小型非道路用共軌直噴式柴油機的技術理念

【日】 T.Hasegawa T.Kuno K.Kita A.Kai Y.Takemura O.Yoshii T.Okazaki H.Miyazaki

小型非道路用共軌直噴式柴油機的技術理念

【日】 T.Hasegawa T.Kuno K.Kita A.Kai Y.Takemura O.Yoshii T.Okazaki H.Miyazaki

近年來，由于對工業(yè)用發(fā)動機運行平順性和低燃油耗方面的要求日益提高，因此，要求農(nóng)業(yè)、園林及工程機械等非道路用發(fā)動機具有高功率、低燃油耗和低噪聲的特點。此外，即使是小型發(fā)動機，其電子控制裝置的發(fā)展趨勢也需保持一致?；谶@些背景，開發(fā)了采用共軌燃油噴射系統(tǒng)的新型非道路用直噴式柴油機，以滿足上述要求。評述了在小排量非道路用柴油機上采用共軌燃油噴射系統(tǒng)，以及優(yōu)化燃燒系統(tǒng)和噴油特性的技術。

直噴式柴油機 共軌燃油噴射系統(tǒng) 進氣渦流 噴油參數(shù)

0 前言

小型非道路用柴油機需要具有高度的靈活性，以適應各種不同的用途。因此，即使在同一種柴油機上，也必須具備不同的額定功率、額定轉(zhuǎn)速和扭矩儲備。為了獲取這些特性，柴油機通常采用機械式直列噴油泵，并與調(diào)速系統(tǒng)一起進行功率調(diào)整。盡管如此，為了實現(xiàn)柴油機性能的根本改進，并匹配電子裝置，同時由于直列噴油泵許用壓力對高壓噴射的限制，以及較難實施精細的電子控制，繼續(xù)采用當前的噴油系統(tǒng)已是不切實際的。所以，為了適應當前的市場趨勢，日本久保田公司開發(fā)了采用共軌燃油噴射系統(tǒng)的新型柴油機系列。

為了保持柴油機的裝配兼容性，開發(fā)了新型輸油泵。該輸油泵沒有集成的驅(qū)動軸，以保持當前的傳動機構(gòu)布置，因此，其結(jié)構(gòu)非常緊湊，可以不安裝在目前的直列噴油泵上，而是將其安裝在柴油機本體上。為了充分利用共軌燃油噴射系統(tǒng)的優(yōu)勢，根據(jù)柴油機轉(zhuǎn)速和負荷條件，對噴油定時、噴油壓力和噴油規(guī)律等參數(shù)進行優(yōu)化。此外，通過計算流體動力學（CFD）模擬，確定最佳的噴孔規(guī)格、燃燒室形狀和壓縮比。

1 發(fā)動機的技術規(guī)格

作為開發(fā)目標，新型柴油機系列是具有相同缸徑、行程和排量的當前機型系列的進一步拓展。新型柴油機系列由3款機型組成，其主要技術規(guī)格如表1所列。

此外，新機型還可滿足當前排放標準的要求（表2）。特別是按照功率輸出范圍，新型2.4 L渦輪增壓柴油機的排放應該不僅低于其他自然吸氣柴油機，而且還應該低于已通過美國環(huán)境保護署（EPA）第2階段（Tier 2）認證的2.4 L渦輪增壓直噴式柴油機的水平。

表1 新型柴油機的主要技術規(guī)格

表2 美國非道路用柴油機排放標準限值

2 共軌燃油噴射系統(tǒng)

如圖1所示，新型柴油機系列采用的共軌燃油噴射系統(tǒng)由輸油泵、燃油軌和噴油器組成。高壓燃油從輸油泵進入燃油軌，然后在規(guī)定的噴油壓力和噴油定時條件下，按規(guī)定的噴油規(guī)律被噴入燃燒室。每個噴油器上的電磁閥根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速、負荷及其他工況參數(shù)，通過發(fā)動機電控單元，對噴油進行控制。

圖1 共軌燃油噴射系統(tǒng)

3 燃油系統(tǒng)比較

與通過EPA Tier 2認證的采用機械式直列噴油泵的直噴式柴油機相比，新型柴油機由于使用了共軌燃油噴射系統(tǒng)，噴油壓力約為原來的2倍，促進了燃油的霧化。

為了實現(xiàn)較高的噴油壓力，考慮采用可實現(xiàn)高燃-空比混合氣的噴孔直徑和噴孔數(shù)。噴霧貫穿距是得到最佳噴油器參數(shù)的重要因素之一。CFD模擬方法是預測貫穿距的有效手段。EPA Tier 2認證機型和新型柴油機的噴霧貫穿距比較如圖2所示。這里未考慮噴霧蒸發(fā)的影響，因為噴霧是在實際缸內(nèi)條件下計算的。將2款柴油機設定相同的噴油始點，以便于比較。此外，基于相同的原因，并未考慮新型柴油機的預噴。在噴油早期，2種噴霧的差別并不大，但新型柴油機的最大噴霧貫穿距要比Tier 2機型的大得多。因此，最后確定的噴油系統(tǒng)技術規(guī)格如表3所列。

圖2 噴霧貫穿距的比較

表3 噴油系統(tǒng)的技術規(guī)格

4 燃燒室

在設計燃燒室的形狀時，應考慮用上述噴油參數(shù)實現(xiàn)高燃-空比的混合氣。通過CFD模擬，確定了可形成適當渦流比的燃燒室形狀（圖3）。此外，整體CFD模型示于圖4，左側(cè)是排氣道，右側(cè)是進氣道。

圖3 燃燒室模擬

圖4 CFD模擬模型

渦流對燃油與空氣的混合起著重要作用，因此，EPA Tier 2柴油機配裝機械式燃油系統(tǒng)后具有相對較高的渦流比?？紤]到共軌系統(tǒng)的噴射壓力較高，新型柴油機的目標渦流比要比機械式燃油系統(tǒng)的低，并利用噴油霧化使燃油與空氣的混合更充分。2種燃油系統(tǒng)的模擬渦流強度示于圖5。與Tier 2柴油機相比，新型柴油機燃燒室中燃燒階段的渦流強度較低。

圖5 燃燒室內(nèi)的渦流強度

5 噴油規(guī)律

共軌燃油系統(tǒng)的主要特點是可實現(xiàn)多次噴射。為了使這一特點帶來的效益最大化，對噴油規(guī)律進行了優(yōu)化（圖6）。尤其是為實現(xiàn)高功率、低燃油耗和低排放的目標，采用了相應的低壓縮比，因此，針對低溫下發(fā)動機起動和碳煙排放等方面可能存在的缺點，對噴油規(guī)律進行了精確控制。因為預噴射有助于提高冷起動條件下主噴射的可燃性，壓縮比可從Tier 2柴油機的20降至18。在額定條件下，預噴射和后噴射的燃油量均為總?cè)加土康?％。

圖6 噴油規(guī)律

6 外部冷卻廢氣再循環(huán)（EGR）

如前文所述，2.4 L渦輪增壓柴油機的排放應該比其他自然吸氣柴油機的更低。因此，采用外部冷卻EGR，以達到排放目標，并改善燃油耗。圖7為由EGR冷卻器、EGR閥和簧片閥組成的外部冷卻EGR系統(tǒng)總體布置圖，直流電機驅(qū)動的EGR閥由電控燃油系統(tǒng)控制。盡管整體布置可能會對非道路用發(fā)動機至關重要的緊湊性產(chǎn)生影響，但為了獲得最佳的NOx-PM排放折中關系，應該在緊湊性與性能之間尋求最佳平衡。

圖7 外部冷卻EGR系統(tǒng)總體布置圖

7 發(fā)動機性能

通過采用上述技術，實現(xiàn)了排放目標，同時也達到了功率輸出和燃油耗等發(fā)動機性能要求。與經(jīng)過EPA Tier 2認證的直噴式柴油機相比，新型柴油機在穩(wěn)態(tài)C1～C8試驗工況下的排放水平示于圖8。

圖8 廢氣排放水平

8 降噪措施

通過優(yōu)化預噴射，控制初始燃燒壓力的上升，可降低燃燒噪聲（圖9）。研究結(jié)果顯示，可顯著降低500～3 000 Hz頻段的噪聲，該頻段噪聲是燃燒噪聲的主要組成部分。

圖9 噪聲降低的效果

此外，為了降低發(fā)動機噪聲，通過優(yōu)化活塞偏心距和外形，并增大發(fā)動機機體底部的加強肋厚度，改善了發(fā)動機機體的剛度，最終使發(fā)動機低怠速和高怠速工況條件下的噪聲分別降低了4.2 d B（A）和3.2 dB（A）。

9 液壓動力輸出系統(tǒng)

新型輸油泵的開發(fā)可以沿用輔助液壓泵的現(xiàn)有安裝方式。該輸油泵沒有可維持當前齒輪傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的集成驅(qū)動軸，因此，液壓泵的動力可來自相同的位置（圖10）。

新型噴油泵的噴油壓力比當前直列噴油泵的高。因此，輸油泵上的側(cè)向力及凸輪軸表面上的比壓也很高。為了減小側(cè)向力，將輸油泵安裝在發(fā)動機本體上，從而使發(fā)動機本體有效分擔該作用力。此外，為了使系統(tǒng)具有足夠的潤滑性，針對高比壓，在凸輪軸上采用機油潤滑系統(tǒng)。該措施可在柴油機本體改動最小的情況下提高耐久性。

圖10 液壓動力輸出系統(tǒng)

10 發(fā)動機外形

圖11為2.4 L渦輪增壓柴油機的外形圖。前文所述裝置的組合與布置可實現(xiàn)更為靈活的安裝。

圖11 V2403-CR-TE3型柴油機的外形

11 結(jié)語

（1）在小型非道路用直噴式柴油機上采用共軌燃油噴射系統(tǒng)，實現(xiàn)了高功率、低燃油耗和低廢氣排放的目標。

（2）為使共軌燃油噴射系統(tǒng)的高壓噴油具有更多優(yōu)勢，應用CFD模擬，對燃燒室形狀和噴油器參數(shù)進行優(yōu)化，從而獲得合適的空燃混合氣。

（3）該項目未采用帶燃油噴霧蒸發(fā)和燃燒過程的CFD方法，后者將用于優(yōu)化燃燒過程，以進一步降低廢氣排放，實現(xiàn)更佳的燃油耗值。

（4）在渦輪增壓柴油機上采用外部冷卻EGR系統(tǒng)，達到了廢氣排放目標，并進一步降低了燃油耗。

（5）在開發(fā)新型輸油泵時，仍沿用輔助液壓泵，該部件的組合與布置具有較高的安裝靈活性。

[1]Yokomura H，Kohketsu S，Mori K.EGR system in a turbocharged and intercooled HD diesel engine：expansion of EGR area with venturi EGR system[J].Mitsubishi Motors Technical Review，2003，15.

[2]Sugimoto M，Matsuishi K，Okazaki T.Development of EGR system for industrial diesel engine using CFD approach[C].SAE Paper 2011-32-0635.

[3]Kuno T，Yoshii O，Higuchi K，et al.Techniques for lower exhaust emissions and higher power density in direct injection diesel engine[C].SAE Paper 2005-32-0051.

孫丹紅 譯自 SAE Paper 2012-32-0035

劉巽俊 校

虞 展 編輯

2013-05-15）

燃油系統(tǒng)