為了控制柴油機(jī)的排放，在已經(jīng)強(qiáng)制實(shí)施的國Ⅲ排放法規(guī)下，實(shí)現(xiàn)汽車柴油機(jī)電控的方案是明確的最優(yōu)解決措施和發(fā)展方向，即要求柴油機(jī)用電噴系統(tǒng)全面取代現(xiàn)有的機(jī)械式噴油系統(tǒng)。由于柴油機(jī)具有大扭矩、低油耗的特點(diǎn)，及隨著現(xiàn)代柴油機(jī)技術(shù)的日益發(fā)展，使發(fā)動(dòng)機(jī)的柴油化已成為節(jié)能減排措施之一。柴油機(jī)電噴技術(shù)屬于汽車核心零部件技術(shù)，直接決定了車用柴油機(jī)的排放和綜合性能水平。在實(shí)現(xiàn)國家“節(jié)能減排”的長期目標(biāo)中，柴油機(jī)電噴技術(shù)已成為擺在國內(nèi)各大汽車發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)面前必須要攻克的首要問題。
目前，國內(nèi)車用柴油機(jī)針對(duì)國III排放標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施的燃油系統(tǒng)技術(shù)路線主要有四種：電控泵噴嘴(EUI)、高壓共軌(Common Rail)、電控單體泵(EUP)和電控直列泵(EIL)+EGR。在這四種技術(shù)路線中，德爾福在中國市場針對(duì)中輕型車推廣共軌技術(shù)，針對(duì)重型車提供泵噴嘴和單體泵技術(shù)；博世在中國市場主推高壓共軌系統(tǒng)；電裝目前正在研發(fā)第3代、第4代共軌系統(tǒng)和為中國市場的共軌系統(tǒng)作適應(yīng)性二次開發(fā)；而自主國產(chǎn)的亞新科南岳、成都威特等則提出了電控單體泵的低成本解決方案。無疑，現(xiàn)在國內(nèi)外柴油機(jī)燃油系統(tǒng)的技術(shù)路線之爭都已經(jīng)到了白日化階段，而對(duì)于哪種技術(shù)方案最適合目前和將來中國柴油車發(fā)展的燃油系統(tǒng)技術(shù)市場，急待于業(yè)內(nèi)人士的深思和考量。
電控泵噴嘴技術(shù)
早在1905年柴油機(jī)的創(chuàng)始人Rudolf Diesel 先生就提出了泵噴油器概念，設(shè)想將噴油泵和噴嘴合成一體，省去高壓油管并獲得高噴射壓力。20世紀(jì)50年代，間歇控制泵噴射系統(tǒng)的柴油機(jī)就已應(yīng)用在輪船及卡車上。之后，大眾和博世公司合作研制出適用于乘用車的電磁閥控制泵噴射系統(tǒng)，匹配直噴式柴油機(jī)的轎車在歐洲得到了顯著發(fā)展。該發(fā)動(dòng)機(jī)具有高效和出色的燃油經(jīng)濟(jì)性，并降低了發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲。
在泵噴嘴系統(tǒng)中，電控的油泵和噴油嘴之間沒有管路連接，做成一體直接安裝在氣缸蓋上，這樣不占用更多的空間。每一個(gè)油泵都由頂置凸輪軸同時(shí)驅(qū)動(dòng)氣門和泵噴嘴，頂置凸輪軸必須具有極高的硬度和剛度以承受噴油器產(chǎn)生的高壓。同時(shí)，凸輪軸的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)也需要專門設(shè)計(jì)。電控泵噴嘴系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，噴油嘴孔徑非常小，所以燃油噴射壓力非常高，形成優(yōu)良的混合氣，確保燃油霧化良好，燃燒效率很高，同時(shí)還可以精確控制噴油始點(diǎn)和噴油量，從而提高柴油機(jī)的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性，降低排放和改善NVH特性。目前，采用該項(xiàng)技術(shù)的車用柴油機(jī)可滿足歐Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)，峰值壓力可達(dá)到2000bar。
泵噴嘴系統(tǒng)應(yīng)用于直噴式柴油機(jī)，國內(nèi)生產(chǎn)的1.9TDI寶來發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用該燃油噴射系統(tǒng)，最高噴射壓力達(dá)到1800bar。但泵噴嘴直噴系統(tǒng)缺點(diǎn)在于燃油噴射壓力不能保持恒定。圖1為博世最新的泵噴嘴系統(tǒng)，圖2為商用車泵噴嘴系統(tǒng)的示意圖。
高壓共軌技術(shù)
“CRDI”是英文Common Rail Direct Injection的縮寫，意為高壓共軌柴油直噴系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由高壓油泵、噴油管、高壓蓄壓器(共軌)、噴油器、電控單元、傳感器及執(zhí)行器組成。在高壓油泵、壓力傳感器和ECU組成的閉環(huán)系統(tǒng)中，噴射壓力的產(chǎn)生和噴射過程彼此完全分開，由高壓油泵把高壓燃油輸送到公共供油管，通過控制高壓油泵電磁閥開啟持續(xù)時(shí)間從而對(duì)公共供油管內(nèi)的燃油壓力實(shí)現(xiàn)精確控制；通過控制噴油器電磁閥開啟時(shí)刻、持續(xù)時(shí)間從而控制噴射提前角、燃油噴射量。高壓油管壓力大小與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速無關(guān)，可以大幅度減小柴油機(jī)供油壓力隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，從而改善發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒工作過程，在有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)排放水平的同時(shí)，還能夠改善發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性和降低燃燒噪聲。圖3所示為電控高壓共軌系統(tǒng)組成示意圖，圖4為電控高壓共軌系統(tǒng)工作原理示意圖。該系統(tǒng)的基本特點(diǎn)是：
(1) 相對(duì)于一般機(jī)械式直列泵噴射壓力相對(duì)較高，目前國內(nèi)最高噴射壓力可以達(dá)到1800bar；
(2) 噴油壓力獨(dú)立于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，可以改善發(fā)動(dòng)機(jī)低速、大負(fù)荷時(shí)的性能；
(3) 可以實(shí)現(xiàn)5次噴射，調(diào)節(jié)噴油率形狀，實(shí)現(xiàn)理想噴油規(guī)律；
(4) 噴油正時(shí)和噴油量可以由ECU控制自由設(shè)定；
(5) 驅(qū)動(dòng)扭矩小及其NVH指標(biāo)較好；
(6) 可以通過電控系統(tǒng)進(jìn)行各缸工作均勻性校正；
(7) 噴油壓力調(diào)節(jié)范圍寬泛，能適應(yīng)各種工況，且起動(dòng)性能好。
共軌系統(tǒng)缺點(diǎn)在于：
(1) 關(guān)鍵燃油噴射技術(shù)為國外少數(shù)幾家公司所壟斷；
(2) 油品適應(yīng)性差；
(3) 共軌系統(tǒng)現(xiàn)今并未得到市場的可靠性認(rèn)可；
(4) 用戶維修保養(yǎng)成本高，共軌發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)的故障必須依靠專業(yè)故障診斷儀器進(jìn)行檢測和維修，對(duì)于長途運(yùn)輸不利。
目前，主要國際汽車配件供應(yīng)商都在進(jìn)行柴油共軌噴射系統(tǒng)的開發(fā)，如：博世、德爾福、西門子、電裝公司、VDO和瑪格納-馬瑞利公司，它們是全球主要的共軌噴射系統(tǒng)供應(yīng)商，而目前在國內(nèi)生產(chǎn)共軌柴油噴射系統(tǒng)的還只有博世一家。圖5為博世公司柴油機(jī)電控共軌系統(tǒng)仿真圖。
電控單體泵技術(shù)
單體泵指一個(gè)氣缸一個(gè)油泵，這里的油泵指的是高壓油泵，或稱為噴油泵。在國內(nèi)外都已成熟應(yīng)用的電控單體泵技術(shù)，主要包括一個(gè)帶有出油控制閥的高壓油泵、機(jī)械噴油器，以及連接所需的燃油管路、濾清系統(tǒng)。其基本結(jié)構(gòu)為：將油泵柱塞驅(qū)動(dòng)與發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)所需凸輪軸整合為一體，從而實(shí)現(xiàn)油泵到噴油器的燃油管路最短化。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)則通過發(fā)動(dòng)機(jī)周圍安裝眾多的傳感器以偵測發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)，對(duì)噴入氣缸的噴油量、噴油正時(shí)進(jìn)行精確、柔性的控制。通過電子系統(tǒng)和油泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)噴油氣缸噴油壓力的提高，從而改善發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒工作過程，在有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)排放水平的同時(shí)，改善發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性和噪聲特性。圖6為單體泵系統(tǒng)構(gòu)成示意圖。
電控單體泵技術(shù)的主要技術(shù)特征是其油泵與配氣機(jī)構(gòu)共用一根凸輪軸，使結(jié)構(gòu)得到最大程度的簡化，并縮短了油泵出油口到噴油器的管路距離。由于在油泵出油口加裝的能夠精確進(jìn)行燃油計(jì)算、時(shí)間控制的電磁閥，因而能夠?qū)娪驼龝r(shí)和噴油量進(jìn)行較為精確的控制，有利于燃燒過程的優(yōu)化。由于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(dá)到1800~2000bar。但由于油泵壓力和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，低轉(zhuǎn)速區(qū)域壓力較低，因而不利于柴油機(jī)低速時(shí)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(jìn)入國Ⅳ階段，需將機(jī)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(yīng)提高到2500bar，并采用系統(tǒng)一致性控制，來優(yōu)化整個(gè)噴射過程，并且可以實(shí)現(xiàn)多次噴射。在對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)不做大的調(diào)整下，可以達(dá)到歐Ⅳ排放水平，并具有達(dá)到歐Ⅴ排放的潛力。
電控單體泵系統(tǒng)已在歐美成功使用了十多年，被公認(rèn)為性能優(yōu)越、穩(wěn)定可靠、適用壽命長的電控燃油噴射系統(tǒng)之一。在近幾年內(nèi)，歐洲和北美的重型車生產(chǎn)商仍將會(huì)采用電控單體泵系統(tǒng)。
在國內(nèi)產(chǎn)品的應(yīng)用中，考慮到重新設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體需要對(duì)現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)的鑄造、加工生產(chǎn)線有較大地變動(dòng)，為控制成本，一般都采用外掛式單體泵。但這種設(shè)計(jì)，對(duì)噪聲、振動(dòng)會(huì)有一定的影響。圖7為V6機(jī)型的外掛式單體泵系統(tǒng)。
總的來說，電控單體泵技術(shù)通過將機(jī)械噴油器改進(jìn)為電磁閥噴油器后，能夠?qū)崿F(xiàn)多次噴射，可以滿足國Ⅲ排放要求和未來國Ⅳ排放控制階段發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)燃油系統(tǒng)的升級(jí)要求。但對(duì)于歐洲更嚴(yán)格的歐Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)所采取的措施要求，目前電控單體泵相關(guān)系統(tǒng)的試驗(yàn)試制工作還在進(jìn)行。
電控直列泵+EGR技術(shù)
電控直列泵+EGR技術(shù)全稱為機(jī)械式電控直列泵燃油噴射系統(tǒng)和冷卻的電控EGR(廢氣再循環(huán))技術(shù)。該技術(shù)是由發(fā)動(dòng)機(jī)ECU(電控單元)進(jìn)行控制，通過進(jìn)氣溫度傳感器、進(jìn)氣壓力傳感器、水溫傳感器、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器、油門傳感器以及車輛制動(dòng)信號(hào)來感知發(fā)動(dòng)機(jī)的各種狀態(tài)，從而控制EGR控制閥的開度和廢氣再循環(huán)比率，引回部分廢氣與新鮮空氣共同進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)參與燃燒，既降低氣缸內(nèi)的燃燒溫度，又有效控制高溫富氧條件下NOx的生成，從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣中的NOx含量。
系統(tǒng)采用電控供油速率燃油噴射泵，通過ECU對(duì)預(yù)行程調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的控制，來實(shí)現(xiàn)對(duì)噴油量、噴油定時(shí)和噴射壓力的精確控制。該泵擁有預(yù)行程電控可調(diào)結(jié)構(gòu)，其供油預(yù)行程可在一定范圍內(nèi)由ECU全程電控調(diào)節(jié)，按柴油機(jī)不同工況的需要改變預(yù)行程。通過ECU對(duì)預(yù)行程的控制，可以得到精確的噴油定時(shí)和噴射壓力。同時(shí)配合油門位置傳感器，使油量控制更精確，從而保證柴油機(jī)可在整個(gè)工作范圍內(nèi)達(dá)到最優(yōu)化的經(jīng)濟(jì)性能和排放性能。該泵采用適用于歐Ⅲ排放要求的8孔低慣量噴油器，具有工作可靠、性能好、適應(yīng)性廣泛等特點(diǎn)，可以有效改善發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒性能。
電控直列泵+EGR系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)具有的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)優(yōu)勢(shì)如下：
(1) 開發(fā)周期短，技術(shù)開發(fā)和匹配成本低；
(2) 單機(jī)成本優(yōu)勢(shì)明顯；
(3) 油品適應(yīng)性好，維護(hù)和維修費(fèi)用低，用戶使用成本低；
(4) 燃油噴射系統(tǒng)與原國Ⅱ機(jī)械噴油泵結(jié)構(gòu)類似，維修保養(yǎng)方便；
(5) EGR系統(tǒng)設(shè)有控制閥和峰值單向閥，可控制不同負(fù)荷時(shí)的EGR率。
目前，國內(nèi)只有中國重汽宣稱擁有權(quán)威部門認(rèn)可的電控直列泵+EGR技術(shù)的國Ⅲ發(fā)動(dòng)機(jī)。而一汽研發(fā)的內(nèi)置式EGR國Ⅲ發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)通過臺(tái)架試驗(yàn)，并上報(bào)申請(qǐng)核準(zhǔn)。玉柴、上柴、錫柴和濰柴等企業(yè)也都在開發(fā)EGR發(fā)動(dòng)機(jī)。開發(fā)周期約為36個(gè)月。
對(duì)比與分析
目前，從國Ⅱ進(jìn)入國Ⅲ排放的技術(shù)升級(jí)上，國家政策導(dǎo)向的意圖在于幫助企業(yè)，讓企業(yè)如何在盡量減少開發(fā)投入成本的情況下向國Ⅲ進(jìn)行平滑升級(jí)。各家企業(yè)可以根據(jù)自身既有發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)，選擇其國Ⅲ產(chǎn)品的技術(shù)路線，選擇可以不相同，但達(dá)到的效果要相同。從國Ⅱ升級(jí)到國Ⅲ，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)來說，確實(shí)是個(gè)質(zhì)變。但這種質(zhì)變，是從機(jī)械式噴油系統(tǒng)向電控系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變，并不必然是向某個(gè)特定的燃油噴射系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變。就滿足國Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)而言，一般認(rèn)為要求是：需采用單缸4氣門技術(shù)，通過對(duì)燃燒室的優(yōu)化和尾氣處理等措施，使用機(jī)械泵也可以滿足歐Ⅲ排放法規(guī)。在上世紀(jì)末歐美重卡企業(yè)、發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)在從歐Ⅱ向歐Ⅲ過渡時(shí)，也是采取了多種技術(shù)路線，有走共軌技術(shù)路線的，也有采用泵噴嘴技術(shù)和單體泵技術(shù)的，也有用機(jī)械泵來實(shí)現(xiàn)國Ⅲ排放的。大量國內(nèi)外實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和理論研究都表明：電控泵噴嘴系統(tǒng)、電控高壓共軌系統(tǒng)、電控單體泵系統(tǒng)、電控直列泵系統(tǒng)等都有滿足目前國Ⅲ和將來國Ⅳ排放要求的能力。這四種系統(tǒng)因各自的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在技術(shù)上各有優(yōu)劣，沒有一種系統(tǒng)可以說是完美的，而是各有各的特點(diǎn)。就國內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)市場發(fā)展來說，并不是一定要求舍棄哪種技術(shù)路線，堅(jiān)決實(shí)行哪一種技術(shù)路線的問題，而是需要因地制宜，揚(yáng)長避短，要從成本、性能、匹配、售后服務(wù)等各方面綜合來分析，使之分別適用于不同種類、不同工況條件和不同使用特性要求的發(fā)動(dòng)機(jī)。中國幅員廣大，地區(qū)差異巨大，基礎(chǔ)條件發(fā)展不平衡，許多用戶素質(zhì)并不高，對(duì)新技術(shù)的接受能力很有限，這一系列客觀現(xiàn)實(shí)要求我們?cè)陂_發(fā)、應(yīng)用和推廣新技術(shù)時(shí)必須從中國的國情出發(fā)，認(rèn)真考慮、具體分析最后作出決策。表1列舉了目前這四種技術(shù)的主要特征比較和評(píng)判，僅供參考。
電控泵噴嘴系統(tǒng)和電控高壓共軌系統(tǒng)可以達(dá)到很高的燃油噴射壓力，發(fā)動(dòng)機(jī)ECU根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工況的要求，可以靈活控制燃油分配、燃油噴射時(shí)間、噴射壓力和噴射速率，使發(fā)動(dòng)機(jī)在低速工況下也能實(shí)現(xiàn)完全燃燒，獲得大扭矩的輸出，有著高效的燃油經(jīng)濟(jì)性和出色的排放性能，并且預(yù)噴射、多次噴射技術(shù)的應(yīng)用也大大降低了柴油發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲和振動(dòng)。通過對(duì)以上特性的控制，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的響應(yīng)性和駕駛舒適性已經(jīng)達(dá)到了汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的水平，同時(shí)它又具有著顯著的燃油經(jīng)濟(jì)性和低排放特性。作為對(duì)于噪聲、NVH特性要求相對(duì)較高、成本壓力承受較強(qiáng)的乘用車市場，如轎車、高端輕型客車等配套發(fā)動(dòng)機(jī)是非常適合的。
而對(duì)于我國廣大的輕型卡車、低端輕型客車和工程機(jī)械用柴油機(jī)市場，由于這檔車型價(jià)格定位較低，基本為生產(chǎn)工具型用途，當(dāng)采用電控泵噴嘴、電控共軌等系統(tǒng)來達(dá)到國Ⅲ排放法規(guī)時(shí)，對(duì)企業(yè)來說不但開發(fā)成本、生產(chǎn)成本難以接受，企業(yè)售后服務(wù)和維修環(huán)節(jié)的壓力也會(huì)很大；對(duì)用戶來說，對(duì)油品和使用環(huán)境的要求也會(huì)使其望而卻步。所以，綜合而言在國內(nèi)量大面廣的輕型車市場上，基于“電控直列泵+ EGR”技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)方案會(huì)比較合適。其優(yōu)點(diǎn)就在于技術(shù)開發(fā)和匹配成本低，單機(jī)成本低，油品適應(yīng)性好，維修保養(yǎng)方便。
對(duì)于中重型卡車和大型客車來說，采用電控單體泵或“電控直列泵+EGR系統(tǒng)”將會(huì)是較好選擇。其最大優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，對(duì)原型發(fā)動(dòng)機(jī)的改動(dòng)較小，性能可靠，故障率低，壽命長，維修方便。相對(duì)于共軌和泵噴嘴具有成本優(yōu)勢(shì)，并且兩者對(duì)油品要求都不高。比較適合于國內(nèi)城市間的大型物流和旅游市場需求。
表2是結(jié)合目前車用柴油機(jī)、噴油系統(tǒng)產(chǎn)品現(xiàn)狀、市場特點(diǎn)以及使用環(huán)境、售后服務(wù)條件等基礎(chǔ)狀況，分別提出的適合我國發(fā)展的各電控噴射系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的技術(shù)路線建議。
對(duì)以上4種技術(shù)方案的領(lǐng)域應(yīng)用分類比較適合我們國內(nèi)市場的發(fā)展特點(diǎn)，對(duì)國內(nèi)燃油噴射系統(tǒng)行業(yè)和國內(nèi)柴油機(jī)行業(yè)來說都具有很好的繼承性和現(xiàn)實(shí)意義，也有助于提高我國車用柴油機(jī)的市場競爭能力。
（轉(zhuǎn)載）
