柴油机的燃油系统

柴油机的燃油系统1．商用车发动机增压式共轨喷射系统及关键技术的研究随着未来排放法规（美国2010年及欧6排放标准）在重型商用车柴油机上的实施，以共轨喷射系统替代目前尚在许多场合使用的单体泵或泵喷嘴系统的趋势将进一步加快，而废气再循环（EGR）在所有重要的燃烧过程中的应用推动了共轨喷射系统方案的实施。

由此产生的发动机对部分负荷时最高喷油压力的需求只能由带蓄压器的喷射系统采用液力方式才能有效地实现。

Bosch公司的产品系列以共轨系统（CRS）的2种变型来支持高负荷运转工况的燃烧过程设计。

CRSN3.3系统提供了可挑选的柔性多次喷射自由度，它可用于采用高增压压力和高EGR率的燃烧过程。

目前，喷油压力为220～250 MPa的产品分级可满足匹配特殊发动机的需求。

CRSN4.2增压式共轨喷射系统能提供可选择喷油开始时喷油速率的柔性功能，故能降低对氮氧化物（NOx）敏感的特性曲线场范围内的NOx形成。

在与传统共轨喷射系统相同的喷油压力下，增压式共轨喷射系统生成NOx较少有利于降低高负荷运转工况下的燃油耗。

此外，还能减少发动机在进气增压和废气流冷却方面的费用。

在发动机采用增压式共轨喷射系统进行全面优化时，实际行驶循环的燃油耗最多能降低3.5％。

预测表明，在4年使用期内，欧洲长途运输由此而削减的二氧化碳（CO2）排放高达200 t，并能节省10 000欧元的燃油成本。

（1）系统设计增压式共轨系统的基本结构具有以下众所周知的共轨系统部件及功能：（1）高压泵供应燃油；（2）共轨储存压力，并将燃油分配到各个气缸；（3）喷油器喷射燃油。

与传统共轨系统的最大区别是系统中产生压力的功能被分成两级：高压泵作为产生压力的第1级，将燃油压缩到25～90 MPa范围；第2级由集成在喷油器中的增压装置，即1个阶梯型柱塞，将燃油增压到额定喷油压力210 MPa，而增压装置由其自身的电磁阀来控制。

这种带增压装置的系统配置对于开发先进的发动机方案具有以下优点：（1）柔性和高液力效率的喷油特性曲线可优化高负荷运转工况的燃油耗；（2）共轨压力≤90 MPa的预喷射和后喷射降低了油束的动量，减小了燃油对气缸工作表面的浸湿及对发动机机油的稀释；（3）将喷油器中少数几个零件上承受最高压力的份额降至最少程度，而高压泵、共轨和高压油管最多只需按90 MPa压力来设计。

避免发动机机油掺入燃油是尽可能延长排气后处理装置使用寿命的重要环节，因此，增压式共轨系统将通常商用车上采用发动机机油润滑的高压泵传动机构改成燃油润滑的传动机构。

共轨选用与重型柴油机一样长度的结构型式，与紧凑型结构相比，它具有许多优点：（1）高压油管的变型数目减少了30%；（2）高压油管结构紧凑；（3）减小了共轨 高压油管 喷油器中的压力波动；（4）因共轨和高压油管的连接刚度好，降低了振动加速度。

（2）增压式共轨系统中的喷油器由于对其提出的任务和要求不同，商用车发动机用的第4代喷油器与老产品有所不同。

这主要体现在功能及设计方面，故在形式上考虑采用增压式喷油器，并缩小了最初采用电执行器行使原来喷射及控制功能的喷油器（包括喷油器中的构件）尺寸，使其只占普通商用车发动机共轨系统喷油器的一小部分，为扩展功能范围提供了空间。

通过使用新开发的2/2路压力平衡电磁阀，并与喷嘴针阀直接液力连接，成功地实现了超微型化。

同时，与已用于Bosch第3代轿车喷油器的喷嘴模块相组合，从而获得结构紧凑且动态性能高的喷油模块，并具有典型喷油器的完整功能。

模块化结构方案具有许多优点，第4代喷油器完全参照这种方案来设计，因此，目前要扩展的可变增压功能也被设计成模块形式，即压力放大模块及其附属的控制模块。

压力放大器模块起着在喷油器中产生高压的作用，其功能原理类似液压柱塞的工作原理：液体压力（即当前共轨中的系统压力）通过面积比转换成较小面积下液柱的较高压力，因此，两者间的面积比决定了压力放大的倍数。

这种由几何尺寸所决定的、固定不变的压力放大器放大倍数与共轨系统原理所形成的、可自由分级的系统压力相结合，能使增压后的压力覆盖从最低到最高的整个压力范围。

因此，根据当时所设定的目标，通过选择恰当的放大器放大倍数，能够将喷油压力和液力效率调整到尽可能理想的折衷位置。

为使这种喷油器能在有或无压力放大模块的情况下工作，已将压力放大功能件设计成可更换的选装件。

因此，它同将压力放大功能与喷油器的喷射功能直接耦合的其他设计方案有很大的差异。

通过开发和集成另一种模块，即控制模块，第4代喷油器已实现了这种自由度。

在喷油时，根据特性曲线场中的运转工况点，只须采用共轨压力喷射或增压喷射燃油，然后由控制模块阻止或激活压力放大器的柱塞运动。

这种控制功能由一种专为这种用途新开发的、直接控制的3/2路电磁阀进行切换，由该电磁阀操纵压力放大器的控制室与共轨压力断开，并旁通到燃油回油管路。

由于控制室的液力卸载，使得压力放大器共轨压力作用侧的力剩余，于是，压力放大器的柱塞就开始运动，集成在柱塞上的止回阀将高压室（此时仅由它来供应高压油喷射）关闭，所关闭的容积由相应的增压比被压缩到更高的压力水平。

在无需增压喷射时，压力放大器柱塞由于在弹簧力支持下达到力平衡而停留在其上端位置，因此，除支持柱塞复位外，弹簧还保证在系统开始工作时柱塞始终处于同一位置，因而在无需增压喷射时，燃油经过压力放大器柱塞和开启的止回阀流向喷油嘴。

借助模块化设计，使上述功能的组合成为可能，这样能显示出第4代喷油器的特点：将喷油控制与压力放大控制的功能块分开，这样有可能实现喷油特性曲线的柔性设计，不仅能在无增压喷射和增压喷射之间进行选择，而且能在与喷射始点无关的情况下控制压力放大始点，从而获得靴形、斜坡形和矩形喷油特性曲线，并与多次喷射能力相结合，为发动机研发人员提供了向更低燃油耗和排放及更高升功率进一步优化的技术可能性。

因此，针对不同用途的匹配，例如在不同地区或不同排放法规的情况下，只要借助于附加的自由度就能满足要求。

由于在喷油器中集成了增压功能，减少了喷油器下半部分承受高压的零件数目，而高压泵、高压油管、共轨，以及喷油器的大部分都只承受共轨压力。

这里由压力所引起的、对零件提出的要求较少，而其下半部分的压力提升也变得非常容易。

另外，制造和批量生产中的调整也从喷油器的模块化结构中获益非浅，因为，这些模块能对其功能值或误差逐个进行试验。

（3）高压泵系列在两级产生高压的第1级中，采用了CPN5高压泵系列中的CPN5-9/2高压泵，即第5代高压泵（90 MPa），它具有2个柱塞。

通过对基本设计方案的进一步升级开发，这种高压泵方案还能满足未来共轨系统更高的系统要求，在相同甚至减轻泵质量的情况下，能够明显提高液力功率。

CPN5高压泵系列以直列泵原理为基础。

它与这种功率范围内的其他高压泵不同，用燃油润滑替代了发动机机油润滑。

促使这种基本方案变更的主要原因是对排放（特别是颗粒排放）的要求进一步提高。

虽然，机油润滑方案能将由工作原理所产生的、沿泵油柱塞的燃油泄漏对机油的损害降至最低程度，然而，燃油润滑方案却能使机油回路和燃油回路彻底分开，因此，完全防止了燃油对机油的侵害。

燃油的润滑性较差会影响可靠性，不过，这种影响可通过结构设计和制造措施予以避免。

为此，有针对性地通过摩擦副有利于流动的设计及其周边环境，促进彼此相对运动的零件之间建立润滑油膜。

因此，在凸轮传动机构中应用了滚轮座方案，它在轿车、轻型和中型商用车新型共轨系统CP4高压泵中的应用已证实是成功的。

另外，还使用了减少摩擦的涂层和特殊的轴承材料，以使改良的材料品质达到更满意的程度。

CPN5高压泵系列的特点是采用模块化结构，通过凸轮数目、柱塞直径和行程，以及对发动机的传动比等进行适当组合，其油量和压力谱能覆盖从250 MPa时250 L/h到90 MPa 时520 L/h的范围。

尤其，选择传动比和凸轮数目适当的组合有助于缩小喷油量的公差。

在组合恰当的情况下，能使泵油元件的供油行程与喷油同步，或每个喷油器都能对应分派到1个相同的泵油元件。

采用这种所谓的“喷油同步”或“泵油元件同步供油”，会使喷油压力特性曲线的偏差对各次喷射之间喷油量公差的影响降至最低程度。

第5代高压泵CPN5的模块化结构以CPN5-9/2为例。

低压燃油输送由1个集成在泵体上的齿轮泵来完成，而计量单元的电磁阀承担着油量的计量控制功能。

凸轮轴根据所选择的传动比组合具有2~3个凸轮，与泵油元件相对应。

带泵油柱塞的泵头用钢制成，并以单元形式装入油泵铝泵体中。

商用车对噪声排放的要求也越来越高，因此，对喷油系统提出了相应的要求。

为了降低燃烧噪声，除采取燃烧技术措施外，对喷油系统部件的要求也越来越高，目的是降低喷油系统的噪声。

其中，高压泵中产生压力是重要的噪声源之一。

由于压力及其能量转换进一步提高，对这些方面的要求就更高了。

影响油泵噪声的重要因素之一是基于柱塞运动的动力学。

从供油柱塞运动到将泵油室中的燃油封闭并开始压缩的时刻，是高压泵本身的重要噪声源。

作为整个系统噪声激励的发动机，油泵传动机构中的有效扭矩是一项重要参数。

这种扭矩先将传动机构朝转动方向压紧，而在松弛的时候，又使传动部件之间产生间隙，随即彼此产生金属冲击，发出一种独特的“丁零当啷”响声。

油泵进油阶段的反向扭矩具有相似的效应，只是具有相反的症状。

这种所谓的“扬声器效应”通过将噪声激励传递到发动机齿轮传动机构，并产生噪声，因而，扭矩已成为液力系统中的重要参数，必须对其进行优化，以达到最理想的噪声级。

通过凸轮几何形状廓线的合理设计，并降低扭矩波动的激励作用，能够达到最好的结果。

将油泵传动机构和发动机齿轮传动中的阻尼措施结合起来，能够明显降低噪声级。

（4）正确的策略由于人们要在非常短的项目工期内使汽车达到约193万km的使用寿命，因此，对产品和系统的适用性效果提出了较高的要求。

基于这一背景，制定并改用了一种最适用的新策略。

迄今为止，借助于标准的快速强化连续运转，试验方法通常仅查明产品当时最薄弱的环节，结果导致需要进行大量的重复工作。

在重新进行适用性考察的基础上，集中对使用寿命敏感的产品部件或机械零件进行有针对性的试验。

在调查部件时，应考虑到类似部件的经验或理论研究，其中，强化加速寿命试验起着重要作用。

在这种试验中，逐步提高温度和压力等重要参数，从而查明这些部件对这些参数变化的反应。

在上述基础上，与发动机制造商密切合作，查明在实际使用情况下的总负荷，然后，由此推导出定量加速寿命试验，这样就能在临界运转条件下进行有针对性的、与部件有关的精确试验，而这种临界运转条件显然是与实际情况下的使用寿命相互制约的。

单个产品的模块化结构形式有利于这种试验方法，因此能够充分利用时间，同时进行各种不同部件和机械零件的优化，并证实其适用性。