噴油系統(tǒng)
——滿足未來排放限值要求的關(guān)鍵部件

【德】 Theobald J Schintzel K Krause A Doerges U

1 不斷提高的要求

無論是汽油機(jī)還是柴油機(jī)，通過采用直接噴射技術(shù)，使發(fā)動(dòng)機(jī)的功率值得到進(jìn)一步改善，同時(shí)也明顯降低了原始排放。Volkswagen公司自1999年起就開始量產(chǎn)直接噴射汽油機(jī)，并且汽油機(jī)缸內(nèi)直接噴射技術(shù)得到了不斷的發(fā)展。首先是采用充量分層的燃油分層噴射技術(shù)和旋流式噴油器，然后從2005年起，在雙增壓燃油分層噴射（TSI）汽油機(jī)上將增壓與均質(zhì)直接噴射相結(jié)合，并通過實(shí)施小型化策略，在降低排放的同時(shí)挖掘了進(jìn)一步降低二氧化碳（CO2）排放的潛力。在TSI機(jī)型上還首次應(yīng)用了多孔噴油器，以進(jìn)一步改善混合氣形成。

由于汽油機(jī)和柴油機(jī)的平均壓力水平都在提高，對(duì)噴油器和高壓燃油泵等關(guān)鍵部件必須進(jìn)一步研發(fā)。這2種類型的發(fā)動(dòng)機(jī)在上述方面都取得了顯著的進(jìn)步，目的是盡可能為發(fā)動(dòng)機(jī)小型化所需的噴油量作好準(zhǔn)備，面對(duì)燃油耗和廢氣排放方面嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。由于氣缸數(shù)減少和燃燒室容積的減小，對(duì)噴油系統(tǒng)提出了更高的要求，從而能夠充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)小型化在質(zhì)量、燃燒過程和摩擦功率等方面的優(yōu)勢(shì)。此外，由于發(fā)動(dòng)機(jī)被用于全球各個(gè)領(lǐng)域，噴油系統(tǒng)面臨各種不同品質(zhì)燃油的挑戰(zhàn)。同時(shí)，對(duì)噴油精度也提出了更高的要求，發(fā)動(dòng)機(jī)各缸之間噴油量的偏差在20 MPa試驗(yàn)壓力下要達(dá)到＜5%，而且對(duì)最小穩(wěn)定噴油量提出了要求，規(guī)定在多次噴射和20 MPa共軌壓力下每次噴射脈沖＜2 mg，噴油持續(xù)時(shí)間＜0.5 ms。

近年來，柴油機(jī)面臨著最小噴油量控制的難題，目前最小噴油量為0.5 mg，未來要求在200 MPa和更高的壓力下，最小噴油量要控制在0.2～0.3 mg范圍內(nèi)。

2 柴油機(jī)的噴射

2007年，Volkswagen公司的柴油機(jī)就已開始轉(zhuǎn)向采用共軌噴射技術(shù)，更重要的是對(duì)排氣后處理的要求越來越高，在這一背景下，共軌噴射系統(tǒng)在控制柔性和精度方面取得了進(jìn)一步的進(jìn)展。

在伺服式共軌噴油器上，應(yīng)用壓電技術(shù)主要是為了確保較小的噴射間隔的同時(shí)，要使具有更多次的噴射能力成為可能。特別是在間隔時(shí)間方面，也能采用Bosch公司的電磁閥式噴油器進(jìn)行控制，以達(dá)到總體上較低成本的目的，而且還能進(jìn)一步提高噴油壓力。磁感應(yīng)調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)換速度與壓力平衡轉(zhuǎn)換閥相結(jié)合可達(dá)到所必需的調(diào)節(jié)精度，從而獲得滿足歐5和歐6排放標(biāo)準(zhǔn)要求的噴油系統(tǒng)方案。圖1示出了噴油壓力高達(dá)180 MPa的CRI2.18 型電磁閥式噴油器。在此期間，在Volkswagen 2.0 L 增壓直噴式柴油機(jī)上，這種噴油器幾乎完全替代了CRI3.18型壓電噴油器。

帶有壓電直接控制式噴油嘴針閥的共軌噴油器發(fā)展動(dòng)向顯示，多次噴射具有進(jìn)一步發(fā)展的潛力，而且，即使經(jīng)過長時(shí)間運(yùn)行后，仍能具有非常穩(wěn)定的最小噴油量。在這種噴油器上，噴油嘴針閥不再是間接地通過伺服閥，以及由此產(chǎn)生的針閥座與針閥背側(cè)之間的壓力差來控制，而基本上是通過針閥與壓電調(diào)節(jié)器的幾何形狀連接之后直接控制的。

目前，在市場上有2家壓電直接驅(qū)動(dòng)式噴油器供應(yīng)商。Delphi公司供應(yīng)2008 年推出的DFI-3.0噴油器，這種噴油器已在市場上大量使用，其特點(diǎn)是具有1個(gè)中間轉(zhuǎn)換的液力增壓器，它與1個(gè)閉鎖彈簧相結(jié)合，一方面將壓電執(zhí)行器的行程放大到合適的噴油嘴針閥行程，另一方面確保噴油嘴針閥緊密關(guān)閉處于無泄漏的狀態(tài)。這種噴油器在工作時(shí)通過執(zhí)行器斷電來開啟，而在噴油間隔期間施加電壓來關(guān)閉。另一個(gè)特點(diǎn)是在這種噴油器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案中，壓電執(zhí)行器被安裝在噴油器內(nèi)部，靠近噴油嘴一側(cè)的與共軌相通的容積中，能夠達(dá)到明顯降低對(duì)壓力波敏感性的目標(biāo)。此外，還贏得了對(duì)電氣絕緣方面的挑戰(zhàn)。

曾多次介紹過Continental公司新一代壓電直接控制式噴油器（圖2）的產(chǎn)品特點(diǎn)。這種壓電噴油器通過機(jī)械式杠桿裝置將壓電執(zhí)行器迎著噴油嘴針閥開啟方向的伸展行程翻轉(zhuǎn)過來，集成在其中的行程轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生噴油嘴針閥所必需的升程，使得在針閥開啟狀態(tài)時(shí)閥座處不會(huì)出現(xiàn)節(jié)流。

由于噴油量越來越小且精確，對(duì)噴油量和噴油定時(shí)的精度要求也明顯提高。除了許多已眾所周知且批量應(yīng)用的修正功能之外，還運(yùn)用了一種令人感興趣的“閉環(huán)”調(diào)整方案，為使將來在這種情況下，對(duì)噴油器裝置內(nèi)部機(jī)械和電子零件進(jìn)行誤差補(bǔ)償。噴油嘴針閥頂端劇烈的速度變化會(huì)轉(zhuǎn)化成一種可利用的電容信號(hào)變化，因而在針閥升程之間存在著所謂的“在線”調(diào)整噴油時(shí)刻的可能性，因此，能夠?qū)φ麄€(gè)壽命期內(nèi)壓電執(zhí)行器或針閥座所發(fā)生的變化和偏差進(jìn)行補(bǔ)償。

3 噴油規(guī)律的造型

由于在壓電直接驅(qū)動(dòng)式噴油器上能夠運(yùn)用噴油規(guī)律造型，因此能挖掘出一些其他的潛力。雖然目前大量生產(chǎn)中所使用的噴油器系統(tǒng)每次燃燒過程能夠進(jìn)行高達(dá)8次噴射，但噴油過程之間的間隔基本上不能少于幾微秒。特別是在噴油器中還存在壓力波敏感性問題，即使采取了阻尼節(jié)流和平衡算法，但往往還是會(huì)導(dǎo)致不容忽視的影響。圖3示出了一種稱為“靴形噴射”的噴油規(guī)律，以及其與傳統(tǒng)的彼此間有中斷間隔的多次噴射規(guī)律的比較，這些多次噴射有助于降低怠速噪聲，以及運(yùn)行工況區(qū)域內(nèi)的廢氣排放。

4 泄漏

迄今為止，共軌噴射系統(tǒng)的重要缺陷是噴油器系統(tǒng)的內(nèi)在泄漏。這一方面涉及到不可避免的伺服閥轉(zhuǎn)換時(shí)發(fā)生的泄漏，另一方面還涉及到可優(yōu)化的針閥和控制柱塞處的持續(xù)泄漏。試驗(yàn)已證實(shí)，這里的泄漏量通常在5～20 L/h范圍以內(nèi)，處于發(fā)動(dòng)機(jī)原本所需的燃油量范圍內(nèi)，這明顯有利于降低CO2排放。綜上所述，Delphi公司的噴油器達(dá)到了所謂的“無泄漏噴油器”水平，而Continental公司的噴油器系統(tǒng)泄漏量明顯低于通常永久性泄漏的水平。

5 對(duì)排放的影響

單次噴油量依然較小，且具有新的自由度，特別是在高共軌壓力和多次噴射的情況下，能使廢氣排放明顯降低。應(yīng)用可精確定義的噴油規(guī)律，尤其在以發(fā)動(dòng)機(jī)高負(fù)荷進(jìn)行排放試驗(yàn)循環(huán)中，能夠提高廢氣再循環(huán)的適應(yīng)性，并能使一些運(yùn)行工況點(diǎn)的PM排放降低30%，同時(shí)還降低了壓力升高率和燃燒噪聲。采用較高的可應(yīng)用的噴油壓力，隨之就能改善碳煙PM 排放，這在柴油機(jī)開發(fā)中已眾所周知。

柴油機(jī)噴射的關(guān)鍵在于，在噴油嘴中要為壓力轉(zhuǎn)化為每次高效燃燒創(chuàng)造良好的條件：高的油束速度和盡可能小的油滴，以改善霧化效果及提高貴穿度。盡可能小的噴孔直徑及將噴孔進(jìn)口邊棱倒圓，并采取與協(xié)調(diào)的圓錐度相結(jié)合等先進(jìn)技術(shù)，始終是高性能噴油嘴的重要特點(diǎn)。這里，采用新型的侵蝕工藝也能獲得越來越高的噴油壓力轉(zhuǎn)化效率。但是，它們受到制造誤差的限制，若要求噴孔表面過于光滑，則還受到噴孔之間安全間距的限制。另外，為避免噴孔表面出現(xiàn)微型穴蝕，有可能需要對(duì)噴孔表面施加涂層。

6 汽油機(jī)的噴射技術(shù)

在采用缸內(nèi)汽油直噴的現(xiàn)代汽油機(jī)燃燒過程中，其噴霧設(shè)計(jì)取決于許多邊界條件，諸如噴孔直徑、噴油器位置或者流人氣缸的空氣運(yùn)動(dòng)等。因此，Volkswagen公司采用多孔噴油器（圖4）實(shí)施每個(gè)油束精確定位，是開發(fā)工作的重點(diǎn)之一。

在噴霧幾何形狀設(shè)計(jì)中，力求每個(gè)油束都充分利用燃燒室的容積。因此，應(yīng)對(duì)4孔、5孔、6孔和7孔噴油嘴分別進(jìn)行試驗(yàn)，其目標(biāo)是要達(dá)到盡可能好的充量均質(zhì)化。最終，哪種發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方案采用哪種噴霧幾何形狀取決于特定的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方案的各自試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果。在現(xiàn)經(jīng)改進(jìn)的下一代增壓分層噴射燃燒過程中，已精確地進(jìn)行了這方面的試驗(yàn)研究工作，其中除了優(yōu)化充量均質(zhì)化之外，還要試驗(yàn)一種方法，能設(shè)法避免噴人燃燒室的燃油與壁面有任何的接觸。

通過專門的噴孔設(shè)計(jì)，首先要減少燃油潤濕燃燒室頂面和活塞頂面的現(xiàn)象，以及靠近氣缸壁面處的碳?xì)浠衔锏臄?shù)量（壁面猝冷），從而明顯降低有害物排放，尤其是由明顯減小的燃油束貴穿度所導(dǎo)致的結(jié)果（圖5）。

對(duì)噴霧幾何形狀進(jìn)行專門設(shè)計(jì)的另一個(gè)效果是減少了燃油在活塞頂面和燃燒室頂面的沉積，進(jìn)一步降低了有害物的排放。下一代直接噴射汽油機(jī)用的共軌壓力將提高到20 MPa，其結(jié)果是表征油滴尺寸分布的紹特直徑d32減小（圖6）。通過燃油精細(xì)霧化，可明顯改善混合氣的準(zhǔn)備，從而改善了發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣排放和燃油耗特性。

7 噴油嘴動(dòng)態(tài)特性的改善

各種不同改進(jìn)措施的目標(biāo)是要改善噴油嘴的動(dòng)態(tài)特性。首先，噴油器噴孔必須加工得非常精確，以使各個(gè)噴油器之間的差異盡可能最小，這樣特別能提高小油量運(yùn)行范圍內(nèi)的噴油精度，即使在油量較大運(yùn)行范圍內(nèi)的噴油精度也能得以提高（圖7），因而改善了整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)的運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性，同時(shí)也降低了廢氣排放。尤其是在應(yīng)用越來越頻繁的多次噴射情況下，噴油嘴動(dòng)態(tài)特性的改善使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，同時(shí)，降低了燃油耗和廢氣排放。

8 噴油策略

如前文所述，在催化器加熱運(yùn)行期間，以及其他的特性曲線場范圍內(nèi)采取多次噴射策略起著越來越重要的作用。在現(xiàn)有的機(jī)型上，3次噴射應(yīng)用到高達(dá)3 000 r/min的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速工況，而2次噴射一直應(yīng)用到高達(dá)4 000 r/min的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速工況。采用這種噴射策略改善了燃油耗和廢氣排放。多次噴射提供了各種可能性，首先基于遺傳學(xué)算法對(duì)它們進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化，以便能采集更多的可能性組合，然后，通過對(duì)有限的參數(shù)范圍和參數(shù)變化進(jìn)行篩選，以確認(rèn)最佳的標(biāo)定，這樣能將應(yīng)用多次噴射所消耗的時(shí)間降低到最小。

9 結(jié)語

無論是汽油機(jī)還是柴油機(jī)，即使單個(gè)參數(shù)存在明顯的差異，但在共軌壓力、多次噴射和計(jì)量精度等方面的發(fā)展趨勢(shì)是相同的。除了提高噴射壓力之外，主要致力于噴射更柔性和噴油精度更高的研究。同時(shí)，不僅要在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)上下功夫、尋找合適的材料和加工工藝，而且還要研究出這2種發(fā)動(dòng)機(jī)控制軟件結(jié)構(gòu)中所必需的修正功能，從而能進(jìn)一步降低廢氣排放，實(shí)現(xiàn)更低的燃油耗目標(biāo)。就上述目標(biāo)而言，通過盡可能優(yōu)化的混合氣形成，能實(shí)現(xiàn)降低發(fā)動(dòng)機(jī)原始排放的目標(biāo)，而且在未來噴油系統(tǒng)部件上有巨大潛力可挖掘。