Denso公司新型柴油機(jī)用電磁閥式噴油器

【日】 S.Matsumoto K.Date T.Taguchi 【德】 O.E.Herrmann

Denso公司新型柴油機(jī)用電磁閥式噴油器

【日】 S.Matsumoto K.Date T.Taguchi 【德】 O.E.Herrmann

Denso公司新型第4代電磁閥式噴油器具有三路控制功能，因而提高了液力效率，并使燃油耗降低約1％。該噴油器的運動質(zhì)量減輕75％，大大改善了液力性能。此外，其燃油泄漏量被減少到最低程度，明顯降低了對冷卻的要求，并且對燃油品質(zhì)的波動不敏感。

柴油機(jī) 電磁閥式噴油器 共軌噴油器 三路控制功能

1 起因

全世界范圍內(nèi)，尤其是在排放法規(guī)非常嚴(yán)格的國家和地區(qū)，對柴油機(jī)的需求量始終在不斷增長，而發(fā)展中國家始終聚焦于降低廢氣排放和二氧化碳排放的課題。研究人員在進(jìn)一步開發(fā)共軌噴油系統(tǒng)，提高其噴油精度、噴射模式自由度和噴油壓力，以降低廢氣排放和燃油耗，其中，特別是要提高發(fā)動機(jī)的升功率。

此外，市場還要求改善噴油系統(tǒng)以適應(yīng)日益多樣化的燃油，提高起動-停車功能所需的儲存共軌壓力的可能性，以及簡化噴油系統(tǒng)零件的裝配。共軌噴油器的性能是滿足上述諸多要求的重要基礎(chǔ)，目前的Denso公司第3代壓電噴油器（G3P）已能滿足上述要求[1]。當(dāng)然，電磁閥技術(shù)在滿足商用車使用壽命和優(yōu)化系統(tǒng)成本等方面顯示出較大的潛力，因而Denso公司確定了全新的開發(fā)目標(biāo)（表1），開發(fā)了第4代電磁閥式噴油器（G4S）（圖1），它達(dá)到了現(xiàn)有量產(chǎn)G3P噴油器的性能水平。

表1 Denso公司共軌噴油器性能一覽

圖1 Denso公司G4S噴油器

由于壓電堆具有較大的調(diào)節(jié)力，因而G3P噴油器中采用三路控制閥，大大減少了開關(guān)轉(zhuǎn)換泄漏。傳統(tǒng)的兩路電磁閥噴油器因受結(jié)構(gòu)條件的限制，其開關(guān)轉(zhuǎn)換泄漏量和縫隙泄漏量均較大。這不僅造成機(jī)械損失，并且在轉(zhuǎn)換到高噴油壓力時，在噴油器回油管路中會形成局部的高燃油溫度[2]。為了應(yīng)用調(diào)節(jié)力比壓電堆稍小的電磁閥技術(shù)來完全避免縫隙泄漏，Denso公司在G4S噴油器上應(yīng)用了一種全新型式的控制閥結(jié)構(gòu)，其液力功率特性相比第3代電磁閥式噴油器（G3S）有明顯改善。另一方面，與壓電噴油器相比，較為簡單的電磁閥技術(shù)顯示出較長的使用壽命，這一特性是越野車或商用車不可或缺的。同時，這種噴油器能夠達(dá)到250 MPa較高的噴油壓力，中期可達(dá)300 MPa[3]。

2 液力工作原理

目前的G3S噴油器電磁閥被布置在噴油器的上部。因G4S噴油器中的開關(guān)轉(zhuǎn)換泄漏量減少了70％，因此可大大縮小電磁閥，并可將其安裝在噴油器的下部。如圖2所示，取消了控制桿（即針閥推桿），噴油嘴針閥直接由控制室中的壓力操縱，此外，噴油器中沒有起密封作用的運動件。由于電磁閥位于中間位置，噴油器的運動質(zhì)量可減少75％。

圖2 G4S噴油器的結(jié)構(gòu)及其功能

從圖2可以看到，在控制室中設(shè)有1個控制閥片。在正常情況下，它起到關(guān)閉進(jìn)油節(jié)流孔的作用，而控制閥片上出油節(jié)流孔的大小可進(jìn)行調(diào)整，以便針對燃燒優(yōu)化按噴油規(guī)律曲線運行的噴油嘴針閥開啟速度。噴油開始后，控制閥片保持在其位置上，因此噴油期間的進(jìn)油節(jié)流孔保持關(guān)閉。在控制閥關(guān)閉后，控制室和中間室的液壓力狀況得到平衡?？刂崎y片上方高壓槽中的高壓產(chǎn)生附加力，它克服彈簧力并將控制閥片打開，使進(jìn)油節(jié)流孔敞開，當(dāng)控制室中建立起壓力，噴油嘴針閥就關(guān)閉。進(jìn)油節(jié)流孔的大小也可進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，以改變針閥的關(guān)閉速度。

圖3（a）示出G4S噴油器在不同共軌壓力下的電磁閥充電控制時間與噴油量之間特性曲線，它們具有良好的線性關(guān)系，不同共軌壓力下特性曲線之間的間隔也相當(dāng)整齊，達(dá)到或超越了G3P噴油器的良好性能。由于大噴油量和最小噴油量范圍內(nèi)的線性關(guān)系，因此，可以高精度地補(bǔ)償噴油器之間，以及運行期間噴油量的分散度。

圖3 在不同共軌壓力下G4S噴油器的噴油量，以及G3S和G4S噴油器的噴油量波動

圖3（b）示出了G3S和G4S噴油器的結(jié)構(gòu)。如前文所述，在開發(fā)新型G4S噴油器時，取消了在G3S噴油器中用于連接控制室與噴油嘴的控制桿，從而消除了摩擦，并減輕了運動質(zhì)量，明顯改善了單次噴油之間的重復(fù)性。圖3（c）示出了各次噴油量之間的分散度，G4S噴油器雖然噴油壓力較高，但其分散度僅為G3S噴油器的50％，因此可達(dá)到更小的最小噴油量和預(yù)噴射油量。與常規(guī)的學(xué)習(xí)功能或可選用的i-ART壓力傳感器相結(jié)合，能夠在整個使用壽命期內(nèi)獲得最小的預(yù)噴射油量，這有利于降低廢氣排放和燃燒噪聲。

3 三路控制閥的優(yōu)點

Denso公司通過液力模擬計算、發(fā)動機(jī)試驗，以及在轎車和商用車上進(jìn)行的整個發(fā)動機(jī)特性曲線場的整車試驗證實，較少的泄漏損失可降低燃油耗約1％[4]。高壓燃油泵的總泄漏量被減少，其驅(qū)動功率也得以減少，從而減少了燃油耗。此外，較少的泄漏損失為有效提高共軌噴油系統(tǒng)中的噴油壓力鋪平了道路，也為廢氣排放和燃油耗帶來了益處[3，4]。

圖4 在4缸機(jī)上，200 MPa噴油壓力下G3S和G4S噴油器泄漏量的比較

圖4示出了G4S噴油器與常規(guī)噴油器在控制桿和噴油嘴針閥處的泄漏量比較。眾所周知，縫隙泄漏量隨噴油壓力的提高而增加[2]。在低轉(zhuǎn)速時，因發(fā)動機(jī)工作循環(huán)之間的時間間隔較長，縫隙泄漏的份額會因此增大。與此相反，常規(guī)噴油器的開關(guān)轉(zhuǎn)換泄漏量則取決于控制閥開啟時間的長短。全負(fù)荷時的泄漏量最大，在低轉(zhuǎn)速時，常規(guī)G3S噴油器的泄漏量約為每行程40 mm3，這一泄漏量必須由高壓燃油泵來承擔(dān)，相當(dāng)于在4缸機(jī)上消耗0.5 k W的機(jī)械功率。在額定功率點，每行程的開關(guān)轉(zhuǎn)換泄漏量會相應(yīng)減少一些，但是，由高壓燃油泵承擔(dān)的泄漏體積流量卻增大了，因此，G4S噴油器在額定功率點可獲得約減少2 k W機(jī)械功率的潛力。

G4S噴油器由于消除了縫隙泄漏，特別是在低速扭矩范圍內(nèi)泄漏量被大大減少，這不僅減少了二氧化碳排放，而且有助于起動-停車運行。發(fā)動機(jī)停機(jī)后，共軌壓力能保存數(shù)分鐘，可直接供下次起動使用。

此外，因應(yīng)用三路控制功能，使開關(guān)轉(zhuǎn)換泄漏量減少70％，剩余的泄漏量是打開噴油嘴針閥所不可避免的。最終獲得的液力效率能使噴油壓力提高到250～300 MPa[4]。

縫隙泄漏量主要取決于零件的公差，以及經(jīng)過一段運行時間后零件的磨損程度。進(jìn)出油節(jié)流孔的直徑在運行期間是穩(wěn)定的，而常規(guī)噴油器的開關(guān)轉(zhuǎn)換泄漏量也變化不大。如圖5所示，根據(jù)噴油器和運行時間的不同，常規(guī)噴油器的泄漏量呈現(xiàn)出某種程度的分散度，而新型G4S噴油器經(jīng)過較長時間的運行后，其泄漏量幾乎沒有增加，噴油器之間也未出現(xiàn)明顯的分散度[2]。

圖5 耐久運行試驗中G3S和G4S噴油器的泄漏量對比

依據(jù)采用不同品質(zhì)燃油的全球野外應(yīng)用所取得的經(jīng)驗，在目前量產(chǎn)的G3S噴油器上也采取了相應(yīng)的措施，例如在運動件上涂覆類金剛石碳涂層[5]。采用上述方法，能夠避免形成生物聚合物-沉積物，它們會粘結(jié)在零件上。為了評價抗沉積物的耐久性，Denso公司進(jìn)行了循環(huán)試驗（圖6），包括采用柴油和含20％大豆生物燃油的混合燃料，在油泵試驗臺上按固定循環(huán)進(jìn)行試驗。因燃油氧化，一段時間后其總酸值會增大，這一過程會因高燃油溫度而加快。

圖6 快速耐久性試驗

試驗結(jié)果表明，常規(guī)噴油器經(jīng)試驗后燃油所達(dá)到的總酸值不同，直到最終噴油器出現(xiàn)偏差為止，其運行時間也各不相同（圖6）。對于目前市場上的燃油品質(zhì)而言，G3S噴油器的抗沉積物耐久性水平已經(jīng)足夠了[5]。在超過1 600 h的試驗中，G4S噴油器的噴油量未出現(xiàn)偏差，對燃油品質(zhì)的變化表現(xiàn)出較高的穩(wěn)定性。其原因是減少了運動件的數(shù)目與噴油器中的摩擦表面，以及其中的溫度較低，例如因泄漏量減少而使回油溫度明顯較低。

4 結(jié)語

新型G4S噴油器具有三路控制功能，因而提高了液力效率，并使燃油耗降低1％。由于運動質(zhì)量減輕了75％，液力性能得到了明顯改善，各次噴射之間的偏差只有原先的50％。此外，明顯減少的泄漏，特別是對不同燃油品質(zhì)的適應(yīng)性提高了G4S噴油器的耐久性。G4S噴油器從2013年開始投入批量生產(chǎn)，噴油液力高達(dá)250 MPa，并能提供高達(dá)300 MPa的噴油壓力。

[1]Kondo S，Toyoshima Y，Takayama T，et al.200 MPa piezo common rail system[J].Journal of Society of Automotive Engineers of Japan，No 20095709，2009（10）.

[2]Matsumoto S，Date K，Yamada K.Concepts and evolution of injector for common rail system[C].SAE Paper 2012-01-1753.

[3]Shinohara Y，Takeuchi K，Herrmann O，et al.3 000 bar common rail system[J].MTZ，2011，72（1）：4-8.

[4]Herrmann O，Nakagawa M，Kenhard M，et al.Ultra high pressure and enhanced multiple injection—potentials for the diesel engine and challenge for the fuel injection system[C].Fuel Injection Systems for IC engines，IMECHE，2012.

[5]Omori T，Tanaka A，Yamada K，et al.Biodiesel deposit formation mechanism and improvement of FIE[C].SAE Paper 2011-01-1935.

范明強(qiáng) 譯自 MTZ，2013，74（2）

張 慰 編輯

材料工藝

2013-04-20）