喷油系统——满足未来排放限值要求的关键部件

【德】 Theobald J Schintzel K Krause A Doerges U

1 不断提高的要求

无论是汽油机还是柴油机，通过采用直接喷射技术，使发动机的功率值得到进一步改善，同时也明显降低了原始排放。Volkswagen公司自1999年起就开始量产直接喷射汽油机，并且汽油机缸内直接喷射技术得到了不断的发展。首先是采用充量分层的燃油分层喷射技术和旋流式喷油器，然后从2005年起，在双增压燃油分层喷射（TSI）汽油机上将增压与均质直接喷射相结合，并通过实施小型化策略，在降低排放的同时挖掘了进一步降低二氧化碳（CO2）排放的潜力。在TSI机型上还首次应用了多孔喷油器，以进一步改善混合气形成。

由于汽油机和柴油机的平均压力水平都在提高，对喷油器和高压燃油泵等关键部件必须进一步研发。这2种类型的发动机在上述方面都取得了显著的进步，目的是尽可能为发动机小型化所需的喷油量作好准备，面对燃油耗和废气排放方面严峻的挑战。由于气缸数减少和燃烧室容积的减小，对喷油系统提出了更高的要求，从而能够充分利用发动机小型化在质量、燃烧过程和摩擦功率等方面的优势。此外，由于发动机被用于全球各个领域，喷油系统面临各种不同品质燃油的挑战。同时，对喷油精度也提出了更高的要求，发动机各缸之间喷油量的偏差在20 MPa试验压力下要达到＜5%，而且对最小稳定喷油量提出了要求，规定在多次喷射和20 MPa共轨压力下每次喷射脉冲＜2 mg，喷油持续时间＜0.5 ms。

近年来，柴油机面临着最小喷油量控制的难题，目前最小喷油量为0.5 mg，未来要求在200 MPa和更高的压力下，最小喷油量要控制在0.2～0.3 mg范围内。

2 柴油机的喷射

2007年，Volkswagen公司的柴油机就已开始转向采用共轨喷射技术，更重要的是对排气后处理的要求越来越高，在这一背景下，共轨喷射系统在控制柔性和精度方面取得了进一步的进展。

在伺服式共轨喷油器上，应用压电技术主要是为了确保较小的喷射间隔的同时，要使具有更多次的喷射能力成为可能。特别是在间隔时间方面，也能采用Bosch公司的电磁阀式喷油器进行控制，以达到总体上较低成本的目的，而且还能进一步提高喷油压力。磁感应调节器的转换速度与压力平衡转换阀相结合可达到所必需的调节精度，从而获得满足欧5和欧6排放标准要求的喷油系统方案。图1示出了喷油压力高达180 MPa的CRI2.18 型电磁阀式喷油器。在此期间，在Volkswagen 2.0 L 增压直喷式柴油机上，这种喷油器几乎完全替代了CRI3.18型压电喷油器。

带有压电直接控制式喷油嘴针阀的共轨喷油器发展动向显示，多次喷射具有进一步发展的潜力，而且，即使经过长时间运行后，仍能具有非常稳定的最小喷油量。在这种喷油器上，喷油嘴针阀不再是间接地通过伺服阀，以及由此产生的针阀座与针阀背侧之间的压力差来控制，而基本上是通过针阀与压电调节器的几何形状连接之后直接控制的。

目前，在市场上有2家压电直接驱动式喷油器供应商。Delphi公司供应2008 年推出的DFI-3.0喷油器，这种喷油器已在市场上大量使用，其特点是具有1个中间转换的液力增压器，它与1个闭锁弹簧相结合，一方面将压电执行器的行程放大到合适的喷油嘴针阀行程，另一方面确保喷油嘴针阀紧密关闭处于无泄漏的状态。这种喷油器在工作时通过执行器断电来开启，而在喷油间隔期间施加电压来关闭。另一个特点是在这种喷油器结构设计方案中，压电执行器被安装在喷油器内部，靠近喷油嘴一侧的与共轨相通的容积中，能够达到明显降低对压力波敏感性的目标。此外，还赢得了对电气绝缘方面的挑战。

曾多次介绍过Continental公司新一代压电直接控制式喷油器（图2）的产品特点。这种压电喷油器通过机械式杠杆装置将压电执行器迎着喷油嘴针阀开启方向的伸展行程翻转过来，集成在其中的行程转换器产生喷油嘴针阀所必需的升程，使得在针阀开启状态时阀座处不会出现节流。

由于喷油量越来越小且精确，对喷油量和喷油定时的精度要求也明显提高。除了许多已众所周知且批量应用的修正功能之外，还运用了一种令人感兴趣的“闭环”调整方案，为使将来在这种情况下，对喷油器装置内部机械和电子零件进行误差补偿。喷油嘴针阀顶端剧烈的速度变化会转化成一种可利用的电容信号变化，因而在针阀升程之间存在着所谓的“在线”调整喷油时刻的可能性，因此，能够对整个寿命期内压电执行器或针阀座所发生的变化和偏差进行补偿。

3 喷油规律的造型

由于在压电直接驱动式喷油器上能够运用喷油规律造型，因此能挖掘出一些其他的潜力。虽然目前大量生产中所使用的喷油器系统每次燃烧过程能够进行高达8次喷射，但喷油过程之间的间隔基本上不能少于几微秒。特别是在喷油器中还存在压力波敏感性问题，即使采取了阻尼节流和平衡算法，但往往还是会导致不容忽视的影响。图3示出了一种称为“靴形喷射”的喷油规律，以及其与传统的彼此间有中断间隔的多次喷射规律的比较，这些多次喷射有助于降低怠速噪声，以及运行工况区域内的废气排放。

4 泄漏

迄今为止，共轨喷射系统的重要缺陷是喷油器系统的内在泄漏。这一方面涉及到不可避免的伺服阀转换时发生的泄漏，另一方面还涉及到可优化的针阀和控制柱塞处的持续泄漏。试验已证实，这里的泄漏量通常在5～20 L/h范围以内，处于发动机原本所需的燃油量范围内，这明显有利于降低CO2排放。综上所述，Delphi公司的喷油器达到了所谓的“无泄漏喷油器”水平，而Continental公司的喷油器系统泄漏量明显低于通常永久性泄漏的水平。

5 对排放的影响

单次喷油量依然较小，且具有新的自由度，特别是在高共轨压力和多次喷射的情况下，能使废气排放明显降低。应用可精确定义的喷油规律，尤其在以发动机高负荷进行排放试验循环中，能够提高废气再循环的适应性，并能使一些运行工况点的PM排放降低30%，同时还降低了压力升高率和燃烧噪声。采用较高的可应用的喷油压力，随之就能改善碳烟PM 排放，这在柴油机开发中已众所周知。

柴油机喷射的关键在于，在喷油嘴中要为压力转化为每次高效燃烧创造良好的条件：高的油束速度和尽可能小的油滴，以改善雾化效果及提高贵穿度。尽可能小的喷孔直径及将喷孔进口边棱倒圆，并采取与协调的圆锥度相结合等先进技术，始终是高性能喷油嘴的重要特点。这里，采用新型的侵蚀工艺也能获得越来越高的喷油压力转化效率。但是，它们受到制造误差的限制，若要求喷孔表面过于光滑，则还受到喷孔之间安全间距的限制。另外，为避免喷孔表面出现微型穴蚀，有可能需要对喷孔表面施加涂层。

6 汽油机的喷射技术

在采用缸内汽油直喷的现代汽油机燃烧过程中，其喷雾设计取决于许多边界条件，诸如喷孔直径、喷油器位置或者流人气缸的空气运动等。因此，Volkswagen公司采用多孔喷油器（图4）实施每个油束精确定位，是开发工作的重点之一。

在喷雾几何形状设计中，力求每个油束都充分利用燃烧室的容积。因此，应对4孔、5孔、6孔和7孔喷油嘴分别进行试验，其目标是要达到尽可能好的充量均质化。最终，哪种发动机设计方案采用哪种喷雾几何形状取决于特定的发动机设计方案的各自试验测量结果。在现经改进的下一代增压分层喷射燃烧过程中，已精确地进行了这方面的试验研究工作，其中除了优化充量均质化之外，还要试验一种方法，能设法避免喷人燃烧室的燃油与壁面有任何的接触。

通过专门的喷孔设计，首先要减少燃油润湿燃烧室顶面和活塞顶面的现象，以及靠近气缸壁面处的碳氢化合物的数量（壁面猝冷），从而明显降低有害物排放，尤其是由明显减小的燃油束贵穿度所导致的结果（图5）。

对喷雾几何形状进行专门设计的另一个效果是减少了燃油在活塞顶面和燃烧室顶面的沉积，进一步降低了有害物的排放。下一代直接喷射汽油机用的共轨压力将提高到20 MPa，其结果是表征油滴尺寸分布的绍特直径d32减小（图6）。通过燃油精细雾化，可明显改善混合气的准备，从而改善了发动机的废气排放和燃油耗特性。

7 喷油嘴动态特性的改善

各种不同改进措施的目标是要改善喷油嘴的动态特性。首先，喷油器喷孔必须加工得非常精确，以使各个喷油器之间的差异尽可能最小，这样特别能提高小油量运行范围内的喷油精度，即使在油量较大运行范围内的喷油精度也能得以提高（图7），因而改善了整个运行范围内的运转平稳性，同时也降低了废气排放。尤其是在应用越来越频繁的多次喷射情况下，喷油嘴动态特性的改善使发动机运转平稳，同时，降低了燃油耗和废气排放。

8 喷油策略

如前文所述，在催化器加热运行期间，以及其他的特性曲线场范围内采取多次喷射策略起着越来越重要的作用。在现有的机型上，3次喷射应用到高达3 000 r/min的发动机转速工况，而2次喷射一直应用到高达4 000 r/min的发动机转速工况。采用这种喷射策略改善了燃油耗和废气排放。多次喷射提供了各种可能性，首先基于遗传学算法对它们进行自动优化，以便能采集更多的可能性组合，然后，通过对有限的参数范围和参数变化进行筛选，以确认最佳的标定，这样能将应用多次喷射所消耗的时间降低到最小。

9 结语

无论是汽油机还是柴油机，即使单个参数存在明显的差异，但在共轨压力、多次喷射和计量精度等方面的发展趋势是相同的。除了提高喷射压力之外，主要致力于喷射更柔性和喷油精度更高的研究。同时，不仅要在结构设计细节上下功夫、寻找合适的材料和加工工艺，而且还要研究出这2种发动机控制软件结构中所必需的修正功能，从而能进一步降低废气排放，实现更低的燃油耗目标。就上述目标而言，通过尽可能优化的混合气形成，能实现降低发动机原始排放的目标，而且在未来喷油系统部件上有巨大潜力可挖掘。