商用車增壓式高壓共軌噴射系統(tǒng)解析

◆文/江蘇 范明強(qiáng)

越來越規(guī)范的廢氣排放法規(guī)迫使柴油機(jī)制造商不斷采取各種機(jī)內(nèi)凈化措施和廢氣后處理方法來降低柴油機(jī)的排放，各種廢氣后處理裝置應(yīng)運(yùn)而生。但是，柴油機(jī)的低排放與經(jīng)濟(jì)性是相互矛盾的，以往不斷加嚴(yán)的排放限值已導(dǎo)致燃油消耗的不斷增加，而即使在采用機(jī)外凈化措施的情況下，原始排放的高低對確定廢氣后處理部件的尺寸起著決定性的作用，直接影響到購置費(fèi)用和運(yùn)行成本，因此為了降低制造成本和運(yùn)行費(fèi)用，必須進(jìn)一步采用機(jī)內(nèi)凈化措施來降低柴油機(jī)的原始排放和燃油消耗，而其中燃油噴射系統(tǒng)起著至關(guān)重要的作用。

隨著未來排放法規(guī)US10/歐Ⅵ在重型商用車柴油機(jī)上的實(shí)施，歐美各國采用高壓共軌噴射系統(tǒng)替換目前還在許多場合使用的單體泵或泵噴油嘴系統(tǒng)的趨勢將進(jìn)一步加快，而廢氣再循環(huán)(EGR)在所有燃燒過程中是具有決定性意義的推動者，由此而產(chǎn)生的發(fā)動機(jī)對部分負(fù)荷時更高噴油壓力的需求只能由帶有蓄壓器的噴射系統(tǒng)采用液力方式才能有效地實(shí)現(xiàn)。

開發(fā)重型商用車柴油機(jī)燃燒過程成功的關(guān)鍵在于把握好高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)工況，為此博世公司開發(fā)了一種噴油特性(即噴油規(guī)律)曲線形狀可變的增壓式高壓共軌噴射系統(tǒng)，其噴油器中除了控制噴油的電磁閥之外，還具有第二個電磁閥，它能激活集成在噴油器中的一個壓力放大器，并通過優(yōu)化電磁閥噴油嘴針閥控制時間的偏差，可使噴油開始時的噴油速率減半，從而限制氮氧化物的形成，使得柴油機(jī)制造商有可能在達(dá)到廢氣排放法規(guī)限值的同時進(jìn)一步降低燃油消耗。

博世公司的產(chǎn)品系列以高壓共軌噴射系統(tǒng)(CRS)的兩種變型來支持高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)工況的燃燒過程設(shè)計。其中，CRSN3.3高壓共軌噴射系統(tǒng)提供了可選擇的柔性多次噴射的自由度，它可用于采用高增壓壓力和高EGR率的燃燒過程。目前，噴油壓力為2200～2500bar(1bar=105Pa)的高壓共軌噴射系統(tǒng)產(chǎn)品等級(圖1)可滿足特殊柴油機(jī)的使用要求，而CRSN4.2增壓式高壓共軌噴射系統(tǒng)不但能以較低的共軌壓力獲得比一般共軌噴射系統(tǒng)高得多的噴油壓力，而且除能進(jìn)行多次預(yù)噴射和后噴射之外，還能提供可選擇主噴射開始時噴油速率的柔性功能，即噴油規(guī)律(針閥升程和噴油壓力)曲線形狀可選擇從矩形變化到斜坡形直至靴形，在寬廣的發(fā)動機(jī)特性曲線范圍內(nèi)與柴油機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)工況達(dá)到最佳的匹配，特別是能夠降低對NOX敏感的發(fā)動機(jī)特性曲線場范圍內(nèi)的NOX的形成，其應(yīng)用實(shí)例示于圖2。在與傳統(tǒng)的高壓共軌噴射系統(tǒng)相同的噴油壓力下，增壓式高壓共軌噴射系統(tǒng)生成NOX較少的優(yōu)點(diǎn)可以用來降低高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)工況的燃油消耗，因此顯示出明顯降低排放和燃油消耗的潛力。此外，還能夠減少發(fā)動機(jī)在進(jìn)氣增壓和廢氣再循環(huán)冷卻方面的費(fèi)用。

在柴油機(jī)采用增壓式高壓共軌噴射系統(tǒng)進(jìn)行全面優(yōu)化的情況下，在滿足未來重型商用車柴油機(jī)排放法規(guī)US10/歐Ⅵ的同時，實(shí)際行駛循環(huán)中的燃油消耗最多能降低3.5%。有關(guān)研究預(yù)測表明，在4年使用期內(nèi)歐洲長途運(yùn)輸因此而能削減的CO2排放高達(dá)200t，并能節(jié)省10000歐元的燃油成本。

一、設(shè)計特點(diǎn)

與傳統(tǒng)的非增壓式高壓共軌噴射系統(tǒng)一樣，增壓式高壓共軌噴射系統(tǒng)(圖3)的基本構(gòu)成及其功能如下：①共軌高壓泵供應(yīng)燃油；②共軌儲存壓力并分配到各個汽缸；③噴油器噴射燃油。而其與傳統(tǒng)高壓共軌噴射系統(tǒng)的最大區(qū)別是其系統(tǒng)中“產(chǎn)生壓力”的功能被分成兩級：高壓泵作為產(chǎn)生壓力的第一級將燃油壓縮到250～900bar范圍；第二級由集成在噴油器中的增壓模塊的一個階梯型柱塞再將燃油增壓到額定噴油壓力2100bar，而增壓模塊由其自身的電磁閥來控制。

這種帶有增壓模塊的系統(tǒng)配置為開發(fā)先進(jìn)的柴油機(jī)方案提供了以下優(yōu)點(diǎn)：①柔性和高液力效率的噴油特性曲線可優(yōu)化高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)工況的燃油消耗；②預(yù)噴射(為降低噪聲)和后噴射(為減少炭煙排放或顆粒捕集器等廢氣后處理裝置的再生)可采用小于或等于900bar的共軌壓力進(jìn)行噴射，以降低油束的動量及其貫穿度，可減小燃油對汽缸工作表面的浸濕及其對發(fā)動機(jī)機(jī)油的稀釋；③將噴油器中少數(shù)幾個零件上承受最高壓力的部分減少到最小程度，而高壓泵、共軌和高壓油管至多只須按900bar壓力來設(shè)計。

避免發(fā)動機(jī)機(jī)油摻入到燃油中是盡可能延長廢氣后處理裝置使用壽命的重要因素，因此增壓式高壓共軌噴射系統(tǒng)將通常商用車上采用發(fā)動機(jī)機(jī)油潤滑的共軌高壓泵改用燃油潤滑。

共軌選用具有同重型柴油機(jī)一樣長度的結(jié)構(gòu)型式，與原來的緊湊型結(jié)構(gòu)型式相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：①高壓油管的變型數(shù)目減少了三成；②高壓油管結(jié)構(gòu)緊湊；③減少了共軌、高壓油管、噴油器中的壓力波動；④因共軌和高壓油管的連結(jié)剛度好，減少了振動加速度。

二、噴油器

用于商用車的第四代噴油器，因?qū)ζ渌岢龅娜蝿?wù)和要求而與其老產(chǎn)品有所不同，主要是在功能以及設(shè)計方面，因此在形式上就考慮到了增壓式噴油器的構(gòu)思，以至于使得原來采用電執(zhí)行器行使噴射及其控制功能的噴油器尺寸減小到了只有普通商用車高壓共軌噴射系統(tǒng)噴油器尺寸的一小部分(圖4)，這是為擴(kuò)展噴油器功能范圍需要空間所必需的。

從圖4所示可以看到，噴油控制模塊通過應(yīng)用一個新開發(fā)的壓力平衡電磁閥與噴嘴針閥直接液力連結(jié)，成功地實(shí)現(xiàn)了超微型化，同時與已應(yīng)用于博世第三代轎車噴油器的噴嘴模塊相組合，從而得到了一個結(jié)構(gòu)緊湊且具有高動態(tài)性能的“噴油模塊”(圖5)，它具有經(jīng)典噴油器的完整功能。

這種模塊化結(jié)構(gòu)方案具有許多優(yōu)點(diǎn)，第四代噴油器完全參照這種方案來設(shè)計，因此新擴(kuò)展的可變增壓功能也被設(shè)計成模塊形式：壓力放大模塊(或稱之為“增壓模塊”)及其附屬的控制模塊。

增壓式噴油器的工作示意圖如圖6所示，其中增壓模塊的功能原理相當(dāng)于一個液壓柱塞的工作原理：一個液體壓力，在這里也就是當(dāng)前共軌中的系統(tǒng)壓力，通過面積比轉(zhuǎn)換成一個較小面積下液柱的較高壓力，因此液壓柱塞大小兩端的面積之比就決定了壓力放大的倍數(shù)。這種由幾何尺寸所決定的固定不變的壓力放大器放大倍數(shù)與共軌系統(tǒng)原理所形成的可自由選擇的系統(tǒng)壓力相結(jié)合，使得增壓后的壓力能夠覆蓋發(fā)動機(jī)特性曲線場中從最低壓力到最高壓力的整個壓力范圍。因此，根據(jù)所設(shè)定的目標(biāo)，能夠通過選擇恰當(dāng)?shù)姆糯笃鞣糯蟊稊?shù)在噴油壓力和液力效率之間達(dá)到盡可能最好的折衷。

同時，為了使得這種噴油器既能應(yīng)用壓力放大功能，也能不用壓力放大功能，已將壓力放大器做成可更換的選裝件，因此它與將壓力放大功能與噴油器的噴射功能直接耦合的其他設(shè)計方案有著重大的區(qū)別。通過開發(fā)和集成另一個模塊——控制模塊，第四代噴油器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了這種自由度。在噴油時，根據(jù)發(fā)動機(jī)特性曲線場中的運(yùn)轉(zhuǎn)工況點(diǎn)是只需采用共軌壓力噴射還是應(yīng)噴射經(jīng)增壓的更高壓力的燃油，然后由控制模塊阻止或激活壓力放大器的柱塞運(yùn)動。這種控制功能由一個新開發(fā)的直接控制的電磁閥來進(jìn)行切換。當(dāng)需要應(yīng)用增壓功能時，由該電磁閥使壓力放大器的控制室與共軌壓力斷開，并旁通到燃油回油管路。由于控制室的液力卸載，使得壓力放大器階梯型柱塞大端共軌壓力作用側(cè)的力剩余，于是壓力放大器的柱塞就開始運(yùn)動，集成在柱塞上的止回閥(圖6中為清晰起見將其畫在柱塞外面)。將“高壓室”關(guān)閉，所關(guān)閉的容積被階梯型柱塞的小端以相應(yīng)的增壓比被壓縮到更高的壓力水平進(jìn)行噴射。

在無需增壓噴射時，控制模塊的電磁閥使壓力放大器的控制室與共軌壓力相通，壓力放大器柱塞由于在彈簧力支持下達(dá)到力平衡而停留在其上端位置，因此彈簧除了支持柱塞復(fù)位外，還保證在系統(tǒng)開始工作時柱塞總是在一個相同的位置，因而在無需增壓噴射時共軌中的燃油經(jīng)過壓力放大器柱塞中的通孔和開啟的止回閥流向噴油嘴進(jìn)行噴射。

通過模塊化設(shè)計，將上述所介紹的功能進(jìn)行組合，就能顯示出第四代噴油器的特點(diǎn)：將噴油控制與壓力放大控制功能塊分開，使得有可能實(shí)現(xiàn)噴油特性曲線的柔性設(shè)計，不僅能在無增壓噴射和增壓噴射之間進(jìn)行選擇，而且能夠與噴射始點(diǎn)無關(guān)地控制壓力放大到開始的時刻，從而能夠獲得“靴形”、“斜坡形”和“矩形”噴油特性曲線(圖7)，并與多次噴射能力相結(jié)合，為發(fā)動機(jī)開發(fā)者提供了燃燒技術(shù)向更低的燃油消耗、更少的排放和更高的升功率進(jìn)一步優(yōu)化的可能性。因此，對于不同用途的匹配，例如在不同地區(qū)或根據(jù)不同排放法規(guī)的要求，只要借助于這些附加的自由度就變得更容易了。

此外，還可以獲得其他一些優(yōu)點(diǎn)：由于在噴油器中集成了增壓功能，減少了噴油器下面一半中承受高壓的零件數(shù)目，而高壓泵、高壓油管、共軌以及噴油器的大部分都僅僅承受共軌壓力，因此由高壓力所引起的對零件的更高要求在這里是較少的，而其下半部的壓力提升也變得非常簡易。另外，制造和批量生產(chǎn)中的調(diào)試也能從噴油器的模塊化結(jié)構(gòu)中得到好處，因?yàn)檫@些模塊能夠單個地對其功能值或誤差進(jìn)行檢驗(yàn)和調(diào)試。

三、共軌高壓泵系列

在兩級產(chǎn)生高壓的第一級中，采用了CPN5共軌高壓泵系列中的CPN5－9/2高壓泵(第五代，泵油壓力900bar，2個柱塞)。通過對其基本設(shè)計方案的進(jìn)一步升級開發(fā)，這種高壓泵方案還能滿足未來高壓共軌噴射系統(tǒng)更高的要求，在相同或甚至減少泵重量的情況下將能夠明顯地提高液力功率(圖8)。

CPN5系列共軌高壓泵是以直列泵原理為基礎(chǔ)的。首先，與這種功率范圍內(nèi)的其他共軌高壓泵不同，它用燃油潤滑替代了發(fā)動機(jī)機(jī)油潤滑，促使這種潤滑方式變換的主要原因是對排放特別是顆粒排放要求的進(jìn)一步提高。

雖然機(jī)油潤滑方案能夠?qū)⒂晒ぷ髟硭a(chǎn)生的沿泵油柱塞的燃油泄漏對機(jī)油的損害降低到最小程度，然而燃油潤滑方案卻能使機(jī)油回路和燃油回路徹底分開，因此完全避免了燃油對機(jī)油的損害，至于由于燃油的潤滑性能較差對可靠性的影響可通過結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝措施來予以彌補(bǔ)。為此，有針對性地通過摩擦副有利于流動的設(shè)計及其周邊環(huán)境來促進(jìn)彼此相對運(yùn)動的零件之間潤滑油膜的建立，因此在凸輪傳動機(jī)構(gòu)中應(yīng)用了滾輪座方案，并且已經(jīng)在用于轎車以及輕型和中型商用車的較新的高壓共軌噴射系統(tǒng)CP4高壓泵中的應(yīng)用中證實(shí)，采用這種滾輪座方案是有效的。另外，還應(yīng)用了減少摩擦的涂層和特殊的軸承材料，以改變材料的品質(zhì)達(dá)到更滿意的程度。

CPN5系列共軌高壓泵的特點(diǎn)是其模塊化結(jié)構(gòu)，通過凸輪數(shù)目、柱塞直徑和行程以及對發(fā)動機(jī)的傳動比等方面的適當(dāng)組合，其泵油量和壓力譜將能覆蓋從250L/h(2500bar)到520L/h(900bar)的范圍。特別是，選擇傳動比和凸輪數(shù)目的適當(dāng)組合有助于達(dá)到最小的噴油量公差。在組合得當(dāng)?shù)那闆r下，就能夠做到或是泵油元件的供油行程與噴油同步，或是每個噴油器都能對應(yīng)一個相同的泵油元件。采用這種所謂的噴油同步或泵油元件同步供油將使噴油壓力特性曲線的偏差對各次噴射之間噴油量公差的影響減少到最低程度。

這種第五代共軌高壓泵CPN5的模塊化結(jié)構(gòu)以CPN5－9/2型為例示于圖9。燃油的低壓輸送由集成在泵體上的一個齒輪泵來完成，而油量的計量控制功能由計量單元的電磁閥來承擔(dān)。凸輪軸根據(jù)所選擇的傳動比組合具有2個或3個凸輪與泵油元件相對應(yīng)。泵頭用鋼制成，它與泵油柱塞副組成的組件以單元形式裝入鋁泵體中。

商用車對噪聲排放的要求也變得越來越重要，因此對噴油系統(tǒng)提出了相應(yīng)的要求。為了降低燃燒噪聲，除了燃燒技術(shù)措施之外，對噴油系統(tǒng)部件的要求也提高了，以便降低由其發(fā)出的噪聲。其中，在高壓泵中產(chǎn)生壓力是重要的噪聲源之一。在泵油壓力進(jìn)一步提高以后，這些方面的要求就更高了。

影響油泵噪聲的一個重要因素是基于柱塞運(yùn)動的動力學(xué)。供油柱塞運(yùn)動到將泵油室中的燃油封閉并開始壓縮的時刻是高壓泵本身的一個重要噪聲源。作為整個系統(tǒng)噪聲激勵的“發(fā)動機(jī)”，油泵傳動機(jī)構(gòu)中的有效扭矩是一個重要參數(shù)。這種扭矩先將傳動機(jī)構(gòu)朝著轉(zhuǎn)動方向壓緊，而在松弛的時候又促使在傳動部件之間產(chǎn)生間隙，兩者的交替重復(fù)隨即在彼此之間產(chǎn)生金屬沖擊，發(fā)出異響。

油泵進(jìn)油階段的反向扭矩具有與之相似的效應(yīng)，只是具有相反的癥狀。這種“揚(yáng)聲器效應(yīng)”通過將這種噪聲激勵傳遞到發(fā)動機(jī)齒輪傳動機(jī)構(gòu)并產(chǎn)生噪聲，因而使扭矩成為液力系統(tǒng)中的重要參數(shù)，必須對其進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到最好的噪聲排放結(jié)果。通過凸輪幾何形狀廓線的適當(dāng)設(shè)計來降低扭矩波動的激勵作用能夠達(dá)到最好的結(jié)果，而將油泵傳動機(jī)構(gòu)和發(fā)動機(jī)齒輪傳動中的阻尼措施結(jié)合起來能夠明顯地降低噪聲級。

四、展望

通過各種試驗(yàn)研究能夠進(jìn)一步改進(jìn)商用車傳統(tǒng)的燃燒過程，以進(jìn)一步降低其燃油消耗。其中一種重要的改進(jìn)措施是進(jìn)一步提高噴油壓力。基于上述所介紹的特點(diǎn)，噴油器具有增壓功能的CRSN4.2高壓共軌噴射系統(tǒng)對于進(jìn)一步提高噴油壓力是最合適的。無論是這種高壓共軌噴射系統(tǒng)的產(chǎn)品平臺還是單級產(chǎn)生壓力的傳統(tǒng)高壓共軌噴射系統(tǒng)都已經(jīng)開始進(jìn)行噴油壓力高達(dá)2500bar的進(jìn)一步開發(fā)，因此能夠滿足所有特殊用途的用戶要求。

考慮到未來的需求，為了進(jìn)一步超越這樣的極限噴油壓力，博世公司進(jìn)行了噴油壓力高達(dá)3000bar的共軌系統(tǒng)的開發(fā)。當(dāng)然，如此高的噴射壓力只能采用液壓轉(zhuǎn)換的方法來達(dá)到，但是這種液壓轉(zhuǎn)換并非一定要在噴油嘴中進(jìn)行。至于這種更高壓力的共軌噴射系統(tǒng)進(jìn)入市場的時間問題，最終還必須看在批量生產(chǎn)中如何能達(dá)到幾微米這樣非常小的制造公差，這可能是當(dāng)前機(jī)械制造業(yè)所能達(dá)到的物理極限了。發(fā)展到如此高的噴射壓力的背景是越來越嚴(yán)格的廢氣排放法規(guī)。采用3000bar噴射壓力或許可能取消SCR催化器或顆粒捕集器，或者是第3種可能性——在優(yōu)化廢氣排放的同時能夠再獲得3%～4%的節(jié)油效果。