柴油機噴油系統(tǒng)的發(fā)展
——第4代共軌噴油系統(tǒng)

【日】 小島昭和 內(nèi)山賢 増?zhí)镎\ 伊達健治 掘內(nèi)康弘 【德】 O.E.Hermann H.J.Laumen

柴油機噴油系統(tǒng)的發(fā)展
——第4代共軌噴油系統(tǒng)

【日】 小島昭和 內(nèi)山賢 増?zhí)镎\ 伊達健治 掘內(nèi)康弘 【德】 O.E.Hermann H.J.Laumen

為滿足日益收緊的排放法規(guī)要求，柴油機管理系統(tǒng)正變得越來越復(fù)雜，不僅尺寸越來越大，而且其價格也日趨昂貴。研究的目的是在將柴油機優(yōu)勢最大化的前提下，開發(fā)一種簡單且價格低廉的發(fā)動機管理系統(tǒng)。為此，提出了結(jié)合“動力”與“智能”的開發(fā)理念?！皠恿Α币馕吨梢蕴峁?50～300 MPa極高噴油壓力的噴油系統(tǒng)；而“智能”意為領(lǐng)先的的閉環(huán)控制系統(tǒng)，這一系統(tǒng)可以利用集成在噴油器內(nèi)部的壓力傳感器獲得壓力信號，自動修正噴油特性，即智能精準修正技術(shù)。這一技術(shù)將為柴油機創(chuàng)造出空前的附加價值。

壓縮著火發(fā)動機 共軌噴油系統(tǒng) 智能精準修正技術(shù) 高噴油壓力

0 前言

近年來，全球的汽車排放法規(guī)已變得越來越嚴格。此外，針對二氧化碳（CO2）排放的燃油耗法規(guī)也被日益收緊。

近10年間，歐洲柴油車的氮氧化物（NOx）排放量要求相比原來水平降低70％，顆粒（PM）排放要求降低80％，即使對CO2，也要求降低約30％。因此，為了在改善燃油經(jīng)濟性的同時滿足嚴格的排放法規(guī)要求，需要對車輛整體進行改良，其中，發(fā)動機管理系統(tǒng)（EMS）對降低有害物及CO2排放極為重要。

為降低排放，需要在廢氣再循環(huán)（EGR）及渦輪增壓發(fā)動機進氣系統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合應(yīng)用柴油顆粒捕集器（DPF）及NOx催化轉(zhuǎn)化器等后處理技術(shù)。特別是在大型車輛的后處理系統(tǒng)中，通常會將DPF與選擇性催化還原（SCR）系統(tǒng)組合應(yīng)用，以降低NOx排放。但由于相應(yīng)的EMS極為復(fù)雜，規(guī)模又大，且價格昂貴，會因此增加原始成本，并使安裝匹配性變差[1]，因此對汽車制造商來說，這意味著市場競爭力的下降。

針對這一問題，研究人員以簡化EMS，抑制高成本，充分發(fā)揮柴油車固有的燃油經(jīng)濟性優(yōu)勢，優(yōu)化柴油車市場定位為目標進行開發(fā)，以實現(xiàn)所謂的“柴油機革命”。

實際上，就是融合“動力”與“智能”的開發(fā)理念，將實現(xiàn)超高壓噴射的噴油系統(tǒng)與世界領(lǐng)先的閉環(huán)控制系統(tǒng)（即智能精準修正技術(shù)（i-ART））相結(jié)合，后者能利用噴油器壓力傳感器輸出的壓力信號對噴油特性進行自動修正[2，3，5，6]，從而為傳統(tǒng)的柴油機創(chuàng)造出空前的附加價值。

1 開發(fā)理念

在降低排放方面，研究人員將開發(fā)重點放在發(fā)動機或后處理系統(tǒng)上。從燃油經(jīng)濟性、安裝空間及駕駛樂趣等方面來考慮，這兩種選擇各有優(yōu)劣。對于行駛距離長、安裝空間大的大型車輛來說，研究人員通常將開發(fā)重點放在SCR等后處理系統(tǒng)上，并為此進行了多種改良[7]。但是，為了使柴油機能夠在嚴酷的競爭中生存下來，研究人員認為，必須從整體上簡化EMS，降低系統(tǒng)成本，抑制車輛價格。因此，確定了此次開發(fā)的理念，即盡量降低發(fā)動機自身的排放，以簡化價格昂貴的后處理系統(tǒng)。

圖1 降低排放的途徑

圖1示出了降低排放的途徑。通常，采用改良的噴油系統(tǒng)能降低排放，再結(jié)合應(yīng)用DPF、SCR等后處理系統(tǒng)，就能使NOx、PM等降至目標值。為此，日本電裝公司開發(fā)出250 MPa或300 MPa的超高壓噴油系統(tǒng)，改善了燃油噴霧的霧化性能，提高了空氣利用率，大幅降低了排放。同時，結(jié)合采用可反饋噴油特性的i-ART系統(tǒng)，減少了發(fā)動機排放性能的波動。在此基礎(chǔ)上，再采用簡單的后處理裝置，即可達到排放目標，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的簡化，降低成本。

圖2比較了大型柴油機為滿足排放法規(guī)要求所需的EMS初始投資[4]。已達到歐5排放標準的發(fā)動機要在應(yīng)用噴油系統(tǒng)和EGR技術(shù)的基礎(chǔ)上滿足歐6排放法規(guī)的要求，就必須再采用DPF組合SCR的復(fù)雜后處理系統(tǒng)，這樣，系統(tǒng)總成本將增加約20％。

圖2 為滿足歐6排放法規(guī)所采用的各種復(fù)雜系統(tǒng)

與此相反，如采用超高壓噴油系統(tǒng)及與其相對應(yīng)的EGR技術(shù)，雖然噴油系統(tǒng)及EGR的成本會有所增加，但發(fā)動機排放降低了，使后處理系統(tǒng)的負擔(dān)得以減輕，可以采用只有DPF或只有SCR的簡單后處理系統(tǒng)，并降低EMS的整體成本。

圖3 噴油系統(tǒng)發(fā)展歷程

圖3示出了日本電裝公司噴油系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。自1995年推出第1代卡車用共軌噴油系統(tǒng)并在全球首次實現(xiàn)量產(chǎn)以來，為滿足各國不斷強化的排放法規(guī)要求，電裝公司相繼推出第2代及第3代共軌噴油系統(tǒng)，并始終領(lǐng)先于其他公司，不斷向?qū)崿F(xiàn)更高噴油壓力發(fā)起挑戰(zhàn)。

目前，電裝公司正在開發(fā)適用于乘用車和商用車的第4代共軌噴油系統(tǒng)，其噴油壓力分別達到250 MPa和300 MPa，比第1代共軌噴油系統(tǒng)已高出2倍以上。下文將圍繞實現(xiàn)高壓噴油的措施，對第4代噴油系統(tǒng)作詳細介紹。

2 第4代噴油系統(tǒng)

圖4是第4代噴油系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，分別給出了可實現(xiàn)250 MPa（乘用車）和300 MPa（商用車）超高噴油壓力的關(guān)鍵零部件。整個系統(tǒng)由內(nèi)置壓力傳感器的噴油器和利用壓力信號實施反饋控制的i-ART組合而成。

圖4 第4代共軌噴油系統(tǒng)

下文著重介紹系統(tǒng)的各零部件。為了實現(xiàn)超高壓噴油，關(guān)鍵是要盡量減少各零部件的燃油泄漏量，研究人員將抑制燃油泄漏作為最重要的課題，對各關(guān)鍵零部件進行了重新設(shè)計。

圖5 零部件的開發(fā)策略

圖5 示出了噴油器及高壓泵的燃油壓力與泄漏量之間的關(guān)系，隨著壓力的上升，燃油泄漏量急劇增加。而當(dāng)高壓燃油泄漏時，壓力能量會轉(zhuǎn)化為熱能，高壓泵及噴油器結(jié)構(gòu)件因受熱至高溫，使燃油溫度再度升高，導(dǎo)致燃油動黏度降低，其泄漏量進一步增加，由此形成惡性循環(huán)。

高溫引起的燃油劣化及燃油動黏度下降會導(dǎo)致潤滑不良，而燃油泄漏量增加又會導(dǎo)致燃油消耗率增加。換言之，抑制燃油泄漏，防止上述情況的發(fā)生是實現(xiàn)高壓噴油的重要課題。

下文著重介紹降低各零部件燃油泄漏量的對策。

首先，針對噴油器的工作原理和燃油泄漏機理，以及減少燃油泄漏的方法進行介紹。

圖6是傳統(tǒng)噴油器的結(jié)構(gòu)示意圖，在將液壓傳遞至噴油嘴針閥的指令活塞上部，設(shè)有通過控制腔室壓力實現(xiàn)噴油的控制室。

圖6 傳統(tǒng)噴油器的結(jié)構(gòu)

不噴油時，出油口關(guān)閉，控制室內(nèi)保持高壓狀態(tài)。噴油時，根據(jù)發(fā)動機電控單元指令，電磁閥通電，打開閥門，控制室內(nèi)的燃油通過出油口經(jīng)低壓管路流出，進而使控制室內(nèi)的壓力下降，噴油嘴針閥上升，噴油開始。

噴油結(jié)束時，電磁閥斷電，閥門關(guān)閉，從進油口流入的高壓燃油使控制室內(nèi)壓力升高，指令活塞將噴油嘴針閥壓下，由此結(jié)束噴油。

由于噴油器體、指令活塞及噴油嘴針閥之間存在相對滑動，因此需要預(yù)留出相應(yīng)的空隙?？障冻叽珉m然只有幾微米，但卻無法將高壓燃油完全密封住，高壓燃油經(jīng)常從這一空隙處泄漏（靜態(tài)泄漏）。

另外，在噴油過程中，由于閥處于開啟狀態(tài)，因此，高壓燃油會通過進油口及出油口經(jīng)低壓管路持續(xù)流出（動態(tài)泄漏）。為此，要減少燃油泄漏量，需要同時考慮動態(tài)泄漏和靜態(tài)泄漏兩方面的因素。

在第4代噴油器（G4S）中，采用了一種內(nèi)部無低壓部件的中央導(dǎo)油結(jié)構(gòu)，并廢除了指令活塞[4-6]。通過這一措施，可以消除指令活塞及噴油嘴針閥之間滑動部位的間隙，從而可將由此產(chǎn)生的靜態(tài)燃油泄漏量降為零。

另外，為了減少燃油的動態(tài)泄漏量，采用了三通閥結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的雙通閥在噴油期間，高壓和低壓管路處于貫通狀態(tài)，燃油會因此持續(xù)漏出。而采用三通閥后，噴油時高壓側(cè)的閥會關(guān)閉，高壓燃油無法流入，由此可以減少燃油的動態(tài)泄漏量。

圖7是傳統(tǒng)噴油器與G4S噴油器的漏油量比較結(jié)果。結(jié)果顯示，傳統(tǒng)噴油器在壓力升高的同時，包括靜態(tài)泄漏和動態(tài)泄漏在內(nèi)的總漏油量呈急劇增加趨勢。

圖7 燃油泄漏量對比

新開發(fā)的G4S噴油器將靜態(tài)燃油泄漏控制在零的水平，同時也抑制了動態(tài)泄漏量，因此，即使在全負荷條件（300 MPa）下，其燃油泄漏量僅與傳統(tǒng)噴油器在怠速運轉(zhuǎn)條件下的相當(dāng)[4-6]。

以下介紹第4代噴油泵（HP7）的情況。

為了確保噴油泵驅(qū)動裝置能夠承受超高壓力，采用在實際商用車應(yīng)用中已得以驗證的凸輪和滾子結(jié)構(gòu)。并且，采用預(yù)行程控制方式，對輸送給共軌的高壓燃油進行控制和調(diào)節(jié)。將供油開始時間調(diào)整為當(dāng)?shù)蛪喝加腿窟M入柱塞室后電磁閥關(guān)閉的時刻，由于高壓燃油被輸出，吸入時就無需對燃油流量進行節(jié)流，因此，不僅可以減少泵的驅(qū)動損失，而且可以防止在柱塞室內(nèi)形成真空，以避免形成氣穴，甚至能夠防止燃油的劣化。

下文將利用傳統(tǒng)泵的結(jié)構(gòu)，介紹減少高壓泵燃油泄漏的策略（圖8）。當(dāng)柱塞對燃油進行壓縮時，通過泵殼和柱塞之間的滑動間隙，高壓燃油會從柱塞室經(jīng)溢流槽漏至低壓回路中。此時，由于壓力產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換為熱能，泵殼和柱塞的溫度升高，燃油受此影響，溫度也會升高，動黏度隨之降低，從而加劇燃油的泄漏。

作為相應(yīng)對策，增設(shè)1條冷卻回路，將供給的燃油（低壓）引至柱塞附近[4，6]。由此，低壓、低溫的燃油冷卻了泵殼等部件，也降低了燃油溫度，抑制了動黏度的下降，與此同時，泵殼受熱膨脹，防止了間隙的擴大，減少了間隙處的燃油泄漏。

圖8 傳統(tǒng)泵的結(jié)構(gòu)

圖9是傳統(tǒng)泵與HP7泵的特性比較結(jié)果。相比傳統(tǒng)泵，在噴油壓力300 MPa時泄漏溫度達到200℃，設(shè)置冷卻通道后，由于大幅減少了燃油泄漏量，溫度可以降低約70℃。

圖9 HP7泵的特性

另外，泵的容積效率對驅(qū)動扭矩及燃油經(jīng)濟性有很大的影響，而通過大幅降低燃油泄漏量，與傳統(tǒng)泵在200 MPa時的容積效率相比，HP7泵在壓力升至300 MPa時，其效率反而能改善約9％。

3 高壓噴油的效果

一般來說，噴射壓力越高，噴霧貫穿度就越強，同時，為了促進燃油噴霧與空氣的混合，以及改善燃燒，其他噴油系統(tǒng)制造商也都以提高噴油壓力為目標進行了一系列的開發(fā)[6]。

利用第4代噴油系統(tǒng)，針對噴油壓力對噴霧及發(fā)動機性能的影響進行了定量分析。

首先，圖10比較了對燃燒有較大影響的燃油噴霧霧化特性[4]。利用激光誘導(dǎo)熒光法觀察了噴霧的狀態(tài)和當(dāng)量比，并將其定量分析結(jié)果也示于圖10。

圖10 200 MPa與300 MPa時的噴霧對比

與200 MPa噴油壓力相比，當(dāng)噴油壓力高達300 MPa時，噴霧的貫穿度更強，并且根據(jù)圖10左側(cè)的圖像及右側(cè)上部的當(dāng)量比分布圖可知，從噴油初期開始就形成了稀薄噴霧。這樣，噴油壓力越高，就越能促進燃油霧化及其與空氣的混合，因此，能夠為燃燒提供適宜的優(yōu)質(zhì)噴霧。

圖11 高噴油壓力的優(yōu)勢

圖11為單缸發(fā)動機噴油壓力對發(fā)動機性能的影響[4，6]。在高負荷的歐洲重型車試驗工況（C100）條件下，在220 MPa的基礎(chǔ)噴油壓力下，若增加EGR率和增壓壓力，會使燃燒溫度降低，進而大幅降低NOx排放，但燃燒狀態(tài)會因此惡化，燃油耗和碳煙排放都會增加。

當(dāng)將噴油壓力提高到260 MPa，甚至300 MPa時，如上述噴霧觀察結(jié)果所示，在促進噴霧霧化效果的同時，空氣利用率也得以提高，且燃燒得到改善，從而可改善燃油經(jīng)濟性，并降低碳煙排放。

然而，僅靠提高噴油壓力，并不能將碳煙排放降至基礎(chǔ)水平，還需要優(yōu)化噴孔數(shù)和噴孔流量等參數(shù)。因此，將噴油嘴噴孔流量從1 600 m L減少到1 400 m L，并將噴孔數(shù)從10個減至8個，增加每個噴孔的流量，使噴霧貫穿度增強，延長噴霧到達距離，從而提高了燃燒室周邊的空氣利用率，并抑制了噴霧之間的干擾，將碳煙排放抑制在基礎(chǔ)水平。

4 噴霧特性的閉環(huán)控制系統(tǒng)

圖12是正在開發(fā)中的i-ART結(jié)構(gòu)[5，6]。

圖12 i-ART的結(jié)構(gòu)

在噴油器頭部，設(shè)有檢測噴油器內(nèi)部壓力的壓力傳感器，以及與發(fā)動機電控單元通信的電子回路和記錄運行反饋值的IC存儲卡。

噴油時，噴油器內(nèi)部的壓力會下降，并出現(xiàn)一系列波動，這一壓力波動與實際噴油率相關(guān)。換言之，壓力的拐點就是噴油率的拐點。因此，通過檢測壓力，可以根據(jù)壓力的變化反推出噴油率，而利用這一信息，就能推斷出每一時刻的噴油定時和噴油量。

另一方面，發(fā)動機電控單元內(nèi)部存儲有目標噴油率的模型。原則上，噴油器的噴油率特性受壓力、噴油量和溫度的影響，因此，事先用專用試驗臺設(shè)定了目標模型。通過比較模型值與利用實際壓力傳感器測得的值推斷的噴油率，對噴油指令實施反饋控制，以控制發(fā)動機每種運行條件下的噴油定時和噴油量。通過這種方法，可以自動修正噴油器個體之間的特性差異，以及隨著使用時間延長產(chǎn)生的噴油量波動，從而在噴油器的整個使用壽命周期內(nèi)抑制排放的波動（圖13）[5，6]。

圖13 閉環(huán)控制策略

圖14顯示了i-ART的控制效果[3，6]。眾所周知，在1個噴油循環(huán)中進行多次噴油可以降低排放和噪聲，并能有效降低燃油耗，但要在不斷變換的環(huán)境條件下精確且穩(wěn)定地控制每次噴油，則需投入大量的精力。

圖14 多次噴射的精度

圖14（a）是傳統(tǒng)的開環(huán)控制在多次噴射條件下所獲得的噴油率測量結(jié)果。

若改變第2次噴射的噴油定時，即改變2次噴射的時間間隔，那么，第1次噴射所引起的噴油器內(nèi)部壓力變化會對第2次噴射的噴油開始時刻、噴油結(jié)束時刻或噴油率產(chǎn)生影響，因此，雖然是使用相同的指令，但第2次噴射的噴油定時和噴油量都會發(fā)生變化。

與此相反，在應(yīng)用i-ART控制的情況下，可以先檢測出實際的噴油率，并針對目標值進行反饋，從而不受第1次噴射壓力波形的影響，也無需進行復(fù)雜的標定，就能保證在噴油定時和噴油量穩(wěn)定的情況下實現(xiàn)多次噴射。

圖15為在實際車輛上對i-ART降低燃油耗的效果進行驗證的結(jié)果，比較了歐洲行駛模式下，應(yīng)用與未應(yīng)用i-ART控制時的CO2排放量。

為了減少噴油定時和噴油量的偏差，i-ART能將噴油定時等標定值從基礎(chǔ)標定條件朝改善燃油耗的方向移動。結(jié)果表明，在工況行駛條件下，CO2總排放量要比傳統(tǒng)控制方式降低約2％[3，6]。

圖15 i-ART對燃油耗的影響

5 高噴油壓力與i-ART控制的效果

這里，介紹聯(lián)合應(yīng)用第4代噴油系統(tǒng)與i-ART控制對降低排放和燃油耗的效果。

圖16為用2.2 L單缸發(fā)動機研究獲得的結(jié)果，以200 MPa噴油壓力時的排放水平作為參比基準，將噴油壓力提高至250 MPa，并優(yōu)化噴油嘴各零部件參數(shù)，增加EGR率和增壓壓力，進而實現(xiàn)了NOx和碳煙排放性能的大幅改善。并且，如果將噴油壓力進一步提高到300 MPa，并增加后噴射等措施，可進一步降低碳煙排放。

圖16 300 MPa噴油系統(tǒng)的發(fā)展方向

通過采取以上措施，在只采用DPF或SCR的簡單后處理情況下，成功地將排放降低到目標值。

另外，通過應(yīng)用i-ART控制，抑制了個體間的排放不均，避免了隨時間增加的排放量增加，確保在整個壽命周期內(nèi)排放值始終維持在初期水平。

為此，研究人員確信，對柴油機來說，利用超高壓噴射改善燃燒，同時用控制系統(tǒng)改善噴油特性的精度，將成為柴油機今后發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。

6 結(jié)語

為了不斷發(fā)揮柴油機自身的優(yōu)勢，滿足未來日益嚴格的排放法規(guī)要求，日本電裝公司在“柴油機革命”這一主題下，以盡可能從整體上構(gòu)筑結(jié)構(gòu)簡單且價格低廉的發(fā)動機管理系統(tǒng)為目標進行了開發(fā)。

將第4代噴油系統(tǒng)所具有的“動力”與系統(tǒng)控制技術(shù)的“智能”相結(jié)合，進一步提高各方面性能，為柴油機創(chuàng)造了前所未有的附加價值。

在具體的開發(fā)過程中，圍繞減少燃油泄漏這一高壓噴油的關(guān)鍵技術(shù)進行零部件設(shè)計，實現(xiàn)了250～300 MPa的超高壓噴油，大幅降低了排放。另外，應(yīng)用i-ART控制技術(shù)，實施可自動修正噴油特性的閉環(huán)控制，抑制了噴油器的個體差異及噴油量波動，也減少了排放的波動。

日本電裝公司將通過進一步推進“柴油機革命”，繼續(xù)研發(fā)清潔、經(jīng)濟且結(jié)構(gòu)簡單的柴油機動力系統(tǒng)，為用戶和社會作出貢獻。

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張冬梅 譯自 自動車技術(shù)會論文集，2012，43（6）

吳小軍 校

朱曉蓉 編輯

2013-07-29）

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