国Ⅲ柴油机电控燃油系统技术路线角逐与前景

　　由于柴油机具有大扭矩、低油耗的特点，及随着现代柴油机技术的日益发展，使发动机的柴油化已成为节能减排措施之一。为了控制柴油机的排放，在已经强制实施的国Ⅲ排放法规下，实现汽车柴油机电控的方案是明确的最优解决措施和发展方向，即要求柴油机用电喷系统全面取代现有的机械式喷油系统。柴油机电喷技术属于汽车核心零部件技术，直接决定了车用柴油机的排放和综合性能水平。在实现国家“节能减排”的长期目标中，柴油机电喷技术已成为摆在国内各大汽车发动机企业面前必须要攻克的首要问题。

　　目前，国内车用柴油机针对国III排放标准实施的燃油系统技术路线主要有四种：电控泵喷嘴(EUI)、高压共轨(Common Rail)、电控单体泵(EUP)和电控直列泵(EIL)+EGR。在这四种技术路线中，德尔福在中国市场针对中轻型车推广共轨技术，针对重型车提供泵喷嘴和单体泵技术;博世在中国市场主推高压共轨系统;电装目前正在研发第3代、第4代共轨系统和为中国市场的共轨系统作适应性二次开发;而自主国产的亚新科南岳、成都威特等则提出了电控单体泵的低成本解决方案。无疑，现在国内外柴油机燃油系统的技术路线之争都已经到了白日化阶段，而对于哪种技术方案最适合目前和将来中国柴油车发展的燃油系统技术市场，急待于业内人士的深思和考量。

　　电控泵喷嘴技术

　　早在1905年柴油机的创始人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机就已应用在轮船及卡车上。之后，大众和博世公司合作研制出适用于乘用车的电磁阀控制泵喷射系统，匹配直喷式柴油机的轿车在欧洲得到了显著发展。该发动机具有高效和出色的燃油经济性，并降低了发动机噪声。

　　在泵喷嘴系统中，电控的油泵和喷油嘴之间没有管路连接，做成一体直接安装在气缸盖上，这样不占用更多的空间。每一个油泵都由顶置凸轮轴同时驱动气门和泵喷嘴，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要专门设计。电控泵喷嘴系统的优势在于系统结构紧凑，喷油嘴孔径非常小，所以燃油喷射压力非常高，形成优良的混合气，确保燃油雾化良好，燃烧效率很高，同时还可以精确控制喷油始点和喷油量，从而提高柴油机的动力性、燃油经济性，降低排放和改善NVH特性。目前，采用该项技术的车用柴油机可满足欧Ⅳ排放标准，峰值压力可达到2000bar。

　　泵喷嘴系统应用于直喷式柴油机，国内生产的1.9TDI宝来发动机应用该燃油喷射系统，最高喷射压力达到1800bar。但泵喷嘴直喷系统缺点在于燃油喷射压力不能保持恒定。图1为博世最新的泵喷嘴系统，图2为商用车泵喷嘴系统的示意图。

　　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系统。该系统主要由高压油泵、喷油管、高压蓄压器(共轨)、喷油器、电控单元、传感器及执行器组成。在高压油泵、压力传感器和ECU组成的闭环系统中，喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开，由高压油泵把高压燃油输送到公共供油管，通过控制高压油泵电磁阀开启持续时间从而对公共供油管内的燃油压力实现精确控制;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。高压油管压力大小与发动机的转速无关，可以大幅度减小柴油机供油压力随发动机转速的变化，从而改善发动机的燃烧工作过程，在有效降低发动机排放水平的同时，还能够改善发动机的燃油经济性和降低燃烧噪声。图3所示为电控高压共轨系统组成示意图，图4为电控高压共轨系统工作原理示意图。该系统的基本特点是：

　　(1) 相对于一般机械式直列泵喷射压力相对较高，目前国内最高喷射压力可以达到1800bar;

　　(2) 喷油压力独立于发动机转速，可以改善发动机低速、大负荷时的性能;

　　(3) 可以实现5次喷射，调节喷油率形状，实现理想喷油规律;

　　(4) 喷油正时和喷油量可以由ECU控制自由设定;

　　(5) 驱动扭矩小及其NVH指标较好;

　　(6) 可以通过电控系统进行各缸工作均匀性校正;

　　(7) 喷油压力调节范围宽泛，能适应各种工况，且起动性能好。

　　共轨系统缺点在于：

　　(1) 关键燃油喷射技术为国外少数几家公司所垄断;

　　(2) 油品适应性差;

　　(3) 共轨系统现今并未得到市场的可靠性认可;

　　(4) 用户维修保养成本高，共轨发动机电控系统的故障必须依靠专业故障诊断仪器进行检测和维修，对于长途运输不利。

　　目前，主要国际汽车配件供应商都在进行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。图5为博世公司柴油机电控共轨系统仿真图。

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　　电控单体泵技术

　　单体泵指一个气缸一个油泵，这里的油泵指的是高压油泵，或称为喷油泵。在国内外都已成熟应用的电控单体泵技术，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。其基本结构为：将油泵柱塞驱动与发动机配气机构所需凸轮轴整合为一体，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围安装众多的传感器以侦测发动机状态，对喷入气缸的喷油量、喷油正时进行精确、柔性的控制。通过电子系统和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，在有效降低发动机排放水平的同时，改善发动机燃油经济性和噪声特性。图6为单体泵系统构成示意图。

　　电控单体泵技术的主要技术特征是其油泵与配气机构共用一根凸轮轴，使结构得到最大程度的简化，并缩短了油泵出油口到喷油器的管路距离。由于在油泵出油口加装的能够精确进行燃油计算、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。由于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。在对发动机整体结构不做大的调整下，可以达到欧Ⅳ排放水平，并具有达到欧Ⅴ排放的潜力。

　　电控单体泵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、适用寿命长的电控燃油喷射系统之一。在近几年内，欧洲和北美的重型车生产商仍将会采用电控单体泵系统。

　　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，一般都采用外挂式单体泵。但这种设计，对噪声、振动会有一定的影响。图7为V6机型的外挂式单体泵系统。

　　总的来说，电控单体泵技术通过将机械喷油器改进为电磁阀喷油器后，能够实现多次喷射，可以满足国Ⅲ排放要求和未来国Ⅳ排放控制阶段发动机对燃油系统的升级要求。但对于欧洲更严格的欧Ⅴ排放标准所采取的措施要求，目前电控单体泵相关系统的试验试制工作还在进行。

　　电控直列泵+EGR技术

　　电控直列泵+EGR技术全称为机械式电控直列泵燃油喷射系统和冷却的电控EGR(废气再循环)技术。该技术是由发动机ECU(电控单元)进行控制，通过进气温度传感器、进气压力传感器、水温传感器、发动机转速传感器、油门传感器以及车辆制动信号来感知发动机的各种状态，从而控制EGR控制阀的开度和废气再循环比率，引回部分废气与新鲜空气共同进入发动机气缸内参与燃烧，既降低气缸内的燃烧温度，又有效控制高温富氧条件下NOx的生成，从而降低发动机废气中的NOx含量。

　　系统采用电控供油速率燃油喷射泵，通过ECU对预行程调节机构的控制，来实现对喷油量、喷油定时和喷射压力的精确控制。该泵拥有预行程电控可调结构，其供油预行程可在一定范围内由ECU全程电控调节，按柴油机不同工况的需要改变预行程。通过ECU对预行程的控制，可以得到精确的喷油定时和喷射压力。同时配合油门位置传感器，使油量控制更精确，从而保证柴油机可在整个工作范围内达到最优化的经济性能和排放性能。该泵采用适用于欧Ⅲ排放要求的8孔低惯量喷油器，具有工作可靠、性能好、适应性广泛等特点，可以有效改善发动机的燃烧性能。

　　电控直列泵+EGR系统发动机具有的经济和技术优势如下：

　　(1) 开发周期短，技术开发和匹配成本低;

　　(2) 单机成本优势明显;

　　(3) 油品适应性好，维护和维修费用低，用户使用成本低;

　　(4) 燃油喷射系统与原国Ⅱ机械喷油泵结构类似，维修保养方便;

　　(5) EGR系统设有控制阀和峰值单向阀，可控制不同负荷时的EGR率。

　　目前，国内只有中国重汽宣称拥有权威部门认可的电控直列泵+EGR技术的国Ⅲ发动机。而一汽研发的内置式EGR国Ⅲ发动机已经通过台架试验，并上报申请核准。玉柴、上柴、锡柴和潍柴等企业也都在开发EGR发动机。开发周期约为36个月。

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　　对比与分析

　　目前，从国Ⅱ进入国Ⅲ排放的技术升级上，国家政策导向的意图在于帮助企业，让企业如何在尽量减少开发投入成本的情况下向国Ⅲ进行平滑升级。各家企业可以根据自身既有发动机的特点，选择其国Ⅲ产品的技术路线，选择可以不相同，但达到的效果要相同。从国Ⅱ升级到国Ⅲ，对发动机来说，确实是个质变。但这种质变，是从机械式喷油系统向电控系统的转变，并不必然是向某个特定的燃油喷射系统的转变。就满足国Ⅲ标准而言，一般认为要求是：需采用单缸4气门技术，通过对燃烧室的优化和尾气处理等措施，使用机械泵也可以满足欧Ⅲ排放法规。在上世纪末欧美重卡企业、发动机企业在从欧Ⅱ向欧Ⅲ过渡时，也是采取了多种技术路线，有走共轨技术路线的，也有采用泵喷嘴技术和单体泵技术的，也有用机械泵来实现国Ⅲ排放的。大量国内外实践经验和理论研究都表明：电控泵喷嘴系统、电控高压共轨系统、电控单体泵系统、电控直列泵系统等都有满足目前国Ⅲ和将来国Ⅳ排放要求的能力。这四种系统因各自的结构特点在技术上各有优劣，没有一种系统可以说是完美的，而是各有各的特点。就国内发动机市场发展来说，并不是一定要求舍弃哪种技术路线，坚决实行哪一种技术路线的问题，而是需要因地制宜，扬长避短，要从成本、性能、匹配、售后服务等各方面综合来分析，使之分别适用于不同种类、不同工况条件和不同使用特性要求的发动机。中国幅员广大，地区差异巨大，基础条件发展不平衡，许多用户素质并不高，对新技术的接受能力很有限，这一系列客观现实要求我们在开发、应用和推广新技术时必须从中国的国情出发，认真考虑、具体分析最后作出决策。表1列举了目前这四种技术的主要特征比较和评判，仅供参考。

　　电控泵喷嘴系统和电控高压共轨系统可以达到很高的燃油喷射压力，发动机ECU根据发动机工况的要求，可以灵活控制燃油分配、燃油喷射时间、喷射压力和喷射速率，使发动机在低速工况下也能实现完全燃烧，获得大扭矩的输出，有着高效的燃油经济性和出色的排放性能，并且预喷射、多次喷射技术的应用也大大降低了柴油发动机噪声和振动。通过对以上特性的控制，柴油发动机的响应性和驾驶舒适性已经达到了汽油发动机的水平，同时它又具有着显著的燃油经济性和低排放特性。作为对于噪声、NVH特性要求相对较高、成本压力承受较强的乘用车市场，如轿车、高端轻型客车等配套发动机是非常适合的。

　　而对于我国广大的轻型卡车、低端轻型客车和工程机械用柴油机市场，由于这档车型价格定位较低，基本为生产工具型用途，当采用电控泵喷嘴、电控共轨等系统来达到国Ⅲ排放法规时，对企业来说不但开发成本、生产成本难以接受，企业售后服务和维修环节的压力也会很大;对用户来说，对油品和使用环境的要求也会使其望而却步。所以，综合而言在国内量大面广的轻型车市场上，基于“电控直列泵+ EGR”技术的发动机方案会比较合适。其优点就在于技术开发和匹配成本低，单机成本低，油品适应性好，维修保养方便。

　　对于中重型卡车和大型客车来说，采用电控单体泵或“电控直列泵+EGR系统”将会是较好选择。其最大优点在于结构相对简单，对原型发动机的改动较小，性能可靠，故障率低，寿命长，维修方便。相对于共轨和泵喷嘴具有成本优势，并且两者对油品要求都不高。比较适合于国内城市间的大型物流和旅游市场需求。

　　对以上4种技术方案的领域应用分类比较适合我们国内市场的发展特点，对国内燃油喷射系统行业和国内柴油机行业来说都具有很好的继承性和现实意义，也有助于提高我国车用柴油机的市场竞争能力。