重型車用柴油機(jī)對(duì)噴油系統(tǒng)的要求和未來發(fā)展

1、重型車用柴油機(jī)對(duì)噴油系統(tǒng)的要求和未來發(fā)展摘要 本文是無錫油泵油嘴研究所的居鈺生老師以及杜國平老師在對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能、排放、噪音、安全性和耐久性等幾個(gè)方面對(duì)當(dāng)前各種重型車用柴油機(jī)用燃油系統(tǒng)及其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比分析。同時(shí)，還對(duì)不同燃油系統(tǒng)對(duì)柴油機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響進(jìn)行了分析，對(duì)噴油系統(tǒng)未來發(fā)展方向和潛在性能水平進(jìn)行了討論。我們推薦此文供大家參考，但愿能從中獲益。敘詞 重型車 柴油機(jī) 噴油系統(tǒng) 工程分析 發(fā)展1 引言噴油系統(tǒng)的最新發(fā)展已經(jīng)極大地推動(dòng)了現(xiàn)代柴油機(jī)的進(jìn)步。在重型車用柴油機(jī)領(lǐng)域，為了適應(yīng)日益嚴(yán)格的排放法規(guī)的要求和用戶對(duì)高的比功率、低的燃油消耗率發(fā)動(dòng)機(jī)的市場(chǎng)需要，柴油機(jī)噴油系統(tǒng)的噴射壓力越來越高。表

2、1表示歐洲重型卡車柴油機(jī)排放法規(guī)的發(fā)展趨勢(shì)。與此同時(shí)，隨著成本低、功能強(qiáng)大的數(shù)字電子技術(shù)的出現(xiàn)，使得能夠直接驅(qū)動(dòng)的電執(zhí)行器得到了迅速發(fā)展，從而大大降低了控制系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性。這些因素的作用導(dǎo)致了重型車用柴油機(jī)噴油系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，使之從模塊化的直列式噴油泵結(jié)構(gòu)向著更加集成化的電控泵噴嘴(EUI)和電控單體泵(EUP)系統(tǒng)發(fā)展。此外，在市場(chǎng)上還出現(xiàn)了高壓和液力放大的中壓兩種共軌噴射系統(tǒng)。這就使得發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)平臺(tái)將嚴(yán)重受到所選擇的噴油系統(tǒng)的影響。因此，現(xiàn)在在設(shè)計(jì)新的發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)噴油系統(tǒng)的選擇實(shí)際上已經(jīng)成為必須首先考慮的決定發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)平臺(tái)的最最重要的因素。2 發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)對(duì)噴油系統(tǒng)的要求在進(jìn)行柴

3、油機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、確定發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)平臺(tái)時(shí)有幾個(gè)方面問題都必須考慮噴油系統(tǒng)的選型。如氣缸蓋和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)布置是最值得注意的兩個(gè)方面。圖1對(duì)采用電控泵噴嘴(EUI)、電控單體泵(EUP)和共軌系統(tǒng)(CR)的發(fā)動(dòng)機(jī)的概念設(shè)計(jì)進(jìn)行了比較。從這幾個(gè)概念設(shè)計(jì)情況來看，很明顯EUI系統(tǒng)最難滿足要求，而采用共軌系統(tǒng)最有利于柴油機(jī)的設(shè)計(jì)布置。由于要考慮氣缸蓋冷卻水道和配氣機(jī)構(gòu)的布置，在進(jìn)排氣門之間的安裝空間非常有限，很難布置EUI噴油器。除此以外，還必須具有足夠的強(qiáng)度和剛度以保證提供足夠高的噴油器夾緊力。另外，還要求燃油系統(tǒng)內(nèi)部油道沒有毛刺并具有足夠高的清潔度。 對(duì)電控泵噴嘴而言驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)也是一個(gè)重要的問題。當(dāng)壓力達(dá)到

4、200MPa，柱塞直徑為10mm時(shí)，要求提供大于15kN的驅(qū)動(dòng)力。所以，為了獲得高的噴射壓力，對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的剛度要求也是很高的。然而，最令人擔(dān)心的一個(gè)問題是當(dāng)噴射壓力以200Mpams的速率卸壓時(shí)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)有脫開的傾向。這種現(xiàn)象將使機(jī)械噪聲增加。而采用新型的齒形皮帶傳動(dòng)(如在新的IVECO發(fā)動(dòng)機(jī)上所采用的)可以改善這些現(xiàn)象。不過，泵噴嘴的使用還是很廣泛的。例如，在Land Rovr Storm發(fā)動(dòng)機(jī)上采用了Lucas生產(chǎn)的電控泵噴嘴系統(tǒng)，它利用背壓溢流能量來關(guān)閉針閥。有意思的是由于這種裝置在噴油結(jié)束后的一段時(shí)間內(nèi)能保持正壓力，使得在噴油過程中壓力衰減的最后階段噴射壓力的衰減速度減緩。對(duì)于共軌系統(tǒng)來

5、說，初看起來所有這些問題似乎都可以得到解決。很明顯，共軌噴油器在氣缸蓋上安裝容易，而從驅(qū)動(dòng)扭矩的形狀來看，理論上講驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)工作較平穩(wěn)。可是，從降低燃油消耗來考慮，要求供油泵的柱塞排量是可變的。因?yàn)閷?duì)于所有已知的各種柴油機(jī)共軌系統(tǒng)來說，驅(qū)動(dòng)扭矩的差異較大。盡管共軌發(fā)動(dòng)機(jī)軌道的安裝空間沒有問題，但問題是如何把有些零件集成在一起使空間布置更美觀。就象用EUI系統(tǒng)時(shí)一樣，發(fā)動(dòng)機(jī)廠商必須在最后裝配時(shí)進(jìn)行整理使噴油系統(tǒng)看起來整潔些，但共軌系統(tǒng)給人的印象相對(duì)較散亂。表2總結(jié)了各種重型車用柴油機(jī)用噴油系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)。傳統(tǒng)的柱塞泵從噴油器開啟到開始快速斷油(采用溢流方式)，噴油壓力的上升和噴油率形狀等特性具有如下

6、優(yōu)點(diǎn)：噴油率隨著活塞下降速度的增加而上升； 燃燒時(shí)間隨轉(zhuǎn)速的增加而減少，噴油壓力則隨轉(zhuǎn)速的增加而增加。 然而，柱塞式噴油系統(tǒng)的控制機(jī)理相當(dāng)簡單，通常只能控制噴油量和噴油正時(shí)。因此，噴油特性只能通過凸輪型線、柱塞直徑大小、噴油嘴流通面積和噴油嘴開啟壓力幾何設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)來加以控制。在全負(fù)荷標(biāo)定轉(zhuǎn)速(FLRS)工況的性能則受到機(jī)械零件的耐久性限制?？墒?，噴油壓力和噴油速率很大程度上難以滿足最大扭矩和低負(fù)荷燃燒的要求。這種情況要求開發(fā)不同的壓力控制策略。顯然，共軌系統(tǒng)在控制噴油壓力方面是最理想的，共軌系統(tǒng)的壓力在調(diào)整上具有很大的設(shè)計(jì)自由度，與發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況無關(guān)。但是，這些系統(tǒng)都受到其它一些限制，會(huì)影響在

7、發(fā)動(dòng)機(jī)在整個(gè)運(yùn)行區(qū)域燃燒全面優(yōu)化的能力。圖2表示電控泵噴嘴EUI系統(tǒng)和高壓共軌系統(tǒng)噴射壓力和噴油率形態(tài)的比較。為了在全負(fù)荷額定轉(zhuǎn)工況獲得好的性能，要求提高噴油速率，這就要求提高噴射壓力使之達(dá)到EUI的水平或者增加噴孔的直徑?？墒?，這種對(duì)全負(fù)荷標(biāo)定轉(zhuǎn)速工況的要求在低速低負(fù)荷時(shí)會(huì)使噴油持續(xù)時(shí)間變得很短，除非降低噴射壓力或者采用多次噴射等策略。液力放大的共軌系統(tǒng)由于動(dòng)力效應(yīng)作用，在噴射初期的速率往往較低，但是它對(duì)時(shí)間依賴性很大。在全負(fù)荷標(biāo)定轉(zhuǎn)速工況，由于動(dòng)力效應(yīng)作用既有高的噴射速率，也對(duì)噴射終結(jié)的速率產(chǎn)生影響。但是液力放大的共系統(tǒng)在達(dá)到高壓方面不象高壓共軌系統(tǒng)那樣在機(jī)械上存在許多困難。4 燃燒對(duì)噴油

8、系統(tǒng)的要求降低NOx排放要求燃燒溫度不能過高，因此必須采用推遲噴油速率的策略，并使得著火延遲期內(nèi)噴入氣缸的不可控燃燒的燃料量最小。而著火延遲期本身也應(yīng)該降到最短。因此，理想的噴油系統(tǒng)要有持續(xù)低的初期噴油速或者采用預(yù)噴射噴(相位與著火延遲期相當(dāng))。另外，廢氣再循環(huán)EGR(最好是冷EGR)和高增壓壓力等發(fā)動(dòng)機(jī)策略也有利于降低NOx排放。降低顆粒PT排放要求，消除富油區(qū)和避免活塞下行時(shí)燃燒發(fā)生熄火現(xiàn)象。這里富油區(qū)的形成從微觀上講是由大尺寸油滴產(chǎn)生的、從宏觀上講是由于燃料與空氣的混合不良造成的。因此，理想的噴油系統(tǒng)是增加噴孔數(shù)量、減少噴孔直徑、提高噴油壓力并通過提高噴油速率使噴油早些結(jié)束。通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)

9、果深入分析研究后發(fā)現(xiàn)，還必須控制噴油的最后階段。許多研究工作表明，為了達(dá)到相應(yīng)的煙度，要求共軌系統(tǒng)的噴射壓力接近于EUI系統(tǒng)的噴射壓力。這說明后期的油氣混合可能是相當(dāng)重要的因素，僅僅對(duì)平均有效噴射壓力這種總的噴油速率進(jìn)行比較是不夠的。所以，我們有理由認(rèn)為一個(gè)后期混合很好的系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)可以在較后的曲軸轉(zhuǎn)角下噴射而且不需要同樣的總的噴油速率。 噴射結(jié)束前的噴射壓力也是一個(gè)不可忽視的因素。在噴油過程中，從噴霧到完成燃燒所需的時(shí)間在逐漸縮短。因此，我們可以認(rèn)為使噴霧粒徑隨曲軸轉(zhuǎn)角的增加而減少是有利的，這與EUI系統(tǒng)壓力曲線逐漸上升的形狀正好是相符的。可是，共軌系統(tǒng)和EUI系統(tǒng)相比在噴射結(jié)束階段存在兩個(gè)主要

10、的差異：由于壓力逐漸下降使噴霧貫穿度也逐漸減小，從而削弱了在后期關(guān)鍵的油氣混合。隨著壓力的下降，在噴孔處的霧化變差，液流系統(tǒng)在噴油結(jié)束時(shí)可能還會(huì)出現(xiàn)“燃?xì)饣馗Z”現(xiàn)象，因此必須設(shè)法防止，以防損壞針閥座面。而共軌系統(tǒng)噴孔中的油流方向總是向前的，當(dāng)針閥落座時(shí)油流受到針閥的限制，從而使得噴孔中的壓力減小，噴油最后階段的霧化變差。試驗(yàn)證明，傳統(tǒng)的液流系統(tǒng)在噴油結(jié)束階段的進(jìn)程似乎是有利的。對(duì)共軌系統(tǒng)來說緊接著的后噴在某些工況下可以使煙度顯著降低，這說明宏觀的混合(通過貫穿而產(chǎn)生的總的混合)可能起主要作用。5 噴油策略近來，控制缸內(nèi)碳煙的形成已經(jīng)成為唯一有效的開發(fā)途徑，為了適應(yīng)特定的排放法規(guī)的要求；從噴油系

11、統(tǒng)改進(jìn)所獲得的某些效果必須與降低NOx排放折中考慮。隨著EGR系統(tǒng)的出現(xiàn)，即使在重型車用柴油機(jī)領(lǐng)域，已經(jīng)校發(fā)動(dòng)機(jī)能在低空燃比運(yùn)行的區(qū)域擴(kuò)大很多。這使得我們可以把重點(diǎn)放在改善碳煙性能上。歐4排放法規(guī)要求我們把改善碳煙性能作為提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能的重點(diǎn)。這可能還包括瞬態(tài)試驗(yàn)。現(xiàn)代燃燒系統(tǒng)需要采用高的噴射壓力和高的噴油速率。理想的噴油速率形狀是初期速率較低或者加上合適的預(yù)噴，接著是高的噴油速率(為了適應(yīng)活塞下行不斷加速的需要也許需要逐漸增加噴油速率)，最后隨著液流的減弱而結(jié)束噴油，或者還可以緊接著加一次后噴(但目前這也只能在某些高壓共軌系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn))。圖3表示在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況圖上各個(gè)區(qū)域的理想的噴油率的形狀

12、。研究表明，為了滿足嚴(yán)格的排放法規(guī)，在全負(fù)荷標(biāo)定轉(zhuǎn)速工況，EUI系統(tǒng)必須達(dá)到200MPa的噴射壓力，而共軌系統(tǒng)也許必須達(dá)到180MPa的噴射壓力。這些壓力是最低要求而不是目標(biāo)。我們應(yīng)該注意到對(duì)EUI來說達(dá)到200MPa的壓力是不成問題的，但對(duì)共軌系統(tǒng)而言達(dá)到180MPa的壓力則是非常嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。在最大扭矩工況，根據(jù)外特性曲線形狀，盡管噴射壓力可能會(huì)減小一些，但各方面的要求幾乎都是相似的。從標(biāo)定工況到最大扭矩工況，轉(zhuǎn)速下降了60，而噴油量增加了約30，這說明若以曲軸轉(zhuǎn)角計(jì)的噴油持續(xù)期保持相同，平均有效噴射壓力只下降12。這對(duì)于EUI系統(tǒng)來說最大噴射壓力仍然在大約150MPa左右，而EUI系統(tǒng)自然

13、也可以產(chǎn)生110120MPa的噴射壓力。顯然，這種最大扭矩的要求對(duì)180MPa噴射壓力的共軌系統(tǒng)而言是沒有困難的。最近所進(jìn)行的一些開發(fā)工作采用的策略是：使發(fā)動(dòng)機(jī)在很寬廣的轉(zhuǎn)速范圍具有等扭矩而在高速區(qū)域具有等功率。這種策略有利于噴油系統(tǒng)靈活控制噴射壓力。在高速低負(fù)荷時(shí)，EUI系統(tǒng)的噴射壓力會(huì)降低到接近于噴油嘴的開啟壓力(<40MPa)，這個(gè)噴射壓力是不利于油氣有效混合和改善碳煙排放的。而高壓共軌系統(tǒng)就不存在這種問題，因?yàn)楦邏汗曹墖娪妥斓拈_啟壓力是可調(diào)節(jié)的，而對(duì)于液力放大的共軌系統(tǒng)來說就不一定如此。6 燃油系統(tǒng)發(fā)展方向近年來，燃油噴射系統(tǒng)的發(fā)展變化很大，我們經(jīng)常會(huì)聽到執(zhí)行器又有新的進(jìn)展或者又

14、出現(xiàn)了其它新的技術(shù)，如壓電式噴油器就是最新推出的電控噴油器，其中尤以SIEMENS公司壓電式共軌系統(tǒng)最為人們看好。然而如果通過提高當(dāng)前以電磁閥為基礎(chǔ)的共軌系統(tǒng)的能力我們可以獲得更多的成果。對(duì)共軌系統(tǒng)來說首先要解決的現(xiàn)實(shí)問題是提高噴射壓力。可是,這并不是一個(gè)簡單的任務(wù)，因?yàn)橄到y(tǒng)中有許多泄露環(huán)節(jié)，而在這么高的壓力下是很難做到不泄漏的。*與傳統(tǒng)的噴油系統(tǒng)相比，共軌系統(tǒng)的周向變形很大，值得注意。而且這種變形在靜態(tài)負(fù)荷情況下會(huì)充分暴露出來。 *通過泄油道的壓力降還是重要的熱源，必須加以排除。第二個(gè)問題是動(dòng)態(tài)響應(yīng)問題。與主噴射緊密相連的預(yù)噴或后噴要求噴油嘴針閥具有高的響應(yīng)速度。當(dāng)前的輕型發(fā)動(dòng)機(jī)共軌噴射系統(tǒng)

15、響應(yīng)受到液力伺服的響應(yīng)速度的限制，該液力伺服系統(tǒng)把執(zhí)行器和針閥連接起來，因此，執(zhí)行器的變化實(shí)際上是關(guān)于控制響應(yīng)必須考慮的第二個(gè)重要問題。液力放大的共軌系統(tǒng)與高壓共軌系統(tǒng)相比更加需要改進(jìn)其動(dòng)態(tài)響應(yīng)，其焦點(diǎn)是系統(tǒng)內(nèi)部的高壓容積。電控泵噴嘴EUI和電控單體泵EUP要解決的問題與共軌系統(tǒng)不同，主要是如何提高在低速低負(fù)荷工況時(shí)的噴射壓力。Cater-pillar公司在其EUI系統(tǒng)上運(yùn)用共軌式壓力控制原理開發(fā)成功了先進(jìn)的燃油系統(tǒng)-機(jī)械驅(qū)動(dòng)的B系列泵噴嘴MEUIB，現(xiàn)在已經(jīng)大批量生產(chǎn)。這樣的開發(fā)方向?qū)τ诳朔﨓UI和EUP系統(tǒng)在低速、低負(fù)荷時(shí)壓力低的缺陷顯然是有吸引力的，這使我們可以對(duì)現(xiàn)有的采用EUIEUP系

16、統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行改進(jìn)。在輕型車用發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域也取得了可喜的進(jìn)展。BOSCH公司在EUI系統(tǒng)上加上一個(gè)有趣的機(jī)構(gòu)(減壓活塞)實(shí)現(xiàn)了預(yù)噴射。這種設(shè)計(jì)帶來的另一個(gè)好處是由于噴嘴回位彈簧的附加壓縮作用提高了二次開啟的壓力，從而使低速低負(fù)荷工況的最高噴射壓力顯著提高。這種噴油器的另一個(gè)特點(diǎn)是高壓容積很小，這個(gè)容積是當(dāng)溢流閥的控制部分向著柱塞套移動(dòng)時(shí)形成的。這種高壓容積的減小有利于最大噴油壓力的提高。 值得指出的是EUP系統(tǒng)高壓回路的總?cè)莘e比EUI系統(tǒng)的大，容積的分布和相關(guān)的壓力波動(dòng)使最大的噴射壓力高到足以與其它系統(tǒng)相比。而采用短的高壓油管還有利于改善嘴端壓力的衰減。眾所周知，無論對(duì)于哪種噴油系統(tǒng)，柴油機(jī)對(duì)于

17、不同工況下的噴孔直徑的要求是不同的，因此，若能根據(jù)工況改變噴孔直徑將是非常有益的。圖4表示通過模擬計(jì)算得到的采用可變噴孔噴油嘴后相對(duì)比耗和NOx排放關(guān)系的改善情況。為了保持良好的霧化，在噴孔處需要保持足夠的壓力。盡管這種可變噴孔的技術(shù)至今還沒有在直噴式柴油機(jī)上得到實(shí)際使用，但是這種思想有很高的價(jià)值，可能會(huì)推動(dòng)針閥升程可變的新的執(zhí)行器(如壓電式噴油器)的發(fā)展。7 噴油系統(tǒng)制造水平的進(jìn)展近年來，在噴油系統(tǒng)制造技術(shù)方面取得的進(jìn)展給人的印象也是非常深刻的。燃油系統(tǒng)行業(yè)將精密制造技術(shù)與大批量生產(chǎn)相結(jié)合的水平使它與其他大多數(shù)工業(yè)企業(yè)絕然不同。特別是隨著內(nèi)部孔和交接處的精加工技術(shù)的提高，燃油系統(tǒng)在零部件結(jié)構(gòu)

18、完整性方面取得了顯著的進(jìn)步。而鉆孔技術(shù)的進(jìn)展使加工的孔更深、直徑更小，這除了可以改善結(jié)構(gòu)的完整性和減小高壓容積以外，也有利于改進(jìn)空間結(jié)構(gòu)。 噴孔加工技術(shù)水平的不斷提高使得加工的噴孔直徑更小，加上采用液力研磨技術(shù)既可提高噴孔的流量系數(shù)，也使得噴孔流量的控制更加容易。值得注意的是噴孔的幾何精度對(duì)于燃料在燃燒室中的均勻分布是至關(guān)重要的。 由于控制閥座的位置精度對(duì)最大執(zhí)行器力具有決定的作用，面對(duì)控制執(zhí)行器小型化的需要對(duì)控制閥和閥座的制造精度提出了極高的要求。所有這些因素加上其他因素對(duì)于燃油系統(tǒng)性能提高到今天這樣的水平是必須的。隨著噴射壓力進(jìn)一步提高，出于強(qiáng)度方面考慮，對(duì)加工方法和工藝的要求越來越高。要求達(dá)到的精度，特別