商用车柴油机高压燃油喷射系统的发展

青春不放肆

做一个帅气的卡友很累，这点我真的深有体会。

    我国从2007年1月1日起，压燃式发动机的新车采用国Ⅲ排放标准(GB17691-2005)。而北京从2008年7月1日起，对在北京市销售和注册的公交、环卫，邮政使用重型压燃式发动机的汽车，实施国IV排放标准，并要求安装OBD(车载诊断系统)。

●  国Ⅲ、国IV与国Ⅱ排放标准主要区别

    国Ⅲ压燃式发动机除了排放污染物降低外，还对国Ⅱ试验循环进行修改，规定了稳态循环ESC(European steady state Cycle)、加载烟度循环ELR(European Load Response Test)、瞬态循环ETC(European Transient Cycle Test)等试验程序。包括安装燃料电喷系统、废气再循环(EGR)和氧化催化转化器的国Ⅲ柴油机，均应采用ESC和ELR试验规程测定排放污染物。

    对安装NOx催化转化器和微粒捕集器的柴油机应附加瞬态循环ETC试验规程测定排气污染物。国IV、国V柴油机均需进行全部 ESC、ELR和ETC试验。新车型从国Ⅳ阶段开始，应装备车载诊断系统(OBD)或车载测量系统(OBM)，用以监测使用过程中的排放污染物。从国Ⅳ阶段开始增加排放控制装置耐久性要求和在用车符合性要求。增加OBD是实施国IV排放标准的核心。这个系统将根据发动机运行状况，随时监控汽车尾气是否超标。当系统出现故障，故障灯或检查发动机警告灯亮。OBD应保证能在车辆使用寿命期限内识别车辆排放是否超标。

●  电控高压燃油喷射系统

    电控高压燃油喷射系统目前主要有单体泵、泵喷嘴、共轨三种。在我国商用车柴油机上广泛采用单体泵和共轨两种。

    一个理想的喷油系统应具有以下性能：高喷油压力(1000bar以上)，且喷油压力大小可根据工况需要灵活调整，精确控制喷油定时、喷油量和喷油率优化控制。

    1. 电控单体泵

    单体泵系统是带时间控制的高压燃油喷射系统，用于直喷式柴油机。它们具有高达2050bar的瞬时喷油压力、可变的喷油起点，并可采用预喷。该系统由燃油供给系统的低压部分和高压部分、电控单元和传感器等组成。单体泵是通过制成一体的电磁阀的高压柴油喷射系统来工作的。电磁阀触发的时刻就是关闭的时刻确定供油起点。

    电磁阀触发时间长短决定喷油量大小。电控单体泵安装在每个缸体外部直接由发动机凸轮轴上的喷油凸轮驱动。高压燃油由单体泵通过高压油管、高压短接管进入喷油器，然后喷入气缸内燃烧室。由于这种布置对气缸盖结构变动不大，因此深受商用车和柴油机的企业欢迎。国外如奔驰、道依茨、卡特匹勒、达夫等都采用单体泵。我国商用柴油机企业如大柴、玉柴、潍柴等也采用单体泵来满足国Ⅲ排放标准。

    2. 电控高压共轨燃油喷射系统

    电控高压共轨燃油喷射系统是建立在直喷技术、预喷技术和电控技术基础之上的一种全新概念的喷油系统。它主要由高压泵、带压力传感器和调压阀的共轨管、带电磁阀或压电式的喷油器、电控单元(ECU)和传感器组成。

    高压共轨燃油喷射系统的优点是：

    ① 可实现高压喷射，最高可达2000bar；

    ② 喷射压力独立于发动机转速，可改善发动机低速负荷特性；

    ③ 可实现预喷和后喷，调节喷油率形状，实现理想喷油规律；

    ④ 喷油定时和喷油量可自由选定；

    ⑤ 具有良好喷油特性，优化燃烧过程，使发动机燃油耗、烟度、噪声和排放等综合性能指标得到明显改善，有利于改进发动机扭矩特性；

    ⑥ 结构简单、可靠性好、实用性强，目前已广泛应用于各国商用车柴油机。电控高压共轨燃油喷射系统已发展到第四代。第一代是采用喷油压力为1350bar的电磁阀式喷油器；第二代是采用喷油压力为1600bar的电磁阀式喷油器；第三代是采用喷油压力为1600~2000bar的压电式喷油器。其主要特点是以石英压电原理的执行器替代高速电磁阀打开喷油器针阀。

    博世公司的石英压电式喷油器利用石英晶体在电场作用下伸长，使喷油器在1/10000s内作出动作响应，它比高速电磁阀动作响应速度提高一倍，且其体积非常小，且不存在任何摩擦。从而可实现更精准的喷油量，有利于提高喷油的雾化质量，使预喷、主喷、后喷之间时间间隔进一步缩短，以对整个喷射过程实现更灵活的控制。西门子公司是最早开发出压电式喷油器。

    第四代是采用喷油压力可达2500bar的液力增压式喷油器，允许在喷油器针阀处产生非常高的喷油压力，更提高了燃油雾化质量，同时，又使共轨管及共轨管通向喷油器的高压油管内油压保持相对较低(共轨压力只有1350bar)。博世公司在开发第四代共轨燃油喷射系统时，除喷油压力提高外，同时为降低燃烧时NOx的生成给出了新的喷油规律，允许喷油压力逐步上升，从而实现缸内平稳燃烧，保持缓慢的温度变化梯度和低的NOx生成，进而使混合气形成得以改善，有利于降低PM微粒的形成。

●  电控高压共轨燃油喷射系统的分类

    电控高压共轨燃油喷射系统共有共轨液压式、高压共轨式、共轨增压式三种。

    1. 共轨液压式燃油喷射系统

    美国卡特匹勒(Caterpillar)公司的HEUI系统是一种电控中压共轨液压式燃油喷射系统。

    电控中压共轨液压式燃油喷射系统由高压机油泵、共轨管机油压力调节阀、带电磁阀的喷油器、传感器、电控单元、燃油输油泵等组成。该系统分燃油和机油两条油路。其中机油为喷油器的控制油。高压机油泵将机油输送到高压共轨管。机油管路由低压和高压两部分组成。低压油管的压力为3bar，其作用是由机油泵通过机油冷却器和机油滤清器将机油送到高压机油泵。高压机油泵将机油送到高压共轨管，其压力控制在40230bar，由电控单元控制共轨机油管压力调节阀进行压力调节。具体数值依据发动机性能需要调节。

    该系统特点是：

    ① 采用机油作为控制油，解决了柴油在热工况下粘度降低和热起动困难问题。

    ② 因机油粘度较柴油要高，系统密封容易。

    ③ 控制机油设有回油管路，完成控制作用后，机油回到缸盖上作为润滑油。

    ④ 每一个喷油过程，电磁阀均需完成一次开关，电磁阀响应时间要求高。

    ⑤ 与传统喷油泵相比，易于加工制造。

    ⑥ 冷起动比较困难。

    2. 高压共轨式燃油喷射系统

    目前这种高压共轨式燃油喷射系统获得广泛采用。博世、电装、西门子·威迪欧(现为大陆汽车系统)、德尔福、马瑞利等都在生产。

    目前，高压共轨式燃油喷射系统喷油器的电磁阀已向压电式发展。随着共轨压力的提高，对共轨管的材质、加工精度等都有严格要求，博世公司的最大共轨压力为2000bar的压电式喷油器也将正式投产。但再进一步提高共轨压力出现了难度，因此正在开发液力增压式喷油器的共轨燃油喷射系统。

    3. 液力增压式共轨燃油喷射系统

    液力增压式共轨燃油喷射系统采用增压活塞，依靠增压作用来提高喷油压力，由共轨管内中等压力的燃油来推动增压活塞向喷油器提供高压油。电磁阀控制液力增压式喷油器是系统中最重要的部件。当电磁阀关闭时，共轨内燃油进入增压活塞上方，活塞下行。由于增压活塞直径与柱塞直径之比为1∶15，因此活塞下行时，增压活塞、喷油器针阀腔和针阀顶部的燃油压力可达1000~1500bar。当电磁阀打开时，增压活塞上方卸压，活塞上行，则喷油器针阀顶部油压下降，而增压室中高压油使针阀抬起，实现高压喷油。

    目前，液力增压式共轨燃油喷射系统喷射压力最高可达2500bar，而共轨管压力相对较低，只有1350bar，远小于高压共轨燃油喷射系统第三代(共轨管压力为1600~2000bar)的燃油压力，对共轨管和密封要求相对较低。这是商用车柴油机高压燃油喷射系统的方向，可提高燃油雾化质量，降低燃油耗和发动机排放等。