国Ⅳ之后柴油机三种燃油喷射系统对比及其技术发展趋势

　　2011年12月29日，国家环保部"关于实施国家第四阶段车用压燃式发动机与汽车污染物排放标准的公告"正式出台。公告要求：自2013年7月1日起，所有生产、进口、销售和注册登记的车用压燃式发动机与汽车必须符合国Ⅳ标准。

　　随着国Ⅳ排放标准全面实施日期的临近，从目前国内主要商用车企业已申报和正在申报的国Ⅳ汽车与发动机产品公告、以及"十二五"国Ⅳ、国Ⅴ柴油发动机开发计划来看，其燃油喷射系统主要采用电控高压共轨，少数产品采用电控单体泵和泵喷嘴。下面分别就这三种喷射系统的优缺点及其技术发展趋势作一对比介绍。

　　1.电控泵喷嘴系统

　　电控泵喷嘴系统是将油泵和油嘴做成一体直接安装于气缸盖上，由顶置凸轮轴驱动。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专门设计。其最大优点是能够减轻或者消除在柴油流动和喷射过程中高压油管内压力波的影响。因为这个压力波会妨碍喷油系统与负荷转速的良好匹配，并随着高压管的增长而增大。此系统结构紧凑、喷射压力高，低速和小负荷时燃油喷射稳定性好，具有较好的控制灵活性，低速时发动机综合性能显著改善。

　　电控泵喷嘴系统主要设计原理是通过气缸盖顶端的顶置凸轮轴直接驱动燃油形成高压，如图1所示为该系统布置示意图。由于没有了额外的高压燃油管路，故消除了管路压力损失并避免了管路泄漏的可能。同时因为燃油增压与喷射装置的一体化，故可以在短时间内高效高压完成燃油喷射并对其喷油量、压力、正时进行灵活控制。该系统的喷油压力一般都超过共轨系统和单体泵系统所能够达到的水平。

　　图1：电控泵喷嘴系统布置示意图

　　由于该系统发动机缸盖顶置凸轮轴的结构特点，加大了缸盖刚度、强度的设计要求。按国外产品经验，采用该系统的发动机，气缸内能够承受的最大爆发压力一般需要达到20Mpa。该系统的最大优势是可以形成更高的喷射压力，从而使得发动机具备国Ⅳ、国Ⅴ排放升级的潜力。因为对发动机缸盖的设计难度增大，从近期国内主要商用车企业已申报和正在申报的国Ⅳ发动机产品公告来看，到目前为止国内还没有此种系统的实际应用。

　　2.电控单体泵系统

　　单体式喷油泵简称单体泵。将整体式喷油泵化整为零安装在发动机每个气缸上，燃油喷射由各自的独立喷射单元来完成。喷油泵与喷油嘴之间用一根很短的高压油管相连。电控单体泵系统是在泵喷嘴系统的基础上衍生出来的，除了压力比泵喷嘴稍低一点外，其他功能基本和泵喷嘴相近。

　　单体泵系统主要由柱塞、柱塞套筒、回位弹簧、弹簧座、出油阀、出油阀座、出油阀弹簧、出油阀压紧螺帽等零件组成。

　　作为在国内外都有着成熟应用的电控单体泵技术，其系统基本布置是：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，包含在机体内部，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边安装众多的传感器以检测发动机状态，作为控制油泵电磁阀开启时间的输入信息，对燃油喷射量、喷射正时实行电子控制。其主要工作原理是通过电子系统对喷入气缸的喷油量、喷油正时进行精确、柔性的控制，以及通过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，最终在有效降低发动机的排放水平以满足法规要求的同时，还能够较大改善发动机的燃油经济性、噪声特性。

图2：电控单体泵系统布置示意图

　　图2所示为电控单体泵系统布置示意图，该系统已在欧美成功使用了十多年，被公认为性能优越、稳定可靠的电控燃油喷射系统之一。此系统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。其技术的主要特征是在发动机机体上集成喷油泵的功能，并通过在油泵上加装电磁阀控制其出油时间、油量，从而达到燃油喷射优化的目的。其油泵与发动机配气机构共用一根凸轮轴，从而在结构上使其最大程度得到简化，并缩短了油泵出油口到喷油器的管路距离。由于在油泵的出油口加装了精确燃油计量、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。

　　该系统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。如此在对发动机整体结构不做大的调整下，可以达到国Ⅳ排放水平，并具有升级到国Ⅴ排放的潜力。

　　目前，国内商用车企业配套使用的电控单体泵系统来源主要有：德尔福单体泵、衡阳单体泵和威特单体泵等。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，国Ⅲ阶段一般都采用外挂式单体泵，但这种设计，对噪声、振动会有一定的负面影响。国Ⅳ阶段则与欧美产品接轨，普遍采用半内置式单体泵系统。

　　3.电控共轨系统

　　3.1结构和特点

　　目前国内商用车企业的大多数中重型国Ⅲ、国Ⅳ柴油机都采用了电控高压共轨技术。该系统的基本结构是：增设用来存储高压燃油的共轨管，由ＥＣＵ根据实际使用工况条件对燃油喷射过程实行精确控制，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，通过控制高压油泵电磁阀开启持续时间从而控制共轨油管内的燃油压力。其目的是在一定的发动机进气条件下，通过对喷入气缸的喷油量、喷油压力、喷油正时、喷油次数等进行精确控制从而改善发动机的燃烧工作过程，在有效降低发动机的排放水平的同时，还能够改善发动机的经济性、燃烧噪声等。图3所示为电控高压共轨系统基本布置示意图，该系统已经在欧、美、日成功使用了多年，并被公认为是性能最优越、可靠性最高的电控燃油喷射系统。

　　图3：电控高压共轨系统基本布置示意图

　　该系统的几大基本特点是：

　　（1）喷射压力高，喷油压力比一般直列泵高出一倍，目前最高可达180Mpa；

　　（2）喷油压力独立于发动机转速，可以改善发动机低速、大负荷的性能；

　　（3）可以实现多次喷射，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自由选定；

　　（5）驱动扭矩小，噪声小、振动低；

　　（6）结构简单、适用性强；

　　（7）可以通过电控系统进行各缸工作均匀性校正；等等。

　　根据国内外产品开发的实际经验，共轨系统无需经过特殊升级改进即可满足国Ⅳ和国Ⅴ排放发动机对燃油系统的要求。与单体泵和泵喷嘴系统相比，高压共轨系统能够把压力产生与实际燃油喷射过程分离，特殊设计的电控喷油器可实现灵活的多次喷射，主要控制参数可在不同转速和负荷条件下任意调节，使发动机能够在不同工况下均得到较好的性能指标，且其在发动机上的安装较为容易。除此之外，高压共轨燃油喷射系统还能提供更广阔的扩展功能和在燃烧过程组织设计上的更多的自由度，它可以使柴油机以更低的排放、更好的燃油经济性和噪声性能下运行。

　　3.2国内外研究现状

　　共轨技术一经问世，就得到了世界上大多数柴油机生产厂商的青睐，被认为是20世纪内燃机技术的三大突破之一。

　　国外经过多年的发展，已经形成了比较成熟的产品，如Fiat集团的Unijet系统、电装公司的ECDU2系统和博世公司的CR系统等。其中，博世公司用压电石英作为执行器代替高速电磁阀，喷射压力已经高达180MPa，针阀运动速度达到1.3m/s，预喷射油量可控制在1mm3之内。在控制策略上，以经典控制理论和现代控制理论为基础的开环控制和闭环控制在电控高压共轨系统中得到了广泛应用。

　　国内对电控高压共轨燃油喷射系统的研究起步较晚，目前正处于研制阶段。其中天津大学研制的FIRCRI高压共轨系统正处于硬件在环仿真和实机测试阶段；上海交通大学开发的GD-1型高压共轨系统处于匹配玉柴6110柴油机的准备阶段；北京理工大学、华中理工大学等也正在开发自己的高压共轨系统。无锡威孚集团与博世公司已经联合组建了无锡博世汽车柴油机系统股份有限公司，开始了高压共轨系统的生产。在控制策略上，目前国内主要采用经典PID控制方法，这种方法原理简单，易于实现，稳定性好，但存在需要在不同工况下反复调节和不能在线调节等缺点。

　　4.电控燃油喷射系统的技术发展趋势

　　4.1喷油压力高压化

　　高压喷油的基本目的是改善雾化质量,是满足不同阶段排放法规要求的有效技术之一。目前,泵喷嘴系统喷油压力可达200MPa以上,美国威斯康辛大学开发的电控泵喷嘴系统(UHIP－S)最高喷油压力已达260MPa。BOSCH公司第1代共轨系统的喷油压力只有135MPa，第2代达到160MPa,第3代已经达到180MPa,第4代将增大到220MPa。新型电控喷油系统的最高喷油压力已超过150MPa,超高压电控喷油系统的最大喷射压力可达300MPa。

　　高喷油压力对喷油系统的可靠性提出更高要求,而先进的喷油系统可使喷油压力达到250MPa以上。泵喷嘴系统在喷油压力方面有比较明显的优势,而电控共轨燃油系统在柔性控制性方面优点突出。因此,将高喷油压力和柔性控制集于一身的具有高压和高灵活性的喷油系统则代表了未来柴油机电控喷油系统的发展方向。

　　4.2采用压电晶体喷油器

　　压电晶体喷油器将成为新型高压共轨喷射系统的新宠。西门子VCO的压电晶体喷油器主要由带弹簧的多孔油嘴、控制活塞、进出油节流孔、二位二通阀和压电晶体部件组成。压电晶体部件采用的多层压电晶体执行器由20～200?m陶瓷层烧结而成。与电磁阀相比,压电晶体喷油器具有以下特点:一是响应速度更快,由于压电晶体阀芯的变形速度在0.1ms以内即可完成一次喷油针阀的开启动作,所以对于同样的喷油量,只需要更短的喷油持续时间；二是重复精度高,由于压电晶体块在喷油器内,整个喷油控制链上的累积公差进一步降低,能更精确地计量喷油量；三是采用多孔喷油器(6孔以上,孔径为0.11～0.13mm),最小喷油量可控制在0.5mm3,具有很高的燃油喷射压力(20～200MPa调节)；四是新颖的调节功能有助于高精度、多级喷射和改善排放性能；五是具有集成化、低能耗、寿命长与工作稳定可靠等优点。

　　4.3电控泵喷嘴系统由机械驱动向蓄压方向发展

　　首先,将电控和液压技术相结合,响应快,能按时间控制喷油过程和喷油压力；其次,工作过程与柴油机转速无关,可在宽广的工况范围内保持较高喷油压力,喷油压力可达150MPa以上；其三,可优化控制喷油规律,改善柴油机的排放性能；其四,能满足17～2910kW柴油机的匹配需要。

　　4.4采用具有高度柔性调节能力的高压喷油系统

　　BOSCH公司的增压活塞共轨系统(APCRS系统)、卡特皮勒公司的HEUI-CRD和Delphi公司的E3-EUI是3种典型的未来先进柔性高压喷油系统的代表。其共同特点:一是在结构上每缸都采用了两个控制电磁阀,一个控制喷油压力(PCV阀),另一个控制喷油时刻和喷油量(SCV阀),通过两个控制电磁阀的配合可以实现喷射速率的柔性调节；二是最大喷油压力都超过200MPa,且都有达到240MPa的潜力；三是喷油压力控制的瞬态响应快,避免了传统共轨系统在变工况时因油轨压力滞后而产生的油量控制误差和转速的瞬时波动；四是都具有进行多次喷射的能力。

　　4.5共轨系统的其它发展趋势

　　电控高压共轨燃油喷射系统的应用使柴油机的排放、噪声及燃烧性能都得到了很大改善，远远超过了传统内燃机，大大增强了柴油机的竞争力。随着电子技术、材料技术以及控制理论等的不断发展，该技术还具有很大的发展潜力，除上面的发展趋势外，进一步的研究主要体现在以下趋势：

　　（1）设计开发新的执行器，以及通过对高压油泵、喷嘴材料和加工过程的改进进一步提高燃油喷射压力及其精确性，使燃烧更为充分。

　　（2）通过最优控制、自适应控制、预测控制等控制理论的研究，将模糊控制、人工神经网络、基于非线性的滑模控制、基于辨识模型的自适应控制等运用到电控高压共轨燃油喷射系统中，改进其控制策略。

　　（3）研究新的喷油规律。随着柴油车数量增加，柴油机尾气已经成为大气的主要污染源之一。因此，世界各国都在积极探索新方法和采取有效的技术措施主动减少和控制污染物的排放，欧洲早在1999年就已经制订出严格的欧VI排放法规，并预定在2013年开始实施。因此，必须不断研究满足新的排放标准的喷油规律，进一步降低柴油机的排放。

　　（4）燃油喷射系统的数值模拟技术。通过仿真软件建立电控高压共轨燃油系统的数值模型，分析燃油的喷射过程及系统参数对燃油喷射特性的影响，为燃油系统的优化设计、故障分析提供理论依据，降低产品开发成本，缩短开发周期。

　　（5）传感器技术。随着喷射压力的不断提高，要求有更高精度和响应速度的新型智能传感器。

　　（6）解决高压共轨系统的恒高压密封问题。高压共轨系统的密封性能影响燃油喷射压力的提高和柴油机性能。传统燃油系统和电控泵只在20～30℃A内高压供油，油泵驱动扭矩的峰值很高，但泄漏时间很短，而高压共轨燃油系统在一个循环内都高压供油，喷油器中的针阀偶件和控制活塞偶件长期处于恒定高压中，泄漏量大幅增加，因此，必须进一步解决零部件的恒高压密封问题。

　　（7）解决共轨压力的微小波动造成的喷油量不均匀问题。高压共轨系统的动态压力稳定性直接影响系统理想喷油规律的实现，因此，对高压共轨系统压力波动性的研究已经成为当前的热点之一。

　　（8）解决高压共轨系统的多MAP优化问题。电控燃油系统中，ECU根据其内部存储的MAP控制喷射过程。普通的电控泵ECU中只有喷油量MAP和喷油定时MAP，而高压共轨燃油系统除这两者外，还有喷油压力MAP和预喷射MAP等，控制数据较多，要根据排放和燃油耗进行优化，工作量很大。因此需要研究统计学方法、神经网络模型映射MAP数据、自学习优化方法等很多关键技术，以解决多MAP优化问题。

　　目前我国对高压共轨燃油喷射系统的研究与开发尚处于起步阶段，发动机燃油喷射系统由机械式喷射系统向电控式喷射系统过渡还主要依靠国外技术来实现。为尽快提高我国的自主开发和核心竞争力，应不遗余力地在电控喷油器、液力控制阀、喷油嘴偶件和高速执行器、ECU软硬件等关键技术，以及控制策略和功能、匹配标定技术、产品可靠性和安全、制造成本等方面开展研究。