電噴柴油技術 回顧(圖)

柴油汽車是什么樣子的？或許很多中國人還對柴油車的噪音心有余悸，在筆者印象中，小時候見到的柴油車主要是農(nóng)村田間耕地用的拖拉機、大卡車、推土機，后來，隨著對汽車的認識，發(fā)現(xiàn)柴油機還有很多領域在應用，比如發(fā)電機、輪船、坦克、筑路機等重型機械。但總而言之，柴油機給我們的樣子都是不折不扣的“干粗活”的大塊頭。以致很多人還是拿著原來的目光檢驗著現(xiàn)在的柴油乘用車。

電噴柴油技術 回顧

眾所周知，盡管20世紀30年代就已經(jīng)有了柴油乘用車，但早期柴油車的發(fā)展源于二戰(zhàn)時期蘇軍T-34坦克的獨特命運——由于T-34坦克采用柴油機，即使中彈也不容易起火，成為戰(zhàn)場上的佼佼者。現(xiàn)在的中國市場如同早期的國際市場，消費者談到柴油車時，常常會笑言“柴油車最大的好處是不會著火”。但隨著柴油技術日益發(fā)展，人們越來越發(fā)現(xiàn)柴油機的無窮魅力：高扭矩、高壽命、低油耗、低排放，柴油機成為解決汽車能源問題最現(xiàn)實和最可靠的手段。如今歐洲每推出一款新車都會配有柴油發(fā)動機的車型，而在中國能夠?qū)崿F(xiàn)這一舉措的可能只有一汽-大眾公司。但一個不爭的現(xiàn)實擺在了我們面前：隨著能源危機，溫室效應的逐漸增加，人們對動力性要求的提高，盡管電子燃油噴射已經(jīng)被廣泛使用，僅僅靠汽油車的解決方案不足以解決這些問題。所以在汽車工業(yè)的腹地——德國一刻也沒有停止對柴油發(fā)動機的研究。即使在國內(nèi)，目前采用柴油機也只有10余款，分別為捷達、寶來、奧迪、開迪、江淮瑞風等5款乘用車，福田沖浪、江鈴陸風、華泰特拉卡、上海萬豐、遼寧曙光等5款SUV。瑞風柴油車所搭載的2.5升柴油機是引進韓國現(xiàn)代汽車公司D4BH發(fā)動機，而一汽-大眾的4款柴油乘用車均采用德國大眾與博世公司合作的柴油機，這5款柴油乘用車全部是柱塞泵、泵噴嘴技術。

柴油機的優(yōu)點是：省油、環(huán)保、動力強、經(jīng)濟、維修方便，只要解決缺點就具有更大的市場前景，而實現(xiàn)電控柴油機的方案現(xiàn)在看來是一個很好的解決措施。實現(xiàn)柴油控制有三條技術路線圖，分別是單體泵、泵噴嘴和高壓共軌。目前主要的國際汽車配件供應商都在進行著柴油共軌噴射系統(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(nèi)生產(chǎn)共軌柴油噴射系統(tǒng)的還只有博世一家。下面分別介紹三種技術：

1.單體泵技術

德爾福在重型車上采用單體泵系統(tǒng)。從成本上講，國內(nèi)的發(fā)動機從歐Ⅱ向歐Ⅲ升級時，如果采用單體泵，對發(fā)動機改動非常小，僅以外掛式的凸輪軸箱代替歐Ⅱ發(fā)動機的直列泵就可。當從歐Ⅲ向歐Ⅳ升級時，發(fā)動機機身主體結構仍然不變，只要把歐Ⅲ系統(tǒng)里機械式噴油器改成德爾福的電控噴油器，形成雙電磁閥單體泵系統(tǒng)，在發(fā)動機整體結構不做大的調(diào)整下，就可以達到歐Ⅳ的排放水平。單體泵的外形如圖1所示。單體泵系統(tǒng)控制如圖2所示。

圖1 單體泵的外形圖

圖2 單體泵控制油路

 在性能方面，目前在國內(nèi)單體泵使用的壓力達到200MPa，當向歐Ⅳ升級，這個壓力可以達到250 MPa。在單體泵上采用了類似于共軌I2C的系統(tǒng)一致性控制，來優(yōu)化整個系統(tǒng)的性能。在供油控制方面，如果使用雙電磁閥單體泵系統(tǒng)，不僅可以對壓力進行控制，還可以對噴射進行控制，而且還可以采用多次噴射。它可以達到歐Ⅳ或者歐Ⅴ的標準。目前，德爾福的雙電磁閥單體泵系統(tǒng)在歐洲大批量生產(chǎn)，主要供應給歐Ⅳ標準的發(fā)動機，歐Ⅴ標準的發(fā)動機相關系統(tǒng)正在做開發(fā)工作。

單體泵系統(tǒng)的另一個優(yōu)勢就是它的可靠性和壽命，這些性能已經(jīng)在歐洲和北美市場上得到了10年甚至是15年的實際使用時間、數(shù)百萬輛整車使用的證明。單體泵系統(tǒng)在發(fā)動機使用過程中，可以保證排放和燃油消耗率低。目前，這種非常強化、非常可靠的性能和使用壽命，仍然在進一步提高。所以，從德爾福的觀點來看，在技術方面，相信在2010年之前，所有歐洲和北美的重型車生產(chǎn)商絕大多數(shù)會采用單體泵系統(tǒng)和泵噴嘴技術。德爾福也在研發(fā)2010年以后新的排放法規(guī)所要求的新的系統(tǒng)。

2.泵噴嘴技術 

優(yōu)良的混合氣是提高柴油發(fā)動機動力性、燃油經(jīng)濟性；降低排放率、噪音率的關鍵因素。這就要求噴射系統(tǒng)產(chǎn)生足夠高的噴射壓力，確保燃油霧化良好，同時還必須精確控制噴油始點和噴油量。而泵噴嘴系統(tǒng)能夠符合上述的嚴格要求。因此，早在1905年柴油發(fā)動機的創(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)的柴油發(fā)動機就已應用在輪船及卡車上。之后，Volkswagen和Robert Bosh AG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)。泵噴嘴的結構如圖3所示。泵噴嘴系統(tǒng)工作示意圖如圖4所示。

圖3 泵噴嘴結構圖及示意圖

圖4 泵噴嘴系統(tǒng)工作示意圖

其中主要部件作用如下：
 
（1）單向閥：發(fā)動機不工作時，防止燃油回流。
 （2）旁通閥：若燃油內(nèi)有空氣，則通過此處排出。
 （3）節(jié)流孔與過濾器：收集、分離供油管內(nèi)的氣泡。
 （4）限壓閥1：調(diào)節(jié)供油管內(nèi)壓力大于0.75MPa時打開。
 （5）限壓閥2：保持回油管內(nèi)壓力在0.10MPa。
 （6）燃油泵：燃油泵是間歇式葉片泵，其優(yōu)點是在較低發(fā)動機轉速時也可供油。泵體內(nèi)油道使油泵轉子始終處于被燃油浸潤的狀態(tài)，從而可隨時輸送燃油。如圖5所示。

圖5 燃油泵油路連接圖

 （7）燃油分配管集成：燃油分配管集成在缸蓋內(nèi)的供油管內(nèi)，其功能是等量向各泵噴嘴分配燃油，在此，燃油與受熱燃油混合，并被泵噴嘴強制流回供油管。使供油管內(nèi)流向各缸的燃油溫度一致。所有泵噴嘴被提供相同量的燃油，使發(fā)動機運轉平穩(wěn)。否則，泵噴嘴的油溫將會不同，并且泵噴嘴被提供不同質(zhì)量的燃油。這將會使發(fā)動機運轉不平穩(wěn)并將在前幾個缸中產(chǎn)生極度高溫。燃油分配管如圖6所示。

圖6 燃油分配管

 （8）燃油冷卻泵：使冷卻液在冷卻環(huán)路中循環(huán)。當燃油溫度達到70℃，發(fā)動機控制單元通過燃油冷卻泵繼電器將其接通。
 在國內(nèi)很多的乘用車上使用泵噴嘴，如：寶來TDI、途安TDI和奧迪TDI等。泵噴嘴技術相對于之前的技術（如柱塞泵），已經(jīng)具有明顯改進，而其最大的好處是大大增加了噴油壓力，其渦輪增壓泵噴嘴的噴射壓力都能達到200MPa以上。由于噴射壓力直接影響柴油燃燒做功效率，因此，泵噴嘴的燃燒效率很高。

3.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技術，CRDI技術和SDI（自然吸氣直接噴射柴油發(fā)動機）技術、TDI（直噴式渦輪增壓柴油發(fā)動機）技術均為德國博世公司研發(fā)的柴油發(fā)動機技術。共軌系統(tǒng)由高壓泵、噴油管、高壓蓄壓器（共軌）、噴油器、電控單元和傳感器及執(zhí)行器組成。

共軌式噴油系統(tǒng)主要的貢獻就是將噴射壓力的產(chǎn)生和噴射過程彼此完全分開，通過對共軌管內(nèi)的油壓實現(xiàn)精確控制，使高壓油管壓力大小與發(fā)動機的轉速基本無關。這一柴油發(fā)動機技術的創(chuàng)新最大限度地降低了柴油發(fā)動機車型的振動和噪聲，同時將油耗進一步降低，使排放更加清潔。但共軌技術的噴油壓力低于泵噴嘴系統(tǒng)，一般只能達到160MPa左右。由于噴油壓力調(diào)節(jié)寬泛，采用共軌技術的柴油車能更好地適應各種工況，起步也不會困難。

博世公司首家于1997年開始批量生產(chǎn)共軌燃油噴射系統(tǒng)的乘用車，當時博世和奔馳聯(lián)合推出共軌技術柴油奔馳C級別車，而在當時阿爾法羅密歐156也是最早使用高壓共軌的乘用車之一。在國產(chǎn)車中，華泰現(xiàn)代使用的是共軌噴射系統(tǒng)。柴油共軌系統(tǒng)已開發(fā)了3代。

 第一代共軌高壓泵總是保持在最高壓力，導致燃油的浪費和很高的燃油溫度。第一代共軌系統(tǒng)為商用車設計的，最高噴射壓力為140MPa，乘用車噴射壓力為135MPa。

第二代共軌系統(tǒng)可根據(jù)發(fā)動機需求而改變輸出壓力，并具有預噴射和后噴射功能。帶有控制油量的油泵，噴射壓力能達到160MPa。即使在壓力較低的情況下，該系統(tǒng)也可以根據(jù)實際狀況提供適量的噴油壓力。不僅有助于降低燃油消耗，而且還可以降低燃油溫度，從而省去燃油冷卻裝置。預噴射降低了發(fā)動機噪聲：在主噴射之前百萬分之一秒內(nèi)少量的燃油被噴進了汽缸壓燃，預熱燃燒室。預熱后的汽缸使主噴射后的壓燃更加容易，缸內(nèi)的壓力和溫度不再是突然地增加，有利于降低燃燒噪音。在膨脹過程中進行后噴射，產(chǎn)生二次燃燒，將缸內(nèi)溫度增加200～250℃，降低了排氣中的碳氫化合物。博世公司的第二代共軌系統(tǒng)產(chǎn)品已經(jīng)在沃爾沃的S60、V70D5及寶馬的230d等乘用車上試用。

第三代共軌系統(tǒng)帶有壓電直列式噴油器。2003年，第三代共軌系統(tǒng)面世，壓電式（piezo）共軌系統(tǒng)的壓電執(zhí)行器代替了電磁閥，于是得到了更加精確的噴射控制。省去了回油管，在結構上更簡單。壓力從20～200MPa彈性調(diào)節(jié)。最小噴射量可控制在0.5mm3，減小了煙度和NOX的排放。最高噴射壓力達到180MPa。此套采用新研發(fā)的壓電直列式噴油器的系統(tǒng)使帶預噴和后噴的噴油率曲線范圍更為自由。

與其它噴射系統(tǒng)相比，共軌系統(tǒng)把壓力產(chǎn)生與實際燃油噴射過程分離。“軌”被作為高壓蓄壓器，其內(nèi)部燃油壓力始終保持與發(fā)動機具體工況相適應的最佳壓力。共軌系統(tǒng)可被輕易地安裝到各類不同的發(fā)動機中。除此之外，共軌系統(tǒng)還提供了更廣闊的擴展功能和在燃燒過程設計上更多大的自由度，它可以使柴油發(fā)動機以更低的排放、更好的燃油經(jīng)濟性和低噪聲運行。電控共軌系統(tǒng)，是國內(nèi)專家一致認為目前水平最高、將來會占統(tǒng)治地位的一種電控系統(tǒng)。其噴油器的特殊設計，可實行靈活的多次噴射，且噴射壓力可在不同轉速和負荷條件下任意調(diào)節(jié)，給發(fā)動機帶來的好處是極為理想的指標。由于這些因素，電控共軌技術已普遍為新一代乘用車柴油發(fā)動機采用。