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发动机传感器:置身“水深火热”之中建工钻

发动机    
2023年01月14日
发动机传感器:置身“水深火热”之中 发动机的燃烧室因受其结构设计的制约,2000℃的高温、高达90bar(1bar=105Pa)的压力以及每分钟几千次的爆燃使得燃烧室中气门、火花塞和活塞的“生活环境”相当恶劣。尽管如此,工程师们仍然还是要将压力传感器和温度传感器投入这“水深火热”之中。如果要想满足未来的尾气排放标准,对燃烧室内燃烧过程的规律有一个准确而全面的认识是十分必要的。越来越严格的尾气排放标准要求发动机无故障的准确地按照规定的参数工作,点火时的误差、燃烧过程中的熄火以及其他的种种故障都必须能够马上被识别出来,让发动机控制器得以迅速作出调整。否则,发动机排出的不仅仅是非常糟糕的尾气,在严重的时候还可能引起三元催化器的损坏。而将各种传感器安装在燃烧室内是发现问题最快、最直接的途径。因此,对发动机燃烧过程的了解是进一步研制发动机的重要前提条件。

宝马M5轿车的动力达到了500马力,其燃烧室内装有NGK的传感火花塞

基于这一研发方向,Beru公司研制的PSG型压力传感火花塞是一个重大的进步,P雕刻刀具SG是英文“Pressure Sensor Glow-Plug”的缩写。这是Beru公司与美国电子产品生产厂Trxas共同合作研制成功的新型火花塞。这种新型的火花塞带有压电式压力传感器,在火花塞内集成有电子元件,利用这种压力传感火花塞可以实现对燃烧室内部的连续测量。利用离子进行测量为了防护压力传感火花塞中测量装置不受损坏,设计师们在火花塞上为压力传感器找到一处最有利的工作环境。他们成功地将测温杆设计成为一个可以“活动”的弹性部件,而没有像传统的做法那样与火花塞体制成一体。可自由活动的测温杆激光打标将压力传递到压力传感器的膜片上。在研发PSG压力传感火花塞时,Beru公司也将离子流的测量作为压力测量的一种替代方案进行了试验。基于快速反应能力、基于很高的测量精度和很长的稳定工作时间等因素,工程师们最终还是选定了压电晶体的设计方案。欧洲的一家汽车生产厂已经签定了一份订货合同,首批采用这种火花塞的汽车可望于2006年大批量投放市场。Bosch公司也在积极研制离子流-柴油火花塞,因为离子流测量技术在汽油发动机的直喷系统中也能识别出熄火和爆震。火花塞生产厂NGK 公司已经首先将离子泡沫切割机流传感火花塞用于大批量生产的汽车中,新型的宝马M5轿车中就采用了LKR 8AP型离子流系统传感火花塞。在这种火花塞的帮助下,发动机的控制系统可以及时地识别到发动机的爆震、点火、熄火和燃烧熄火。这种离子流传感火花塞除了拥有传统的点火系统以外,还有一个监测系统,即离子流测量系统,可以对点火电极之间的离子流进行检测。它用于检测燃烧室中的离子流程度,并对燃烧时的爆震作出反应,使发动机控制器能及时地对各缸的工作情况进行调节。即在接收到第一个爆震信号后,将点火时刻向后延迟。西门子VDO公司也开始利用传感器监控发动机燃烧室的工作情况。西门子VDO公司与著名的火花塞生产厂Federal Mogul公司(其产品Champion型火花塞在市场上享有盛名)一起,打算研制生产一种集成了压电式的燃烧传感器火花塞。晶体的力量

NGK公司的离子流传感火花塞,已经安装在批量生产的大功率赛车的发动机上;PSG公司生产的柴油发动机用火花塞,可以大大减少柴油机有害物质的排放

在Bosch公司和西门子VDO两家公司中,压电式直接喷射系统的研发已经可以应用于汽车生产的实践中了。在这种压电式喷油器中含有几百个小型的压电晶体。这些晶体在电场中会膨胀,从而可以实现在1/10000s内的快速开关控制。这一技术的优点在于:可实现准确的定量喷射,改善了燃油雾化。由于喷油器极高的开关控制速度,可以减少各次喷射时喷油器柱塞的移动距离,可以对喷射曲线进行灵活的调节。喷油器定量控制的每次喷油量差异极小,结合使用第摆线减速机三代共轨喷射系统可以将发动机有害物质排量再减少20%。不受主喷射影响的二次喷射,或称为补充喷射,可以降低发动机的烟尘排放。如果有再次的补充喷射,将可大大有利于颗粒过滤器的再生。Bosch公司计划在2006年时,推出喷油压力高于2000bar的可变喷油口尺寸的压电式喷油器。汽油发动机的缺点长期以来,汽油直喷系统还没有达到人们所期望的要求,这主要是因为:有关尾气排放的规定对柴油发动机更加严格。另一方面,非常节油的分层充气工作方式,即仅在火花塞附近喷射少量的燃油进行油-气混合气的燃烧方式,仅在较少的车辆行驶过程中才能实现。然而,西门子VDO公司研制的PDI汽油直喷系统则相反,它在发动机的各种工作状况下都直接将燃油喷射到火花塞前,对分层充气技术的应用有了重要的推动和促进。相应的是,这种技术也对喷射压力、动态性能、喷射的油流雾化和喷油器的测量精度提出了极高的要求,而长期以来一直使用的喷油器零部件不必更换。测试的结果证明:利用PDI汽油直喷吸入可以减少油耗20%。直接作用在喷嘴柱塞上的压电晶体可以在0.2ms的时间内打开喷嘴,在这样的开关控制速度下,分层充气最大的误差也仅为2%。

西门子VDO公司计划利用压电式柴油机直喷系统将油耗再降低20%

在发动机的设计中,将喷油器的快速开关和喷油量的精确控制两者组合在一起对于发动机燃油喷射与燃烧的改进提高有着决定性的作用,可利用压电式喷油器在分层充气的工作方式下实现无熄火的“延时喷射”。不容忽视的是,有关法律法规的要求越来越严格。而下一代汽油直喷系统,可给汽车驾驶员带来更大的功率和更少的油耗。(end)郑州皮肤白斑医院
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