非道路第三階段中小缸徑柴油機技術現狀及優(yōu)勢對比分析

陳帥 袁萬鵬 劉智杰 劉剛

摘 要：非道路T3已經實施，終端市場存在著多種技術路線并存的局面。從2016年1-4月的T3柴油機銷量來看，電控高壓共軌技術以其技術先進性、較好的終端用戶使用感受在T3的銷量中逐月提升，累計市場份額占比已接近50%。借鑒道路車輛排放升級的經驗，進行了常見T3技術路線的關鍵技術特點及關鍵問題的對比分析。

關鍵詞：非道路；柴油機；技術路線：車輛排放

中圖分類號：TK429 文獻標識碼：A doi：10.14031/j.cnki.njwx.2016.06.001

1 非道路三階段市場概況

我國非道路移動機械市場較大，種類繁多、保有量大、應用廣泛，與生產生活密切相關。

據權威部門實際測算，除道路車輛外，非道路移動源NOX和PM2.5排放量所占比例較大的是農業(yè)機械、船舶和工程機械，如圖1、圖2所示。我國農業(yè)機械、工程機械產銷量位居世界第一，2005-2015年，工程機械保有量年均增長12%以上，農業(yè)機械總動力年均增長6%以上。2014年公布的“全球工程機械制造商50強排行榜”中，中聯重科、徐工、三一重工位列前十。據預測，工程機械、農業(yè)機械行業(yè)今后仍將繼續(xù)發(fā)展，而排放的增長成為亟待解決的突出問題。

反觀道路車輛，在經歷了國三、國四排放升級后，市場已較為規(guī)范，整體技術水平大幅提升，排放大幅降低，使得非道路的排放控制成為節(jié)能減排的關鍵領域，列入國家環(huán)保部門重點整治的對象，今后移動機械類減排的任務主要集中在非道路移動機械市場。

2 非道路三階段主流技術路線

在經歷了將近一年的技術準備后，各大柴油機企業(yè)在2016年1-4月份完成了不同批次的非道路三階段（以下稱T3）的市場推廣及驗證。從目前終端市場的投放來看，主要形成了以電控VE泵、電控單體泵、電控高壓共軌為主流的T3技術路線。

以上各種不同T3技術路線出現的主要原因是：各柴油機生產企業(yè)對T3升級這一排放法規(guī)要求的理解程度不同，部分柴油機廠家單純從應對排放升級的角度出發(fā)，所設計T3產品只要能應對排放升級要求即可；而電控技術經驗豐富的廠家則著眼非道路未來規(guī)劃，選擇了具有升級到T4、T5排放潛力的技術，同時力求在動力性、使用經濟性、操控性、舒適性、智能化等全方位性能的提高。

3 T3升級主要技術路線關鍵問題對比分析

3.1 T2到T3的升級難度比較

T2升級到T3，不僅對燃油系統(tǒng)噴射壓力提出了更高的要求，對發(fā)動機本體強度、零部件加工精度、燃燒效率、熱平衡、可靠性、控制策略也提出了更高的要求。比較而言，電控VE泵的電氣部分增加零部件較少，機械部分在T2的基礎上變化不大，故選用VE泵技術路線升級難度最小；電控單體泵大幅提升了噴射壓力，對齒輪系及發(fā)動機本體強度的要求有所提高，且增加了部分電氣元件，有一定的升級難度；而電控高壓共軌，發(fā)動機信號采集量較電控單體泵有所增加，電控系統(tǒng)的控制量卻大幅增加，控制策略也更為復雜，故升級難度最大，對柴油機升級技術的要求也最高。

3.2 T3到 T4的升級準備

從道路車輛的國三、國四升級過程來看，電控VE泵、電控單體泵由于燃油噴射、燃燒及排放控制的先天不足，想要升級到國四排放水平需要在后處理系統(tǒng)上付出較為高昂的代價；而電控高壓共軌在噴油切斷、多次噴射、后噴技術、綜合成本等方面的優(yōu)勢使得電控高壓共軌成為國四、國五車機排放升級的唯一選擇。據環(huán)保部門消息，非道路T4排放的實施將會于2017年下半年在東部地區(qū)率先鼓勵實施，留給眾多柴油機生產企業(yè)、非道路主機生產企業(yè)的準備時間并不多。

3.3 零部件升級成本

以六缸機為例，一套六缸共軌燃油系統(tǒng)和單體泵燃油系統(tǒng)，零件種類和數量分別為：單體泵128種，472件；共軌泵155種，405件。雖然單體泵品種比共軌少，但零件數量多。在油泵成本上，單體泵比共軌成本要高出不少，但共軌系統(tǒng)噴油器的成本要比單體泵的機械噴油器高。而VE泵僅僅在T2機械泵的基礎上增加了ECU、燃油計量單元等部件，零部件升級成本較低。

從國產電控燃油系統(tǒng)的終端市場來看，四缸柴油機機電控VE泵燃油系統(tǒng)的成本在2000～2200元，單體泵燃油系統(tǒng)的成本在2400～2500元，共軌燃油系統(tǒng)的成本在3000～3500元。而從非道路細分市場來看：農機市場由于補貼政策的保護，對1000元的價格差距并不敏感，而工程機械價值量較大，在發(fā)動機品質提升的情況下，消化1000～1500元的成本差距也比較容易。雖然使用電控高壓共軌技術成本最高，但其所帶來的靜音無煙、動力提升、綠色環(huán)保等賣點已經在終端市場得到用戶的認可。

4 T3主流技術路線關鍵技術特性對比分析

T3升級首先需要解決的問題是排放達標，在追求排放技術特性控制精度的同時，動力性、用戶體驗的提升成為T3產品的又一重要技術特性。

4.1 燃油噴射次數的控制

傳統(tǒng)的機械式燃油系統(tǒng)以及T3階段的電控VE泵、電控單體泵的噴油器均為機械式，噴油的開啟和關閉均依靠燃油壓力控制，達到調定的噴射壓力時克服彈簧彈力打開，低于噴射壓力時噴油器針閥歸位關閉，在柴油機的工作過程中，根據柴油各缸機對應的泵油柱塞升降來實現泵油，在柴油泵實際工作過程中，柴油機每轉一圈實現一次噴油。而電控高壓共軌采用電控噴油器，噴油器的打開和關閉與燃油壓力無關，依靠ECU給噴油器的開關指令實現噴油次數、噴油時長的控制，從而達到精確噴油、精確燃燒的目的，大都采用PWM數字信號控制，現階段大部分燃油系統(tǒng)廠家使用的是數字式高速電磁開關閥，可以實現柴油機5次/r的噴油，日本DENSO在高端市場應用了壓電晶體式的高速開關閥，可以達到7次/r的噴油，而近年來正在研究和應用的稀土超磁致高速開關閥可以達到10～20次/r的噴油精度。

噴油次數的增多，使得柴油機控制策略得到了極大的豐富，國四車機的兩次主噴使得燃燒效率得到不小的提升，一次預噴的加入也使得柴油機的噪聲大大降低、啟動性能得到很大的提升，而一次后噴的增設也使得后處理的效率得到提升，使得整車排放水平得到提升。

4.2 燃油噴射系統(tǒng)可控性

T3階段各種燃油噴射系統(tǒng)均大幅提升了燃油噴射壓力，最高達到180 MPa，比T3階段噴油壓力提升一倍，以此提高柴油霧化效果及燃燒精度，但由此帶來的是關鍵零部件制造精度和控制要求的大幅提高。

從各電控系統(tǒng)的噴油工作過程來看：

單體泵的噴射控制，從電磁閥得電到噴油器啟噴存在一定的開啟時間延時，而從控制閥失電到噴射結束存在一定的關閉時間延時，造成噴射精度的大幅降低，而調定噴射壓力的設定使得整個噴油過程的誤差較大，造成噴油不準確，從而影響排放及噪聲等關鍵指標，造成不可精確控制。反觀共軌的噴射控制，噴射控制在噴油器端，幾乎無延遲，響應快，穩(wěn)定性好，控制精度高。

4.3 燃油系統(tǒng)噴射壓力控制

從控制的角度來看，影響噴射壓力的要素越少，越容易實現精確控制。

VE泵、電控單體泵的噴油壓力控制較為粗放，主要受以下因素的影響：a凸輪軸供油斜面的速率， 即供油相位； b柱塞直徑；c凸輪軸轉速； d噴油器噴孔數量與直徑以及流量系數；e噴油量的大小；f高壓系統(tǒng)容積，以及高壓油管長度。 上述6個影響噴射壓力控制的因素造成了VE泵和單體泵的噴射壓力控制精度很差，幾乎到了不可控的地步。

而電控高壓共軌，增設了共軌管作為儲油容器，將高壓燃油儲存起來，隨用隨取，不受上述因素的影響，噴射壓力控制精度高，穩(wěn)定可控。

4.4 污染物排放控制

T3階段各技術路線大幅提高了燃油噴射壓力，提升了柴油霧化效果，優(yōu)化了燃油噴射規(guī)律，增設了控制策略，使得排放水平大幅提高，大大降低了NOx及PM的排放。

從各檢測中心的臺架試驗數據來看，電控VE泵及單體泵勉強能夠達到T3的排放要求，而在瞬時排放、高速重載等工況下，其排放表現更差，升級到T4階段較為困難。而電控高壓共軌在各種工況下的排放一致性好，且整體排放水平已經接近T4排放標準。

4.5 燃油經濟性

燃油的精確噴射及霧化效果的優(yōu)化，使得T3柴油機較T2階段的燃油經濟性普遍提高，而電控高壓共軌的精確控制、精確噴射、精確燃燒使得燃油經濟性大幅提高。

根據實測數據，36.8 kW的3 t叉車，在60次/h的舉升、轉運、舉升、歸位的模擬工作循環(huán)中，T2階段某型490機械泵發(fā)動機消耗燃油3.18 kg，T3某型490電控高壓共軌柴油機消耗燃油2.475 kg，節(jié)油高達22%，而對比VE泵也有12%～15%的節(jié)油效果。

4.6 用戶使用感受

精確燃燒同時帶來了振動噪音的降低，而電控高壓共軌的精確控制使得各缸工作一致性得到了保證，而平穩(wěn)的燃燒，使得振動噪聲大幅降低。

據3 t、3.5 t叉車的實測數據，電控高壓共軌較電控VE泵怠速噪聲低3～4 dB（A），高速噪音低2～3 dB（A）。而振動噪聲的降低，使得用戶工作舒適性得到提升，也增加了產品的賣點。

4.7 售后的可維修性

T3階段柴油機燃油系統(tǒng)精度的提高，使得很多用戶擔心售后服務等使用成本的增加，根據電控高壓共軌、電控VE泵、電控單體泵的售后故障統(tǒng)計：電控VE泵的主要故障原因在于泵內精密柱塞部件的磨損，更換時維修成本較高，且不具有返修價值；電控單體泵的主要故障原因在于泵油電磁閥部件的損壞，需要更換整只部件，且不具有維修價值；電控高壓共軌主要故障原因在于噴油器閥組件、流量閥等精密部件的磨損，更換時噴油器整只更換，但可以通過更換磨蝕的部件達到修復的目的。

由于共軌易損部件的可維修性較高，使得發(fā)動機及其關鍵零部件的再制造具有一定的價值，符合近年來國家對柴油機再制造業(yè)務的政策導向。

5 結論

受益于各大非道路柴油機廠家的宣傳和推廣，雖然非道路T3的實施剛剛開始，但終端市場對電控高壓共軌技術路線先進性的認識和接受程度形成了不少共識。現階段，行業(yè)知名的柴油機生產企業(yè)紛紛開始了T3電控高壓共軌柴油機的研發(fā)和推廣，并在叉車、收割機、工程機械等領域率先推廣，可以預見，2016年非道路T3的市場份額中，T3電控高壓共軌的比例必將遙遙領先。