现代轿车柴油机电控高压喷油系统(五)

文/江苏 范明强

喷油过程是通过控制电磁阀线圈中的电流来实现的。于是，发动机电控单元使电磁线圈充电，电磁阀打开控制室的出油孔，因为控制室的出油孔大于进油孔，所以控制室中的燃油压力降低。但是，喷油嘴针阀仍保持关闭(图4-12(b),图4-12见上期，下同)，一直到控制室中的压力降低到作用在喷油嘴针阀上端的力不足以将针阀压紧在其座面上为止。在这个阶段，前面提到过的喷油器回油管路中的真空度非常重要，它有助于控制室中的压力尽可能快地被降落。当控制室中的燃油压力和弹簧压力之和小于作用在针阀座上方的共轨燃油压力时，喷油嘴针阀从其座面上抬起，喷油过程开始(图4-12(c))。

喷油过程中，在最大共轨压力下，通过喷油器中间块中的喷油嘴进油量孔的压力落差大约为10MPa，因此，实际的喷油压力总是低于共轨压力。

电控单元切断电磁线圈中的电流，电磁阀关闭，喷油过程就进入了终了阶段，喷油嘴针阀仍然保持开启(图4-12(d))，一直到控制室中再次全部充满共轨压力为止。共轨压力与喷油压力之间的压力差对于喷油结束过程是很重要的，因为在喷油嘴针阀开着的时候，喷油嘴针阀顶尖(指针阀密封环带以下的部分)的作用面积要添加到针阀座上方的压力作用面积上，两者面积之和大于处于控制室中的针阀上端压力作用面积。因此，只有当控制室中的燃油压力与弹簧压力之和大于喷油嘴针阀下端的压力时，喷油嘴针阀才能快速并精确地关闭。喷油嘴针阀关闭后，在整个喷油器中又重新建立起共轨压力(图4-12(e))。

喷油嘴针阀的滞后打开现象可以被利用，在发动机停机或者倒拖时可使共轨压力尽可能快地降低下来。为此，以高的频率同时控制所有的喷油器电磁阀，使共轨压力能完全泄漏到回油管路中去，而喷油嘴针阀不会打开，同时借助于进油计量阀(IMV)减少或者切断进入高压燃油泵的进油量，这样共轨压力的降落就更快了。

控制喷油器电磁阀的电流脉冲信号可分为两个阶段：峰值电流和保持电流(图4-13)，这种电流信号波形通常被称之为“峰值-保持波形”。峰值电流比保持电流大，以便能克服衔铁的惯性尽快地将电磁阀打开，从而获得良好的动态响应性能。而维持电磁阀开启状态只需要较小的保持电流，这样可减小发动机电控单元的电功率及其在喷油器中的能量损失。整个电流脉冲信号的时间称为“喷油脉冲宽度”或简称为“喷油脉宽”，一般以ms计。它表示喷油嘴针阀开启的时间。在一定的喷油压力下，喷油器每次的喷油量与喷油脉宽成正比，因此只需调节喷油脉宽就能调节喷油量的多少。经过匹配试验后，所得到的发动机各运行工况下的最佳喷油量就是以喷油脉宽的数字形式存储在发动机电控单元内的，用于对喷油器进行控制。

2.压电控制式喷油系统

(1)压电控制式喷油器

德尔福公司于2008年投入批量生产的200MPa喷油压力的新型高压共轨喷油系统，采用压电直接控制式喷油器。与博世公司的压电直接控制式喷油器不同，这种喷油嘴的针阀(图4-14)直接由一个压电陶瓷执行器驱动，而无须经过液压伺服阀的转换，因此喷嘴针阀能比前者更加迅速地开闭，而与喷油压力无关。其对最小的先导喷射(注：指预喷射之前起引导作用的微量喷油，实际上就是第1次预喷射，参见图4-2)油量的优化控制以及整个使用寿命期内卓越的喷油量稳定性十分有利，确保达到了一流的燃油喷射品质，使得能够在降低燃油耗的同时获得最低的排放。

压电直接控制式喷油器与电磁阀控制式喷油器相比，最大的区别在于压电执行器以及由其直接操纵的喷嘴针阀(图4-15)。喷油嘴针阀的开关闭速度高达3m/s，比电磁阀控制的喷嘴针阀快3倍。这种喷油器具有非常短的开关时间(200μs)，并能够实现喷嘴针阀的全升程和部分升程，其最短的喷油时间可达0.1ms，而且喷射间隔时间可极小甚至无间隔(参见图4-2)。

同时，压电直接控制式喷油器具有高的静态流量值(在200MPa喷油压力下最多可达约30g/s)，因而大大拓展了喷油器的动态流量范围，特别是对于喷油量跨度较大的涡轮增压直喷式柴油机，在喷油策略方面能获得很大的自由度，可根据发动机负荷、转速和温度状况，在整个进气和压缩行程期间将喷油量任意分成多次喷射。在小负荷工况时，只需进气行程期间的单次喷油脉冲就足以获得均匀的油气混合汽，而在低速高负荷运转的工况时，将喷油量分成2次或3次喷射，这样就能够尽可能减少燃油湿壁和机油稀释现象。此外，高精度的喷油量计量为现代直喷式柴油机能满足越来越严格的废气排放限值提供了必要的前提条件。

德尔福压电直接控制式喷油器应用了一种创新的以共轨压力为动力的两级式针阀运动放大器。通过压电执行器与喷油嘴针阀之间的这种直接耦合，确保针阀能达到最高的执行速度。这种针阀运动放大器具备了提供分级运动能量的功能，因而能够最佳地胜任针阀开启和关闭阶段所需能量变化的要求。

在第一放大级中，压电执行器与喷油嘴针阀是刚性耦合的，以便使压电模块打开喷油嘴所必需的电流最小，其优点是能完全以紧密刚性耦合的“机械”方式来执行喷油量最小的先导喷射，从而能够获得各次喷射之间极小的喷油量偏差。当针阀打开第一级结束时，第二放大级中的液压针阀运动放大器就用上了，使得为达到最大针阀升程(喷油量较大时)所必需的压电执行器升程最小。

由于压电直接控制式喷嘴针阀的开启和关闭速度极高，并且与电磁阀控制式喷油器不同，它们与共轨压力无关，以至于即使在较低的共轨压力下，仍具有至今电磁阀喷油器尚达不到的针阀速度，因此，一方面在所有的共轨压力下都能获得矩形的喷油速率(图4-16)，这是电磁阀控制共轨喷油系统不可能做到的，特别是在低于平均共轨压力的范围内。

另一方面，喷嘴针阀的高速动作提高了喷射油束的动量，从而能获得更好的油束雾化性能。图4-17示出了喷油过程开始阶段的喷射油束情况，由于压电直接控制式喷油器打开得比电磁阀控制式喷油器更快，因此喷油开始后前者的油束贯穿深度要比后者更大，油束也更直些，从而促进了空气与燃油更均质化的混合，这对于升功率较高的发动机特别有利，对于燃烧过程中颗粒/NOx排放的折衷将起到有利的作用，而且也改善了燃烧过程对废气再循环(EGR)的适应性。

在喷油终了时，同样也显示出这两种喷油器的明显差异，压电直接控制式喷油器关闭得更快，因此喷油最后阶段喷入燃烧室的燃油仍具有几乎未被节流的喷射油束动量，因而这些燃油在燃烧室中也贯穿得很远，同时由于具有较好的雾化品质而能够完全汽化，这对混合汽形成起到了有利作用，特别是有利于进一步降低颗粒排放。

德尔福压电直接控制式喷油器还具有一个特别重要的结构性能，就是压电执行器被燃油所包围(参见图4-14和4-15)，只有采用这种设计方案才能完全避免燃油的泄漏，以至于所有供应的燃油量全都能喷入燃烧室而无须回油，所以可取消回油管。与电磁阀控制式共轨喷油系统相比，由此节省了多达1kW的传动功率，从而能够取消对成本影响较大的燃油冷却器。

此外，压电执行器周围的燃油容积起到了喷油器中稳压室的作用，因此喷油器与共轨－高压泵之间的压力波动及其对针阀运动和喷油量精度的影响被减少到最小程度。这种稳压室作用以及在流动过程中无各种节流保证了在喷油嘴针阀座以上的容积中具有高且稳定不变的压力，因此确保了在整个喷射过程中，喷油嘴具有相同的流量。同样，由于喷油器中稳压室的作用，降低了喷油器与共轨之间的压力波动，所以预喷射与主喷射之间不会相互影响。因喷油嘴针阀座以上的容积中的压力稳定不变，使得主喷射不受喷射间隔的影响而保持稳定(图4-18)。

压电直接控制式喷油器由于针阀的完全开启和针阀关闭的可重复性不受共轨压力的影响，从而获得了线性的喷油量特性曲线场，其曲线的走向仅是喷孔流量的函数，并且几乎不受针阀座节流的影响(图4-19)。

发动机试验已证实，由于压电直接控制式喷油器能获得近似矩形的喷油速率，因此在喷射持续期短的情况下，能将更多的燃油喷入燃烧室，从而能够实现在颗粒排放和排气温度保持不变的情况下提高发动机的升功率。与电磁阀控制式共轨喷油系统相比，压电直接控制式共轨喷油系统在中低负荷时能够改善颗粒排放与NOx排放之间的目标冲突(图4-20)。

正如上述所介绍的那样，压电直接控制式喷油器的重要特性是高针阀速度与共轨压力无关，以及喷射过程之间的相互影响非常小，从而能够在一次喷射后非常迅速地紧跟着进行另一次喷射。这些所列举的性能为压电直接控制式喷油器能以最小的喷射间隔实现品质优异的多次喷射奠定了基础(图4-21)，特别是对于在低共轨压力下的小喷油量蕴藏着重大的应用效果，因为此时大部分燃油仍能够在针阀全开的情况下以最好的雾化品质喷入燃烧室。

(2)共轨高压泵

由于压电直接控制式共轨喷油系统的最高共轨压力已从160MPa提高到180MPa，因此德尔福公司又开发了一种柔性和模块化的DFP3型共轨高压泵系列，其泵油量在0.5～1.5cm3/h之间，具有优异的耐久性和可靠性，并具有众多的传动变型，能匹配各种不同发动机用途和结构空间位置。德尔福压电直接控制式高压共轨喷油系统采用DFP3.4型共轨高压泵，可采用两种直径的泵油柱塞，其泵油量为0.5～0.7cm3/h(图4-22)。

德尔福公司所有的共轨高压泵都装有一个进油计量调节阀，因此仅仅压缩需喷入发动机燃烧室的燃油，这就确保了共轨高压泵具有高的效率。共轨高压泵的传动系统可使标定转速达到4000r/min，而超转速可高达5000r/min。共轨高压泵的驱动轴由发动机传动机构传动，其轴承被分别压在泵体和前盖板中。具有多边形轮廓的滑套由驱动轴上的偏心轮传动，根据柱塞的数目它具有2或3个工作面。驱动轴的转动带动滑套工作面移动，从而使在其上滑动的杯形挺柱上下运动，而泵油柱塞座落在杯形挺柱内，因此其每次向外运动都会引起柱塞上方的燃油容积压缩，而在弹簧的作用下回程时进行充油。泵油柱塞在淬硬的锻钢泵头中运动，而泵头被螺栓拧紧在泵体上。每个液压泵头具有一个进油阀和一个出油阀。在液压泵头和泵体之间有一片金属密封垫，它既起到高压密封作用又起到低压密封作用，而涂在金属密封垫上的氟橡胶层起到了对外的低压密封作用。又因为燃油在液压泵头中的高压下，经过泵体上的一个钻孔抵达泵体上的高压出口，因此每个液压泵头还必须具有高压密封，而这种高压密封是由金属密封垫上高压孔周围的3个同心槽来实现的。

3.调节策略

共轨喷油系统电控单元的任务就是根据众多的传感器信息进行压力调节和喷油调节。

(1)压力调节

喷油压力是借助于进油计量阀(IMV)来进行调节的，发动机电控单元以可变的电流对进油计量阀(IMV)进行控制。喷油压力取决于发动机的转速和负荷。在较高的转速和负荷范围内，燃烧室中的空气运动也较强，为了优化燃烧需要很高的喷油压力。

在部分负荷和怠速运转时，汽缸充气进行得较缓慢，因而燃烧室中的空气运动也明显较弱，如果在这种负荷范围内喷油压力太高，燃油油滴就会碰撞到汽缸壁面上，从而导致形成碳烟颗粒(PM)和未燃碳氢化合物(HC)，同时还会因汽缸壁面上的润滑油膜被冲洗掉而导致相关零件(汽缸套和活塞环)的磨损，因此，在较低的转速和负荷运行范围内，喷油压力必须降低，在计算此时的喷油压力时要计入诸如进气空气温度、冷却液温度和大气压力以及发动机冷态时的点火滞后等参数的校正量。(未完待续)