電噴柴油技術(shù) 回顧(圖)

柴油汽車是什么樣子的？或許很多中國(guó)人還對(duì)柴油車的噪音心有余悸，在筆者印象中，小時(shí)候見(jiàn)到的柴油車主要是農(nóng)村田間耕地用的拖拉機(jī)、大卡車、推土機(jī)，后來(lái)，隨著對(duì)汽車的認(rèn)識(shí)，發(fā)現(xiàn)柴油機(jī)還有很多領(lǐng)域在應(yīng)用，比如發(fā)電機(jī)、輪船、坦克、筑路機(jī)等重型機(jī)械。但總而言之，柴油機(jī)給我們的樣子都是不折不扣的“干粗活”的大塊頭。以致很多人還是拿著原來(lái)的目光檢驗(yàn)著現(xiàn)在的柴油乘用車。

電噴柴油技術(shù) 回顧

眾所周知，盡管20世紀(jì)30年代就已經(jīng)有了柴油乘用車，但早期柴油車的發(fā)展源于二戰(zhàn)時(shí)期蘇軍T-34坦克的獨(dú)特命運(yùn)——由于T-34坦克采用柴油機(jī)，即使中彈也不容易起火，成為戰(zhàn)場(chǎng)上的佼佼者。現(xiàn)在的中國(guó)市場(chǎng)如同早期的國(guó)際市場(chǎng)，消費(fèi)者談到柴油車時(shí)，常常會(huì)笑言“柴油車最大的好處是不會(huì)著火”。但隨著柴油技術(shù)日益發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越發(fā)現(xiàn)柴油機(jī)的無(wú)窮魅力：高扭矩、高壽命、低油耗、低排放，柴油機(jī)成為解決汽車能源問(wèn)題最現(xiàn)實(shí)和最可靠的手段。如今歐洲每推出一款新車都會(huì)配有柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的車型，而在中國(guó)能夠?qū)崿F(xiàn)這一舉措的可能只有一汽-大眾公司。但一個(gè)不爭(zhēng)的現(xiàn)實(shí)擺在了我們面前：隨著能源危機(jī)，溫室效應(yīng)的逐漸增加，人們對(duì)動(dòng)力性要求的提高，盡管電子燃油噴射已經(jīng)被廣泛使用，僅僅靠汽油車的解決方案不足以解決這些問(wèn)題。所以在汽車工業(yè)的腹地——德國(guó)一刻也沒(méi)有停止對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的研究。即使在國(guó)內(nèi)，目前采用柴油機(jī)也只有10余款，分別為捷達(dá)、寶來(lái)、奧迪、開(kāi)迪、江淮瑞風(fēng)等5款乘用車，福田沖浪、江鈴陸風(fēng)、華泰特拉卡、上海萬(wàn)豐、遼寧曙光等5款SUV。瑞風(fēng)柴油車所搭載的2.5升柴油機(jī)是引進(jìn)韓國(guó)現(xiàn)代汽車公司D4BH發(fā)動(dòng)機(jī)，而一汽-大眾的4款柴油乘用車均采用德國(guó)大眾與博世公司合作的柴油機(jī)，這5款柴油乘用車全部是柱塞泵、泵噴嘴技術(shù)。

柴油機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是：省油、環(huán)保、動(dòng)力強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)、維修方便，只要解決缺點(diǎn)就具有更大的市場(chǎng)前景，而實(shí)現(xiàn)電控柴油機(jī)的方案現(xiàn)在看來(lái)是一個(gè)很好的解決措施。實(shí)現(xiàn)柴油控制有三條技術(shù)路線圖，分別是單體泵、泵噴嘴和高壓共軌。目前主要的國(guó)際汽車配件供應(yīng)商都在進(jìn)行著柴油共軌噴射系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，如：博世、德?tīng)柛！⑽鏖T子、電裝公司、VDO和瑪格納-馬瑞利公司，它們是全球主要的共軌噴射系統(tǒng)供應(yīng)商，而目前在國(guó)內(nèi)生產(chǎn)共軌柴油噴射系統(tǒng)的還只有博世一家。下面分別介紹三種技術(shù)：

1.單體泵技術(shù)

德?tīng)柛Ｔ谥匦蛙嚿喜捎脝误w泵系統(tǒng)。從成本上講，國(guó)內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)從歐Ⅱ向歐Ⅲ升級(jí)時(shí)，如果采用單體泵，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)改動(dòng)非常小，僅以外掛式的凸輪軸箱代替歐Ⅱ發(fā)動(dòng)機(jī)的直列泵就可。當(dāng)從歐Ⅲ向歐Ⅳ升級(jí)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)身主體結(jié)構(gòu)仍然不變，只要把歐Ⅲ系統(tǒng)里機(jī)械式噴油器改成德?tīng)柛５碾娍貒娪推�，形成雙電磁閥單體泵系統(tǒng)，在發(fā)動(dòng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)不做大的調(diào)整下，就可以達(dá)到歐Ⅳ的排放水平。單體泵的外形如圖1所示。單體泵系統(tǒng)控制如圖2所示。

圖1 單體泵的外形圖

圖2 單體泵控制油路

 在性能方面，目前在國(guó)內(nèi)單體泵使用的壓力達(dá)到200MPa，當(dāng)向歐Ⅳ升級(jí)，這個(gè)壓力可以達(dá)到250 MPa。在單體泵上采用了類似于共軌I2C的系統(tǒng)一致性控制，來(lái)優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)的性能。在供油控制方面，如果使用雙電磁閥單體泵系統(tǒng)，不僅可以對(duì)壓力進(jìn)行控制，還可以對(duì)噴射進(jìn)行控制，而且還可以采用多次噴射。它可以達(dá)到歐Ⅳ或者歐Ⅴ的標(biāo)準(zhǔn)。目前，德?tīng)柛５碾p電磁閥單體泵系統(tǒng)在歐洲大批量生產(chǎn)，主要供應(yīng)給歐Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)動(dòng)機(jī)，歐Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)系統(tǒng)正在做開(kāi)發(fā)工作。

單體泵系統(tǒng)的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)就是它的可靠性和壽命，這些性能已經(jīng)在歐洲和北美市場(chǎng)上得到了10年甚至是15年的實(shí)際使用時(shí)間、數(shù)百萬(wàn)輛整車使用的證明。單體泵系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)使用過(guò)程中，可以保證排放和燃油消耗率低。目前，這種非常強(qiáng)化、非�？煽康男阅芎褪褂脡勖�，仍然在進(jìn)一步提高。所以，從德?tīng)柛５挠^點(diǎn)來(lái)看，在技術(shù)方面，相信在2010年之前，所有歐洲和北美的重型車生產(chǎn)商絕大多數(shù)會(huì)采用單體泵系統(tǒng)和泵噴嘴技術(shù)。德?tīng)柛Ｒ苍谘邪l(fā)2010年以后新的排放法規(guī)所要求的新的系統(tǒng)。

2.泵噴嘴技術(shù) 

優(yōu)良的混合氣是提高柴油發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性；降低排放率、噪音率的關(guān)鍵因素。這就要求噴射系統(tǒng)產(chǎn)生足夠高的噴射壓力，確保燃油霧化良好，同時(shí)還必須精確控制噴油始點(diǎn)和噴油量。而泵噴嘴系統(tǒng)能夠符合上述的嚴(yán)格要求。因此，早在1905年柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的創(chuàng)始人Rudolf diesel 先生就提出了泵噴油器概念，設(shè)想將噴油泵和噴嘴合成一體，省去高壓油管并獲得高噴射壓力。20世紀(jì)50年代，間歇控制泵噴射系統(tǒng)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)就已應(yīng)用在輪船及卡車上。之后，Volkswagen和Robert Bosh AG公司合作研制出適用于乘用車的電磁閥控制泵噴射系統(tǒng)。泵噴嘴的結(jié)構(gòu)如圖3所示。泵噴嘴系統(tǒng)工作示意圖如圖4所示。

圖3 泵噴嘴結(jié)構(gòu)圖及示意圖

圖4 泵噴嘴系統(tǒng)工作示意圖

其中主要部件作用如下：
 
（1）單向閥：發(fā)動(dòng)機(jī)不工作時(shí)，防止燃油回流。
 （2）旁通閥：若燃油內(nèi)有空氣，則通過(guò)此處排出。
 （3）節(jié)流孔與過(guò)濾器：收集、分離供油管內(nèi)的氣泡。
 （4）限壓閥1：調(diào)節(jié)供油管內(nèi)壓力大于0.75MPa時(shí)打開(kāi)。
 （5）限壓閥2：保持回油管內(nèi)壓力在0.10MPa。
 （6）燃油泵：燃油泵是間歇式葉片泵，其優(yōu)點(diǎn)是在較低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)也可供油。泵體內(nèi)油道使油泵轉(zhuǎn)子始終處于被燃油浸潤(rùn)的狀態(tài)，從而可隨時(shí)輸送燃油。如圖5所示。

圖5 燃油泵油路連接圖

 （7）燃油分配管集成：燃油分配管集成在缸蓋內(nèi)的供油管內(nèi)，其功能是等量向各泵噴嘴分配燃油，在此，燃油與受熱燃油混合，并被泵噴嘴強(qiáng)制流回供油管。使供油管內(nèi)流向各缸的燃油溫度一致。所有泵噴嘴被提供相同量的燃油，使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。否則，泵噴嘴的油溫將會(huì)不同，并且泵噴嘴被提供不同質(zhì)量的燃油。這將會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)并將在前幾個(gè)缸中產(chǎn)生極度高溫。燃油分配管如圖6所示。

圖6 燃油分配管

 （8）燃油冷卻泵：使冷卻液在冷卻環(huán)路中循環(huán)。當(dāng)燃油溫度達(dá)到70℃，發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元通過(guò)燃油冷卻泵繼電器將其接通。
 在國(guó)內(nèi)很多的乘用車上使用泵噴嘴，如：寶來(lái)TDI、途安TDI和奧迪TDI等。泵噴嘴技術(shù)相對(duì)于之前的技術(shù)（如柱塞泵），已經(jīng)具有明顯改進(jìn)，而其最大的好處是大大增加了噴油壓力，其渦輪增壓泵噴嘴的噴射壓力都能達(dá)到200MPa以上。由于噴射壓力直接影響柴油燃燒做功效率，因此，泵噴嘴的燃燒效率很高。

3.高壓共軌技術(shù)

“CRDI”是英文Common Rail Direct Injection的縮寫，意為高壓共軌柴油直噴技術(shù)，CRDI技術(shù)和SDI（自然吸氣直接噴射柴油發(fā)動(dòng)機(jī)）技術(shù)、TDI（直噴式渦輪增壓柴油發(fā)動(dòng)機(jī)）技術(shù)均為德國(guó)博世公司研發(fā)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)。共軌系統(tǒng)由高壓泵、噴油管、高壓蓄壓器（共軌）、噴油器、電控單元和傳感器及執(zhí)行器組成。

共軌式噴油系統(tǒng)主要的貢獻(xiàn)就是將噴射壓力的產(chǎn)生和噴射過(guò)程彼此完全分開(kāi)，通過(guò)對(duì)共軌管內(nèi)的油壓實(shí)現(xiàn)精確控制，使高壓油管壓力大小與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速基本無(wú)關(guān)。這一柴油發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的創(chuàng)新最大限度地降低了柴油發(fā)動(dòng)機(jī)車型的振動(dòng)和噪聲，同時(shí)將油耗進(jìn)一步降低，使排放更加清潔。但共軌技術(shù)的噴油壓力低于泵噴嘴系統(tǒng)，一般只能達(dá)到160MPa左右。由于噴油壓力調(diào)節(jié)寬泛，采用共軌技術(shù)的柴油車能更好地適應(yīng)各種工況，起步也不會(huì)困難。

博世公司首家于1997年開(kāi)始批量生產(chǎn)共軌燃油噴射系統(tǒng)的乘用車，當(dāng)時(shí)博世和奔馳聯(lián)合推出共軌技術(shù)柴油奔馳C級(jí)別車，而在當(dāng)時(shí)阿爾法羅密歐156也是最早使用高壓共軌的乘用車之一。在國(guó)產(chǎn)車中，華泰現(xiàn)代使用的是共軌噴射系統(tǒng)。柴油共軌系統(tǒng)已開(kāi)發(fā)了3代。

 第一代共軌高壓泵總是保持在最高壓力，導(dǎo)致燃油的浪費(fèi)和很高的燃油溫度。第一代共軌系統(tǒng)為商用車設(shè)計(jì)的，最高噴射壓力為140MPa，乘用車噴射壓力為135MPa。

第二代共軌系統(tǒng)可根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)需求而改變輸出壓力，并具有預(yù)噴射和后噴射功能。帶有控制油量的油泵，噴射壓力能達(dá)到160MPa。即使在壓力較低的情況下，該系統(tǒng)也可以根據(jù)實(shí)際狀況提供適量的噴油壓力。不僅有助于降低燃油消耗，而且還可以降低燃油溫度，從而省去燃油冷卻裝置。預(yù)噴射降低了發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲：在主噴射之前百萬(wàn)分之一秒內(nèi)少量的燃油被噴進(jìn)了汽缸壓燃，預(yù)熱燃燒室。預(yù)熱后的汽缸使主噴射后的壓燃更加容易，缸內(nèi)的壓力和溫度不再是突然地增加，有利于降低燃燒噪音。在膨脹過(guò)程中進(jìn)行后噴射，產(chǎn)生二次燃燒，將缸內(nèi)溫度增加200～250℃，降低了排氣中的碳?xì)浠�合物。博世公司的第二代共軌系統(tǒng)產(chǎn)品已經(jīng)在沃爾沃的S60、V70D5及寶馬的230d等乘用車上試用。

第三代共軌系統(tǒng)帶有壓電直列式噴油器。2003年，第三代共軌系統(tǒng)面世，壓電式（piezo）共軌系統(tǒng)的壓電執(zhí)行器代替了電磁閥，于是得到了更加精確的噴射控制。省去了回油管，在結(jié)構(gòu)上更簡(jiǎn)單。壓力從20～200MPa彈性調(diào)節(jié)。最小噴射量可控制在0.5mm3，減小了煙度和NOX的排放。最高噴射壓力達(dá)到180MPa。此套采用新研發(fā)的壓電直列式噴油器的系統(tǒng)使帶預(yù)噴和后噴的噴油率曲線范圍更為自由。

與其它噴射系統(tǒng)相比，共軌系統(tǒng)把壓力產(chǎn)生與實(shí)際燃油噴射過(guò)程分離�！败墶北蛔鳛楦邏盒顗浩鳎�其內(nèi)部燃油壓力始終保持與發(fā)動(dòng)機(jī)具體工況相適應(yīng)的最佳壓力。共軌系統(tǒng)可被輕易地安裝到各類不同的發(fā)動(dòng)機(jī)中。除此之外，共軌系統(tǒng)還提供了更廣闊的擴(kuò)展功能和在燃燒過(guò)程設(shè)計(jì)上更多大的自由度，它可以使柴油發(fā)動(dòng)機(jī)以更低的排放、更好的燃油經(jīng)濟(jì)性和低噪聲運(yùn)行。電控共軌系統(tǒng)，是國(guó)內(nèi)專家一致認(rèn)為目前水平最高、將來(lái)會(huì)占統(tǒng)治地位的一種電控系統(tǒng)。其噴油器的特殊設(shè)計(jì)，可實(shí)行靈活的多次噴射，且噴射壓力可在不同轉(zhuǎn)速和負(fù)荷條件下任意調(diào)節(jié)，給發(fā)動(dòng)機(jī)帶來(lái)的好處是極為理想的指標(biāo)。由于這些因素，電控共軌技術(shù)已普遍為新一代乘用車柴油發(fā)動(dòng)機(jī)采用。