(星月集團星萊和農(nóng)業(yè)裝備有限公司 浙江 永康 321300)
對電控VE 泵進行改進以及對小排量3 缸柴油機的制造精度進行控制,并且進行試驗驗證。試驗證明,小排量多缸柴油機的排放問題可以得到解決,拓寬了小排量高轉(zhuǎn)速柴油機的應(yīng)用范圍。
目前,國內(nèi)市場上,小排量3 缸柴油機的燃油噴射系統(tǒng)大都采用機械直列泵,燃油噴射的一致性難以調(diào)整和控制,排放的一致性差,滿足非道路柴油機國三排放標準的柴油機很少,滿足即將實行的非道路柴油機國四排放標準[1]更加困難。
目前,排量在1.0L 以下的多缸柴油機滿足非道路柴油機國四排放標準的極少,主要原因為排放一致性控制是難點,燃油噴射系統(tǒng)不能滿足小排量柴油機需要是關(guān)鍵問題。
采用電控VE 泵,可實現(xiàn)對每循環(huán)噴油量更精確的控制,更好地適應(yīng)柴油機不同工況低排放的需要[2]。對噴油正時的電控調(diào)整、優(yōu)化,能很好地實現(xiàn)柴油機性能最佳和排放最低[3]。
為了滿足非道路柴油機國四排放標準,本司設(shè)計了一款功率為14.5 kW(3 600 r/min)、排量為0.76 L的3 缸水冷柴油機。采用電控VE 泵,對噴油正時進行電控調(diào)整,降低了燃油消耗率和顆粒物排放。本款柴油機的相關(guān)技術(shù)已獲得多項專利,處國內(nèi)領(lǐng)先水平。
本司與南京威孚金寧有限公司合作開發(fā)的電控VE 泵燃油噴射系統(tǒng),拓寬了電控VE 泵在小排量柴油機上的應(yīng)用范圍,主要解決了以下幾個方面的問題:
1)對系統(tǒng)整體進行了優(yōu)化設(shè)計,滿足了小排量柴油機更高轉(zhuǎn)速的需求,轉(zhuǎn)速>5 000 r/min;
2)提高了柱塞偶件精度和噴油泵噴射壓力,VE泵的噴射壓力高達145 MPa 以上,使燃油噴射更加均勻,降低了燃油消耗率,提高了效率,有效降低了顆粒物排放;
3)ECU 電控單元優(yōu)化,提高了運算速度,運算速度>40 MIPS,完全滿足位置式VE 泵控制的需要;
4)優(yōu)化了提前器控制閥以及與其配套的位置傳感器精度,提高了測量活塞移動距離,測量精度穩(wěn)定在0.01 mm,相當于提高了噴油提前角的精度;
5)進行了柴油機多工況的map 圖標定。包括發(fā)動機外特性標定、整車駕駛性能標定、排放標定。
通過對VE 泵map 圖的實際匹配標定,動力性能和排放性能均取得了良好的效果,完全能夠滿足當前非道路柴油機國三排放標準要求。
試驗表明,發(fā)動機的壓縮壓力、工作溫度等對電控VE 泵的燃油噴射特性有較大影響。穩(wěn)定的壓縮壓力,使油耗曲線比較穩(wěn)定,波動小。壓縮壓力對燃油消耗影響較大,壓縮壓力波動大,油耗變動量大。
提高零部件制造精度,保證各缸的壓縮壓力基本一致,壓力差控制在3%以內(nèi)。壓縮壓力對燃油消耗的影響如圖1 所示。
發(fā)動機的溫度對電控VE 泵的工作溫度有較大影響,通過試驗測試,冷卻液溫度控制在(85±5)℃、機油溫度控制在(90±10)℃時,排放較為穩(wěn)定。
本文在發(fā)動機溫度控制上采取了以下措施:
1)對發(fā)動機冷卻系統(tǒng)進行了優(yōu)化設(shè)計,滿足最佳工作溫度需求;
2)控制機油溫度,使柴油機在最佳溫度狀態(tài)下工作。
圖1 壓縮壓力對燃油消耗的影響
本司設(shè)計了一個帶冷卻裝置的油底殼,經(jīng)散熱器冷卻后的出水進入冷卻裝置,然后流經(jīng)發(fā)動機進行冷卻循環(huán)。此項技術(shù)獲得了專利。另外,保證最佳的機油工作溫度,對加快提高冷機狀態(tài)下的溫度也有好處。帶冷卻裝置的油底殼結(jié)構(gòu)如圖2 所示。
圖2 設(shè)有冷卻機油的油底殼結(jié)構(gòu)
試驗表明,燃油泵回油溫度對燃油噴射量的影響較大,對動力性能有較大影響,隨之影響柴油機的排放性能。為了獲得最佳的回油溫度,本文設(shè)計了一款附帶散熱裝置的油箱,保證了最佳的回油溫度。
柴油機在工作時通過活塞環(huán)與氣缸壁消耗的機油占總機油消耗量的70%以上,通過氣門油封消耗的機油占比約為10%,通過曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)消耗的機油占比約為10%。雖然機油消耗的產(chǎn)生部位不同,但絕大部分都參與燃燒并且其燃燒產(chǎn)物隨尾氣排出。機油參與燃燒并且燃燒產(chǎn)物隨尾氣排放的這一特點,決定了它對發(fā)動機的顆粒物排放有著直接的影響。
可從以下幾個方面減少機油消耗,降低顆粒物排放。
缸體:采用一體化設(shè)計,增加柴油機機體的剛性;優(yōu)化冷卻水套設(shè)計,盡量減少缸孔變形;優(yōu)化鑄造后的熱處理工藝,提高材料硬度;優(yōu)化機加工工藝,如帶工藝缸蓋進行缸孔精加工,減小缸孔的變形量。缸體密封性增強,使柴油機在熱狀態(tài)下變形量減少,阻力減小,有利于柴油機的冷起動。
活塞:控制活塞壓縮高的精度,保證燃燒室容積,提高表面質(zhì)量。
活塞環(huán):適當增加油環(huán)的切向彈力、增大活塞環(huán)與氣缸壁面的接觸面積、優(yōu)化活塞回油孔的布置位置等。
曲軸箱通風(fēng):曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化能提高油氣分離效率。設(shè)置二次分離機構(gòu),增強分離能力,使沉淀干凈機油重新流入曲軸箱底部,使油氣分離更徹底,從而降低了機油消耗率。如圖3 所示。
圖3 曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化
相比半合成機油或礦物機油,全合成機油穩(wěn)定性更好,在高溫下減少了機油的蒸發(fā)量,控制了氣缸壁面油膜蒸發(fā),有利于減少灰分顆粒物排放。
機油溫度對機油消耗有較大影響,通過試驗測得,柴油機的水溫控制在95 ℃以內(nèi)對機油消耗影響較小。所以,各終端機械在匹配時必須嚴格控制發(fā)動機的最高水溫。
通過以上措施使柴油機的機油消耗率由原來的0.7 g/(kW·h)降低到0.4 g/(kW·h),從而降低了顆粒物的排放量。
通過對噴油器壓力進行設(shè)置,對比排放測試結(jié)果可知,噴油壓力設(shè)置在11.5~12.5 MPa,可獲得比較理想的動力特性曲線,經(jīng)濟性好,可靠性高。
進氣量的大小決定了活塞到達上止點時最終氣體壓縮量的大小,從而影響氣體壓縮壓力的大小。進氣量偏差宜控制在0.5%以內(nèi)。優(yōu)化措施如下:
1)優(yōu)化氣道設(shè)計,尤其是進氣道設(shè)計。試驗表明,經(jīng)改進的氣道提高了流量系數(shù),增大了進氣量,提高了發(fā)動機的功率,降低了燃油消耗率。
2)將氣門間隙的偏差控制在0.05 mm 以內(nèi)。
3)將配氣相位的制造總偏差控制在2°CA 以內(nèi)。
4)控制氣門的泄漏量。
經(jīng)過對發(fā)動機整機的優(yōu)化和對VE 泵的優(yōu)化設(shè)計,發(fā)動機排放完全滿足非道路柴油機國三排放標準要求,為即將實行的非道路柴油機國四排放標準奠定了基礎(chǔ),拓寬了電控VE 泵在小排量多缸柴油機上的應(yīng)用,經(jīng)濟性好,可靠性高,降低了產(chǎn)品的制造成本,市場前景良好。
經(jīng)過對電控VE 泵進行優(yōu)化、對柴油機設(shè)計進行改進以及對噴油器壓力進行調(diào)整,使小排量多缸柴油機的排放得到了控制,解決了非道路小排量多缸柴油機燃油噴射系統(tǒng)的難題,為小排量非道路柴油機國四排放標準的實行奠定了基礎(chǔ)。該優(yōu)化方案拓寬了電控VE 泵的應(yīng)用范圍,市場前景良好。