电喷柴油发动机技术

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2008-04-12 11:56 | 只看楼主 树型| 收藏| 小中大 1^#

电喷柴油发动机技术

众所周知，尽管20世纪30年代就已经有了柴油乘用车，但早期柴油车的发展源于二战时期苏军T-34坦克的独特命运——由于T-34坦克采用柴油机，即使中弹也不容易起火，成为战场上的佼佼者。现在的中国市场如同早期的国际市场，消费者谈到柴油车时，常常会笑言“柴油车最大的好处是不会着火”。
　　但随着柴油技术日益发展，人们越来越发现柴油机的无穷魅力：高扭矩、高寿命、低油耗、低排放，柴油机成为解决汽车能源问题最现实和最可靠的手段。如今欧洲每推出一款新车都会配有柴油发动机的车型。但一个不争的现实摆在了我们面前：随着能源危机，温室效应的逐渐增加，人们对动力性要求的提高，尽管电子燃油喷射已经被广泛使用，仅仅靠汽油车的解决方案不足以解决这些问题。所以在汽车工业的腹地——德国一刻也没有停止对柴油发动机的研究。即使在国内，目前采用柴油机也只有10余款，分别为捷达、宝来、奥迪、开迪、江淮瑞风等5款乘用车，福田冲浪、江铃陆风、华泰特拉卡、上海万丰、辽宁曙光等5款SUV。瑞风柴油车所搭载的2.5升柴油机是引进韩国现代汽车公司D4BH发动机，而一汽-大众的4款柴油乘用车均采用德国大众与博世公司合作的柴油机，这5款柴油乘用车全部是柱塞泵、泵喷嘴技术。
　　柴油机的优点是：省油、环保、动力强、经济、维修方便，只要解决缺点就具有更大的市场前景，而实现电控柴油机的方案现在看来是一个很好的解决措施。实现柴油控制有三条技术路线图，分别是单体泵、泵喷嘴和高压共轨。目前主要的国际汽车配件供应商都在进行着柴油共轨喷射系统的开发，如：博世、德尔福、西门子、电装公司、VDO和玛格纳-马瑞利公司，它们是全球主要的共轨喷射系统供应商，而目前在国内生产共轨柴油喷射系统的还只有博世一家。下面分别介绍三种技术：
　　1、单体泵技术

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图1 单体泵的外形图

　　德尔福在重型车上采用单体泵系统。从成本上讲，国内的发动机从欧Ⅱ向欧Ⅲ升级时，如果采用单体泵，对发动机改动非常小，仅以外挂式的凸轮轴箱代替欧Ⅱ发动机的直列泵就可。当从欧Ⅲ向欧Ⅳ升级时，发动机机身主体结构仍然不变，只要把欧Ⅲ系统里机械式喷油器改成德尔福的电控喷油器，形成双电磁阀单体泵系统，在发动机整体结构不做大的调整下，就可以达到欧Ⅳ的排放水平。单体泵的外形如图1所示。单体泵系统控制如图2所示。

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图2 单体泵控制油路

　　在性能方面，目前在国内单体泵使用的压力达到200MPa，当向欧Ⅳ升级，这个压力可以达到250 MPa。在单体泵上采用了类似于共轨I2C的系统一致性控制，来优化整个系统的性能。在供油控制方面，如果使用双电磁阀单体泵系统，不仅可以对压力进行控制，还可以对喷射进行控制，而且还可以采用多次喷射。它可以达到欧Ⅳ或者欧Ⅴ的标准。目前，德尔福的双电磁阀单体泵系统在欧洲大批量生产，主要供应给欧Ⅳ标准的发动机，欧Ⅴ标准的发动机相关系统正在做开发工作。
　　单体泵系统的另一个优势就是它的可靠性和寿命，这些性能已经在欧洲和北美市场上得到了10年甚至是15年的实际使用时间、数百万辆整车使用的证明。单体泵系统在发动机使用过程中，可以保证排放和燃油消耗率低。目前，这种非常强化、非常可靠的性能和使用寿命，仍然在进一步提高。所以，从德尔福的观点来看，在技术方面，相信在2010年之前，所有欧洲和北美的重型车生产商绝大多数会采用单体泵系统和泵喷嘴技术。德尔福也在研发2010年以后新的排放法规所要求的新的系统。

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2、泵喷嘴技术
　　优良的混合气是提高柴油发动机动力性、燃油经济性；降低排放率、噪音率的关键因素。这就要求喷射系统产生足够高的喷射压力，确保燃油雾化良好，同时还必须精确控制喷油始点和喷油量。而泵喷嘴系统能够符合上述的严格要求。因此，早在1905年柴油发动机的创始人Rudolf diesel 先生就提出了泵喷油器概念，设想将喷油泵和喷嘴合成一体，省去高压油管并获得高喷射压力。20世纪50年代，间歇控制泵喷射系统的柴油发动机就已应用在轮船及卡车上。之后，Volkswagen和Robert Bosh AG公司合作研制出适用于乘用车的电磁阀控制泵喷射系统。泵喷嘴的结构如图3所示。泵喷嘴系统工作示意图如图4所示。

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图3 泵喷嘴结构图及示意图

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图4 泵喷嘴系统工作示意图

　　其中主要部件作用如下：

　　（1）单向阀：发动机不工作时，防止燃油回流。
（2）旁通阀：若燃油内有空气，则通过此处排出。
　　（3）节流孔与过滤器：收集、分离供油管内的气泡。
　　（4）限压阀1：调节供油管内压力大于0.75MPa时打开。
　　（5）限压阀2：保持回油管内压力在0.10MPa。
　　（6）燃油泵：燃油泵是间歇式叶片泵，其优点是在较低发动机转速时也可供油。泵体内油道使油泵转子始终处于被燃油浸润的状态，从而可随时输送燃油。如图5所示。

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图5 燃油泵油路连接图

　　（7）燃油分配管集成：燃油分配管集成在缸盖内的供油管内，其功能是等量向各泵喷嘴分配燃油，在此，燃油与受热燃油混合，并被泵喷嘴强制流回供油管。使供油管内流向各缸的燃油温度一致。所有泵喷嘴被提供相同量的燃油，使发动机运转平稳。否则，泵喷嘴的油温将会不同，并且泵喷嘴被提供不同质量的燃油。这将会使发动机运转不平稳并将在前几个缸中产生极度高温。燃油分配管如图6所示。

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图6 燃油分配管

　　（8）燃油冷却泵：使冷却液在冷却环路中循环。当燃油温度达到70℃，发动机控制单元通过燃油冷却泵继电器将其接通。
在国内很多的乘用车上使用泵喷嘴，如：宝来TDI、途安TDI和奥迪TDI等。泵喷嘴技术相对于之前的技术（如柱塞泵），已经具有明显改进，而其最大的好处是大大增加了喷油压力，其涡轮增压泵喷嘴的喷射压力都能达到200MPa以上。由于喷射压力直接影响柴油燃烧做功效率，因此，泵喷嘴的燃烧效率很高。

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3、高压共轨技术
　　“CRDI”是英文Common Rail Direct Injection的缩写，意为高压共轨柴油直喷技术，CRDI技术和SDI（自然吸气直接喷射柴油发动机）技术、TDI（直喷式涡轮增压柴油发动机）技术均为德国博世公司研发的柴油发动机技术。共轨系统由高压泵、喷油管、高压蓄压器（共轨）、喷油器、电控单元和传感器及执行器组成。
　　共轨式喷油系统主要的贡献就是将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开，通过对共轨管内的油压实现精确控制，使高压油管压力大小与发动机的转速基本无关。这一柴油发动机技术的创新最大限度地降低了柴油发动机车型的振动和噪声，同时将油耗进一步降低，使排放更加清洁。但共轨技术的喷油压力低于泵喷嘴系统，一般只能达到160MPa左右。由于喷油压力调节宽泛，采用共轨技术的柴油车能更好地适应各种工况，起步也不会困难。
　　博世公司首家于1997年开始批量生产共轨燃油喷射系统的乘用车，当时博世和奔驰联合推出共轨技术柴油奔驰C级别车，而在当时阿尔法罗密欧156也是最早使用高压共轨的乘用车之一。在国产车中，华泰现代使用的是共轨喷射系统。柴油共轨系统已开发了3代。
　　第一代共轨高压泵总是保持在最高压力，导致燃油的浪费和很高的燃油温度。第一代共轨系统为商用车设计的，最高喷射压力为140MPa，乘用车喷射压力为135MPa。
　　第二代共轨系统可根据发动机需求而改变输出压力，并具有预喷射和后喷射功能。带有控制油量的油泵，喷射压力能达到160MPa。即使在压力较低的情况下，该系统也可以根据实际状况提供适量的喷油压力。不仅有助于降低燃油消耗，而且还可以降低燃油温度，从而省去燃油冷却装置。预喷射降低了发动机噪声：在主喷射之前百万分之一秒内少量的燃油被喷进了汽缸压燃，预热燃烧室。预热后的汽缸使主喷射后的压燃更加容易，缸内的压力和温度不再是突然地增加，有利于降低燃烧噪音。在膨胀过程中进行后喷射，产生二次燃烧，将缸内温度增加200～250℃，降低了排气中的碳氢化合物。博世公司的第二代共轨系统产品已经在沃尔沃的S60、V70D5及宝马的230d等乘用车上试用。
　　第三代共轨系统带有压电直列式喷油器。2003年，第三代共轨系统面世，压电式（piezo）共轨系统的压电执行器代替了电磁阀，于是得到了更加精确的喷射控制。省去了回油管，在结构上更简单。压力从20～200MPa弹性调节。最小喷射量可控制在0.5mm3，减小了烟度和NOX的排放。最高喷射压力达到180MPa。此套采用新研发的压电直列式喷油器的系统使带预喷和后喷的喷油率曲线范围更为自由。
　　与其它喷射系统相比，共轨系统把压力产生与实际燃油喷射过程分离。“轨”被作为高压蓄压器，其内部燃油压力始终保持与发动机具体工况相适应的最佳压力。共轨系统可被轻易地安装到各类不同的发动机中。除此之外，共轨系统还提供了更广阔的扩展功能和在燃烧过程设计上更多大的自由度，它可以使柴油发动机以更低的排放、更好的燃油经济性和低噪声运行。电控共轨系统，是国内专家一致认为目前水平最高、将来会占统治地位的一种电控系统。其喷油器的特殊设计，可实行灵活的多次喷射，且喷射压力可在不同转速和负荷条件下任意调节，给发动机带来的好处是极为理想的指标。由于这些因素，电控共轨技术已普遍为新一代乘用车柴油发动机采用。

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