓電執(zhí)行器起作用時就將伺服閥打開，從而使控制室中的壓力降低，噴嘴開啟。若伺服閥關閉，控制室中的壓力隨之增大，噴嘴針閥也隨之關閉。

當前相關部門要做好動物疫情監(jiān)控工作，發(fā)現(xiàn)疫情后及時采取應急處理措施，限制疫病大規(guī)模傳播。對運載檢疫動物車輛進行全面檢查。如果農(nóng)村地區(qū)養(yǎng)殖中要從外地引入畜禽品種，需要做好檢疫工作。此外，在動物防疫工作中，要建立完善的監(jiān)督體系，做好檢疫防疫監(jiān)督。在防疫監(jiān)管中，要明確各項操作流程，做好強制免疫、隔離、消毒、封閉、檢疫流程。對畜禽養(yǎng)殖中常見的疫病，如口蹄疫、禽流感等進行監(jiān)控，相關部門要組織人員深入基層做好實時監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)疫情之后需要及時上報，擬定針對性處理措施，降低疫病損失[5]。

壓電執(zhí)行器能產(chǎn)生的閉鎖力FAB的線性近似值與有效橫斷面積成正比；空行程較精確的近似值與壓電執(zhí)行器的有效長度即片數(shù)成正比。壓電執(zhí)行器的機械特性如圖12所示。

(1)式中：FAB——執(zhí)行器閉鎖力

根據(jù)慢性鼻-鼻竇炎診斷和治療指南（2012年，昆明）[1]，小劑量（常規(guī)劑量的 1/2）、長期（療程不少于 12 周）口服 MA 是 CRS 的推薦治療方案。

xAO——空行程

cA——執(zhí)行器剛度

Case 2.The two sources exhibit both Gaussian distribution.

E——彈性模數(shù)

A——執(zhí)行器橫斷面積

L——執(zhí)行器有效長度

關于本科畢業(yè)論文寫作的研究有很多，大多集中在語言錯誤分析方面。但是，論文的選題首先決定著論文的質量，從學生的選題可以了解學生的語言、思維及思想動態(tài)。因此，北京師范大學珠海分校外國語學院始終高度重視本科論文的選題質量，確定選題需要經(jīng)過三個步驟：首先，由指導教師負責初審；然后由學院的各學科方向的專家小組負責復審，學生根據(jù)復審意見經(jīng)過修改后再次提交，論文題目最終通過學院終審后，學生才能開始正式撰寫論文。

d——執(zhí)行器壓電陶瓷片數(shù)

(2)式中：FV—— 閥作用力

xV—— 閥行程

i —— 液壓傳動比

ck—— 轉換器剛度

(3)式中：FVB—— 閥側閉鎖力

(4)式中：FVBmax——最大的閥側閉鎖力

壓電執(zhí)行器電壓與行程的線性關系具有較精確的近似值。實際上，壓電系數(shù)取決于電場強度亦即所施加的電壓。按照公式(1)， 壓電執(zhí)行器閉鎖力與行程成近似的線性關系。為了盡量減少能量損耗，必須使閉鎖力和空行程盡可能最小。此外，所需能量與材料的特性參數(shù)有關，因此要求閥接通的行程較小，所需的液壓力也盡可能小。

在實際情況下，轉換器的剛度cK 會降低執(zhí)行器閥側可用的閉鎖力FVB。公式(2)示出了閥作用力FV 與液壓傳動比i 的關系。閥側閉鎖力FVB 及其理論上可能的最大值分別可由公式(3)和(4)計算。

圖12 壓電執(zhí)行器結構原理及其力-行程圖