車用燃?xì)鈬娚湎到y(tǒng)介紹

任憲豐 王震華 盧朋珍

摘要：燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)庀到y(tǒng)設(shè)計(jì)及選型需考慮不同燃?xì)鈬娚溟y的特性：連續(xù)流噴射閥對(duì)氣質(zhì)清潔度要求不高，適用于重型單點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)、低壓燃?xì)夤┙o系統(tǒng)。PWM驅(qū)動(dòng)噴嘴單價(jià)低，但對(duì)氣質(zhì)清潔度要求高，中低流量噴射閥適用于輕中型發(fā)動(dòng)機(jī)，大流量噴射閥適用于重型發(fā)動(dòng)機(jī)，使用PWM型噴嘴要特別注意燃?xì)夤┙o壓力與噴嘴流量關(guān)系。發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮噴射閥流量和燃?xì)鈮毫?。通過不同燃?xì)鈬娚湎到y(tǒng)及其特點(diǎn)的介紹，為燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)燃?xì)庀到y(tǒng)選型提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：燃?xì)鈬娚湎到y(tǒng);設(shè)計(jì);連續(xù)流噴射閥;PWM驅(qū)動(dòng)噴嘴

中圖分類號(hào)：TH162? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）10-0024-02

0? 引言

環(huán)境污染的加劇，推動(dòng)更嚴(yán)格的排放法規(guī)的實(shí)施。為滿足排放法規(guī)需求，發(fā)動(dòng)機(jī)必須使用更高質(zhì)量的燃油，后處理系統(tǒng)也從國(guó)三階段的EGR系統(tǒng)，到國(guó)六階段的EGR+DOC+DPF+SCR+ASC，越來越復(fù)雜，這些都大大增加了使用成本。此外，隨著汽車保有量的增加，對(duì)石油的需求也不斷增加，而地球上石油資源日趨緊張。人們一直在尋求更廉價(jià)更環(huán)保的代用燃料。天然氣資源儲(chǔ)量大、安全可靠、經(jīng)濟(jì)可行、污染較少、易存儲(chǔ)運(yùn)輸、熱值高等優(yōu)點(diǎn)，和柴油機(jī)相比，燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)使用理論空燃比+EGR+TWC，即可滿足國(guó)六法規(guī)，天然氣成為目前流行的車用代用燃料。

天然氣有兩種存儲(chǔ)方式：CNG和LNG。LNG以存儲(chǔ)密度大、甲烷純度高等優(yōu)勢(shì)占據(jù)了主要市場(chǎng)份額。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)來講，二者只是存儲(chǔ)方式不同，整個(gè)燃?xì)夤┙o系統(tǒng)無本質(zhì)差別。燃?xì)饨?jīng)氣瓶、切斷閥、穩(wěn)壓器、噴射系統(tǒng)進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)。

按照噴射方式的不同，噴射系統(tǒng)可分為連續(xù)流噴射閥和PWM噴嘴;按照燃?xì)鈬娚鋲毫Φ牟煌?，可分為低壓閥和高壓閥;根據(jù)噴射閥流量的不同，可分為中小流量閥，大流量閥。各噴射系統(tǒng)都有其特點(diǎn)，下面就市場(chǎng)上常用的幾種噴射系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1? 連續(xù)流噴射閥

連續(xù)流噴射閥，主要代表有E_Control公司的CFV、WoodWard公司的PFAV。

CFV是智能閥，如圖1所示。ECU發(fā)送需求燃料流量命令，閥接到命令后，依據(jù)閥出口處的背壓，計(jì)算需求腔內(nèi)壓力，和實(shí)際腔內(nèi)壓力進(jìn)行比較，控制一級(jí)電機(jī)，對(duì)腔內(nèi)壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。根據(jù)燃?xì)鈮毫Α囟?、需求流量，?jì)算出喉口目標(biāo)有效流通面積，根據(jù)目標(biāo)有效流通面積計(jì)算出閥芯的命令位置。根據(jù)高精度位移傳感器的反饋，使用二級(jí)電機(jī)對(duì)位置進(jìn)行實(shí)時(shí)閉環(huán)控制，從而保證流量的輸出。

PFAV是非智能閥，如圖2所示。

PFAV包括切斷閥、穩(wěn)壓器、計(jì)量閥、燃?xì)鉁囟葔毫鞲衅?。ECU基于需求壓力、燃?xì)鈮毫?、溫度、出口壓力，通過H橋控制計(jì)量閥的位置，調(diào)節(jié)燃?xì)饬髁俊?/p>

連續(xù)流閥在整個(gè)流量控制期間，都需要保持著音速流，這樣流量控制才不受下游壓力影響，但同時(shí)又要盡可能的降低腔內(nèi)壓力，以保證流量控制的線性，有助于閉環(huán)控制。

為保證燃料計(jì)算的精確性，CFV下游設(shè)計(jì)出口擴(kuò)壓腔。此擴(kuò)壓腔到混合器的容積會(huì)影響瞬態(tài)補(bǔ)償、斷氣控制等，在中小型機(jī)上使用，影響較大，而且成本上有沒有使用噴嘴型經(jīng)濟(jì)。

連續(xù)流適用壓力廣泛，尤其是CFV，可以根據(jù)出口壓力調(diào)節(jié)入口壓力，可以適用較低的壓力。因采用非接觸式針閥控制燃?xì)饬髁?，連續(xù)流閥對(duì)燃?xì)庖蟛桓撸梢赃m用于較臟的氣源。連續(xù)流噴射閥一般用于8L及以上機(jī)型，因只有一個(gè)噴孔，只能適用于單點(diǎn)噴射系統(tǒng)。

2? PWM噴射閥

在汽油機(jī)噴射閥開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過更改材料、電器參數(shù)等，開發(fā)出燃?xì)釶WM噴射閥，ECU輸出PWM信號(hào)控制噴射閥的打開和關(guān)閉，其驅(qū)動(dòng)電流如圖3（a）所示。為提高噴射閥響應(yīng)性，一般都設(shè)計(jì)有boost驅(qū)動(dòng)，如圖3（b）所示。通過調(diào)整peak電流，增大T2，來增大開啟驅(qū)動(dòng)力。特別是在低溫時(shí)，因摩擦力增大，可以通過調(diào)整T2、peak電流來增加驅(qū)動(dòng)力，改善冷啟動(dòng)性能。但運(yùn)行時(shí)間需要依據(jù)各噴射閥設(shè)計(jì)情況，不能長(zhǎng)時(shí)間調(diào)整T2、peak電流來增加冷啟動(dòng)能力，否則會(huì)對(duì)噴射閥壽命產(chǎn)生影響。此類噴射閥以BOSCH公司的NGI2系列、NIKKI公司的Q系列等為典型代表。

因?yàn)樵缙谌細(xì)鈬娚溟y生產(chǎn)線與汽油機(jī)噴嘴共線生產(chǎn)，噴射閥流量較小，在7bar的噴射壓力下，流量在7～10kg/h之間。此類噴射閥以BOSCH公司的NGI2噴射閥為代表。為滿足重型車輛燃?xì)饬髁啃枨?，有些需要一缸配置多個(gè)噴射閥。隨著重型燃?xì)廛囕v市場(chǎng)逐漸擴(kuò)大，小流量、高壓力噴射閥在成本、氣耗方面的弊端，越來越凸顯，大流量、低壓力閥的需求越來越強(qiáng)烈。Woodward公司推出了SFG系列噴射閥，如圖4（a）所示，NIKKI公司推出了Q系列噴射閥，如圖4（b）所示，這些中流量噴嘴流量可達(dá)15kg/h左右，可以滿足中重型發(fā)動(dòng)機(jī)一缸一只噴射閥需求，降低了使用成本。但燃?xì)庑枨罅髁看髸r(shí)，仍需要噴射較長(zhǎng)時(shí)間。

PWM噴射閥，響應(yīng)速度快，但要求系統(tǒng)濾清能力高，并且因噴射氣體，不具備自潤(rùn)滑功能，運(yùn)動(dòng)件易粘連磨損，易出現(xiàn)金屬碎屑卡滯在密封面使密封面密封不嚴(yán)或者卡滯，從而導(dǎo)致噴射閥漏氣或者打不開。使用一段時(shí)間后需要使用清洗設(shè)備對(duì)噴嘴進(jìn)行清洗。為適應(yīng)市場(chǎng)需求，較多公司開發(fā)了專用噴嘴清洗設(shè)備。如圖5所示。

在清洗數(shù)量較少時(shí)，也可以使用簡(jiǎn)易燃?xì)鈬娚淦鏖y清洗裝置（如圖6），用柴油或者專用清洗液進(jìn)行清洗。清洗時(shí)，將清洗泵柴油出口連接燃?xì)鈬娚淦鬟M(jìn)氣口，噴射閥出口連接回柴油罐。開關(guān)連接電瓶，控制柴油泵工作，電腦聯(lián)系ECU，調(diào)整ECU進(jìn)入清洗模式，控制噴射閥工作。通過柴油將雜質(zhì)清洗掉。不可直接使用電瓶連接噴射閥來打開噴射閥，避免噴射閥長(zhǎng)時(shí)間通電導(dǎo)致噴射閥燒毀。

因噴嘴流量較小，為滿足大負(fù)荷需求，在大負(fù)荷時(shí)，噴嘴噴射脈寬可達(dá)600°曲軸轉(zhuǎn)角，噴嘴工作出現(xiàn)重疊情況，而小負(fù)荷時(shí)，噴射脈寬較小，會(huì)出現(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)間的無噴射情況，在設(shè)計(jì)時(shí)需充分考慮燃?xì)?、空氣混合問題。中小流量噴嘴只能用于單點(diǎn)噴射發(fā)動(dòng)機(jī)。

為滿足多點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)需求，立創(chuàng)公司推出了流量超100kg/h的D系列噴射閥圖7（a），可以滿足開門噴射。但噴射閥體積較大，需要較大得驅(qū)動(dòng)力。平時(shí)工作時(shí)采用二階段驅(qū)動(dòng)方式，其驅(qū)動(dòng)方式與圖3（b）所示相同。低溫下閥的摩擦力增大，需要更大的驅(qū)動(dòng)力才能開啟。為加快閥的開啟，減小開啟階段燃?xì)饬髁康牟淮_定性，采用三段式驅(qū)動(dòng)圖7（b）。此種驅(qū)動(dòng)方式可在開始較短的時(shí)間內(nèi)輸出大電流以加快電磁閥響應(yīng)時(shí)間，保證燃料供給的及時(shí)性和穩(wěn)定性。驅(qū)動(dòng)電路需對(duì)VBOOST階段和VPWR進(jìn)行電流控制，以防止電流過大對(duì)電磁氣閥造成損傷。

D系列電磁氣閥主要應(yīng)用于純?nèi)粴夂碗p燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，配套多點(diǎn)電噴系統(tǒng)時(shí)，每個(gè)缸安裝一個(gè)噴射閥，可安裝在進(jìn)氣歧管位置，配套單點(diǎn)噴射系統(tǒng)時(shí)，可根據(jù)需要在適當(dāng)?shù)奈恢冒惭b。電磁噴氣閥精密度高，安裝過程應(yīng)保持一定的清潔度，電磁氣閥工作時(shí)要求燃?xì)鈮毫εc進(jìn)氣壓力應(yīng)有一定的壓差，以便燃?xì)饽軌蝽樌麌娚溥M(jìn)進(jìn)氣歧管中。

3? 結(jié)語(yǔ)

①連續(xù)流單價(jià)較高，對(duì)氣質(zhì)清潔度要求不高，適用于低壓系統(tǒng)，只能用于單點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)，考慮到性價(jià)比，適用于重型發(fā)動(dòng)機(jī);②PWM噴嘴單價(jià)低，控制精確，對(duì)氣質(zhì)清潔度要求高，需要定期清洗，中低流量噴射閥適用于輕中型發(fā)動(dòng)機(jī)，大流量噴射閥適用于重型發(fā)動(dòng)機(jī)。在噴射閥選型時(shí)，要綜合考慮噴射閥流量和燃?xì)鈮毫Γ詽M足發(fā)動(dòng)機(jī)使用需求。

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