用于提高柴油機效率的新型壓電共軌噴射系統(tǒng)

【德】 W.Klügl C.Boll G.Krüger U.Nigrin

設(shè)計開發(fā)

用于提高柴油機效率的新型壓電共軌噴射系統(tǒng)

【德】 W.Klügl C.Boll G.Krüger U.Nigrin

Continnental公司采用新穎的PCRs5型壓電噴油系統(tǒng)擴展了對柴油機燃燒過程施加影響的可能性，通過精度更高和噴射間距更短的多次噴射能進一步降低燃油耗、原始排放和運轉(zhuǎn)噪聲，而噴射的閉環(huán)調(diào)節(jié)則能確保整個使用壽命期系統(tǒng)的可靠性，其中壓電執(zhí)行器同時被用作監(jiān)控針閥運動的傳感器。

柴油機壓電噴油系統(tǒng)降低排放

1 對柴油噴射系統(tǒng)提出了更高的要求

高效率柴油機有助于達到公司車隊苛刻的CO2排放的目標。為了進一步提高柴油機效率并同時降低其原始排放，混合氣準備和燃燒期氣缸壓力變化曲線起著重要的作用。除了碳氫化合物(HC)、氮氧化物(NOx)及顆粒物排放之外，柴油機的運行噪聲和舒適性也影響著其在未來全球各種驅(qū)動方式中所可能承擔(dān)的角色。

更精確的噴油控制能使柴油機更為高效，并能使廢氣后處理盡可能更有效和經(jīng)濟，而噴射間距極短和精度高的多次噴射則成為優(yōu)化燃燒過程的前提條件。

新型PCRs5型壓電柴油噴射系統(tǒng)進一步開發(fā)的目標是：在整個運行功率范圍內(nèi)更可靠地保持高品質(zhì)的噴射參數(shù)；通過緊湊的部件和模塊化結(jié)構(gòu)易于集成在各種不同的發(fā)動機機型中；進一步降低損失功率和優(yōu)化高的液壓效率；適應(yīng)越來越多的混合動力場合。

這種新型噴油系統(tǒng)就是針對250 MPa系統(tǒng)壓力以及300 000 km(轎車)和400 000 km(輕型載貨車)使用壽命設(shè)計和認證的，其200 MPa共軌壓力首次應(yīng)用并搭載于市場上一種輕型載貨車系列的新型柴油機機型上，而高達250 MPa的噴射壓力則應(yīng)用于高功率等級的轎車上。

2 系統(tǒng)部件

PCRs5型壓電噴油器、DHP1型柴油高壓泵、帶有數(shù)字式減壓閥的燃油分配管、高壓傳感器以及EMS3型發(fā)動機管理系統(tǒng)電控單元和軟件是模塊化PCRs5型壓電噴油系統(tǒng)的重要組成部分。

高壓柴油泵(圖1)的結(jié)構(gòu)特點是采用滾輪挺柱傳動，以及用于調(diào)節(jié)油量和壓力的數(shù)字式進油閥，其突出的特點是具有高精度的燃油壓力調(diào)節(jié)，以及在降低進口壓力的情況下呈現(xiàn)較小的液壓容積和高液壓效率，此外較小的冷卻和潤滑容積流量減輕了低壓系統(tǒng)的負荷，從而總體上減少的損失功率，對CO2排放產(chǎn)生了有利的效果。這種高壓柴油泵十分緊湊(凈質(zhì)量<2.6 kg)，能使用全球各種燃油，并能滿足增加起動-停機循環(huán)次數(shù)的要求。除了采用燃油潤滑的方案之外，在保持上述優(yōu)點的情況下還有一種機油潤滑方案(作為插裝式高壓泵直接集成到發(fā)動機機體中)可供選用。

圖1 采用燃油潤滑的DHP1型高壓柴油泵

新型的EMS3型模塊化電控單元軟件和硬件平臺包含有功能強大的多芯微處理器，以及按AutoSAR標準構(gòu)建的基礎(chǔ)軟件，并支持ISO 26262標準的可靠性要求[1]。電控單元的功能已按歐6排放標準開發(fā)，除了燃油供應(yīng)和噴射之外,特別是對空氣管路和包括借助于選擇性催化還原(SCR)NOx在內(nèi)的廢氣后處理措施進行了進一步的開發(fā)。

噴油器具有1個非常緊湊的微型壓電堆，并直接作用于控制閥(圖2)，其向內(nèi)(與共軌壓力反向)的針閥開啟方案繼承了已量產(chǎn)的原PCRs2型壓電噴油器，并對幾何形狀和尺寸進行了優(yōu)化。

圖2 PCRs5型噴油器剖視圖

這種新型壓電噴油器的效率已比原產(chǎn)品有了明顯的提高，它不再呈現(xiàn)恒定不變的回油量，而是在發(fā)動機自動停機期間能繼續(xù)保持共軌壓力，這樣就能直接供給下次起動過程使用，進一步減少了動態(tài)回油量，總回油量比原產(chǎn)品減少了70%以上，因而能降低高壓燃油泵的驅(qū)動扭矩，從而對CO2平衡產(chǎn)生有利的效果。微型壓電堆驅(qū)動僅需較小的控制能量，這樣不僅減小了電控單元中的電功率需求，而且使得在與噴油器體下部串聯(lián)執(zhí)行器部位的連接中明顯降低了噴油器的噪聲輻射。

3 噴油器調(diào)節(jié)策略

這種新型柴油噴射系統(tǒng)能滿足對高效發(fā)動機燃燒壓力曲線所提出的要求，即穩(wěn)定對稱的噴束形狀、高的計量精度，以及每工作循環(huán)最多達8次且具有較短噴射間距的多次噴射,目前用于量產(chǎn)的最短液壓噴射間距能達到150 μs。

為了可靠地達到這些高品質(zhì)的噴射參數(shù)，這種壓電噴油器采用閉環(huán)調(diào)節(jié)工作，為此反饋信號直接由噴油器計值，當然對此無須在噴油器中附加傳感器。這種調(diào)節(jié)除了基于反壓電效應(yīng)(壓電執(zhí)行器通電產(chǎn)生位移用于操縱伺服閥)之外， 同時也利用原有的壓電工作原理(在壓電執(zhí)行器上施加外力就產(chǎn)生與壓力成正比的電壓)。

噴油器調(diào)節(jié)以模型為基礎(chǔ)將功能分解[2]成伺服閥調(diào)節(jié)、噴油嘴針閥調(diào)節(jié)和噴油嘴流量修正(圖3)。

圖3 PCRs5型調(diào)節(jié)功能結(jié)構(gòu)

閉環(huán)調(diào)節(jié)的主要功能是伺服閥開啟點的調(diào)節(jié)和噴油嘴針閥關(guān)閉點的調(diào)節(jié)，其中前者基于伺服閥開啟時壓電執(zhí)行器上力的識別，針對伺服閥開啟時間點和升程實時調(diào)節(jié)每次噴射，從而實現(xiàn)單純的通電時間補償，因而噴油器中就無需液壓補償器了。

伺服閥關(guān)閉后壓電執(zhí)行器保持在部分升程，并被用作控制室壓力的傳感器。當針閥抵達座面時產(chǎn)生一個特征壓力標志，它在發(fā)動機電控單元中被計值，以識別實時的針閥關(guān)閉點(圖4)。

圖4 針閥關(guān)閉點調(diào)節(jié)的基本原理示意圖

除了可完全放棄噴油器中的傳感器之外，這些調(diào)節(jié)功能可確保迅速和可靠的調(diào)節(jié)回路,并易于標定而無需專門用于動力總成的特定方案，而且能與未來混合動力化機型相協(xié)調(diào)，因為在怠速運轉(zhuǎn)和倒拖運行階段無需進行這些調(diào)節(jié)。

4 發(fā)動機運行測量結(jié)果

這種新型噴油系統(tǒng)在最小穩(wěn)定噴油量、高精度和小間距噴射等方面所具有的工作能力,使得能夠應(yīng)用有效的噴油策略優(yōu)化燃油耗、廢氣排放和燃燒噪聲之間的目標沖突，從而能夠在如低負荷和低轉(zhuǎn)速運行工況下應(yīng)用與主噴射間距短的情況下進行2次預(yù)噴射；在保持碳煙和NOx排放不變的情況下燃油耗降低1.5%，同時燃燒噪聲降低4 dB(A)(圖5)。

圖5 Continnetal公司2.0 L發(fā)動機平臺試驗結(jié)果

在效率和燃燒噪聲方面的改善效果歸因于采用這種新型噴油系統(tǒng)能使燃油在燃燒室中更為良好和精確地分配，實現(xiàn)在空間和時間上的緊湊燃燒，從而改善了放熱率曲線。

5 對廢氣后處理的重要意義

在噴油方面有2個因素對于柴油機的原始排放是至關(guān)重要的：

(1)必須減小噴油器彼此之間的噴油量誤差，在

這方面必須通過合適的策略，雖不可完全避免制造誤差，但可在發(fā)動機工作循環(huán)中將這種誤差影響降到最佳程度；

(2)運行中噴射特性的變化(例如溫度和老化原因)必須予以識別和修正，以便確保穩(wěn)定的高計量精度。

閉環(huán)調(diào)節(jié)回路對于廢氣后處理具有重要意義。因為這種新型噴油系統(tǒng)大大減小了廢氣成分的偏差，能夠降低對廢氣后處理裝置基本尺寸和匹配性方面的要求，這樣就能夠?qū)Σ裼蜋C相對于汽油機在成本方面的缺點產(chǎn)生有利的影響。

6 結(jié)語

這種新型的PCRs5型壓電噴油系統(tǒng)以其計量精度和調(diào)節(jié)品質(zhì)改善了柴油機燃燒過程的控制。認證運行試驗和批量使用已證實，這種新型噴油系統(tǒng)能降低CO2排放和噪聲水平，并具備降低實際運行NOx和HC排放的潛力，同時顯示出對自動起停系統(tǒng)的適應(yīng)性。

無需傳感器就能實現(xiàn)噴油器閉環(huán)調(diào)節(jié)，使得系統(tǒng)能在整個運行期間的噴油精度和穩(wěn)定性達到很高的水平。每循環(huán)多達8次150 μs小間距的精確噴射使得發(fā)動機能夠?qū)崿F(xiàn)緊湊和高效的燃燒。本文介紹的噴油壓力高達250 MPa的新型噴油系統(tǒng)為未來達到歐6和全球廢氣排放法規(guī)奠定了堅實的基礎(chǔ)。

[1] Haupt K, Bocionek S, Ruf F, u.a. Offene motorsteuerungsplattform für künftige motorenkonzepte und hybridisierung-erweckt motoren zum leben[C]. 31. Internationales Wiener Motorensymposium, 2010.

[2] Dian V, Klügl W, Krüger G, u.a. Continental's new piezo common rail system for efficient and clean diesel engines[C]. SIA Powertrain Conference, Rouen, 2016.

范明強 譯自 MTZ，2016,77(10)

何丹妮 編輯

2016-09-18)