為了控制柴油機的排放，在已經強制實施的國Ⅲ排放法規(guī)下，實現汽車柴油機電控的方案是明確的最優(yōu)解決措施和發(fā)展方向，即要求柴油機用電噴系統(tǒng)全面取代現有的機械式噴油系統(tǒng)。由于柴油機具有大扭矩、低油耗的特點，及隨著現代柴油機技術的日益發(fā)展，使發(fā)動機的柴油化已成為節(jié)能減排措施之一。柴油機電噴技術屬于汽車核心零部件技術，直接決定了車用柴油機的排放和綜合性能水平。在實現國家“節(jié)能減排”的長期目標中，柴油機電噴技術已成為擺在國內各大汽車發(fā)動機企業(yè)面前必須要攻克的首要問題。
目前，國內車用柴油機針對國III排放標準實施的燃油系統(tǒng)技術路線主要有四種：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。在這四種技術路線中，德爾福在中國市場針對中輕型車推廣共軌技術，針對重型車提供泵噴嘴和單體泵技術;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)作適應性二次開發(fā);而自主國產的亞新科南岳、成都威特等則提出了電控單體泵的低成本解決方案。無疑，現在國內外柴油機燃油系統(tǒng)的技術路線之爭都已經到了白日化階段，而對于哪種技術方案最適合目前和將來中國柴油車發(fā)展的燃油系統(tǒng)技術市場，急待于業(yè)內人士的深思和考量。
電控泵噴嘴技術
早在1905年柴油機的創(chuàng)始人Rudolf Diesel 先生就提出了泵噴油器概念，設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50年代，間歇控制泵噴射系統(tǒng)的柴油機就已應用在輪船及卡車上。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)，匹配直噴式柴油機的轎車在歐洲得到了顯著發(fā)展。該發(fā)動機具有高效和出色的燃油經濟性，并降低了發(fā)動機噪聲。
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。每一個油泵都由頂置凸輪軸同時驅動氣門和泵噴嘴，頂置凸輪軸必須具有極高的硬度和剛度以承受噴油器產生的高壓。同時，凸輪軸的驅動系統(tǒng)也需要專門設計。電控泵噴嘴系統(tǒng)的優(yōu)勢在于系統(tǒng)結構緊湊，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，同時還可以精確控制噴油始點和噴油量，從而提高柴油機的動力性、燃油經濟性，降低排放和改善NVH特性。目前，采用該項技術的車用柴油機可滿足歐Ⅳ排放標準，峰值壓力可達到2000bar。
泵噴嘴系統(tǒng)應用于直噴式柴油機，國內生產的1.9TDI寶來發(fā)動機應用該燃油噴射系統(tǒng)，最高噴射壓力達到1800bar。但泵噴嘴直噴系統(tǒng)缺點在于燃油噴射壓力不能保持恒定。
高壓共軌技術
“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)時間從而對公共供油管內的燃油壓力實現精確控制;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。高壓油管壓力大小與發(fā)動機的轉速無關，可以大幅度減小柴油機供油壓力隨發(fā)動機轉速的變化，從而改善發(fā)動機的燃燒工作過程，在有效降低發(fā)動機排放水平的同時，還能夠改善發(fā)動機的燃油經濟性和降低燃燒噪聲。該系統(tǒng)的基本特點是：
(1) 相對于一般機械式直列泵噴射壓力相對較高，目前國內最高噴射壓力可以達到1800bar;
(2) 噴油壓力獨立于發(fā)動機轉速，可以改善發(fā)動機低速、大負荷時的性能;
(3) 可以實現5次噴射，調節(jié)噴油率形狀，實現理想噴油規(guī)律;
(4) 噴油正時和噴油量可以由ECU控制自由設定;
(5) 驅動扭矩小及其NVH指標較好;
(6) 可以通過電控系統(tǒng)進行各缸工作均勻性校正;
(7) 噴油壓力調節(jié)范圍寬泛，能適應各種工況，且起動性能好。
共軌系統(tǒng)缺點在于：
(1) 關鍵燃油噴射技術為國外少數幾家公司所壟斷;
(2) 油品適應性差;
(3) 共軌系統(tǒng)現今并未得到市場的可靠性認可;
(4) 用戶維修保養(yǎng)成本高，共軌發(fā)動機電控系統(tǒng)的故障必須依靠專業(yè)故障診斷儀器進行檢測和維修，對于長途運輸不利。
目前，主要國際汽車配件供應商都在進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)供應商，而目前在國內生產共軌柴油噴射系統(tǒng)的還只有博世一家。
電控單體泵技術
單體泵指一個氣缸一個油泵，這里的油泵指的是高壓油泵，或稱為噴油泵。在國內外都已成熟應用的電控單體泵技術，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)。其基本結構為：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，從而實現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)動機周圍安裝眾多的傳感器以偵測發(fā)動機狀態(tài)，對噴入氣缸的噴油量、噴油正時進行精確、柔性的控制。通過電子系統(tǒng)和油泵結構設計的優(yōu)化進而實現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，在有效降低發(fā)動機排放水平的同時，改善發(fā)動機燃油經濟性和噪聲特性。
電控單體泵技術的主要技術特征是其油泵與配氣機構共用一根凸輪軸，使結構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行燃油計算、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。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，并且可以實現多次噴射。在對發(fā)動機整體結構不做大的調整下，可以達到歐Ⅳ排放水平，并具有達到歐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，歐洲和北美的重型車生產商仍將會采用電控單體泵系統(tǒng)。
在國內產品的應用中，考慮到重新設計發(fā)動機機體需要對現有發(fā)動機的鑄造、加工生產線有較大地變動，為控制成本，一般都采用外掛式單體泵。但這種設計，對噪聲、振動會有一定的影響。
總的來說，電控單體泵技術通過將機械噴油器改進為電磁閥噴油器后，能夠實現多次噴射，可以滿足國Ⅲ排放要求和未來國Ⅳ排放控制階段發(fā)動機對燃油系統(tǒng)的升級要求。但對于歐洲更嚴格的歐Ⅴ排放標準所采取的措施要求，目前電控單體泵相關系統(tǒng)的試驗試制工作還在進行。
電控直列泵+EGR技術
電控直列泵+EGR技術全稱為機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。該技術是由發(fā)動機ECU(電控單元)進行控制，通過進氣溫度傳感器、進氣壓力傳感器、水溫傳感器、發(fā)動機轉速傳感器、油門傳感器以及車輛制動信號來感知發(fā)動機的各種狀態(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入發(fā)動機氣缸內參與燃燒，既降低氣缸內的燃燒溫度，又有效控制高溫富氧條件下NOx的生成，從而降低發(fā)動機廢氣中的NOx含量。
系統(tǒng)采用電控供油速率燃油噴射泵，通過ECU對預行程調節(jié)機構的控制，來實現對噴油量、噴油定時和噴射壓力的精確控制。該泵擁有預行程電控可調結構，其供油預行程可在一定范圍內由ECU全程電控調節(jié)，按柴油機不同工況的需要改變預行程。通過ECU對預行程的控制，可以得到精確的噴油定時和噴射壓力。同時配合油門位置傳感器，使油量控制更精確，從而保證柴油機可在整個工作范圍內達到最優(yōu)化的經濟性能和排放性能。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、適應性廣泛等特點，可以有效改善發(fā)動機的燃燒性能。
電控直列泵+EGR系統(tǒng)發(fā)動機具有的經濟和技術優(yōu)勢如下：
(1) 開發(fā)周期短，技術開發(fā)和匹配成本低;
(2) 單機成本優(yōu)勢明顯;
(3) 油品適應性好，維護和維修費用低，用戶使用成本低;
(4) 燃油噴射系統(tǒng)與原國Ⅱ機械噴油泵結構類似，維修保養(yǎng)方便;
(5) EGR系統(tǒng)設有控制閥和峰值單向閥，可控制不同負荷時的EGR率。
目前，國內只有中國重汽宣稱擁有權威部門認可的電控直列泵+EGR技術的國Ⅲ發(fā)動機。而一汽研發(fā)的內置式EGR國Ⅲ發(fā)動機已經通過臺架試驗，并上報申請核準。玉柴、上柴、錫柴和濰柴等企業(yè)也都在開發(fā)EGR發(fā)動機。開發(fā)周期約為36個月。
對比與分析
目前，從國Ⅱ進入國Ⅲ排放的技術升級上，國家政策導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進行平滑升級。各家企業(yè)可以根據自身既有發(fā)動機的特點，選擇其國Ⅲ產品的技術路線，選擇可以不相同，但達到的效果要相同。從國Ⅱ升級到國Ⅲ，對發(fā)動機來說，確實是個質變。但這種質變，是從機械式噴油系統(tǒng)向電控系統(tǒng)的轉變，并不必然是向某個特定的燃油噴射系統(tǒng)的轉變。就滿足國Ⅲ標準而言，一般認為要求是：需采用單缸4氣門技術，通過對燃燒室的優(yōu)化和尾氣處理等措施，使用機械泵也可以滿足歐Ⅲ排放法規(guī)。在上世紀末歐美重卡企業(yè)、發(fā)動機企業(yè)在從歐Ⅱ向歐Ⅲ過渡時，也是采取了多種技術路線，有走共軌技術路線的，也有采用泵噴嘴技術和單體泵技術的，也有用機械泵來實現國Ⅲ排放的。大量國內外實踐經驗和理論研究都表明：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)因各自的結構特點在技術上各有優(yōu)劣，沒有一種系統(tǒng)可以說是完美的，而是各有各的特點。就國內發(fā)動機市場發(fā)展來說，并不是一定要求舍棄哪種技術路線，堅決實行哪一種技術路線的問題，而是需要因地制宜，揚長避短，要從成本、性能、匹配、售后服務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)動機。中國幅員廣大，地區(qū)差異巨大，基礎條件發(fā)展不平衡，許多用戶素質并不高，對新技術的接受能力很有限，這一系列客觀現實要求我們在開發(fā)、應用和推廣新技術時必須從中國的國情出發(fā)，認真考慮、具體分析最后作出決策。
電控泵噴嘴系統(tǒng)和電控高壓共軌系統(tǒng)可以達到很高的燃油噴射壓力，發(fā)動機ECU根據發(fā)動機工況的要求，可以靈活控制燃油分配、燃油噴射時間、噴射壓力和噴射速率，使發(fā)動機在低速工況下也能實現完全燃燒，獲得大扭矩的輸出，有著高效的燃油經濟性和出色的排放性能，并且預噴射、多次噴射技術的應用也大大降低了柴油發(fā)動機噪聲和振動。通過對以上特性的控制，柴油發(fā)動機的響應性和駕駛舒適性已經達到了汽油發(fā)動機的水平，同時它又具有著顯著的燃油經濟性和低排放特性。作為對于噪聲、NVH特性要求相對較高、成本壓力承受較強的乘用車市場，如轎車、高端輕型客車等配套發(fā)動機是非常適合的。
而對于我國廣大的輕型卡車、低端輕型客車和工程機械用柴油機市場，由于這檔車型價格定位較低，基本為生產工具型用途，當采用電控泵噴嘴、電控共軌等系統(tǒng)來達到國Ⅲ排放法規(guī)時，對企業(yè)來說不但開發(fā)成本、生產成本難以接受，企業(yè)售后服務和維修環(huán)節(jié)的壓力也會很大;對用戶來說，對油品和使用環(huán)境的要求也會使其望而卻步。所以，綜合而言在國內量大面廣的輕型車市場上，基于“電控直列泵+ EGR”技術的發(fā)動機方案會比較合適。其優(yōu)點就在于技術開發(fā)和匹配成本低，單機成本低，油品適應性好，維修保養(yǎng)方便。
對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)”將會是較好選擇。其最大優(yōu)點在于結構相對簡單，對原型發(fā)動機的改動較小，性能可靠，故障率低，壽命長，維修方便。相對于共軌和泵噴嘴具有成本優(yōu)勢，并且兩者對油品要求都不高。比較適合于國內城市間的大型物流和旅游市場需求。
對以上4種技術方案的領域應用分類比較適合我們國內市場的發(fā)展特點，對國內燃油噴射系統(tǒng)行業(yè)和國內柴油機行業(yè)來說都具有很好的繼承性和現實意義，也有助于提高我國車用柴油機的市場競爭能力。
（轉載）
