[01193624]新型环保发动机压电喷油器的关键技术

一、项目背景　　进入21世纪以来，人们对出行要求的提高、进口汽车关税的降低以及国产汽车工业的日益繁荣使得中国逐渐走向汽车家庭化时代，北京市的家庭拥有汽车数量更是每年高速递增，据不权威统计，北京市目前拥有汽车的家庭已经达到1/3以上，每天的上下班时间，大量的汽车同时出现于各条马路，不仅带来了严重的交通阻塞，而且大量汽车尾气的排放，给北京市的空气质量和人们的健康带来了极大的危害。从全球的角度来说，大量以温室气体CO2为主的汽车尾气的排放，加速了全球变暖的进程。为抑制此进程，1997年12月，149个国家和地区的代表在日本京都召开《联合国气候变化框架公约》缔约方会议，会议通过了旨在限制发达国家温室气体排放量以抑制全球变暖的《京都议定书》。《议定书》规定，到2010年，所有发达国家排放的二氧化碳等6种温室气体的数量，要比1990年减少5.2％，尽管中国作为发展中国家不承担CO2减排的义务，但随着经济高速发展带来的严重污染，中国正承受越来越大的国际压力，中国目前已经走进“后京都协议时代”，减少CO2等温室气体的排放正成为我国经济增长所必须面对的问题。而对汽车行业来说，低排放、大功率的环保型发动机是解决这一问题的关键。　　由此，具备上述两大优点的直接驱动式压电喷油器成为当前世界各大汽车发动机公司研究的热点，这种新型喷油器的最大特点在于，通过采用以压电致动器直接驱动针阀的原理，使喷油器的响应速度大大提高，通过直接驱动，针阀的移动速度从原来（电磁阀）的约1m/s左右提高到了2.5～3.0m/s。由于能够高速开闭阀门，因此可迅速起喷、瞬间停喷，这样，在相同时间内便可喷射更多的燃料，有助于提高发动机的功率。这种新型喷油器的基本构造非常简单，只需将由多个压电元件层叠而成的压电致动器的运动，经由利用活塞面积的不同来扩大冲程的动作放大器传递给进油针阀即可。而且，由于喷油量可以精确控制，有助于燃料燃烧充分，可以显著降低有害气体的排放。　　二、主要技术内容　　压电喷油器的核心部件是由压电陶瓷制成的多层致动器，压电陶瓷在电压作用下可以非常精确、迅速地伸缩，驱动喷油针阀张开闭合，从而实现快速、精确的喷油控制。用于压电喷油器的压电致动器必须工作在高电场下以实现较大的位移输出，而在高电场下，压电致动器的位移-电压关系呈现明显的非线性，同时预应力、温度、加载频率等因素都会影响位移的输出；另一方面，压电致动器在高周循环电压作用下会出现较明显的疲劳效应，输出位移将有所减小。同时由于压电材料具有介电损耗，快速的驱动将产生相当的热量，使得致动器的温度显著上升，从而影响位移控制的精确。因此，要实现压电喷油器精确的喷油量控制，关键要系统地研究压电致动器在真实工作环境下的位移响应，建立致动器电致位移的准确模型，并在产热、疲劳测试的基础上确定其使用寿命并对疲劳和产热效应进行精确补偿。　　我们可以完成国产和进口两种压电致动器在一系列温度、预应力、电压、频率、波形下电致位移响应的实验数据，压电致动器的致动疲劳曲线，产热曲线，国产和进口两类压电致动器最优的工作参数范围。　　三、主要创新点　　本项目的内容属于多学科交叉领域，其中涉及了材料学、力学、机械学、热学、电学等学科，从基础研究的角度看，本项目的开展将促进上述学科之间有机的结合；从应用的角度看，本项目的结果可直接应用于环保发动机压电喷油器的研发设计，为我国发动机行业的技术进步增砖添瓦。同时，本项目的开展将国产的压电致动器与进口致动器进行直接的性能测试对比，有利于促进国产压电致动器行业的技术革新。　　四、已有研究基础　　项目负责人在加拿大工作期间，作为主要成员参与了加拿大自然科学与工程基金（NSERC）项目，该项目由不列颠哥伦比亚大学(UBC)与温哥华当地的发动机研发公司(Westport Power Inc.)合作，测试用于新一代环保型发动机压电喷油器的压电致动器的力－热－电耦合的致动性能以及可靠性，该环保型发动机将用于某国际知名汽车公司即将推出的最新款高档轿车。另外，在加拿大测试的压电致动器均是国外产品，而我国要发展研制压电喷油器，必须以使用国产的压电致动器为主，系统地测试国外和国内压电致动器在模拟真实喷油器工作环境下（温度-30oC～120oC，压力几十至上百Mpa，控制电压～2kV/mm）的致动性能以及疲劳和产热性能。　　五、知识产权 自主知识产权。　　六、国内外相关技术现状与趋势　　我国迄今还没有这方面的研发工作。主要有以下几个主要原因：（一）我国还是发展中国家，《京都议定书》中约定可以不承担CO2减排的义务，国家在汽车节能减排方面的法律规定尚不严格，企业缺乏研发的动力；（二）压电喷油器的研发需要较高的技术门槛，要求测试人员在压电材料测试领域具备丰富的经验，研发周期长，投入大，尤其是其可靠性研究，至少需要几年的时间，这些都在一定程度上打击了企业研发的积极性。然而正如前面所提到的，我国现在已经处于“后京都协议时代”，节能减排将是我国各行各业的长期指导思想，环保型发动机必将是未来汽车发动机的发展趋势，作为它的核心技术之一的压电喷油器技术，我们必须加快其研究步阀，争取早日推出我们自主研发的环保型发动机。　　2003年5月德国Bosch公司推出的第三代轿车用压电直接控制式喷油器共轨喷油系统能降低柴油机排气有害物高达20%，此外还能提高功率5％，或降低燃油耗3％，或降低噪声3dB(A)，这使得直驱式压电喷油器有望成为下一代环保型发动机的关键技术。目前，国外各大知名汽车公司均已经掌握了基于压电直驱式喷油器的新型柴油发动机技术。2005年，几乎是同时，奥迪、梅塞德斯－奔驰和标致公司与合作伙伴福特公司一起在市场上推出了配备V6增压柴油机（6缸3.2L排量，压电直喷技术）的轿车。他们以大功率、低油耗和更好的车辆行驶性能向汽油发动机发起了冲击，迫使它们让出高档轿车的一部分市场。2008年，奔驰公司在巴黎车展上推出了搭载全新四缸2.2L涡轮增压柴油发动机的奔驰C级轿车C250CDI，这款发动机由美国德尔福(DELPHI)公司研制开发，使用最新的直驱式压电喷油器，使奔驰C250CDI的百公里等速油耗仅为5.2升，二氧化碳排放量为138g/km，最大扭矩达到同级别车型中最高的500N.m，可与排量3.2L的V型6缸发动机相媲美。虽然不只是压电喷油器的功劳，但压电直喷技术是推动环保型柴油发动机向高档轿车市场进军的关键。最近，国外的一些发动机公司已经开始了基于压电喷油器技术的环保型氢气发动机的研制。　　德尔福公司推出新一代柴油喷油器--德尔福直接驱动式共轨系统。此项新产品的推出历经德尔福为期五年的研发，同时与其整车生产客户紧密协作，帮助他们达到将来严格的排放要求。新系统现在已经投产，并将首先于今年年末在欧产轿车上投入使用。　　德尔福直接驱动式共轨系统已获专利权，与现有的燃油喷射技术采用电-液回路来驱动有所不同，喷油器针阀是由压电晶体驱动器直接驱动的。这使得喷油器将燃油喷射到燃烧室的速度更快，且喷雾动量和精确性都得到提高。针阀的开启关闭速度极其快速，且与喷油压力无关。燃烧控制得以改进使得排放显著降低，发动机在整个工作范围内的扭矩和功率明显提升，燃油经济性及发动机整体性能得到改善。 当前的喷油器技术：　　目前，喷油器技术划分为“电磁式”或“压电式”两种。在这两种形式中，通过驱动器（“电磁式”或“压电式”）来驱动控制阀，以此控制液压管路，最终驱动喷油器针阀。这一过程被称作“伺服驱动”。 伺服驱动系列进一步细分为两类，根据施加在阀两端的压力：一种称之为“平衡式”，而另一种则为“非平衡式”。因此，目前市场上的喷油器的种类包括：　　伺服电磁非平衡阀（率先投入市场的共轨类型）； 　　高速伺服电磁平衡阀（德尔福产品） 　　伺服压电非平衡阀（目前唯一的一种在产的压电喷油器）； 　　（投产的产品中尚无伺服压电平衡阀设计）。　　七、市场状况　　1.市场需求与结构 柴油发动机所面临的一项挑战是要尽可能地减少氮氧化物（Nox）的排放。到2014年欧洲实行Euro6标准时，与当前的Euro4标准相比，对于Nox的排放限值将会减少到目前的三分之一，而对于颗粒物质的排放限值减少到五分之一。在北美地区，所面临的挑战更为严峻，因为TierIIbin5中Nox的排放标准已经明确，与现行的Euro4的250mg/km和Euro6的80mg/km标准相比，该标准仅等同于43mg/km（尽管这些数据并不可以直接对比，因为欧洲和美国规定的试验循环是不同的）。 另一项挑战是来自当今欧洲、日本和美国关于减少二氧化碳排放以缓解全球变暖现象的讨论。有关二氧化碳排放限值的讨论现如今还未结束，并且已经提上议事日程（欧盟已经起草了在2012年达到120g/km排放量这一极具挑战性的目标），但是顾客在选购汽车时，已经逐渐开始将燃油经济性和二氧化碳的排放量考虑在内。 欧洲可以说是柴油车的天堂，在德国柴油轿车占了39%。柴油轿车已有了近70年的历史，而最近10年可以说柴油发动机有了突飞猛进的发展。在1997年，博世与奔驰公司联合开发了共轨柴油喷射系统 (Common Rail System)。今天在欧洲，众多品牌的轿车都配有共轨柴油发动机，如标致公司就有HDI共轨柴油发动机，菲亚特公司的JTD发动机，而德尔福则开发了Multec DCR柴油共轨系统。所以，该技术的市场前景非常巨大，并符合国家的大政方针！　　2.竞争状况 我国迄今还没有这方面的研发工作。由于受柴油供应量不足，柴油质量达不到要求等因素的制约，我国乘用车柴油化的市场占有率极低，不到1%。近来，源于市场对更节油、更环保现代柴油技术的需求，以及中国政府对CO2减排承诺，柴油乘用车在中国日益受到青睐。专家预计，未来5年我国乘用车柴油化率将达20%。　　在2010年北京国际车展上，许多自主品牌的汽车制造厂商，如奇瑞、华泰、吉利、吉奥、江淮、江铃等，都展出了应用博世CRS2-14经济型共轨系统的十几款乘用车型，其中多数为SUV、MPV。 这也就是目前该技术的市场格局使然，我们所开发的技术，将在一定车工年度上和世界巨头有所竞争。　　八、产业化方案　　和国内知名的柴油机厂家合作，共同开发。　　1.目标　　合作建立产业化基地和公司。　　2.投资估算　　总投资1000万元。