非道路第三阶段中小缸径柴油机技术现状及优势对比分析

陈帅 袁万鹏 刘智杰 刘刚

摘 要：非道路T3已经实施，终端市场存在着多种技术路线并存的局面。从2016年1-4月的T3柴油机销量来看，电控高压共轨技术以其技术先进性、较好的终端用户使用感受在T3的销量中逐月提升，累计市场份额占比已接近50%。借鉴道路车辆排放升级的经验，进行了常见T3技术路线的关键技术特点及关键问题的对比分析。

关键词：非道路；柴油机；技术路线：车辆排放

中图分类号：TK429 文献标识码：A doi：10.14031/j.cnki.njwx.2016.06.001

1 非道路三阶段市场概况

我国非道路移动机械市场较大，种类繁多、保有量大、应用广泛，与生产生活密切相关。

据权威部门实际测算，除道路车辆外，非道路移动源NOX和PM2.5排放量所占比例较大的是农业机械、船舶和工程机械，如图1、图2所示。我国农业机械、工程机械产销量位居世界第一，2005-2015年，工程机械保有量年均增长12%以上，农业机械总动力年均增长6%以上。2014年公布的“全球工程机械制造商50强排行榜”中，中联重科、徐工、三一重工位列前十。据预测，工程机械、农业机械行业今后仍将继续发展，而排放的增长成为亟待解决的突出问题。

反观道路车辆，在经历了国三、国四排放升级后，市场已较为规范，整体技术水平大幅提升，排放大幅降低，使得非道路的排放控制成为节能减排的关键领域，列入国家环保部门重点整治的对象，今后移动机械类减排的任务主要集中在非道路移动机械市场。

2 非道路三阶段主流技术路线

在经历了将近一年的技术准备后，各大柴油机企业在2016年1-4月份完成了不同批次的非道路三阶段（以下称T3）的市场推广及验证。从目前终端市场的投放来看，主要形成了以电控VE泵、电控单体泵、电控高压共轨为主流的T3技术路线。

以上各种不同T3技术路线出现的主要原因是：各柴油机生产企业对T3升级这一排放法规要求的理解程度不同，部分柴油机厂家单纯从应对排放升级的角度出发，所设计T3产品只要能应对排放升级要求即可；而电控技术经验丰富的厂家则着眼非道路未来规划，选择了具有升级到T4、T5排放潜力的技术，同时力求在动力性、使用经济性、操控性、舒适性、智能化等全方位性能的提高。

3 T3升级主要技术路线关键问题对比分析

3.1 T2到T3的升级难度比较

T2升级到T3，不仅对燃油系统喷射压力提出了更高的要求，对发动机本体强度、零部件加工精度、燃烧效率、热平衡、可靠性、控制策略也提出了更高的要求。比较而言，电控VE泵的电气部分增加零部件较少，机械部分在T2的基础上变化不大，故选用VE泵技术路线升级难度最小；电控单体泵大幅提升了喷射压力，对齿轮系及发动机本体强度的要求有所提高，且增加了部分电气元件，有一定的升级难度；而电控高压共轨，发动机信号采集量较电控单体泵有所增加，电控系统的控制量却大幅增加，控制策略也更为复杂，故升级难度最大，对柴油机升级技术的要求也最高。

3.2 T3到 T4的升级准备

从道路车辆的国三、国四升级过程来看，电控VE泵、电控单体泵由于燃油喷射、燃烧及排放控制的先天不足，想要升级到国四排放水平需要在后处理系统上付出较为高昂的代价；而电控高压共轨在喷油切断、多次喷射、后喷技术、综合成本等方面的优势使得电控高压共轨成为国四、国五车机排放升级的唯一选择。据环保部门消息，非道路T4排放的实施将会于2017年下半年在东部地区率先鼓励实施，留给众多柴油机生产企业、非道路主机生产企业的准备时间并不多。

3.3 零部件升级成本

以六缸机为例，一套六缸共轨燃油系统和单体泵燃油系统，零件种类和数量分别为：单体泵128种，472件；共轨泵155种，405件。虽然单体泵品种比共轨少，但零件数量多。在油泵成本上，单体泵比共轨成本要高出不少，但共轨系统喷油器的成本要比单体泵的机械喷油器高。而VE泵仅仅在T2机械泵的基础上增加了ECU、燃油计量单元等部件，零部件升级成本较低。

从国产电控燃油系统的终端市场来看，四缸柴油机机电控VE泵燃油系统的成本在2000～2200元，单体泵燃油系统的成本在2400～2500元，共轨燃油系统的成本在3000～3500元。而从非道路细分市场来看：农机市场由于补贴政策的保护，对1000元的价格差距并不敏感，而工程机械价值量较大，在发动机品质提升的情况下，消化1000～1500元的成本差距也比较容易。虽然使用电控高压共轨技术成本最高，但其所带来的静音无烟、动力提升、绿色环保等卖点已经在终端市场得到用户的认可。

4 T3主流技术路线关键技术特性对比分析

T3升级首先需要解决的问题是排放达标，在追求排放技术特性控制精度的同时，动力性、用户体验的提升成为T3产品的又一重要技术特性。

4.1 燃油喷射次数的控制

传统的机械式燃油系统以及T3阶段的电控VE泵、电控单体泵的喷油器均为机械式，喷油的开启和关闭均依靠燃油压力控制，达到调定的喷射压力时克服弹簧弹力打开，低于喷射压力时喷油器针阀归位关闭，在柴油机的工作过程中，根据柴油各缸机对应的泵油柱塞升降来实现泵油，在柴油泵实际工作过程中，柴油机每转一圈实现一次喷油。而电控高压共轨采用电控喷油器，喷油器的打开和关闭与燃油压力无关，依靠ECU给喷油器的开关指令实现喷油次数、喷油时长的控制，从而达到精确喷油、精确燃烧的目的，大都采用PWM数字信号控制，现阶段大部分燃油系统厂家使用的是数字式高速电磁开关阀，可以实现柴油机5次/r的喷油，日本DENSO在高端市场应用了压电晶体式的高速开关阀，可以达到7次/r的喷油，而近年来正在研究和应用的稀土超磁致高速开关阀可以达到10～20次/r的喷油精度。

喷油次数的增多，使得柴油机控制策略得到了极大的丰富，国四车机的两次主喷使得燃烧效率得到不小的提升，一次预喷的加入也使得柴油机的噪声大大降低、启动性能得到很大的提升，而一次后喷的增设也使得后处理的效率得到提升，使得整车排放水平得到提升。

4.2 燃油喷射系统可控性

T3阶段各种燃油喷射系统均大幅提升了燃油喷射压力，最高达到180 MPa，比T3阶段喷油压力提升一倍，以此提高柴油雾化效果及燃烧精度，但由此带来的是关键零部件制造精度和控制要求的大幅提高。

从各电控系统的喷油工作过程来看：

单体泵的喷射控制，从电磁阀得电到喷油器启喷存在一定的开启时间延时，而从控制阀失电到喷射结束存在一定的关闭时间延时，造成喷射精度的大幅降低，而调定喷射压力的设定使得整个喷油过程的误差较大，造成喷油不准确，从而影响排放及噪声等关键指标，造成不可精确控制。反观共轨的喷射控制，喷射控制在喷油器端，几乎无延迟，响应快，稳定性好，控制精度高。

4.3 燃油系统喷射压力控制

从控制的角度来看，影响喷射压力的要素越少，越容易实现精确控制。

VE泵、电控单体泵的喷油压力控制较为粗放，主要受以下因素的影响：a凸轮轴供油斜面的速率， 即供油相位； b柱塞直径；c凸轮轴转速； d喷油器喷孔数量与直径以及流量系数；e喷油量的大小；f高压系统容积，以及高压油管长度。 上述6个影响喷射压力控制的因素造成了VE泵和单体泵的喷射压力控制精度很差，几乎到了不可控的地步。

而电控高压共轨，增设了共轨管作为储油容器，将高压燃油储存起来，随用随取，不受上述因素的影响，喷射压力控制精度高，稳定可控。

4.4 污染物排放控制

T3阶段各技术路线大幅提高了燃油喷射压力，提升了柴油雾化效果，优化了燃油喷射规律，增设了控制策略，使得排放水平大幅提高，大大降低了NOx及PM的排放。

从各检测中心的台架试验数据来看，电控VE泵及单体泵勉强能够达到T3的排放要求，而在瞬时排放、高速重载等工况下，其排放表现更差，升级到T4阶段较为困难。而电控高压共轨在各种工况下的排放一致性好，且整体排放水平已经接近T4排放标准。

4.5 燃油经济性

燃油的精确喷射及雾化效果的优化，使得T3柴油机较T2阶段的燃油经济性普遍提高，而电控高压共轨的精确控制、精确喷射、精确燃烧使得燃油经济性大幅提高。

根据实测数据，36.8 kW的3 t叉车，在60次/h的举升、转运、举升、归位的模拟工作循环中，T2阶段某型490机械泵发动机消耗燃油3.18 kg，T3某型490电控高压共轨柴油机消耗燃油2.475 kg，节油高达22%，而对比VE泵也有12%～15%的节油效果。

4.6 用户使用感受

精确燃烧同时带来了振动噪音的降低，而电控高压共轨的精确控制使得各缸工作一致性得到了保证，而平稳的燃烧，使得振动噪声大幅降低。

据3 t、3.5 t叉车的实测数据，电控高压共轨较电控VE泵怠速噪声低3～4 dB（A），高速噪音低2～3 dB（A）。而振动噪声的降低，使得用户工作舒适性得到提升，也增加了产品的卖点。

4.7 售后的可维修性

T3阶段柴油机燃油系统精度的提高，使得很多用户担心售后服务等使用成本的增加，根据电控高压共轨、电控VE泵、电控单体泵的售后故障统计：电控VE泵的主要故障原因在于泵内精密柱塞部件的磨损，更换时维修成本较高，且不具有返修价值；电控单体泵的主要故障原因在于泵油电磁阀部件的损坏，需要更换整只部件，且不具有维修价值；电控高压共轨主要故障原因在于喷油器阀组件、流量阀等精密部件的磨损，更换时喷油器整只更换，但可以通过更换磨蚀的部件达到修复的目的。

由于共轨易损部件的可维修性较高，使得发动机及其关键零部件的再制造具有一定的价值，符合近年来国家对柴油机再制造业务的政策导向。

5 结论

受益于各大非道路柴油机厂家的宣传和推广，虽然非道路T3的实施刚刚开始，但终端市场对电控高压共轨技术路线先进性的认识和接受程度形成了不少共识。现阶段，行业知名的柴油机生产企业纷纷开始了T3电控高压共轨柴油机的研发和推广，并在叉车、收割机、工程机械等领域率先推广，可以预见，2016年非道路T3的市场份额中，T3电控高压共轨的比例必将遥遥领先。