噴油系統
——滿足未來排放限值要求的關鍵部件

【德】 Theobald J Schintzel K Krause A Doerges U

1 不斷提高的要求

無論是汽油機還是柴油機，通過采用直接噴射技術，使發動機的功率值得到進一步改善，同時也明顯降低了原始排放。Volkswagen公司自1999年起就開始量產直接噴射汽油機，并且汽油機缸內直接噴射技術得到了不斷的發展。首先是采用充量分層的燃油分層噴射技術和旋流式噴油器，然后從2005年起，在雙增壓燃油分層噴射（TSI）汽油機上將增壓與均質直接噴射相結合，并通過實施小型化策略，在降低排放的同時挖掘了進一步降低二氧化碳（CO2）排放的潛力。在TSI機型上還首次應用了多孔噴油器，以進一步改善混合氣形成。

由于汽油機和柴油機的平均壓力水平都在提高，對噴油器和高壓燃油泵等關鍵部件必須進一步研發。這2種類型的發動機在上述方面都取得了顯著的進步，目的是盡可能為發動機小型化所需的噴油量作好準備，面對燃油耗和廢氣排放方面嚴峻的挑戰。由于氣缸數減少和燃燒室容積的減小，對噴油系統提出了更高的要求，從而能夠充分利用發動機小型化在質量、燃燒過程和摩擦功率等方面的優勢。此外，由于發動機被用于全球各個領域，噴油系統面臨各種不同品質燃油的挑戰。同時，對噴油精度也提出了更高的要求，發動機各缸之間噴油量的偏差在20 MPa試驗壓力下要達到＜5%，而且對最小穩定噴油量提出了要求，規定在多次噴射和20 MPa共軌壓力下每次噴射脈沖＜2 mg，噴油持續時間＜0.5 ms。

近年來，柴油機面臨著最小噴油量控制的難題，目前最小噴油量為0.5 mg，未來要求在200 MPa和更高的壓力下，最小噴油量要控制在0.2～0.3 mg范圍內。

2 柴油機的噴射

2007年，Volkswagen公司的柴油機就已開始轉向采用共軌噴射技術，更重要的是對排氣后處理的要求越來越高，在這一背景下，共軌噴射系統在控制柔性和精度方面取得了進一步的進展。

在伺服式共軌噴油器上，應用壓電技術主要是為了確保較小的噴射間隔的同時，要使具有更多次的噴射能力成為可能。特別是在間隔時間方面，也能采用Bosch公司的電磁閥式噴油器進行控制，以達到總體上較低成本的目的，而且還能進一步提高噴油壓力。磁感應調節器的轉換速度與壓力平衡轉換閥相結合可達到所必需的調節精度，從而獲得滿足歐5和歐6排放標準要求的噴油系統方案。圖1示出了噴油壓力高達180 MPa的CRI2.18 型電磁閥式噴油器。在此期間，在Volkswagen 2.0 L 增壓直噴式柴油機上，這種噴油器幾乎完全替代了CRI3.18型壓電噴油器。

帶有壓電直接控制式噴油嘴針閥的共軌噴油器發展動向顯示，多次噴射具有進一步發展的潛力，而且，即使經過長時間運行后，仍能具有非常穩定的最小噴油量。在這種噴油器上，噴油嘴針閥不再是間接地通過伺服閥，以及由此產生的針閥座與針閥背側之間的壓力差來控制，而基本上是通過針閥與壓電調節器的幾何形狀連接之后直接控制的。

目前，在市場上有2家壓電直接驅動式噴油器供應商。Delphi公司供應2008 年推出的DFI-3.0噴油器，這種噴油器已在市場上大量使用，其特點是具有1個中間轉換的液力增壓器，它與1個閉鎖彈簧相結合，一方面將壓電執行器的行程放大到合適的噴油嘴針閥行程，另一方面確保噴油嘴針閥緊密關閉處于無泄漏的狀態。這種噴油器在工作時通過執行器斷電來開啟，而在噴油間隔期間施加電壓來關閉。另一個特點是在這種噴油器結構設計方案中，壓電執行器被安裝在噴油器內部，靠近噴油嘴一側的與共軌相通的容積中，能夠達到明顯降低對壓力波敏感性的目標。此外，還贏得了對電氣絕緣方面的挑戰。

曾多次介紹過Continental公司新一代壓電直接控制式噴油器（圖2）的產品特點。這種壓電噴油器通過機械式杠桿裝置將壓電執行器迎著噴油嘴針閥開啟方向的伸展行程翻轉過來，集成在其中的行程轉換器產生噴油嘴針閥所必需的升程，使得在針閥開啟狀態時閥座處不會出現節流。

由于噴油量越來越小且精確，對噴油量和噴油定時的精度要求也明顯提高。除了許多已眾所周知且批量應用的修正功能之外，還運用了一種令人感興趣的“閉環”調整方案，為使將來在這種情況下，對噴油器裝置內部機械和電子零件進行誤差補償。噴油嘴針閥頂端劇烈的速度變化會轉化成一種可利用的電容信號變化，因而在針閥升程之間存在著所謂的“在線”調整噴油時刻的可能性，因此，能夠對整個壽命期內壓電執行器或針閥座所發生的變化和偏差進行補償。

3 噴油規律的造型

由于在壓電直接驅動式噴油器上能夠運用噴油規律造型，因此能挖掘出一些其他的潛力。雖然目前大量生產中所使用的噴油器系統每次燃燒過程能夠進行高達8次噴射，但噴油過程之間的間隔基本上不能少于幾微秒。特別是在噴油器中還存在壓力波敏感性問題，即使采取了阻尼節流和平衡算法，但往往還是會導致不容忽視的影響。圖3示出了一種稱為“靴形噴射”的噴油規律，以及其與傳統的彼此間有中斷間隔的多次噴射規律的比較，這些多次噴射有助于降低怠速噪聲，以及運行工況區域內的廢氣排放。

4 泄漏

迄今為止，共軌噴射系統的重要缺陷是噴油器系統的內在泄漏。這一方面涉及到不可避免的伺服閥轉換時發生的泄漏，另一方面還涉及到可優化的針閥和控制柱塞處的持續泄漏。試驗已證實，這里的泄漏量通常在5～20 L/h范圍以內，處于發動機原本所需的燃油量范圍內，這明顯有利于降低CO2排放。綜上所述，Delphi公司的噴油器達到了所謂的“無泄漏噴油器”水平，而Continental公司的噴油器系統泄漏量明顯低于通常永久性泄漏的水平。

5 對排放的影響

單次噴油量依然較小，且具有新的自由度，特別是在高共軌壓力和多次噴射的情況下，能使廢氣排放明顯降低。應用可精確定義的噴油規律，尤其在以發動機高負荷進行排放試驗循環中，能夠提高廢氣再循環的適應性，并能使一些運行工況點的PM排放降低30%，同時還降低了壓力升高率和燃燒噪聲。采用較高的可應用的噴油壓力，隨之就能改善碳煙PM 排放，這在柴油機開發中已眾所周知。

柴油機噴射的關鍵在于，在噴油嘴中要為壓力轉化為每次高效燃燒創造良好的條件：高的油束速度和盡可能小的油滴，以改善霧化效果及提高貴穿度。盡可能小的噴孔直徑及將噴孔進口邊棱倒圓，并采取與協調的圓錐度相結合等先進技術，始終是高性能噴油嘴的重要特點。這里，采用新型的侵蝕工藝也能獲得越來越高的噴油壓力轉化效率。但是，它們受到制造誤差的限制，若要求噴孔表面過于光滑，則還受到噴孔之間安全間距的限制。另外，為避免噴孔表面出現微型穴蝕，有可能需要對噴孔表面施加涂層。

6 汽油機的噴射技術

在采用缸內汽油直噴的現代汽油機燃燒過程中，其噴霧設計取決于許多邊界條件，諸如噴孔直徑、噴油器位置或者流人氣缸的空氣運動等。因此，Volkswagen公司采用多孔噴油器（圖4）實施每個油束精確定位，是開發工作的重點之一。

在噴霧幾何形狀設計中，力求每個油束都充分利用燃燒室的容積。因此，應對4孔、5孔、6孔和7孔噴油嘴分別進行試驗，其目標是要達到盡可能好的充量均質化。最終，哪種發動機設計方案采用哪種噴霧幾何形狀取決于特定的發動機設計方案的各自試驗測量結果。在現經改進的下一代增壓分層噴射燃燒過程中，已精確地進行了這方面的試驗研究工作，其中除了優化充量均質化之外，還要試驗一種方法，能設法避免噴人燃燒室的燃油與壁面有任何的接觸。

通過專門的噴孔設計，首先要減少燃油潤濕燃燒室頂面和活塞頂面的現象，以及靠近氣缸壁面處的碳氫化合物的數量（壁面猝冷），從而明顯降低有害物排放，尤其是由明顯減小的燃油束貴穿度所導致的結果（圖5）。

對噴霧幾何形狀進行專門設計的另一個效果是減少了燃油在活塞頂面和燃燒室頂面的沉積，進一步降低了有害物的排放。下一代直接噴射汽油機用的共軌壓力將提高到20 MPa，其結果是表征油滴尺寸分布的紹特直徑d32減小（圖6）。通過燃油精細霧化，可明顯改善混合氣的準備，從而改善了發動機的廢氣排放和燃油耗特性。

7 噴油嘴動態特性的改善

各種不同改進措施的目標是要改善噴油嘴的動態特性。首先，噴油器噴孔必須加工得非常精確，以使各個噴油器之間的差異盡可能最小，這樣特別能提高小油量運行范圍內的噴油精度，即使在油量較大運行范圍內的噴油精度也能得以提高（圖7），因而改善了整個運行范圍內的運轉平穩性，同時也降低了廢氣排放。尤其是在應用越來越頻繁的多次噴射情況下，噴油嘴動態特性的改善使發動機運轉平穩，同時，降低了燃油耗和廢氣排放。

8 噴油策略

如前文所述，在催化器加熱運行期間，以及其他的特性曲線場范圍內采取多次噴射策略起著越來越重要的作用。在現有的機型上，3次噴射應用到高達3 000 r/min的發動機轉速工況，而2次噴射一直應用到高達4 000 r/min的發動機轉速工況。采用這種噴射策略改善了燃油耗和廢氣排放。多次噴射提供了各種可能性，首先基于遺傳學算法對它們進行自動優化，以便能采集更多的可能性組合，然后，通過對有限的參數范圍和參數變化進行篩選，以確認最佳的標定，這樣能將應用多次噴射所消耗的時間降低到最小。

9 結語

無論是汽油機還是柴油機，即使單個參數存在明顯的差異，但在共軌壓力、多次噴射和計量精度等方面的發展趨勢是相同的。除了提高噴射壓力之外，主要致力于噴射更柔性和噴油精度更高的研究。同時，不僅要在結構設計細節上下功夫、尋找合適的材料和加工工藝，而且還要研究出這2種發動機控制軟件結構中所必需的修正功能，從而能進一步降低廢氣排放，實現更低的燃油耗目標。就上述目標而言，通過盡可能優化的混合氣形成，能實現降低發動機原始排放的目標，而且在未來噴油系統部件上有巨大潛力可挖掘。