BOSCH共轨技术详解

    1.BOSCH电控高压共轨系统构成

    2.BOSCH电控高压共轨结构示意图

    BOSCH电控高压共轨系统工作原理

    FMU燃油计量单元

    1）燃油从输油泵经过节流孔流到压力腔里，当燃油压力超过弹簧力时，截流阀被向上推起。

    2）截流阀向上移动，当截流阀的环肩打开燃油通道时，燃油被输送到进出油阀。

    3）ECU控制电磁阀以便于最佳燃油量从燃油计量单元流到进出油阀

    4）当电磁阀A和B根据来自ECU的信号被赋予了电压后，压力腔侧回油通道打开了，在压力腔的油从侧回油通道流出。

    5）压力腔的压力下降，节流阀由于弹簧力下降，对燃油通道A节流（节流调整方法）。

    6）因为ECU控制电磁阀A和B通电的时间（如：占空比），最佳燃油量就被提供到进出油阀。

    2.压电式喷油器

    逆压电效应

    实际上，汽车上运用压电技术并非什么新鲜的事情。下车时提醒司机关闭灯光的蜂鸣器就是一个典型的应用实例。其基础原理可以追溯到1880年库里（curie）兄弟的发现，当时他们观察到某些晶体一旦受到压力或敲击时就会产生一个电压，他们将观察到的这种现象按照希腊字“piezein”（压）命名为压电（Piezo）效应。1881年研究人员首次发现这种效应也可以逆向起作用：在一个合适的晶体上施加一个电压，这样就会引起晶体晶格的变形，从而产生一个线性位移。这种逆压电效应就成为了压电共轨喷油系统的技术基础。

    压电执行器及其特点

    一个压电元件的晶体晶格的变形是非常微小的，以至于对作为执行器使用提出了巨大的挑战。压电薄层技术对压电共轨喷油器的压电执行器的开发十分重要，该项技术直到20世纪70年代才趋于成熟。为了使压电执行器获得足够的位移（行程），将很多片陶瓷薄片烧结成一个长方形六面体，因此喷油器中30mm长得压电元件由300多层厚度为80um 的压电陶瓷薄片组成。（图6）

    这种多层压电元件在汽车应用场合（温度-40+140°C，高振动）以预装配执行器模块装在喷油器中，工作行程大约为40um。经过多年的开发工作，研究人员制作出了一种专用陶瓷用于执行器。这种专用陶瓷首先要解决一个问题：高温引起执行器中晶体晶格的极化及其由此使压电元件变形位移缩小，从而使得压电执行器的工作行程减小。因此，对于用于喷油器场合的压电材料性能必须具有搞得库里点，而具备这种性能的陶瓷又偏偏只有较弱的压电效应。现在所应用的执行器由一种采用多层技术的PZT（piezoelectric transition）压电跃变陶瓷组成，这种陶瓷材料是一种铅-锆-钛混合物，而在烧结工艺工程中插入的电极则由银-钯合金制成。为了开发这种机电一体化的元件，必须要综合有关化学、电子学和物理学等方法的技术秘诀。另一个挑战是要开发出一种可精确控制的制造工艺方法，以防止在烧结时单片陶瓷层之间接触部位的扩散。

    压电执行器具备以下特点：

    1）压电执行器实际上无滞后时间；

    2）开关非常迅速而精确；

    3）可重复性非常好；

    4）无结构设计所造成的诸如间隙之类的误差；

    5）在使用寿命期内性能稳定；

    6）压电模块可以预生产和预检验的执行器方式供货；

    雅典喷油器的基本工作原理

    实现雅典喷油器功能的主要组件是压电执行器、液压接杆、伺服阀和喷嘴。压电执行器在非工作状态时处于原始位置，伺服阀关闭，高压范围和低压范围相互隔断。此时，液压接杆补偿可能存在（例如由于热膨胀所引起的）间隙，喷嘴借助于紧挨着控制室的共轨压力保持关闭状态。压电执行器起作用时就将伺服阀打开，从而使控制室中的压力降低，喷嘴开启。若伺服阀关闭，控制室中的压力随之增大，喷嘴针阀也随之关闭。

    基本功原理

    这种雅典喷油器被设计成没有机械力通过推杆作用在喷嘴针阀上，因此运动质量和摩擦大大降低，并且喷油器的稳定性和喷油误差比通常的电磁阀控制喷油系统明显改善。伺服阀与喷嘴针阀的紧密连接使得针阀对压电执行器的动作能直接作出迅速的反应，控制始点与喷油始点之间的延迟时间总共约150us，这样就能获得高的针阀速度和重复性较好的最小喷油量。

    由于压电执行器集成在喷油器体中，因此取消了电磁阀控制喷油器中将喷嘴针阀运动传递到控制室的控制柱塞。与常规的电磁阀控制的喷油器相比，这种压电喷油器的液压传递路线从152mm缩短至42mm，减少了2/3.最大的喷嘴针阀运动速度可达1.3m/s，要比其他所有大量生产的电磁阀式共轨喷油系统约高一倍。

    此外，从原理上讲，这种压电喷油器没有高压油路向低压油路泄露的部位，这样就提高了整个系统的液压效率。同时，这种压电喷油系统还能实现很短的喷射间隔。图10示范性示出了每循环5次喷射的实例，其喷射次数和时刻与发动机工况相匹配。

    由于压电共轨喷油系统工作的压力高达160MPa，因此压电喷油器对零件表面质量和几何精度等方面的机械性能提出了极高的要求。其最小的喷孔直径可达到0.12mm，并有意加工成圆锥形，喷孔内测进口处还采用液力研磨（液力冲蚀）工艺倒成圆角。所有的喷嘴针阀体孔直径都经气动量仪测量，针阀直径则按测得的喷嘴针阀体直径尺寸进行自动研磨，确保该对精密偶件的配合间隙保持在大约2um。

    正因为针阀体和针阀偶件必须以如此小的公差来相互配对，因此机械加工的要求十分苛刻，毛坯要在23°C的恒温车间内进行加工，喷嘴针阀体孔的表面粗糙要求达到Rz=0.6um，并采用激光干涉仪进行无缺陷检验，确保喷嘴针阀体孔和针阀几何精度的正确性和一致性，从而使针阀在针阀体孔中的自由滑动达到最理想的状态。为了证实加工质量完全一致，另外还要进行喷射油柱形状检验来控制最终的实际应用质量。喷油器的最后装配则要求在净化室内进行，因为公差极其小，并必须确保性能的高可靠性，因此即使50um大小的微粒就会妨害喷油器的正常功能，尤其是200um大小以上的微粒决不允许进入喷油器。从功能和可靠性观点出发，压电共轨喷油系统对高压零件的清洁度的要求比通常形成控制的喷油系统更高，因此除了喷油器的装配置外最终检验也要进一步实现自动化，这是确保产品质量一致性的基础。

    喷油器可以被拆分为一系列功能部件：孔式喷油嘴，液压伺服系统和电磁阀。燃油来自于高压油路，经通道流向喷油嘴，同时经节流孔流向控制腔，控制腔与燃油回路相连，途径一个受电磁阀控制其开关的泄油孔。泄油孔关闭时，作用于针阀控制活塞的液压力超过了它的喷油嘴针阀承压面的力，结果，针阀被迫进入阀座且将高压通道与燃烧室隔离，密封。

    当喷油器的电磁阀被触发，泄油孔被打开，这引起控制腔的压力下降，结果，活塞上的液压力也随之下降，一旦液压力降至低于作用于喷油嘴针阀承压面上的力，针阀被打开，燃油经喷孔喷入燃烧室。这种对喷油嘴针阀的不直接控制采用了一套液压力放大系统，因此快速打开针阀所需的力不能直接由电磁阀产生，所谓的打开针阀所需的控制作用，是通过电磁阀打开泄油孔使得控制腔压力降低，从而打开针阀。

    此外，燃油还在针阀和控制柱塞处产生泄漏，控制和泄漏的燃油，通过回油管，会同高压泵和压力控制阀的回流回油箱。

    传感器工作原理——热模式空气流量计

    热模式空气流量计是一个带有逻辑输出的空气质量传感器，为了获得空气流量，传感器元件上的传感器膜片被中间安装的加热电阻加热，膜片上的温度分配被与加热电阻平行安装的温度电阻测量。通过传感器的气流改变了膜片上的温度分配，从而使得两个温度电阻的电阻值产生差异。电阻值的差异取决于气流的方向和流量，因此空气流量传感器对空气的流量和方向具有较高的要求。微机械制造的传感器元件的小尺寸和较低的热容量式的传感器的响应时间＜15ms。如需要可以在传感器内部安装进气温度传感器，用以测量进气温度。

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