国IV之后柴油机三种燃油喷射系统对比及其技术发展趋势

国Ⅳ之后柴油机三种燃油喷射系统对比及

其技术发展趋势

司康

２０１１年１２月２９日，国家环保部“关于实施国

家第四阶段车用压燃式发动机与汽车污染物排放标

准的公告”正式出台。公告要求：自２０１３年７月１

日起，所有生产、进口、销售和注册登记的车用压燃

式发动机与汽车必须符合国Ⅳ标准。

随着国Ⅳ排放标准全面实施日期的临近，从目

前国内主要商用车企业已申报和正在申报的国Ⅳ汽

车与发动机产品公告、以及“十二五”国Ⅳ、国Ⅴ柴

油发动机开发计划来看，其燃油喷射系统主要采用

电控高压共轨，少数产品采用电控单体泵和泵喷嘴。

下面分别就这三种喷射系统的优缺点及其技术发展趋势作一对比介绍。

电控泵喷嘴系统是将油泵和油嘴做成一体直接安装于气缸盖上，由顶置凸轮轴驱动。顶置凸轮轴必须具有极高的硬度和刚度以承受喷油器产生的高压，同时，凸轮轴的驱动系统也需专门设计。其最大优点是能够减轻或者消除在柴油流动和喷射过程中高压油管内压力波的影响。因为这个压力波会妨碍喷油系统与负荷转速的良好匹配，并随着高压管的增长而增大。此系统结构紧凑、喷射压力高，低速和小负荷时燃油喷射稳定性好，具有较好的控制灵活性，低速时发动机综合性能显著改善。

电控泵喷嘴系统主要设计原理是通过气缸盖顶端的顶置凸轮轴直接驱动燃油形成高压，如图１所示为该系统布置示意图。由于没有了额外的高压燃油管路，故消除了管路压力损失并避免了管路泄漏的可能。同时因为燃油增压与喷射装置的一体化，故可以在短时间内高效高压完成燃油喷射并对其喷油量、压力、正时进行灵活控制。该系统的喷油压力一般都超过共轨系统和单体泵系统所能够达到的水平。

由于该系统发动机缸盖顶置凸轮轴的结构特点，加大了缸盖刚度、强度的设计要求。按国外产品经验，采用该系统的发动机，气缸内能够承受的最大爆发压力一般需要达到20MPa。该系统的最大优势是可以形成更高的喷射压力，从而使得发动机具备国Ⅳ、国Ⅴ排放升级的潜力。因为对发动机缸盖的设计难度增大，从近期国内主要商用车企业已申报和正在申报的国Ⅳ发动机产品公告来看，到目前为止国内还没有此种系统的实际应用。

单体式喷油泵简称单体泵。将整体式喷油泵化整为零安装在发动机每个气缸上，燃油喷射由各自的独立喷射单元来完成。喷油泵与喷油嘴之间用一根很短的高压油管相连。电控单体泵系统是在泵喷嘴系统的基础上衍生出来的，除了压力比泵喷嘴稍低一点外，其他功能基本和泵喷嘴相近。

单体泵系统主要由柱塞、柱塞套筒、回位弹簧、弹簧座、出油阀、出油阀座、出油阀弹簧、出油阀压紧螺帽等零件组成

。

作为在国内外都有着成熟应用的电控单体泵技术，其系统基本布置是：将油泵柱塞驱动与发动机配

１电控泵喷嘴系统

２电控单体泵系统

图１电控泵喷嘴系统布置示意图

图３电控高压共轨系统基本布置示意图

气机构所需凸轮轴整合为一体，包含在机体内部，从而实现油泵到喷油器的燃油管路最短化。发动机工

作时则通过发动机周边安装众多的传感器以检测发动机状态，作为控制油泵电磁阀开启时间的输入信息，对燃油喷射量、喷射正时实行电子控制。其主要工作原理是通过电子系统对喷入气缸的喷油量、喷油正时进行精确、柔性的控制，以及通过油泵结构设计的优化进而实现对喷油气缸喷油压力的提高，从而改善发动机的燃烧工作过程，最终在有效降低发动机的排放水平以满足法规要求的同时，还能够较大改善发动机的燃油经济性、噪声特性。

图２所示为电控单体泵系统布置示意图，该系

统已在欧美成功使用了十多年，被公认为性能优越、稳定可靠的电控燃油喷射系统之一。此系统主要包括一个带有出油控制阀的高压油泵、机械喷油器，以及连接所需的燃油管路、滤清系统。其技术的主要特征是在发动机机体上集成喷油泵的功能，并通过在油泵上加装电磁阀控制其出油时间、油量，从而达到燃油喷射优化的目的。其油泵与发动机配气机构共用一根凸轮轴，从而在结构上使其最大程度得到简化，并缩短了油泵出油口到喷油器的管路距离。由于在油泵的出油口加装了精确燃油计量、时间控制的电磁阀，因而能够对喷油正时和喷油量进行较为精确的控制，有利于燃烧过程的优化。

该系统油泵提升压力原理与直列泵类似，所以其喷油规律为“三角形”的前缓后急的特征，一定程度上有利于燃烧过程的优化，最高压力可达到１８００～２０００ｂａｒ。但由于油泵压力和发动机转速成正比，低转速区域压力较低，因而不利于柴油机低速时燃烧性能的提高。在国Ⅲ排放要求阶段，喷油器的喷

油开启方式仍是依靠弹簧压力控制。

进入国Ⅳ阶段，需将机械式喷油器改成电控喷油器，形成双电磁阀单体泵系统，燃油喷射压力相应提高到２５００ｂａｒ，并

采用系统一致性控制，来优化整个喷射过程，并且可以实现多次喷射。如此在对发动机整体结构不做大的调整下，可以达到国Ⅳ排放水平，并具有升级到国Ⅴ排放的潜力。

目前，国内商用车企业配套使用的电控单体泵系统来源主要有：德尔福单体泵、衡阳单体泵和威特单体泵等。在国内产品的应用中，考虑到重新设计发动机机体需要对现有发动机的铸造、加工生产线有较大地变动，为控制成本，国Ⅲ阶段一般都采用外挂式单体泵，但这种设计，对噪声、振动会有一定的负面影响。国Ⅳ阶段则与欧美产品接轨，普遍采用半内置式单体泵系统。

３．１结构和特点

目前国内商用车企业的大多数中重型国Ⅲ、国Ⅳ柴油机都采用了电控高压共轨技术。该系统的基本结构是：增设用来存储高压燃油的共轨管，由ECU 根据实际使用工况条件对燃油喷射过程实行精确控制，通过控制喷油器电磁阀开启时刻、持续时间从而控制喷射提前角、燃油喷射量，通过控制高压油泵电磁阀开启持续时间从而控制共轨油管内的

燃油压力。

其目的是在一定的发动机进气条件下，通过对喷入气缸的喷油量、喷油压力、喷油正时、喷油

次数等进行精确控制从而改善发动机的燃烧工作过程，在有效降低发动机的排放水平的同时，还能够改善发动机的经济性、燃烧噪声等。图３所示为电控高压共轨系统基本布置示意图，该系统已经在欧、美、日成功使用了多年，并被公认为是性能最优越、

可靠

图２电控单体泵系统布置示意图

３

电控共轨系统