非道路第三階段中小缸徑柴油機(jī)技術(shù)現(xiàn)狀及優(yōu)勢對比分析

陳帥 袁萬鵬 劉智杰 劉剛

摘 要：非道路T3已經(jīng)實(shí)施，終端市場存在著多種技術(shù)路線并存的局面。從2016年1-4月的T3柴油機(jī)銷量來看，電控高壓共軌技術(shù)以其技術(shù)先進(jìn)性、較好的終端用戶使用感受在T3的銷量中逐月提升，累計(jì)市場份額占比已接近50%。借鑒道路車輛排放升級的經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行了常見T3技術(shù)路線的關(guān)鍵技術(shù)特點(diǎn)及關(guān)鍵問題的對比分析。

關(guān)鍵詞：非道路；柴油機(jī)；技術(shù)路線：車輛排放

中圖分類號：TK429 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A doi：10.14031/j.cnki.njwx.2016.06.001

1 非道路三階段市場概況

我國非道路移動機(jī)械市場較大，種類繁多、保有量大、應(yīng)用廣泛，與生產(chǎn)生活密切相關(guān)。

據(jù)權(quán)威部門實(shí)際測算，除道路車輛外，非道路移動源NOX和PM2.5排放量所占比例較大的是農(nóng)業(yè)機(jī)械、船舶和工程機(jī)械，如圖1、圖2所示。我國農(nóng)業(yè)機(jī)械、工程機(jī)械產(chǎn)銷量位居世界第一，2005-2015年，工程機(jī)械保有量年均增長12%以上，農(nóng)業(yè)機(jī)械總動力年均增長6%以上。2014年公布的“全球工程機(jī)械制造商50強(qiáng)排行榜”中，中聯(lián)重科、徐工、三一重工位列前十。據(jù)預(yù)測，工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械行業(yè)今后仍將繼續(xù)發(fā)展，而排放的增長成為亟待解決的突出問題。

反觀道路車輛，在經(jīng)歷了國三、國四排放升級后，市場已較為規(guī)范，整體技術(shù)水平大幅提升，排放大幅降低，使得非道路的排放控制成為節(jié)能減排的關(guān)鍵領(lǐng)域，列入國家環(huán)保部門重點(diǎn)整治的對象，今后移動機(jī)械類減排的任務(wù)主要集中在非道路移動機(jī)械市場。

2 非道路三階段主流技術(shù)路線

在經(jīng)歷了將近一年的技術(shù)準(zhǔn)備后，各大柴油機(jī)企業(yè)在2016年1-4月份完成了不同批次的非道路三階段（以下稱T3）的市場推廣及驗(yàn)證。從目前終端市場的投放來看，主要形成了以電控VE泵、電控單體泵、電控高壓共軌為主流的T3技術(shù)路線。

以上各種不同T3技術(shù)路線出現(xiàn)的主要原因是：各柴油機(jī)生產(chǎn)企業(yè)對T3升級這一排放法規(guī)要求的理解程度不同，部分柴油機(jī)廠家單純從應(yīng)對排放升級的角度出發(fā)，所設(shè)計(jì)T3產(chǎn)品只要能應(yīng)對排放升級要求即可；而電控技術(shù)經(jīng)驗(yàn)豐富的廠家則著眼非道路未來規(guī)劃，選擇了具有升級到T4、T5排放潛力的技術(shù)，同時力求在動力性、使用經(jīng)濟(jì)性、操控性、舒適性、智能化等全方位性能的提高。

3 T3升級主要技術(shù)路線關(guān)鍵問題對比分析

3.1 T2到T3的升級難度比較

T2升級到T3，不僅對燃油系統(tǒng)噴射壓力提出了更高的要求，對發(fā)動機(jī)本體強(qiáng)度、零部件加工精度、燃燒效率、熱平衡、可靠性、控制策略也提出了更高的要求。比較而言，電控VE泵的電氣部分增加零部件較少，機(jī)械部分在T2的基礎(chǔ)上變化不大，故選用VE泵技術(shù)路線升級難度最??；電控單體泵大幅提升了噴射壓力，對齒輪系及發(fā)動機(jī)本體強(qiáng)度的要求有所提高，且增加了部分電氣元件，有一定的升級難度；而電控高壓共軌，發(fā)動機(jī)信號采集量較電控單體泵有所增加，電控系統(tǒng)的控制量卻大幅增加，控制策略也更為復(fù)雜，故升級難度最大，對柴油機(jī)升級技術(shù)的要求也最高。

3.2 T3到 T4的升級準(zhǔn)備

從道路車輛的國三、國四升級過程來看，電控VE泵、電控單體泵由于燃油噴射、燃燒及排放控制的先天不足，想要升級到國四排放水平需要在后處理系統(tǒng)上付出較為高昂的代價；而電控高壓共軌在噴油切斷、多次噴射、后噴技術(shù)、綜合成本等方面的優(yōu)勢使得電控高壓共軌成為國四、國五車機(jī)排放升級的唯一選擇。據(jù)環(huán)保部門消息，非道路T4排放的實(shí)施將會于2017年下半年在東部地區(qū)率先鼓勵實(shí)施，留給眾多柴油機(jī)生產(chǎn)企業(yè)、非道路主機(jī)生產(chǎn)企業(yè)的準(zhǔn)備時間并不多。

3.3 零部件升級成本

以六缸機(jī)為例，一套六缸共軌燃油系統(tǒng)和單體泵燃油系統(tǒng)，零件種類和數(shù)量分別為：單體泵128種，472件；共軌泵155種，405件。雖然單體泵品種比共軌少，但零件數(shù)量多。在油泵成本上，單體泵比共軌成本要高出不少，但共軌系統(tǒng)噴油器的成本要比單體泵的機(jī)械噴油器高。而VE泵僅僅在T2機(jī)械泵的基礎(chǔ)上增加了ECU、燃油計(jì)量單元等部件，零部件升級成本較低。

從國產(chǎn)電控燃油系統(tǒng)的終端市場來看，四缸柴油機(jī)機(jī)電控VE泵燃油系統(tǒng)的成本在2000～2200元，單體泵燃油系統(tǒng)的成本在2400～2500元，共軌燃油系統(tǒng)的成本在3000～3500元。而從非道路細(xì)分市場來看：農(nóng)機(jī)市場由于補(bǔ)貼政策的保護(hù)，對1000元的價格差距并不敏感，而工程機(jī)械價值量較大，在發(fā)動機(jī)品質(zhì)提升的情況下，消化1000～1500元的成本差距也比較容易。雖然使用電控高壓共軌技術(shù)成本最高，但其所帶來的靜音無煙、動力提升、綠色環(huán)保等賣點(diǎn)已經(jīng)在終端市場得到用戶的認(rèn)可。

4 T3主流技術(shù)路線關(guān)鍵技術(shù)特性對比分析

T3升級首先需要解決的問題是排放達(dá)標(biāo)，在追求排放技術(shù)特性控制精度的同時，動力性、用戶體驗(yàn)的提升成為T3產(chǎn)品的又一重要技術(shù)特性。

4.1 燃油噴射次數(shù)的控制

傳統(tǒng)的機(jī)械式燃油系統(tǒng)以及T3階段的電控VE泵、電控單體泵的噴油器均為機(jī)械式，噴油的開啟和關(guān)閉均依靠燃油壓力控制，達(dá)到調(diào)定的噴射壓力時克服彈簧彈力打開，低于噴射壓力時噴油器針閥歸位關(guān)閉，在柴油機(jī)的工作過程中，根據(jù)柴油各缸機(jī)對應(yīng)的泵油柱塞升降來實(shí)現(xiàn)泵油，在柴油泵實(shí)際工作過程中，柴油機(jī)每轉(zhuǎn)一圈實(shí)現(xiàn)一次噴油。而電控高壓共軌采用電控噴油器，噴油器的打開和關(guān)閉與燃油壓力無關(guān)，依靠ECU給噴油器的開關(guān)指令實(shí)現(xiàn)噴油次數(shù)、噴油時長的控制，從而達(dá)到精確噴油、精確燃燒的目的，大都采用PWM數(shù)字信號控制，現(xiàn)階段大部分燃油系統(tǒng)廠家使用的是數(shù)字式高速電磁開關(guān)閥，可以實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)5次/r的噴油，日本DENSO在高端市場應(yīng)用了壓電晶體式的高速開關(guān)閥，可以達(dá)到7次/r的噴油，而近年來正在研究和應(yīng)用的稀土超磁致高速開關(guān)閥可以達(dá)到10～20次/r的噴油精度。

噴油次數(shù)的增多，使得柴油機(jī)控制策略得到了極大的豐富，國四車機(jī)的兩次主噴使得燃燒效率得到不小的提升，一次預(yù)噴的加入也使得柴油機(jī)的噪聲大大降低、啟動性能得到很大的提升，而一次后噴的增設(shè)也使得后處理的效率得到提升，使得整車排放水平得到提升。

4.2 燃油噴射系統(tǒng)可控性

T3階段各種燃油噴射系統(tǒng)均大幅提升了燃油噴射壓力，最高達(dá)到180 MPa，比T3階段噴油壓力提升一倍，以此提高柴油霧化效果及燃燒精度，但由此帶來的是關(guān)鍵零部件制造精度和控制要求的大幅提高。

從各電控系統(tǒng)的噴油工作過程來看：

單體泵的噴射控制，從電磁閥得電到噴油器啟噴存在一定的開啟時間延時，而從控制閥失電到噴射結(jié)束存在一定的關(guān)閉時間延時，造成噴射精度的大幅降低，而調(diào)定噴射壓力的設(shè)定使得整個噴油過程的誤差較大，造成噴油不準(zhǔn)確，從而影響排放及噪聲等關(guān)鍵指標(biāo)，造成不可精確控制。反觀共軌的噴射控制，噴射控制在噴油器端，幾乎無延遲，響應(yīng)快，穩(wěn)定性好，控制精度高。

4.3 燃油系統(tǒng)噴射壓力控制

從控制的角度來看，影響噴射壓力的要素越少，越容易實(shí)現(xiàn)精確控制。

VE泵、電控單體泵的噴油壓力控制較為粗放，主要受以下因素的影響：a凸輪軸供油斜面的速率， 即供油相位； b柱塞直徑；c凸輪軸轉(zhuǎn)速； d噴油器噴孔數(shù)量與直徑以及流量系數(shù)；e噴油量的大??；f高壓系統(tǒng)容積，以及高壓油管長度。 上述6個影響噴射壓力控制的因素造成了VE泵和單體泵的噴射壓力控制精度很差，幾乎到了不可控的地步。

而電控高壓共軌，增設(shè)了共軌管作為儲油容器，將高壓燃油儲存起來，隨用隨取，不受上述因素的影響，噴射壓力控制精度高，穩(wěn)定可控。

4.4 污染物排放控制

T3階段各技術(shù)路線大幅提高了燃油噴射壓力，提升了柴油霧化效果，優(yōu)化了燃油噴射規(guī)律，增設(shè)了控制策略，使得排放水平大幅提高，大大降低了NOx及PM的排放。

從各檢測中心的臺架試驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，電控VE泵及單體泵勉強(qiáng)能夠達(dá)到T3的排放要求，而在瞬時排放、高速重載等工況下，其排放表現(xiàn)更差，升級到T4階段較為困難。而電控高壓共軌在各種工況下的排放一致性好，且整體排放水平已經(jīng)接近T4排放標(biāo)準(zhǔn)。

4.5 燃油經(jīng)濟(jì)性

燃油的精確噴射及霧化效果的優(yōu)化，使得T3柴油機(jī)較T2階段的燃油經(jīng)濟(jì)性普遍提高，而電控高壓共軌的精確控制、精確噴射、精確燃燒使得燃油經(jīng)濟(jì)性大幅提高。

根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)，36.8 kW的3 t叉車，在60次/h的舉升、轉(zhuǎn)運(yùn)、舉升、歸位的模擬工作循環(huán)中，T2階段某型490機(jī)械泵發(fā)動機(jī)消耗燃油3.18 kg，T3某型490電控高壓共軌柴油機(jī)消耗燃油2.475 kg，節(jié)油高達(dá)22%，而對比VE泵也有12%～15%的節(jié)油效果。

4.6 用戶使用感受

精確燃燒同時帶來了振動噪音的降低，而電控高壓共軌的精確控制使得各缸工作一致性得到了保證，而平穩(wěn)的燃燒，使得振動噪聲大幅降低。

據(jù)3 t、3.5 t叉車的實(shí)測數(shù)據(jù)，電控高壓共軌較電控VE泵怠速噪聲低3～4 dB（A），高速噪音低2～3 dB（A）。而振動噪聲的降低，使得用戶工作舒適性得到提升，也增加了產(chǎn)品的賣點(diǎn)。

4.7 售后的可維修性

T3階段柴油機(jī)燃油系統(tǒng)精度的提高，使得很多用戶擔(dān)心售后服務(wù)等使用成本的增加，根據(jù)電控高壓共軌、電控VE泵、電控單體泵的售后故障統(tǒng)計(jì)：電控VE泵的主要故障原因在于泵內(nèi)精密柱塞部件的磨損，更換時維修成本較高，且不具有返修價值；電控單體泵的主要故障原因在于泵油電磁閥部件的損壞，需要更換整只部件，且不具有維修價值；電控高壓共軌主要故障原因在于噴油器閥組件、流量閥等精密部件的磨損，更換時噴油器整只更換，但可以通過更換磨蝕的部件達(dá)到修復(fù)的目的。

由于共軌易損部件的可維修性較高，使得發(fā)動機(jī)及其關(guān)鍵零部件的再制造具有一定的價值，符合近年來國家對柴油機(jī)再制造業(yè)務(wù)的政策導(dǎo)向。

5 結(jié)論

受益于各大非道路柴油機(jī)廠家的宣傳和推廣，雖然非道路T3的實(shí)施剛剛開始，但終端市場對電控高壓共軌技術(shù)路線先進(jìn)性的認(rèn)識和接受程度形成了不少共識?，F(xiàn)階段，行業(yè)知名的柴油機(jī)生產(chǎn)企業(yè)紛紛開始了T3電控高壓共軌柴油機(jī)的研發(fā)和推廣，并在叉車、收割機(jī)、工程機(jī)械等領(lǐng)域率先推廣，可以預(yù)見，2016年非道路T3的市場份額中，T3電控高壓共軌的比例必將遙遙領(lǐng)先。