ECD-U2系统中压电晶体式喷油器的结构与功用

    电控柴油机高压共轨系统自1996年问世以来，先后已有德国博世公司、日本电装公司、美国德尔福公司等厂商使用高速电磁阀作为开关阀控制喷油器。由于高速电磁阀存在电感效应，使响应速度、控制精度不能满足喷油特性的进一步需要。为了满足排放法规的要求，必须进一步提高喷射压力，向180~200MPa方向发展。高压喷射在改善排放的同时，由于燃烧急速而使气缸燃烧压力急剧上升，发动机的噪声和振动必然增大。所以，在主喷之前，应进行预喷来控制燃烧速度，以减缓气缸燃烧压力上升速度。为了有效地减少炭烟和可吸入颗粒物，在主喷之后，还应当有多次后喷。这些喷射特性要求喷油系统必须有更高的响应速度和更为精确的控制精度。德国西门子公司、博世公司相继开发了压电晶体式喷油器。由于压电晶体式喷油器没有滞后时间，切换十分迅速而精确，可重现性好，没有因设计造成以气隙之类的形式出现的偏差，寿命长，工作稳定。压电式喷油器一经推出，立即受到各大柴油机公司的推崇。

    汽车对共轨系统压电晶体的基本要求是：环境温度在-40℃~+150℃；高强度；100~200V的低电压；压电晶体作用升程为其厚度的1/1000；开关迅速，全升程动作时间约为30μs；耐久性>109循环。

    图5-16为压电晶体式喷油器的结构。它主要由带弹簧的多孔喷嘴、活塞杆、进出油节流孔、二位二通阀、压电晶体、小活塞、单向阀等组成。压电晶体的结构采用多层技术，由20~300μm陶瓷层烧结而成，层与层之间有电极，生产技术与多层电容器相似。

    图5-16    压电晶体式喷油器

    在发动机中低转速范围（2500r/min以下）要求每个工作循环喷射5次，在中等转速范围要求每个工作循环喷射两三次，在标定转速每个工作循环喷射1次。

    压电元件像一个加上电压后立即就能充电的电容器，使用陶瓷压电薄膜，它在加上电压后的0.1μs以内就会发生晶体晶格的畸变。为了使执行器达到足够的位移，必须将许多层陶瓷薄膜烧结成一块长方六面体。喷油器30mm长的执行器由300多层薄膜组成，每层厚度只有80μm。压电元件加上电压后会膨胀大约40μm，通过杠杆比为1：1.5，使得控制腔回油道中的阀开启。于是，控制腔内的压力下降，喷油针阀开启。

    压电晶体式喷油器的具体工作过程是，高压燃油从油轨进入喷油器后，分成两路：一路由通道进入喷油嘴油槽，作用在针阀锥面上；另一路通过节流孔进入活塞顶部的油腔。

    当压电晶体不通电时，图5-16中的单向阀1关闭，油腔中的燃油推动活塞杆，关闭喷油嘴，喷油器不喷油。当压电晶体通电后，压电晶体伸长，推动大活塞压缩油腔2中的燃油，再推动小活塞（此时小活塞行程增大），将单向阀1中的钢球推开锥面，使高压油腔中的燃油经过油道1、单向阀1及油道2回流到油箱。活塞杆上部卸压，针阀在油槽中的燃油压力作用下，克服复位弹簧的作用力，向上运动，使喷油嘴开启，开始喷油。如果压电晶体断电，单向阀1落座，活塞杆向下运动，使喷油嘴关闭。图5-16中的单向阀2是为了补充油腔2中泄漏的燃油，以保证喷油嘴工作可靠。

    控制预喷和主喷的信号通断的最小时间间隔可以同时选取，最小间隔为4。凸轮转角（4000r/min时为8°）。间隔越大越容易实现。

    压电晶体喷油器重复性好，允许针阀在低压时缓慢开启，当压力为20～150MPa时，针阀快速关闭。

    对燃烧室中的油气混合起决定性作用的是喷射特性。即使喷油器针阀没有达到极限位置，喷油量很小时也必须保证正常的喷雾过程。