重型车用柴油机对喷油系统的要求和未来发展

重型车用柴油机对喷油系统的要求和未来发展
摘要本文是无锡油泵油嘴研究所的居钰生老师以及杜国平老师在对发动机性能、排放、噪音、安全性和耐久性等几个方面对当前各种重型车用柴油机用燃油系统及其优缺点进行了对比分析。

同时，还对不同燃油系统对柴油机结构设计的影响进行了分析，对喷油系统未来发展方向和潜在性能水平进行了讨论。

我们推荐此文供大家参考，但愿能从中获益。

叙词重型车柴油机喷油系统工程分析发展
1 引言
喷油系统的最新发展已经极大地推动了现代柴油机的进步。

在重型车用柴油机领域，为了适应日益严格的排放法规的要求和用户对高的比功率、低的燃油消耗率发动机的市场需要，柴油机喷油系统的喷射压力越来越高。

表1表示欧洲重型卡车柴油机排放法规的发展趋势。

与此同时，随着成本低、功能强大的数字电子技术的出现，使得能够直接驱动的电执行器得到了迅速发展，从而大大降低了控制系统的成本和复杂性。

这些因素的作用导致了重型车用柴油机喷油系统的结构发生了改变，使之从模块化的直列式喷油泵结构向着更加集成化的电控泵喷嘴(EUI)和电控单体泵(EUP)系统发展。

此外，在市场上还出现了高压和液力放大的中压两种共轨喷射系统。

这就使得发动机的设计平台将严重受到所选择的喷油系统的影响。

因此，现在在设计新的发动机时喷油系统的选择实际上已经成为必须首先考虑的决定发动机设计基础平台的最最重要的因素。

2 发动机设计对喷油系统的要求
在进行柴油机基础设计、确定发动机设计平台时有几个方面问题都必须考虑喷油系统的选型。

如气缸盖和机械传动机构布置是最值得注意的两个方面。

图1对采用电控泵喷嘴(EUI)、电控单体泵(EUP)和共轨系统(CR)的发动机的概念设计进行了比较。

从这几个概念设计情况来看，很明显EUI系统最难满足要求，而采用共轨系统最有利于柴油机的设计布置。

由于要考虑气缸盖冷却水道和配气机构的布置，在进排气门之间的安装空间非常有限，很难布置EUI喷油器。

除此以外，还必须具有足够的强度和刚度以保证提供足够高的喷油器夹紧力。

另外，还要求燃油系统内部油道没有毛刺并具有足够高的清洁度。

对电控泵喷嘴而言驱动机构也是一个重要的问题。

当压力达到200MPa，柱塞直径为10mm时，要求提供大于15kN的驱动力。

所以，为了获得高的喷射压力，对驱动机构的刚度要求也是很高的。

然而，最令人担心的一个问题是当喷射压力以200Mpa／ms的速率卸
压时驱动机构有脱开的倾向。

这种现象将使机械噪声增加。

而采用新型的齿形皮带传动(如在新的IVECO 发动机上所采用的)可以改善这些现象。

不过，泵喷嘴的使用还是很广泛的。

例如，在Land Rovr Storm发动机上采用了Lucas生产的电控泵喷嘴系统，它利用背压溢流能量来关闭针阀。

有意思的是由于这种装置在喷油结束后的一段时间内能保持正压力，使得在喷油过程中压力衰减的最后阶段喷射压力的衰减速度减缓。

对于共轨系统来说，初看起来所有这些问题似乎都可以得到解决。

很明显，共轨喷油器在气缸盖上安装容易，而从驱动扭矩的形状来看，理论上讲驱动机构工作较平稳。

可是，从降低燃油消耗来考虑，要求供油泵的柱塞排量是可变的。

因为对于所有已知的各种柴油机共轨系统来说，驱动扭矩的差异较大。

尽管共轨发动机轨道的安装空间没有问题，但问题是如何把有些零件集成在一起使空间布置更美观。

就象用EUI系统时一样，发动机厂商必须在最后装配时进行整理使喷油系统看起来整洁些，但共轨系统给人的印象相对较散乱。

表2总结了各种重型车用柴油机用喷油系统的优缺点。

传统的柱塞泵从喷油器开启到开始快速断油(采用溢流方式)，喷油压力的上升和喷油率形状等特性具有如下优点：
●喷油率随着活塞下降速度的增加而上升；
● 燃烧时间随转速的增加而减少，喷油压力则随转速的增加而增加。

● 然而，柱塞式喷油系统的控制机理相当简单，通常只能控制喷油量和喷油正时。

因此，喷油特性只能通过凸轮型线、柱塞直径大小、喷油嘴流通面积和喷油嘴开启压力几何设计细节来加以控制。

在全负荷标定转速(FLRS)工况的性能则受到机械零件的耐久性限制。

可是，喷油压力和喷油速率很大程度上难以满足最大扭矩和低负荷燃烧的要求。

这种情况要求开发不同的压力控制策略。

显然，共轨系统在控制喷油压力方面是最理想的，共轨系统的压力在调整上具有很大的设计自由度，与发动机的运行工况无关。

但是，这些系统都受到其它一些限制，会影响在发动机在整个运行区域燃烧全面优化的能力。

图2表示电控泵喷嘴EUI系统和高压共轨系统喷射压力和喷油率形态的比较。

为了在全负荷额定转工况获得好的性能，要求提高喷油速率，这就要求提高喷射压力使之达到EUI的水平或者增加喷孔的直径。

可是，这种对全负荷标定转速工况的要求在低速低负荷时会使喷油持续时间变得很短，除非降低喷射压力或者采用多次喷射等策略。

液力放大的共轨系统由于动力效应作用，在喷射初期的速率往往较低，但是它对时间依赖性很大。

在全负荷标定转速工况，由于动力效应作用既有高的喷射速率，也对喷射终结的速率产生影响。

但是液力放大的共系统在达到高压方面不象高压共轨系统那样在机械上存在许多困难。

4 燃烧对喷油系统的要求
降低NOx排放要求燃烧温度不能过高，因此必须采用推迟喷油速率的策略，并使得着火延迟期内喷入气缸的不可控燃烧的燃料量最小。

而着火延迟期本身也应该降到最短。

因此，理想的喷油系统要有持续低的初期喷油速或者采用预喷射喷(相位与着火延迟期相当)。

另外，废气再循环EGR(最好是冷EGR)和高增压压力等发动机策略也有利于降低NOx排放。

降低颗粒PT排放要求，消除富油区和避免活塞下行时燃烧发生熄火现象。

这里富油区的形成从微观上讲是由大尺寸油滴产生的、从宏观上讲是由于燃料与空气的混合不良造成的。

因此，理想的喷油系统是增加喷孔数量、减少喷孔直径、提高喷油压力并通过提高喷油速率使喷油早些结束。

通过对试验结果深入分析研究后发现，还必须控制喷油的最后阶段。

许多研究工作表明，为了达到相应的烟度，要求共轨系统的喷射压力接近于EUI系统的喷射压力。

这说明后期的油气混合可能是相当重要的因素，仅仅对平均有效喷射压力这种总的喷油速率进行比较是不够的。

所以，我们有理由认为一个后期混合很好的系统应当可以在较后的曲轴转角下喷射而且不需要同样的总的喷油速率。

喷射结束前的喷射压力也是一个不可忽视的因素。

在喷油过程中，从喷雾到完成燃烧所需的时间在逐渐缩短。

因此，我们可以认为使喷雾粒径随曲轴转角的增加而减少是有利的，这与EUI系统压力曲线逐渐上升的形状正好是相符的。

可是，共轨系统和EUI系统相比在喷射结束阶段存在两个主要的差异：
●由于压力逐渐下降使喷雾贯穿度也逐渐减小，从而削弱了在后期关键的油气混合。

●随着压力的下降，在喷孔处的雾化变差，液流系统在喷油结束时可能还会出现“燃气回窜”现象，因此必须设法防止，以防损坏针阀座面。

而共轨系统喷孔中的油流方向总是向前的，当针阀落座时油流受到针阀的限制，从而使得喷孔中的压力减小，喷油最后阶段的雾化变差。

试验证明，传统的液流系统在喷油结束阶段的进程似乎是有利的。

对共轨系统来说紧接着的后喷在某些工况下可以使烟度显著降低，这说明宏观的混合(通过贯穿而产生的总的混合)可能起主要作用。

5 喷油策略
近来，控制缸内碳烟的形成已经成为唯一有效的开发途径，为了适应特定的排放法规的要求；从喷油系统改进所获得的某些效果必须与降低NOx排放折中考虑。

随着EGR系统的出现，即使在重型车用柴油机领域，已经校发动机能在低空燃比运行的区域扩大很多。

这使得我们可以把重点放在改善碳烟性能上。

欧4排放法规要求我们把改善碳烟性能作为提高发动机性能的重点。

这可能还包括瞬态试验。

现代燃烧系统需要采用高的喷射压力和高的喷油速率。

理想的喷油速率形状是初期速率较低或者加上合适的预喷，接着是高的喷油速率(为了适应活塞下行不断加速的需要也许需要逐渐增加喷油速率)，最后随着液流的减弱而结束喷油，或者还可以紧接着加一次后喷(但目前这也只能在某些高压共轨系统上实现)。

图3表示在发动机运行工况图上各个区域的理想的喷油率的形状。

研究表明，为了满足严格的排放法规，在全负荷标定转速工况，EUI系统必须达到200MPa的喷射压力，而共轨系统也许必须达到180MPa的喷射压力。

这些压力是最低要求而不是目标。

我们应该注意到对EUI来说达到200MPa的压力是不成问题的，但对共轨系统而言达到180MPa的压力则是非常严峻的挑战。

在最大扭矩工况，根据外特性曲线形状，尽管喷射压力可能会减小一些，但各方面的要求几乎都是相似的。

从标定工况到最大扭矩工况，转速下降了60％，而喷油量增加了约30％，这说明若以曲轴转角计的喷油持续期保持相同，平均有效喷射压力只下降12％。

这对于EUI系统来说最大喷射压力仍然在大约150MPa 左右，而EUI系统自然也可以产生110～120MPa的喷射压力。

显然，这种最大扭矩的要求对180MPa喷射压力的共轨系统而言是没有困难的。

最近所进行的一些开发工作采用的策略是：使发动机在很宽广的转速范围具有等扭矩而在高速区域具有等功率。

这种策略有利于喷油系统灵活控制喷射压力。

在高速低负荷时，EUI系统的喷射压力会降低到接近于喷油嘴的开启压力(<40MPa)，这个喷射压力是不利于油气有效混合和改善碳烟排放的。

而高压共轨系统就不存在这种问题，因为高压共轨喷油嘴的开启压力是可调节的，而对于液力放大的共轨系统来说就不一定如此。

6 燃油系统发展方向
近年来，燃油喷射系统的发展变化很大，我们经常会听到执行器又有新的进展或者又出现了其它新的技术，如压电式喷油器就是最新推出的电控喷油器，其中尤以SIEMENS公司压电式共轨系统最为人们看好。

然而如果通过提高当前以电磁阀为基础的共轨系统的能力我们可以获得更多的成果。

对共轨系统来说首先要解决的现实问题是提高喷射压力。

可是,这并不是一个简单的任务，因为系统中有许多泄露环节，而在这么高的压力下是很难做到不泄漏的。

*与传统的喷油系统相比，共轨系统的周向变形很大，值得注意。

而且这种变形在静态负荷情况下会充分暴露出来。

*通过泄油道的压力降还是重要的热源，必须加以排除。

第二个问题是动态响应问题。

与主喷射紧密相连的预喷或后喷要求喷油嘴针阀具有高的响应速度。

当前的轻型发动机共轨喷射系统响应受到液力伺服的响应速度的限制，该液力伺服系统把执行器和针阀连接起来，因此，执行器的变化实际上是关于控制响应必须考虑的第二个重要问题。

液力放大的共轨系统与高压共轨系统相比更加需要改进其动态响应，其焦点是系统内部的高压容积。

电控泵喷嘴EUI和电控单体泵EUP要解决的问题与共轨系统不同，主要是如何提高在低速低负荷工况时的喷射压力。

Cater-pillar公司在其EUI系统上运用共轨式压力控制原理开发成功了先进的燃油系统--机械驱动的B系列泵喷嘴MEUI—B，现在已经大批量生产。

这样的开发方向对于克服EUI和EUP系统在低速、低负荷时压力低的缺陷显然是有吸引力的，这使我们可以对现有的采用EUI／EUP系统的发动机进行改进。

在轻型车用发动机领域也取得了可喜的进展。

BOSCH公司在EUI系统上加上一个有趣的机构(减压活塞)实现了预喷射。

这种设计带来的另一个好处是由于喷嘴回位弹簧的附加压缩作用提高了二次开启的压力，从而使低速低负荷工况的最高喷射压力显著提高。

这种喷油器的另一个特点是高压容积很小，这个容积是当溢流阀的控制部分向着柱塞套移动时形成的。

这种高压容积的减小有利于最大喷油压力的提高。

值得指出的是EUP系统高压回路的总容积比EUI系统的大，容积的分布和相关的压力波动使最大的喷射压力高到足以与其它系统相比。

而采用短的高压油管还有利于改善嘴端压力的衰减。

众所周知，无论对于哪种喷油系统，柴油机对于不同工况下的喷孔直径的要求是不同的，因此，若能根据工况改变喷孔直径将是非常有益的。

图4表示通过模拟计算得到的采用可变喷孔喷油嘴后相对比耗和NOx 排放关系的改善情况。

为了保持良好的雾化，在喷孔处需要保持足够的压力。

尽管这种可变喷孔的技术至今还没有在直喷式柴油机上得到实际使用，但是这种思想有很高的价值，可能会推动针阀升程可变的新的执行器(如压电式喷油器)的发展。

7 喷油系统制造水平的进展
近年来，在喷油系统制造技术方面取得的进展给人的印象也是非常深刻的。

燃油系统行业将精密制造技术与大批量生产相结合的水平使它与其他大多数工业企业绝然不同。

特别是随着内部孔和交接处的精加工技术的提高，燃油系统在零部件结构完整性方面取得了显著的进步。

而钻孔技术的进展使加工的孔更深、直径更小，这除了可以改善结构的完整性和减小高压容积以外，也有利于改进空间结构。

喷孔加工技术水平的不断提高使得加工的喷孔直径更小，加上采用液力研磨技术既可提高喷孔的流量系数，也使得喷孔流量的控制更加容易。

值得注意的是喷孔的几何精度对于燃料在燃烧室中的均匀分布是至关重要的。

由于控制阀座的位置精度对最大执行器力具有决定的作用，面对控制执行器小型化的需要对控制阀和阀座的制造精度提出了极高的要求。

所有这些因素加上其他因素对于燃油系统性能提高到今天这样的水平是必须的。

随着喷射压力进一步提高，出于强度方面考虑，对加工方法和工艺的要求越来越高。

要求达到的精度，特别是燃料计量的精度随着喷油速率和喷射压力的提高而增加。

有些喷油系统对特定的零件公差比其它公差更敏感。

由于这种敏感性以及对喷射压力的补偿作用要求，通过多年的研究已经可以使喷油系统对喷孔尺寸实现一定的补偿。

随着EUI的出现，压力波的传播时间大大减少，达到几乎可以忽略的程度，而最新的高压共轨系统显然必须考虑喷嘴流量变化的影响。

除了要求提高精度，还要考虑其对成本的影响。

此外有些系统现在还要考虑各缸的特性。

以新开发的LAND ROVER STORM发动机用Lucas EUI系统为例，在该系统中采用激光编码器来精确计量燃料量并调整喷射正时，最后再与车辆ECU程序相衔接。

这种方法可以代替与之相匹配的或相同的零件，使成本在很大程度上得到优化。

这样可以在满足功能和耐久性要求的同时降低对加工公差的要求，同时到最终用户那里也能得到更好的一致性。

8 结论
*喷油系统的选择对基础发动机的设计平台将产生很大的影响，而高压共轨系统是最有利于发动机设计布置的。

*提高喷射压力、改善喷油终结了时的喷油速率形状对降低颗粒PT排放是十分有利的。

*进一步提高喷射压力是高压共轨系统发展追求的目标，但这将证明是很困难的。

*EUI／EUP系统中采取的控制压力的措施是理想的也是可行的。

*燃油系统制造工艺的改进已经明显地促进了燃油喷射系统的性能的改善，而且这种趋势还将继续。

*尽管共轨系统可以控制喷射压力，但仍然希望采用可变喷孔的喷油嘴偶件。