【日】 S.Matsumoto K.Date T.Taguchi 【德】 O.E.Herrmann

Denso公司新型柴油機(jī)用電磁閥式噴油器

【日】 S.Matsumoto K.Date T.Taguchi 【德】 O.E.Herrmann

Denso公司新型第4代電磁閥式噴油器具有三路控制功能，因而提高了液力效率，并使燃油耗降低約1％。該噴油器的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量減輕75％，大大改善了液力性能。此外，其燃油泄漏量被減少到最低程度，明顯降低了對(duì)冷卻的要求，并且對(duì)燃油品質(zhì)的波動(dòng)不敏感。

柴油機(jī) 電磁閥式噴油器 共軌噴油器 三路控制功能

1 起因

全世界范圍內(nèi)，尤其是在排放法規(guī)非常嚴(yán)格的國(guó)家和地區(qū)，對(duì)柴油機(jī)的需求量始終在不斷增長(zhǎng)，而發(fā)展中國(guó)家始終聚焦于降低廢氣排放和二氧化碳排放的課題。研究人員在進(jìn)一步開(kāi)發(fā)共軌噴油系統(tǒng)，提高其噴油精度、噴射模式自由度和噴油壓力，以降低廢氣排放和燃油耗，其中，特別是要提高發(fā)動(dòng)機(jī)的升功率。

此外，市場(chǎng)還要求改善噴油系統(tǒng)以適應(yīng)日益多樣化的燃油，提高起動(dòng)-停車功能所需的儲(chǔ)存共軌壓力的可能性，以及簡(jiǎn)化噴油系統(tǒng)零件的裝配。共軌噴油器的性能是滿足上述諸多要求的重要基礎(chǔ)，目前的Denso公司第3代壓電噴油器（G3P）已能滿足上述要求[1]。當(dāng)然，電磁閥技術(shù)在滿足商用車使用壽命和優(yōu)化系統(tǒng)成本等方面顯示出較大的潛力，因而Denso公司確定了全新的開(kāi)發(fā)目標(biāo)（表1），開(kāi)發(fā)了第4代電磁閥式噴油器（G4S）（圖1），它達(dá)到了現(xiàn)有量產(chǎn)G3P噴油器的性能水平。

表1 Denso公司共軌噴油器性能一覽

圖1 Denso公司G4S噴油器

由于壓電堆具有較大的調(diào)節(jié)力，因而G3P噴油器中采用三路控制閥，大大減少了開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換泄漏。傳統(tǒng)的兩路電磁閥噴油器因受結(jié)構(gòu)條件的限制，其開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換泄漏量和縫隙泄漏量均較大。這不僅造成機(jī)械損失，并且在轉(zhuǎn)換到高噴油壓力時(shí)，在噴油器回油管路中會(huì)形成局部的高燃油溫度[2]。為了應(yīng)用調(diào)節(jié)力比壓電堆稍小的電磁閥技術(shù)來(lái)完全避免縫隙泄漏，Denso公司在G4S噴油器上應(yīng)用了一種全新型式的控制閥結(jié)構(gòu)，其液力功率特性相比第3代電磁閥式噴油器（G3S）有明顯改善。另一方面，與壓電噴油器相比，較為簡(jiǎn)單的電磁閥技術(shù)顯示出較長(zhǎng)的使用壽命，這一特性是越野車或商用車不可或缺的。同時(shí)，這種噴油器能夠達(dá)到250 MPa較高的噴油壓力，中期可達(dá)300 MPa[3]。

2 液力工作原理

目前的G3S噴油器電磁閥被布置在噴油器的上部。因G4S噴油器中的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換泄漏量減少了70％，因此可大大縮小電磁閥，并可將其安裝在噴油器的下部。如圖2所示，取消了控制桿（即針閥推桿），噴油嘴針閥直接由控制室中的壓力操縱，此外，噴油器中沒(méi)有起密封作用的運(yùn)動(dòng)件。由于電磁閥位于中間位置，噴油器的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量可減少75％。

圖2 G4S噴油器的結(jié)構(gòu)及其功能

從圖2可以看到，在控制室中設(shè)有1個(gè)控制閥片。在正常情況下，它起到關(guān)閉進(jìn)油節(jié)流孔的作用，而控制閥片上出油節(jié)流孔的大小可進(jìn)行調(diào)整，以便針對(duì)燃燒優(yōu)化按噴油規(guī)律曲線運(yùn)行的噴油嘴針閥開(kāi)啟速度。噴油開(kāi)始后，控制閥片保持在其位置上，因此噴油期間的進(jìn)油節(jié)流孔保持關(guān)閉。在控制閥關(guān)閉后，控制室和中間室的液壓力狀況得到平衡?？刂崎y片上方高壓槽中的高壓產(chǎn)生附加力，它克服彈簧力并將控制閥片打開(kāi)，使進(jìn)油節(jié)流孔敞開(kāi)，當(dāng)控制室中建立起壓力，噴油嘴針閥就關(guān)閉。進(jìn)油節(jié)流孔的大小也可進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，以改變針閥的關(guān)閉速度。

圖3（a）示出G4S噴油器在不同共軌壓力下的電磁閥充電控制時(shí)間與噴油量之間特性曲線，它們具有良好的線性關(guān)系，不同共軌壓力下特性曲線之間的間隔也相當(dāng)整齊，達(dá)到或超越了G3P噴油器的良好性能。由于大噴油量和最小噴油量范圍內(nèi)的線性關(guān)系，因此，可以高精度地補(bǔ)償噴油器之間，以及運(yùn)行期間噴油量的分散度。

圖3 在不同共軌壓力下G4S噴油器的噴油量，以及G3S和G4S噴油器的噴油量波動(dòng)

圖3（b）示出了G3S和G4S噴油器的結(jié)構(gòu)。如前文所述，在開(kāi)發(fā)新型G4S噴油器時(shí)，取消了在G3S噴油器中用于連接控制室與噴油嘴的控制桿，從而消除了摩擦，并減輕了運(yùn)動(dòng)質(zhì)量，明顯改善了單次噴油之間的重復(fù)性。圖3（c）示出了各次噴油量之間的分散度，G4S噴油器雖然噴油壓力較高，但其分散度僅為G3S噴油器的50％，因此可達(dá)到更小的最小噴油量和預(yù)噴射油量。與常規(guī)的學(xué)習(xí)功能或可選用的i-ART壓力傳感器相結(jié)合，能夠在整個(gè)使用壽命期內(nèi)獲得最小的預(yù)噴射油量，這有利于降低廢氣排放和燃燒噪聲。

3 三路控制閥的優(yōu)點(diǎn)

Denso公司通過(guò)液力模擬計(jì)算、發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)，以及在轎車和商用車上進(jìn)行的整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線場(chǎng)的整車試驗(yàn)證實(shí)，較少的泄漏損失可降低燃油耗約1％[4]。高壓燃油泵的總泄漏量被減少，其驅(qū)動(dòng)功率也得以減少，從而減少了燃油耗。此外，較少的泄漏損失為有效提高共軌噴油系統(tǒng)中的噴油壓力鋪平了道路，也為廢氣排放和燃油耗帶來(lái)了益處[3，4]。

圖4 在4缸機(jī)上，200 MPa噴油壓力下G3S和G4S噴油器泄漏量的比較

圖4示出了G4S噴油器與常規(guī)噴油器在控制桿和噴油嘴針閥處的泄漏量比較。眾所周知，縫隙泄漏量隨噴油壓力的提高而增加[2]。在低轉(zhuǎn)速時(shí)，因發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)之間的時(shí)間間隔較長(zhǎng)，縫隙泄漏的份額會(huì)因此增大。與此相反，常規(guī)噴油器的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換泄漏量則取決于控制閥開(kāi)啟時(shí)間的長(zhǎng)短。全負(fù)荷時(shí)的泄漏量最大，在低轉(zhuǎn)速時(shí)，常規(guī)G3S噴油器的泄漏量約為每行程40 mm3，這一泄漏量必須由高壓燃油泵來(lái)承擔(dān)，相當(dāng)于在4缸機(jī)上消耗0.5 k W的機(jī)械功率。在額定功率點(diǎn)，每行程的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換泄漏量會(huì)相應(yīng)減少一些，但是，由高壓燃油泵承擔(dān)的泄漏體積流量卻增大了，因此，G4S噴油器在額定功率點(diǎn)可獲得約減少2 k W機(jī)械功率的潛力。

G4S噴油器由于消除了縫隙泄漏，特別是在低速扭矩范圍內(nèi)泄漏量被大大減少，這不僅減少了二氧化碳排放，而且有助于起動(dòng)-停車運(yùn)行。發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)后，共軌壓力能保存數(shù)分鐘，可直接供下次起動(dòng)使用。

此外，因應(yīng)用三路控制功能，使開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換泄漏量減少70％，剩余的泄漏量是打開(kāi)噴油嘴針閥所不可避免的。最終獲得的液力效率能使噴油壓力提高到250～300 MPa[4]。

縫隙泄漏量主要取決于零件的公差，以及經(jīng)過(guò)一段運(yùn)行時(shí)間后零件的磨損程度。進(jìn)出油節(jié)流孔的直徑在運(yùn)行期間是穩(wěn)定的，而常規(guī)噴油器的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換泄漏量也變化不大。如圖5所示，根據(jù)噴油器和運(yùn)行時(shí)間的不同，常規(guī)噴油器的泄漏量呈現(xiàn)出某種程度的分散度，而新型G4S噴油器經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行后，其泄漏量幾乎沒(méi)有增加，噴油器之間也未出現(xiàn)明顯的分散度[2]。

圖5 耐久運(yùn)行試驗(yàn)中G3S和G4S噴油器的泄漏量對(duì)比

依據(jù)采用不同品質(zhì)燃油的全球野外應(yīng)用所取得的經(jīng)驗(yàn)，在目前量產(chǎn)的G3S噴油器上也采取了相應(yīng)的措施，例如在運(yùn)動(dòng)件上涂覆類金剛石碳涂層[5]。采用上述方法，能夠避免形成生物聚合物-沉積物，它們會(huì)粘結(jié)在零件上。為了評(píng)價(jià)抗沉積物的耐久性，Denso公司進(jìn)行了循環(huán)試驗(yàn)（圖6），包括采用柴油和含20％大豆生物燃油的混合燃料，在油泵試驗(yàn)臺(tái)上按固定循環(huán)進(jìn)行試驗(yàn)。因燃油氧化，一段時(shí)間后其總酸值會(huì)增大，這一過(guò)程會(huì)因高燃油溫度而加快。

圖6 快速耐久性試驗(yàn)

試驗(yàn)結(jié)果表明，常規(guī)噴油器經(jīng)試驗(yàn)后燃油所達(dá)到的總酸值不同，直到最終噴油器出現(xiàn)偏差為止，其運(yùn)行時(shí)間也各不相同（圖6）。對(duì)于目前市場(chǎng)上的燃油品質(zhì)而言，G3S噴油器的抗沉積物耐久性水平已經(jīng)足夠了[5]。在超過(guò)1 600 h的試驗(yàn)中，G4S噴油器的噴油量未出現(xiàn)偏差，對(duì)燃油品質(zhì)的變化表現(xiàn)出較高的穩(wěn)定性。其原因是減少了運(yùn)動(dòng)件的數(shù)目與噴油器中的摩擦表面，以及其中的溫度較低，例如因泄漏量減少而使回油溫度明顯較低。

4 結(jié)語(yǔ)

新型G4S噴油器具有三路控制功能，因而提高了液力效率，并使燃油耗降低1％。由于運(yùn)動(dòng)質(zhì)量減輕了75％，液力性能得到了明顯改善，各次噴射之間的偏差只有原先的50％。此外，明顯減少的泄漏，特別是對(duì)不同燃油品質(zhì)的適應(yīng)性提高了G4S噴油器的耐久性。G4S噴油器從2013年開(kāi)始投入批量生產(chǎn)，噴油液力高達(dá)250 MPa，并能提供高達(dá)300 MPa的噴油壓力。

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范明強(qiáng) 譯自 MTZ，2013，74（2）

張 慰 編輯

材料工藝

2013-04-20）