國Ⅳ之后柴油機三種燃油噴射系統(tǒng)對比及其技術發(fā)展趨勢

　　2011年12月29日，國家環(huán)保部"關于實施國家第四階段車用壓燃式發(fā)動機與汽車污染物排放標準的公告"正式出臺。公告要求：自2013年7月1日起，所有生產、進口、銷售和注冊登記的車用壓燃式發(fā)動機與汽車必須符合國Ⅳ標準。

　　隨著國Ⅳ排放標準全面實施日期的臨近，從目前國內主要商用車企業(yè)已申報和正在申報的國Ⅳ汽車與發(fā)動機產品公告、以及"十二五"國Ⅳ、國Ⅴ柴油發(fā)動機開發(fā)計劃來看，其燃油噴射系統(tǒng)主要采用電控高壓共軌，少數(shù)產品采用電控單體泵和泵噴嘴。下面分別就這三種噴射系統(tǒng)的優(yōu)缺點及其技術發(fā)展趨勢作一對比介紹。

　　1.電控泵噴嘴系統(tǒng)

　　電控泵噴嘴系統(tǒng)是將油泵和油嘴做成一體直接安裝于氣缸蓋上，由頂置凸輪軸驅動。頂置凸輪軸必須具有極高的硬度和剛度以承受噴油器產生的高壓，同時，凸輪軸的驅動系統(tǒng)也需專門設計。其最大優(yōu)點是能夠減輕或者消除在柴油流動和噴射過程中高壓油管內壓力波的影響。因為這個壓力波會妨礙噴油系統(tǒng)與負荷轉速的良好匹配，并隨著高壓管的增長而增大。此系統(tǒng)結構緊湊、噴射壓力高，低速和小負荷時燃油噴射穩(wěn)定性好，具有較好的控制靈活性，低速時發(fā)動機綜合性能顯著改善。

　　電控泵噴嘴系統(tǒng)主要設計原理是通過氣缸蓋頂端的頂置凸輪軸直接驅動燃油形成高壓，如圖1所示為該系統(tǒng)布置示意圖。由于沒有了額外的高壓燃油管路，故消除了管路壓力損失并避免了管路泄漏的可能。同時因為燃油增壓與噴射裝置的一體化，故可以在短時間內高效高壓完成燃油噴射并對其噴油量、壓力、正時進行靈活控制。該系統(tǒng)的噴油壓力一般都超過共軌系統(tǒng)和單體泵系統(tǒng)所能夠達到的水平。

　　圖1：電控泵噴嘴系統(tǒng)布置示意圖

　　由于該系統(tǒng)發(fā)動機缸蓋頂置凸輪軸的結構特點，加大了缸蓋剛度、強度的設計要求。按國外產品經驗，采用該系統(tǒng)的發(fā)動機，氣缸內能夠承受的最大爆發(fā)壓力一般需要達到20Mpa。該系統(tǒng)的最大優(yōu)勢是可以形成更高的噴射壓力，從而使得發(fā)動機具備國Ⅳ、國Ⅴ排放升級的潛力。因為對發(fā)動機缸蓋的設計難度增大，從近期國內主要商用車企業(yè)已申報和正在申報的國Ⅳ發(fā)動機產品公告來看，到目前為止國內還沒有此種系統(tǒng)的實際應用。

　　2.電控單體泵系統(tǒng)

　　單體式噴油泵簡稱單體泵。將整體式噴油泵化整為零安裝在發(fā)動機每個氣缸上，燃油噴射由各自的獨立噴射單元來完成。噴油泵與噴油嘴之間用一根很短的高壓油管相連。電控單體泵系統(tǒng)是在泵噴嘴系統(tǒng)的基礎上衍生出來的，除了壓力比泵噴嘴稍低一點外，其他功能基本和泵噴嘴相近。

　　單體泵系統(tǒng)主要由柱塞、柱塞套筒、回位彈簧、彈簧座、出油閥、出油閥座、出油閥彈簧、出油閥壓緊螺帽等零件組成。

　　作為在國內外都有著成熟應用的電控單體泵技術，其系統(tǒng)基本布置是：將油泵柱塞驅動與發(fā)動機配氣機構所需凸輪軸整合為一體，包含在機體內部，從而實現(xiàn)油泵到噴油器的燃油管路最短化。發(fā)動機工作時則通過發(fā)動機周邊安裝眾多的傳感器以檢測發(fā)動機狀態(tài)，作為控制油泵電磁閥開啟時間的輸入信息，對燃油噴射量、噴射正時實行電子控制。其主要工作原理是通過電子系統(tǒng)對噴入氣缸的噴油量、噴油正時進行精確、柔性的控制，以及通過油泵結構設計的優(yōu)化進而實現(xiàn)對噴油氣缸噴油壓力的提高，從而改善發(fā)動機的燃燒工作過程，最終在有效降低發(fā)動機的排放水平以滿足法規(guī)要求的同時，還能夠較大改善發(fā)動機的燃油經濟性、噪聲特性。

圖2：電控單體泵系統(tǒng)布置示意圖

　　圖2所示為電控單體泵系統(tǒng)布置示意圖，該系統(tǒng)已在歐美成功使用了十多年，被公認為性能優(yōu)越、穩(wěn)定可靠的電控燃油噴射系統(tǒng)之一。此系統(tǒng)主要包括一個帶有出油控制閥的高壓油泵、機械噴油器，以及連接所需的燃油管路、濾清系統(tǒng)。其技術的主要特征是在發(fā)動機機體上集成噴油泵的功能，并通過在油泵上加裝電磁閥控制其出油時間、油量，從而達到燃油噴射優(yōu)化的目的。其油泵與發(fā)動機配氣機構共用一根凸輪軸，從而在結構上使其最大程度得到簡化，并縮短了油泵出油口到噴油器的管路距離。由于在油泵的出油口加裝了精確燃油計量、時間控制的電磁閥，因而能夠對噴油正時和噴油量進行較為精確的控制，有利于燃燒過程的優(yōu)化。

　　該系統(tǒng)油泵提升壓力原理與直列泵類似，所以其噴油規(guī)律為"三角形"的前緩后急的特征，一定程度上有利于燃燒過程的優(yōu)化，最高壓力可達到1800～2000bar。但由于油泵壓力和發(fā)動機轉速成正比，低轉速區(qū)域壓力較低，因而不利于柴油機低速時燃燒性能的提高。在國Ⅲ排放要求階段，噴油器的噴油開啟方式仍是依靠彈簧壓力控制。進入國Ⅳ階段，需將機械式噴油器改成電控噴油器，形成雙電磁閥單體泵系統(tǒng)，燃油噴射壓力相應提高到2500bar，并采用系統(tǒng)一致性控制，來優(yōu)化整個噴射過程，并且可以實現(xiàn)多次噴射。如此在對發(fā)動機整體結構不做大的調整下，可以達到國Ⅳ排放水平，并具有升級到國Ⅴ排放的潛力。

　　目前，國內商用車企業(yè)配套使用的電控單體泵系統(tǒng)來源主要有：德爾福單體泵、衡陽單體泵和威特單體泵等。在國內產品的應用中，考慮到重新設計發(fā)動機機體需要對現(xiàn)有發(fā)動機的鑄造、加工生產線有較大地變動，為控制成本，國Ⅲ階段一般都采用外掛式單體泵，但這種設計，對噪聲、振動會有一定的負面影響。國Ⅳ階段則與歐美產品接軌，普遍采用半內置式單體泵系統(tǒng)。

　　3.電控共軌系統(tǒng)

　　3.1結構和特點

　　目前國內商用車企業(yè)的大多數(shù)中重型國Ⅲ、國Ⅳ柴油機都采用了電控高壓共軌技術。該系統(tǒng)的基本結構是：增設用來存儲高壓燃油的共軌管，由ＥＣＵ根據(jù)實際使用工況條件對燃油噴射過程實行精確控制，通過控制噴油器電磁閥開啟時刻、持續(xù)時間從而控制噴射提前角、燃油噴射量，通過控制高壓油泵電磁閥開啟持續(xù)時間從而控制共軌油管內的燃油壓力。其目的是在一定的發(fā)動機進氣條件下，通過對噴入氣缸的噴油量、噴油壓力、噴油正時、噴油次數(shù)等進行精確控制從而改善發(fā)動機的燃燒工作過程，在有效降低發(fā)動機的排放水平的同時，還能夠改善發(fā)動機的經濟性、燃燒噪聲等。圖3所示為電控高壓共軌系統(tǒng)基本布置示意圖，該系統(tǒng)已經在歐、美、日成功使用了多年，并被公認為是性能最優(yōu)越、可靠性最高的電控燃油噴射系統(tǒng)。

　　圖3：電控高壓共軌系統(tǒng)基本布置示意圖

　　該系統(tǒng)的幾大基本特點是：

　?。?）噴射壓力高，噴油壓力比一般直列泵高出一倍，目前最高可達180Mpa；

　　（2）噴油壓力獨立于發(fā)動機轉速，可以改善發(fā)動機低速、大負荷的性能；

　　（3）可以實現(xiàn)多次噴射，調節(jié)噴油率形狀，實現(xiàn)理想噴油規(guī)律；

　　（4）噴油正時和噴油量可以自由選定；

　?。?）驅動扭矩小，噪聲小、振動低；

　?。?）結構簡單、適用性強；

　　（7）可以通過電控系統(tǒng)進行各缸工作均勻性校正；等等。

　　根據(jù)國內外產品開發(fā)的實際經驗，共軌系統(tǒng)無需經過特殊升級改進即可滿足國Ⅳ和國Ⅴ排放發(fā)動機對燃油系統(tǒng)的要求。與單體泵和泵噴嘴系統(tǒng)相比，高壓共軌系統(tǒng)能夠把壓力產生與實際燃油噴射過程分離，特殊設計的電控噴油器可實現(xiàn)靈活的多次噴射，主要控制參數(shù)可在不同轉速和負荷條件下任意調節(jié)，使發(fā)動機能夠在不同工況下均得到較好的性能指標，且其在發(fā)動機上的安裝較為容易。除此之外，高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)還能提供更廣闊的擴展功能和在燃燒過程組織設計上的更多的自由度，它可以使柴油機以更低的排放、更好的燃油經濟性和噪聲性能下運行。

　　3.2國內外研究現(xiàn)狀

　　共軌技術一經問世，就得到了世界上大多數(shù)柴油機生產廠商的青睞，被認為是20世紀內燃機技術的三大突破之一。

　　國外經過多年的發(fā)展，已經形成了比較成熟的產品，如Fiat集團的Unijet系統(tǒng)、電裝公司的ECDU2系統(tǒng)和博世公司的CR系統(tǒng)等。其中，博世公司用壓電石英作為執(zhí)行器代替高速電磁閥，噴射壓力已經高達180MPa，針閥運動速度達到1.3m/s，預噴射油量可控制在1mm3之內。在控制策略上，以經典控制理論和現(xiàn)代控制理論為基礎的開環(huán)控制和閉環(huán)控制在電控高壓共軌系統(tǒng)中得到了廣泛應用。

　　國內對電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的研究起步較晚，目前正處于研制階段。其中天津大學研制的FIRCRI高壓共軌系統(tǒng)正處于硬件在環(huán)仿真和實機測試階段；上海交通大學開發(fā)的GD-1型高壓共軌系統(tǒng)處于匹配玉柴6110柴油機的準備階段；北京理工大學、華中理工大學等也正在開發(fā)自己的高壓共軌系統(tǒng)。無錫威孚集團與博世公司已經聯(lián)合組建了無錫博世汽車柴油機系統(tǒng)股份有限公司，開始了高壓共軌系統(tǒng)的生產。在控制策略上，目前國內主要采用經典PID控制方法，這種方法原理簡單，易于實現(xiàn)，穩(wěn)定性好，但存在需要在不同工況下反復調節(jié)和不能在線調節(jié)等缺點。

　　4.電控燃油噴射系統(tǒng)的技術發(fā)展趨勢

　　4.1噴油壓力高壓化

　　高壓噴油的基本目的是改善霧化質量,是滿足不同階段排放法規(guī)要求的有效技術之一。目前,泵噴嘴系統(tǒng)噴油壓力可達200MPa以上,美國威斯康辛大學開發(fā)的電控泵噴嘴系統(tǒng)(UHIP－S)最高噴油壓力已達260MPa。BOSCH公司第1代共軌系統(tǒng)的噴油壓力只有135MPa，第2代達到160MPa,第3代已經達到180MPa,第4代將增大到220MPa。新型電控噴油系統(tǒng)的最高噴油壓力已超過150MPa,超高壓電控噴油系統(tǒng)的最大噴射壓力可達300MPa。

　　高噴油壓力對噴油系統(tǒng)的可靠性提出更高要求,而先進的噴油系統(tǒng)可使噴油壓力達到250MPa以上。泵噴嘴系統(tǒng)在噴油壓力方面有比較明顯的優(yōu)勢,而電控共軌燃油系統(tǒng)在柔性控制性方面優(yōu)點突出。因此,將高噴油壓力和柔性控制集于一身的具有高壓和高靈活性的噴油系統(tǒng)則代表了未來柴油機電控噴油系統(tǒng)的發(fā)展方向。

　　4.2采用壓電晶體噴油器

　　壓電晶體噴油器將成為新型高壓共軌噴射系統(tǒng)的新寵。西門子VCO的壓電晶體噴油器主要由帶彈簧的多孔油嘴、控制活塞、進出油節(jié)流孔、二位二通閥和壓電晶體部件組成。壓電晶體部件采用的多層壓電晶體執(zhí)行器由20～200?m陶瓷層燒結而成。與電磁閥相比,壓電晶體噴油器具有以下特點:一是響應速度更快,由于壓電晶體閥芯的變形速度在0.1ms以內即可完成一次噴油針閥的開啟動作,所以對于同樣的噴油量,只需要更短的噴油持續(xù)時間；二是重復精度高,由于壓電晶體塊在噴油器內,整個噴油控制鏈上的累積公差進一步降低,能更精確地計量噴油量；三是采用多孔噴油器(6孔以上,孔徑為0.11～0.13mm),最小噴油量可控制在0.5mm3,具有很高的燃油噴射壓力(20～200MPa調節(jié))；四是新穎的調節(jié)功能有助于高精度、多級噴射和改善排放性能；五是具有集成化、低能耗、壽命長與工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。

　　4.3電控泵噴嘴系統(tǒng)由機械驅動向蓄壓方向發(fā)展

　　首先,將電控和液壓技術相結合,響應快,能按時間控制噴油過程和噴油壓力；其次,工作過程與柴油機轉速無關,可在寬廣的工況范圍內保持較高噴油壓力,噴油壓力可達150MPa以上；其三,可優(yōu)化控制噴油規(guī)律,改善柴油機的排放性能；其四,能滿足17～2910kW柴油機的匹配需要。

　　4.4采用具有高度柔性調節(jié)能力的高壓噴油系統(tǒng)

　　BOSCH公司的增壓活塞共軌系統(tǒng)(APCRS系統(tǒng))、卡特皮勒公司的HEUI-CRD和Delphi公司的E3-EUI是3種典型的未來先進柔性高壓噴油系統(tǒng)的代表。其共同特點:一是在結構上每缸都采用了兩個控制電磁閥,一個控制噴油壓力(PCV閥),另一個控制噴油時刻和噴油量(SCV閥),通過兩個控制電磁閥的配合可以實現(xiàn)噴射速率的柔性調節(jié)；二是最大噴油壓力都超過200MPa,且都有達到240MPa的潛力；三是噴油壓力控制的瞬態(tài)響應快,避免了傳統(tǒng)共軌系統(tǒng)在變工況時因油軌壓力滯后而產生的油量控制誤差和轉速的瞬時波動；四是都具有進行多次噴射的能力。

　　4.5共軌系統(tǒng)的其它發(fā)展趨勢

　　電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的應用使柴油機的排放、噪聲及燃燒性能都得到了很大改善，遠遠超過了傳統(tǒng)內燃機，大大增強了柴油機的競爭力。隨著電子技術、材料技術以及控制理論等的不斷發(fā)展，該技術還具有很大的發(fā)展?jié)摿?，除上面的發(fā)展趨勢外，進一步的研究主要體現(xiàn)在以下趨勢：

　?。?）設計開發(fā)新的執(zhí)行器，以及通過對高壓油泵、噴嘴材料和加工過程的改進進一步提高燃油噴射壓力及其精確性，使燃燒更為充分。

　　（2）通過最優(yōu)控制、自適應控制、預測控制等控制理論的研究，將模糊控制、人工神經網絡、基于非線性的滑?？刂?、基于辨識模型的自適應控制等運用到電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)中，改進其控制策略。

　　（3）研究新的噴油規(guī)律。隨著柴油車數(shù)量增加，柴油機尾氣已經成為大氣的主要污染源之一。因此，世界各國都在積極探索新方法和采取有效的技術措施主動減少和控制污染物的排放，歐洲早在1999年就已經制訂出嚴格的歐VI排放法規(guī)，并預定在2013年開始實施。因此，必須不斷研究滿足新的排放標準的噴油規(guī)律，進一步降低柴油機的排放。

　?。?）燃油噴射系統(tǒng)的數(shù)值模擬技術。通過仿真軟件建立電控高壓共軌燃油系統(tǒng)的數(shù)值模型，分析燃油的噴射過程及系統(tǒng)參數(shù)對燃油噴射特性的影響，為燃油系統(tǒng)的優(yōu)化設計、故障分析提供理論依據(jù)，降低產品開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期。

　　（5）傳感器技術。隨著噴射壓力的不斷提高，要求有更高精度和響應速度的新型智能傳感器。

　?。?）解決高壓共軌系統(tǒng)的恒高壓密封問題。高壓共軌系統(tǒng)的密封性能影響燃油噴射壓力的提高和柴油機性能。傳統(tǒng)燃油系統(tǒng)和電控泵只在20～30℃A內高壓供油，油泵驅動扭矩的峰值很高，但泄漏時間很短，而高壓共軌燃油系統(tǒng)在一個循環(huán)內都高壓供油，噴油器中的針閥偶件和控制活塞偶件長期處于恒定高壓中，泄漏量大幅增加，因此，必須進一步解決零部件的恒高壓密封問題。

　　（7）解決共軌壓力的微小波動造成的噴油量不均勻問題。高壓共軌系統(tǒng)的動態(tài)壓力穩(wěn)定性直接影響系統(tǒng)理想噴油規(guī)律的實現(xiàn)，因此，對高壓共軌系統(tǒng)壓力波動性的研究已經成為當前的熱點之一。

　　（8）解決高壓共軌系統(tǒng)的多MAP優(yōu)化問題。電控燃油系統(tǒng)中，ECU根據(jù)其內部存儲的MAP控制噴射過程。普通的電控泵ECU中只有噴油量MAP和噴油定時MAP，而高壓共軌燃油系統(tǒng)除這兩者外，還有噴油壓力MAP和預噴射MAP等，控制數(shù)據(jù)較多，要根據(jù)排放和燃油耗進行優(yōu)化，工作量很大。因此需要研究統(tǒng)計學方法、神經網絡模型映射MAP數(shù)據(jù)、自學習優(yōu)化方法等很多關鍵技術，以解決多MAP優(yōu)化問題。

　　目前我國對高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的研究與開發(fā)尚處于起步階段，發(fā)動機燃油噴射系統(tǒng)由機械式噴射系統(tǒng)向電控式噴射系統(tǒng)過渡還主要依靠國外技術來實現(xiàn)。為盡快提高我國的自主開發(fā)和核心競爭力，應不遺余力地在電控噴油器、液力控制閥、噴油嘴偶件和高速執(zhí)行器、ECU軟硬件等關鍵技術，以及控制策略和功能、匹配標定技術、產品可靠性和安全、制造成本等方面開展研究。