【德】 W.Klügl C.Boll G.Krüger U.Nigrin

設(shè)計(jì)開發(fā)

用于提高柴油機(jī)效率的新型壓電共軌噴射系統(tǒng)

【德】 W.Klügl C.Boll G.Krüger U.Nigrin

Continnental公司采用新穎的PCRs5型壓電噴油系統(tǒng)擴(kuò)展了對(duì)柴油機(jī)燃燒過(guò)程施加影響的可能性，通過(guò)精度更高和噴射間距更短的多次噴射能進(jìn)一步降低燃油耗、原始排放和運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲，而噴射的閉環(huán)調(diào)節(jié)則能確保整個(gè)使用壽命期系統(tǒng)的可靠性，其中壓電執(zhí)行器同時(shí)被用作監(jiān)控針閥運(yùn)動(dòng)的傳感器。

柴油機(jī)壓電噴油系統(tǒng)降低排放

1 對(duì)柴油噴射系統(tǒng)提出了更高的要求

高效率柴油機(jī)有助于達(dá)到公司車隊(duì)苛刻的CO2排放的目標(biāo)。為了進(jìn)一步提高柴油機(jī)效率并同時(shí)降低其原始排放，混合氣準(zhǔn)備和燃燒期氣缸壓力變化曲線起著重要的作用。除了碳?xì)浠衔?HC)、氮氧化物(NOx)及顆粒物排放之外，柴油機(jī)的運(yùn)行噪聲和舒適性也影響著其在未來(lái)全球各種驅(qū)動(dòng)方式中所可能承擔(dān)的角色。

更精確的噴油控制能使柴油機(jī)更為高效，并能使廢氣后處理盡可能更有效和經(jīng)濟(jì)，而噴射間距極短和精度高的多次噴射則成為優(yōu)化燃燒過(guò)程的前提條件。

新型PCRs5型壓電柴油噴射系統(tǒng)進(jìn)一步開發(fā)的目標(biāo)是：在整個(gè)運(yùn)行功率范圍內(nèi)更可靠地保持高品質(zhì)的噴射參數(shù)；通過(guò)緊湊的部件和模塊化結(jié)構(gòu)易于集成在各種不同的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)型中；進(jìn)一步降低損失功率和優(yōu)化高的液壓效率；適應(yīng)越來(lái)越多的混合動(dòng)力場(chǎng)合。

這種新型噴油系統(tǒng)就是針對(duì)250 MPa系統(tǒng)壓力以及300 000 km(轎車)和400 000 km(輕型載貨車)使用壽命設(shè)計(jì)和認(rèn)證的，其200 MPa共軌壓力首次應(yīng)用并搭載于市場(chǎng)上一種輕型載貨車系列的新型柴油機(jī)機(jī)型上，而高達(dá)250 MPa的噴射壓力則應(yīng)用于高功率等級(jí)的轎車上。

2 系統(tǒng)部件

PCRs5型壓電噴油器、DHP1型柴油高壓泵、帶有數(shù)字式減壓閥的燃油分配管、高壓傳感器以及EMS3型發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)電控單元和軟件是模塊化PCRs5型壓電噴油系統(tǒng)的重要組成部分。

高壓柴油泵(圖1)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是采用滾輪挺柱傳動(dòng)，以及用于調(diào)節(jié)油量和壓力的數(shù)字式進(jìn)油閥，其突出的特點(diǎn)是具有高精度的燃油壓力調(diào)節(jié)，以及在降低進(jìn)口壓力的情況下呈現(xiàn)較小的液壓容積和高液壓效率，此外較小的冷卻和潤(rùn)滑容積流量減輕了低壓系統(tǒng)的負(fù)荷，從而總體上減少的損失功率，對(duì)CO2排放產(chǎn)生了有利的效果。這種高壓柴油泵十分緊湊(凈質(zhì)量<2.6 kg)，能使用全球各種燃油，并能滿足增加起動(dòng)-停機(jī)循環(huán)次數(shù)的要求。除了采用燃油潤(rùn)滑的方案之外，在保持上述優(yōu)點(diǎn)的情況下還有一種機(jī)油潤(rùn)滑方案(作為插裝式高壓泵直接集成到發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體中)可供選用。

圖1 采用燃油潤(rùn)滑的DHP1型高壓柴油泵

新型的EMS3型模塊化電控單元軟件和硬件平臺(tái)包含有功能強(qiáng)大的多芯微處理器，以及按AutoSAR標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建的基礎(chǔ)軟件，并支持ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)的可靠性要求[1]。電控單元的功能已按歐6排放標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)，除了燃油供應(yīng)和噴射之外,特別是對(duì)空氣管路和包括借助于選擇性催化還原(SCR)NOx在內(nèi)的廢氣后處理措施進(jìn)行了進(jìn)一步的開發(fā)。

噴油器具有1個(gè)非常緊湊的微型壓電堆，并直接作用于控制閥(圖2)，其向內(nèi)(與共軌壓力反向)的針閥開啟方案繼承了已量產(chǎn)的原PCRs2型壓電噴油器，并對(duì)幾何形狀和尺寸進(jìn)行了優(yōu)化。

圖2 PCRs5型噴油器剖視圖

這種新型壓電噴油器的效率已比原產(chǎn)品有了明顯的提高，它不再呈現(xiàn)恒定不變的回油量，而是在發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)停機(jī)期間能繼續(xù)保持共軌壓力，這樣就能直接供給下次起動(dòng)過(guò)程使用，進(jìn)一步減少了動(dòng)態(tài)回油量，總回油量比原產(chǎn)品減少了70%以上，因而能降低高壓燃油泵的驅(qū)動(dòng)扭矩，從而對(duì)CO2平衡產(chǎn)生有利的效果。微型壓電堆驅(qū)動(dòng)僅需較小的控制能量，這樣不僅減小了電控單元中的電功率需求，而且使得在與噴油器體下部串聯(lián)執(zhí)行器部位的連接中明顯降低了噴油器的噪聲輻射。

3 噴油器調(diào)節(jié)策略

這種新型柴油噴射系統(tǒng)能滿足對(duì)高效發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒壓力曲線所提出的要求，即穩(wěn)定對(duì)稱的噴束形狀、高的計(jì)量精度，以及每工作循環(huán)最多達(dá)8次且具有較短噴射間距的多次噴射,目前用于量產(chǎn)的最短液壓噴射間距能達(dá)到150 μs。

為了可靠地達(dá)到這些高品質(zhì)的噴射參數(shù)，這種壓電噴油器采用閉環(huán)調(diào)節(jié)工作，為此反饋信號(hào)直接由噴油器計(jì)值，當(dāng)然對(duì)此無(wú)須在噴油器中附加傳感器。這種調(diào)節(jié)除了基于反壓電效應(yīng)(壓電執(zhí)行器通電產(chǎn)生位移用于操縱伺服閥)之外， 同時(shí)也利用原有的壓電工作原理(在壓電執(zhí)行器上施加外力就產(chǎn)生與壓力成正比的電壓)。

噴油器調(diào)節(jié)以模型為基礎(chǔ)將功能分解[2]成伺服閥調(diào)節(jié)、噴油嘴針閥調(diào)節(jié)和噴油嘴流量修正(圖3)。

圖3 PCRs5型調(diào)節(jié)功能結(jié)構(gòu)

閉環(huán)調(diào)節(jié)的主要功能是伺服閥開啟點(diǎn)的調(diào)節(jié)和噴油嘴針閥關(guān)閉點(diǎn)的調(diào)節(jié)，其中前者基于伺服閥開啟時(shí)壓電執(zhí)行器上力的識(shí)別，針對(duì)伺服閥開啟時(shí)間點(diǎn)和升程實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)每次噴射，從而實(shí)現(xiàn)單純的通電時(shí)間補(bǔ)償，因而噴油器中就無(wú)需液壓補(bǔ)償器了。

伺服閥關(guān)閉后壓電執(zhí)行器保持在部分升程，并被用作控制室壓力的傳感器。當(dāng)針閥抵達(dá)座面時(shí)產(chǎn)生一個(gè)特征壓力標(biāo)志，它在發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元中被計(jì)值，以識(shí)別實(shí)時(shí)的針閥關(guān)閉點(diǎn)(圖4)。

圖4 針閥關(guān)閉點(diǎn)調(diào)節(jié)的基本原理示意圖

除了可完全放棄噴油器中的傳感器之外，這些調(diào)節(jié)功能可確保迅速和可靠的調(diào)節(jié)回路,并易于標(biāo)定而無(wú)需專門用于動(dòng)力總成的特定方案，而且能與未來(lái)混合動(dòng)力化機(jī)型相協(xié)調(diào)，因?yàn)樵诘∷龠\(yùn)轉(zhuǎn)和倒拖運(yùn)行階段無(wú)需進(jìn)行這些調(diào)節(jié)。

4 發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行測(cè)量結(jié)果

這種新型噴油系統(tǒng)在最小穩(wěn)定噴油量、高精度和小間距噴射等方面所具有的工作能力,使得能夠應(yīng)用有效的噴油策略優(yōu)化燃油耗、廢氣排放和燃燒噪聲之間的目標(biāo)沖突，從而能夠在如低負(fù)荷和低轉(zhuǎn)速運(yùn)行工況下應(yīng)用與主噴射間距短的情況下進(jìn)行2次預(yù)噴射；在保持碳煙和NOx排放不變的情況下燃油耗降低1.5%，同時(shí)燃燒噪聲降低4 dB(A)(圖5)。

圖5 Continnetal公司2.0 L發(fā)動(dòng)機(jī)平臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果

在效率和燃燒噪聲方面的改善效果歸因于采用這種新型噴油系統(tǒng)能使燃油在燃燒室中更為良好和精確地分配，實(shí)現(xiàn)在空間和時(shí)間上的緊湊燃燒，從而改善了放熱率曲線。

5 對(duì)廢氣后處理的重要意義

在噴油方面有2個(gè)因素對(duì)于柴油機(jī)的原始排放是至關(guān)重要的：

(1)必須減小噴油器彼此之間的噴油量誤差，在

這方面必須通過(guò)合適的策略，雖不可完全避免制造誤差，但可在發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)中將這種誤差影響降到最佳程度；

(2)運(yùn)行中噴射特性的變化(例如溫度和老化原因)必須予以識(shí)別和修正，以便確保穩(wěn)定的高計(jì)量精度。

閉環(huán)調(diào)節(jié)回路對(duì)于廢氣后處理具有重要意義。因?yàn)檫@種新型噴油系統(tǒng)大大減小了廢氣成分的偏差，能夠降低對(duì)廢氣后處理裝置基本尺寸和匹配性方面的要求，這樣就能夠?qū)Σ裼蜋C(jī)相對(duì)于汽油機(jī)在成本方面的缺點(diǎn)產(chǎn)生有利的影響。

6 結(jié)語(yǔ)

這種新型的PCRs5型壓電噴油系統(tǒng)以其計(jì)量精度和調(diào)節(jié)品質(zhì)改善了柴油機(jī)燃燒過(guò)程的控制。認(rèn)證運(yùn)行試驗(yàn)和批量使用已證實(shí)，這種新型噴油系統(tǒng)能降低CO2排放和噪聲水平，并具備降低實(shí)際運(yùn)行NOx和HC排放的潛力，同時(shí)顯示出對(duì)自動(dòng)起停系統(tǒng)的適應(yīng)性。

無(wú)需傳感器就能實(shí)現(xiàn)噴油器閉環(huán)調(diào)節(jié)，使得系統(tǒng)能在整個(gè)運(yùn)行期間的噴油精度和穩(wěn)定性達(dá)到很高的水平。每循環(huán)多達(dá)8次150 μs小間距的精確噴射使得發(fā)動(dòng)機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)緊湊和高效的燃燒。本文介紹的噴油壓力高達(dá)250 MPa的新型噴油系統(tǒng)為未來(lái)達(dá)到歐6和全球廢氣排放法規(guī)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[1] Haupt K, Bocionek S, Ruf F, u.a. Offene motorsteuerungsplattform für künftige motorenkonzepte und hybridisierung-erweckt motoren zum leben[C]. 31. Internationales Wiener Motorensymposium, 2010.

[2] Dian V, Klügl W, Krüger G, u.a. Continental's new piezo common rail system for efficient and clean diesel engines[C]. SIA Powertrain Conference, Rouen, 2016.

范明強(qiáng) 譯自 MTZ，2016,77(10)

何丹妮 編輯

2016-09-18)