國Ⅲ柴油機電控燃油系統(tǒng)技術(shù)路線角逐與前景

　　由于柴油機具有大扭矩、低油耗的特點，及隨著現(xiàn)代柴油機技術(shù)的日益發(fā)展，使發(fā)動機的柴油化已成為節(jié)能減排措施之一。為了控制柴油機的排放，在已經(jīng)強制實施的國Ⅲ排放法規(guī)下，實現(xiàn)汽車柴油機電控的方案是明確的最優(yōu)解決措施和發(fā)展方向，即要求柴油機用電噴系統(tǒng)全面取代現(xiàn)有的機械式噴油系統(tǒng)。柴油機電噴技術(shù)屬于汽車核心零部件技術(shù)，直接決定了車用柴油機的排放和綜合性能水平。在實現(xiàn)國家“節(jié)能減排”的長期目標中，柴油機電噴技術(shù)已成為擺在國內(nèi)各大汽車發(fā)動機企業(yè)面前必須要攻克的首要問題。

　　目前，國內(nèi)車用柴油機針對國III排放標準實施的燃油系統(tǒng)技術(shù)路線主要有四種：電控泵噴嘴(EUI)、高壓共軌(Common Rail)、電控單體泵(EUP)和電控直列泵(EIL)+EGR。在這四種技術(shù)路線中，德爾福在中國市場針對中輕型車推廣共軌技術(shù)，針對重型車提供泵噴嘴和單體泵技術(shù);博世在中國市場主推高壓共軌系統(tǒng);電裝目前正在研發(fā)第3代、第4代共軌系統(tǒng)和為中國市場的共軌系統(tǒng)作適應(yīng)性二次開發(fā);而自主國產(chǎn)的亞新科南岳、成都威特等則提出了電控單體泵的低成本解決方案。無疑，現(xiàn)在國內(nèi)外柴油機燃油系統(tǒng)的技術(shù)路線之爭都已經(jīng)到了白日化階段，而對于哪種技術(shù)方案最適合目前和將來中國柴油車發(fā)展的燃油系統(tǒng)技術(shù)市場，急待于業(yè)內(nèi)人士的深思和考量。

　　電控泵噴嘴技術(shù)

　　早在1905年柴油機的創(chuàng)始人Rudolf Diesel 先生就提出了泵噴油器概念，設(shè)想將噴油泵和噴嘴合成一體，省去高壓油管并獲得高噴射壓力。20世紀50年代，間歇控制泵噴射系統(tǒng)的柴油機就已應(yīng)用在輪船及卡車上。之后，大眾和博世公司合作研制出適用于乘用車的電磁閥控制泵噴射系統(tǒng)，匹配直噴式柴油機的轎車在歐洲得到了顯著發(fā)展。該發(fā)動機具有高效和出色的燃油經(jīng)濟性，并降低了發(fā)動機噪聲。

　　在泵噴嘴系統(tǒng)中，電控的油泵和噴油嘴之間沒有管路連接，做成一體直接安裝在氣缸蓋上，這樣不占用更多的空間。每一個油泵都由頂置凸輪軸同時驅(qū)動氣門和泵噴嘴，頂置凸輪軸必須具有極高的硬度和剛度以承受噴油器產(chǎn)生的高壓。同時，凸輪軸的驅(qū)動系統(tǒng)也需要專門設(shè)計。電控泵噴嘴系統(tǒng)的優(yōu)勢在于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，噴油嘴孔徑非常小，所以燃油噴射壓力非常高，形成優(yōu)良的混合氣，確保燃油霧化良好，燃燒效率很高，同時還可以精確控制噴油始點和噴油量，從而提高柴油機的動力性、燃油經(jīng)濟性，降低排放和改善NVH特性。目前，采用該項技術(shù)的車用柴油機可滿足歐Ⅳ排放標準，峰值壓力可達到2000bar。

　　泵噴嘴系統(tǒng)應(yīng)用于直噴式柴油機，國內(nèi)生產(chǎn)的1.9TDI寶來發(fā)動機應(yīng)用該燃油噴射系統(tǒng)，最高噴射壓力達到1800bar。但泵噴嘴直噴系統(tǒng)缺點在于燃油噴射壓力不能保持恒定。圖1為博世最新的泵噴嘴系統(tǒng)，圖2為商用車泵噴嘴系統(tǒng)的示意圖。

　　高壓共軌技術(shù)

　　“CRDI”是英文Common Rail Direct Injection的縮寫，意為高壓共軌柴油直噴系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由高壓油泵、噴油管、高壓蓄壓器(共軌)、噴油器、電控單元、傳感器及執(zhí)行器組成。在高壓油泵、壓力傳感器和ECU組成的閉環(huán)系統(tǒng)中，噴射壓力的產(chǎn)生和噴射過程彼此完全分開，由高壓油泵把高壓燃油輸送到公共供油管，通過控制高壓油泵電磁閥開啟持續(xù)時間從而對公共供油管內(nèi)的燃油壓力實現(xiàn)精確控制;通過控制噴油器電磁閥開啟時刻、持續(xù)時間從而控制噴射提前角、燃油噴射量。高壓油管壓力大小與發(fā)動機的轉(zhuǎn)速無關(guān)，可以大幅度減小柴油機供油壓力隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速的變化，從而改善發(fā)動機的燃燒工作過程，在有效降低發(fā)動機排放水平的同時，還能夠改善發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性和降低燃燒噪聲。圖3所示為電控高壓共軌系統(tǒng)組成示意圖，圖4為電控高壓共軌系統(tǒng)工作原理示意圖。該系統(tǒng)的基本特點是：

　　(1) 相對于一般機械式直列泵噴射壓力相對較高，目前國內(nèi)最高噴射壓力可以達到1800bar;

　　(2) 噴油壓力獨立于發(fā)動機轉(zhuǎn)速，可以改善發(fā)動機低速、大負荷時的性能;

　　(3) 可以實現(xiàn)5次噴射，調(diào)節(jié)噴油率形狀，實現(xiàn)理想噴油規(guī)律;

　　(4) 噴油正時和噴油量可以由ECU控制自由設(shè)定;

　　(5) 驅(qū)動扭矩小及其NVH指標較好;

　　(6) 可以通過電控系統(tǒng)進行各缸工作均勻性校正;

　　(7) 噴油壓力調(diào)節(jié)范圍寬泛，能適應(yīng)各種工況，且起動性能好。

　　共軌系統(tǒng)缺點在于：

　　(1) 關(guān)鍵燃油噴射技術(shù)為國外少數(shù)幾家公司所壟斷;

　　(2) 油品適應(yīng)性差;

　　(3) 共軌系統(tǒng)現(xiàn)今并未得到市場的可靠性認可;

　　(4) 用戶維修保養(yǎng)成本高，共軌發(fā)動機電控系統(tǒng)的故障必須依靠專業(yè)故障診斷儀器進行檢測和維修，對于長途運輸不利。

　　目前，主要國際汽車配件供應(yīng)商都在進行柴油共軌噴射系統(tǒng)的開發(fā)，如：博世、德爾福、西門子、電裝公司、VDO和瑪格納-馬瑞利公司，它們是全球主要的共軌噴射系統(tǒng)供應(yīng)商，而目前在國內(nèi)生產(chǎn)共軌柴油噴射系統(tǒng)的還只有博世一家。圖5為博世公司柴油機電控共軌系統(tǒng)仿真圖。

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　　電控單體泵技術(shù)

　　單體泵指一個氣缸一個油泵，這里的油泵指的是高壓油泵，或稱為噴油泵。在國內(nèi)外都已成熟應(yīng)用的電控單體泵技術(shù)，主要包括一個帶有出油控制閥的高壓油泵、機械噴油器，以及連接所需的燃油管路、濾清系統(tǒng)。其基本結(jié)構(gòu)為：將油泵柱塞驅(qū)動與發(fā)動機配氣機構(gòu)所需凸輪軸整合為一體，從而實現(xiàn)油泵到噴油器的燃油管路最短化。發(fā)動機工作時則通過發(fā)動機周圍安裝眾多的傳感器以偵測發(fā)動機狀態(tài)，對噴入氣缸的噴油量、噴油正時進行精確、柔性的控制。通過電子系統(tǒng)和油泵結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化進而實現(xiàn)對噴油氣缸噴油壓力的提高，從而改善發(fā)動機的燃燒工作過程，在有效降低發(fā)動機排放水平的同時，改善發(fā)動機燃油經(jīng)濟性和噪聲特性。圖6為單體泵系統(tǒng)構(gòu)成示意圖。

　　電控單體泵技術(shù)的主要技術(shù)特征是其油泵與配氣機構(gòu)共用一根凸輪軸，使結(jié)構(gòu)得到最大程度的簡化，并縮短了油泵出油口到噴油器的管路距離。由于在油泵出油口加裝的能夠精確進行燃油計算、時間控制的電磁閥，因而能夠?qū)娪驼龝r和噴油量進行較為精確的控制，有利于燃燒過程的優(yōu)化。由于油泵提升壓力原理與直列泵類似，所以其噴油規(guī)律為“三角形”的前緩后急的特征，一定程度上有利于燃燒過程的優(yōu)化，最高壓力可達到1800~2000bar。但由于油泵壓力和發(fā)動機轉(zhuǎn)速成正比，低轉(zhuǎn)速區(qū)域壓力較低，因而不利于柴油機低速時燃燒性能的提高。在國Ⅲ排放要求階段，噴油器的噴油開啟方式仍是依靠彈簧壓力控制。進入國Ⅳ階段，需將機械式噴油器改成電控噴油器，形成雙電磁閥單體泵系統(tǒng)，燃油噴射壓力相應(yīng)提高到2500bar，并采用系統(tǒng)一致性控制，來優(yōu)化整個噴射過程，并且可以實現(xiàn)多次噴射。在對發(fā)動機整體結(jié)構(gòu)不做大的調(diào)整下，可以達到歐Ⅳ排放水平，并具有達到歐Ⅴ排放的潛力。

　　電控單體泵系統(tǒng)已在歐美成功使用了十多年，被公認為性能優(yōu)越、穩(wěn)定可靠、適用壽命長的電控燃油噴射系統(tǒng)之一。在近幾年內(nèi)，歐洲和北美的重型車生產(chǎn)商仍將會采用電控單體泵系統(tǒng)。

　　在國內(nèi)產(chǎn)品的應(yīng)用中，考慮到重新設(shè)計發(fā)動機機體需要對現(xiàn)有發(fā)動機的鑄造、加工生產(chǎn)線有較大地變動，為控制成本，一般都采用外掛式單體泵。但這種設(shè)計，對噪聲、振動會有一定的影響。圖7為V6機型的外掛式單體泵系統(tǒng)。

　　總的來說，電控單體泵技術(shù)通過將機械噴油器改進為電磁閥噴油器后，能夠?qū)崿F(xiàn)多次噴射，可以滿足國Ⅲ排放要求和未來國Ⅳ排放控制階段發(fā)動機對燃油系統(tǒng)的升級要求。但對于歐洲更嚴格的歐Ⅴ排放標準所采取的措施要求，目前電控單體泵相關(guān)系統(tǒng)的試驗試制工作還在進行。

　　電控直列泵+EGR技術(shù)

　　電控直列泵+EGR技術(shù)全稱為機械式電控直列泵燃油噴射系統(tǒng)和冷卻的電控EGR(廢氣再循環(huán))技術(shù)。該技術(shù)是由發(fā)動機ECU(電控單元)進行控制，通過進氣溫度傳感器、進氣壓力傳感器、水溫傳感器、發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器、油門傳感器以及車輛制動信號來感知發(fā)動機的各種狀態(tài)，從而控制EGR控制閥的開度和廢氣再循環(huán)比率，引回部分廢氣與新鮮空氣共同進入發(fā)動機氣缸內(nèi)參與燃燒，既降低氣缸內(nèi)的燃燒溫度，又有效控制高溫富氧條件下NOx的生成，從而降低發(fā)動機廢氣中的NOx含量。

　　系統(tǒng)采用電控供油速率燃油噴射泵，通過ECU對預(yù)行程調(diào)節(jié)機構(gòu)的控制，來實現(xiàn)對噴油量、噴油定時和噴射壓力的精確控制。該泵擁有預(yù)行程電控可調(diào)結(jié)構(gòu)，其供油預(yù)行程可在一定范圍內(nèi)由ECU全程電控調(diào)節(jié)，按柴油機不同工況的需要改變預(yù)行程。通過ECU對預(yù)行程的控制，可以得到精確的噴油定時和噴射壓力。同時配合油門位置傳感器，使油量控制更精確，從而保證柴油機可在整個工作范圍內(nèi)達到最優(yōu)化的經(jīng)濟性能和排放性能。該泵采用適用于歐Ⅲ排放要求的8孔低慣量噴油器，具有工作可靠、性能好、適應(yīng)性廣泛等特點，可以有效改善發(fā)動機的燃燒性能。

　　電控直列泵+EGR系統(tǒng)發(fā)動機具有的經(jīng)濟和技術(shù)優(yōu)勢如下：

　　(1) 開發(fā)周期短，技術(shù)開發(fā)和匹配成本低;

　　(2) 單機成本優(yōu)勢明顯;

　　(3) 油品適應(yīng)性好，維護和維修費用低，用戶使用成本低;

　　(4) 燃油噴射系統(tǒng)與原國Ⅱ機械噴油泵結(jié)構(gòu)類似，維修保養(yǎng)方便;

　　(5) EGR系統(tǒng)設(shè)有控制閥和峰值單向閥，可控制不同負荷時的EGR率。

　　目前，國內(nèi)只有中國重汽宣稱擁有權(quán)威部門認可的電控直列泵+EGR技術(shù)的國Ⅲ發(fā)動機。而一汽研發(fā)的內(nèi)置式EGR國Ⅲ發(fā)動機已經(jīng)通過臺架試驗，并上報申請核準。玉柴、上柴、錫柴和濰柴等企業(yè)也都在開發(fā)EGR發(fā)動機。開發(fā)周期約為36個月。

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　　對比與分析

　　目前，從國Ⅱ進入國Ⅲ排放的技術(shù)升級上，國家政策導(dǎo)向的意圖在于幫助企業(yè)，讓企業(yè)如何在盡量減少開發(fā)投入成本的情況下向國Ⅲ進行平滑升級。各家企業(yè)可以根據(jù)自身既有發(fā)動機的特點，選擇其國Ⅲ產(chǎn)品的技術(shù)路線，選擇可以不相同，但達到的效果要相同。從國Ⅱ升級到國Ⅲ，對發(fā)動機來說，確實是個質(zhì)變。但這種質(zhì)變，是從機械式噴油系統(tǒng)向電控系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變，并不必然是向某個特定的燃油噴射系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變。就滿足國Ⅲ標準而言，一般認為要求是：需采用單缸4氣門技術(shù)，通過對燃燒室的優(yōu)化和尾氣處理等措施，使用機械泵也可以滿足歐Ⅲ排放法規(guī)。在上世紀末歐美重卡企業(yè)、發(fā)動機企業(yè)在從歐Ⅱ向歐Ⅲ過渡時，也是采取了多種技術(shù)路線，有走共軌技術(shù)路線的，也有采用泵噴嘴技術(shù)和單體泵技術(shù)的，也有用機械泵來實現(xiàn)國Ⅲ排放的。大量國內(nèi)外實踐經(jīng)驗和理論研究都表明：電控泵噴嘴系統(tǒng)、電控高壓共軌系統(tǒng)、電控單體泵系統(tǒng)、電控直列泵系統(tǒng)等都有滿足目前國Ⅲ和將來國Ⅳ排放要求的能力。這四種系統(tǒng)因各自的結(jié)構(gòu)特點在技術(shù)上各有優(yōu)劣，沒有一種系統(tǒng)可以說是完美的，而是各有各的特點。就國內(nèi)發(fā)動機市場發(fā)展來說，并不是一定要求舍棄哪種技術(shù)路線，堅決實行哪一種技術(shù)路線的問題，而是需要因地制宜，揚長避短，要從成本、性能、匹配、售后服務(wù)等各方面綜合來分析，使之分別適用于不同種類、不同工況條件和不同使用特性要求的發(fā)動機。中國幅員廣大，地區(qū)差異巨大，基礎(chǔ)條件發(fā)展不平衡，許多用戶素質(zhì)并不高，對新技術(shù)的接受能力很有限，這一系列客觀現(xiàn)實要求我們在開發(fā)、應(yīng)用和推廣新技術(shù)時必須從中國的國情出發(fā)，認真考慮、具體分析最后作出決策。表1列舉了目前這四種技術(shù)的主要特征比較和評判，僅供參考。

　　電控泵噴嘴系統(tǒng)和電控高壓共軌系統(tǒng)可以達到很高的燃油噴射壓力，發(fā)動機ECU根據(jù)發(fā)動機工況的要求，可以靈活控制燃油分配、燃油噴射時間、噴射壓力和噴射速率，使發(fā)動機在低速工況下也能實現(xiàn)完全燃燒，獲得大扭矩的輸出，有著高效的燃油經(jīng)濟性和出色的排放性能，并且預(yù)噴射、多次噴射技術(shù)的應(yīng)用也大大降低了柴油發(fā)動機噪聲和振動。通過對以上特性的控制，柴油發(fā)動機的響應(yīng)性和駕駛舒適性已經(jīng)達到了汽油發(fā)動機的水平，同時它又具有著顯著的燃油經(jīng)濟性和低排放特性。作為對于噪聲、NVH特性要求相對較高、成本壓力承受較強的乘用車市場，如轎車、高端輕型客車等配套發(fā)動機是非常適合的。

　　而對于我國廣大的輕型卡車、低端輕型客車和工程機械用柴油機市場，由于這檔車型價格定位較低，基本為生產(chǎn)工具型用途，當采用電控泵噴嘴、電控共軌等系統(tǒng)來達到國Ⅲ排放法規(guī)時，對企業(yè)來說不但開發(fā)成本、生產(chǎn)成本難以接受，企業(yè)售后服務(wù)和維修環(huán)節(jié)的壓力也會很大;對用戶來說，對油品和使用環(huán)境的要求也會使其望而卻步。所以，綜合而言在國內(nèi)量大面廣的輕型車市場上，基于“電控直列泵+ EGR”技術(shù)的發(fā)動機方案會比較合適。其優(yōu)點就在于技術(shù)開發(fā)和匹配成本低，單機成本低，油品適應(yīng)性好，維修保養(yǎng)方便。

　　對于中重型卡車和大型客車來說，采用電控單體泵或“電控直列泵+EGR系統(tǒng)”將會是較好選擇。其最大優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)相對簡單，對原型發(fā)動機的改動較小，性能可靠，故障率低，壽命長，維修方便。相對于共軌和泵噴嘴具有成本優(yōu)勢，并且兩者對油品要求都不高。比較適合于國內(nèi)城市間的大型物流和旅游市場需求。

　　對以上4種技術(shù)方案的領(lǐng)域應(yīng)用分類比較適合我們國內(nèi)市場的發(fā)展特點，對國內(nèi)燃油噴射系統(tǒng)行業(yè)和國內(nèi)柴油機行業(yè)來說都具有很好的繼承性和現(xiàn)實意義，也有助于提高我國車用柴油機的市場競爭能力。