博世公司商用車新型增壓式高壓共軌噴射系統介紹

◆文/浙江 范明強

博世公司商用車新型增壓式高壓共軌噴射系統介紹

◆文/浙江 范明強

不斷完善的廢氣排放法規迫使柴油機制造商不斷采取各種機內凈化措施和廢氣后處理方法來降低柴油機的排放，各種廢氣后處理裝置應運而生。但是，柴油機的低排放與經濟性是相互矛盾的，以往不斷加嚴的排放限值已導致燃油耗的不斷增加，而即使在采用機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，直接影響到購置費用和運行成本，因此為了降低原始排放和燃油耗，并降低制造成本和運行費用，必須進一步采用機內凈化措施來降低柴油機的原始排放和燃油耗，而其中燃油噴射系統依然起著至關重要的作用。

歐美各國隨著未來排放法規US10/歐Ⅵ在重型商用車柴油機上的實施，采用高壓共軌噴射系統替換目前還在許多場合使用的單體泵或泵噴油嘴系統的趨勢將進一步加快，而廢氣再循環(EGR)在所有燃燒過程中的應用是其具有決定性意義的推動者，由此而產生的發動機對部分負荷時更高噴油壓力的需求只能由帶有蓄壓器的噴射系統采用液力方式才能有效地實現。

開發重型商用車柴油機燃燒過程成功的關鍵在于把握好高負荷運轉工況，為此博世公司開發了一種噴油規律曲線形狀可變的增壓式高壓共軌噴射系統(圖1)，其噴油器中除了控制噴油的電磁閥之外，還具有第2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，使得柴油機制造商有可能在達到廢氣排放法規限值的同時進一步降低燃油耗。

圖1 最新型商用車用增壓式高壓共軌噴油系統

博世公司的產品系列以高壓共軌噴射系統(CRS)的兩種變型來支持高負荷運轉工況的燃燒過程設計。其中，CRSN3.3高壓共軌噴射系統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2 200～2 500bar(1bar=105Pa)的高壓共軌噴射系統產品等級(圖2)可滿足特殊柴油機的使用要求，而CRSN4.2增壓式高壓共軌噴射系統不但能以較低的共軌壓力獲得比一般共軌噴射系統高得多的噴油壓力，而且除能進行多次預噴射和后噴射之外，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，在寬廣的發動機特性曲線范圍內與柴油機的運轉工況達到最佳的匹配，特別是能夠降低對NOx敏感的發動機特性曲線場范圍內的氮氧化物的形成，其應用實例示于圖3。在與傳統的高壓共軌噴射系統相同的噴油壓力下，增壓式高壓共軌噴射系統生成NOx較少的優點可以用來降低高負荷運轉工況的燃油耗，因此顯示出明顯降低排放和燃油耗的潛力。此外，還能夠減少發動機在進氣增壓和廢氣再循環(EGR)冷卻方面的費用。

圖2 商用車共軌噴射系統的發展歷程

圖3 發動機特性曲線場中的最佳噴油特性曲線

在柴油機采用增壓式高壓共軌噴射系統進行全面優化的情況下，在滿足未來重型商用車柴油機排放法規US10/歐Ⅵ的同時，在實際行駛循環中的燃油耗最多能降低3.5%。有關研究預測表明，在4年使用期內歐洲長途運輸因此能削減的CO2排放高達200t，并能節省10 000歐元的燃油成本。

一、系統設計的特點

與傳統的非增壓式高壓共軌噴射系統一樣,增壓式高壓共軌噴射系統(圖4)的基本構成分成以下部件及其功能：

1.油量可控式高壓泵供應燃油；

2.共軌儲存壓力，并分配到各個汽缸；

3.增壓式噴油器噴射燃油。

圖4 增壓式噴油器共軌噴射系統

而其與傳統高壓共軌噴射系統的最大區別是其系統中“產生壓力”的功能被分成兩級：高壓泵作為產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2 100bar，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配置為柴油機提供了以下優點：

1.柔性和高液力效率的噴油特性曲線可優化高負荷運轉工況的燃油耗；

2.預噴射(為降低噪聲)和后噴射(為減少碳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動機機油的稀釋；

3.將噴油器中少數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壓力來設計。

避免發動機機油摻入到燃油中去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將通常商用車上采用發動機機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一樣長度的結構型式，與原來的緊湊型結構型式相比具有以下優點：

1.高壓油管的變型數目減少了3成；

2.高壓油管結構緊湊；

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剛度好，減少了振動加速度。

二、增壓式高壓共軌噴射系統的噴油器

用于商用車的第四代噴油器，因對其所提出的任務和要求而與其老產品有所不同，主要是在功能和設計方面，因此在形式上就考慮到了增壓式噴油器的構思，以至于使得原來采用電執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噴油器尺寸的一小部分(圖5)，這是為擴展噴油器功能范圍需要空間所必需的。

圖5 增壓式噴油器噴油模塊中傳統噴油嘴控制功能的轉換

從圖5所示可以看到，噴油控制模塊通過應用一個新開發的2/2路壓力平衡電磁閥，并與噴嘴針閥直接液力連結，成功地實現了超微型化，同時與已應用于博世第三代轎車噴油器的噴嘴模塊相組合，從而得到了一個結構緊湊且具有高動態性能的“噴油模塊”，它具有傳統噴油器的完整功能。

這種模塊化結構方案具有許多優點，第四代噴油器就完全參照這種方案(圖6)來設計，因此新擴展的可變增壓功能也被設計成模塊形式：“壓力放大模塊”(或稱之為“增壓模塊”)及其附屬的“控制模塊”。

如圖7所示，增壓模塊的功能原理就相當于一個液壓柱塞的工作原理：一個液體壓力(在這里也就是當前共軌中的系統壓力)，通過面積比轉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。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與共軌系統原理所形成的可自由選擇的系統壓力相結合，使得增壓后的壓力能夠覆蓋發動機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，根據所設定的目標，能夠通過選擇恰當的放大器放大倍數在噴油壓力和液力效率之間達到盡可能最好的折衷。

圖6 增壓式噴油器的模塊化結構

圖7 增壓式噴油器的工作示意圖

同時,為了使得這種噴油器既能應用壓力放大功能，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計方案有著重大的區別。通過開發和集成另一個模塊—控制模塊，第四代噴油器已經實現了這種自由度。在噴油時，根據發動機特性曲線場中的運轉工況點是只需采用共軌壓力噴射還是應噴射經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動。這種控制功能由一個新開發的直接控制的3/2路電磁閥來進行切換。當需要應用增壓功能時,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的力剩余，于是壓力放大器的柱塞就開始運動，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”關閉，所“關閉”的容積被階梯型柱塞的小端以相應的增壓比被壓縮到更高的壓力水平進行噴射。

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到力平衡而停留在其上端位置，因此彈簧除了支持柱塞復位外，還保證在系統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行噴射。

通過模塊化設計，將上述所介紹的功能進行組合，就能顯示出第四代噴油器的特點：將“噴油控制”與“壓力放大控制”功能塊分開，使得有可能實現噴油特性曲線的柔性設計，不僅能在無增壓噴射和增壓噴射之間進行選擇，而且能夠與噴射始點無關地控制壓力放大開始的時刻，從而能夠獲得“靴形”、“斜坡形”和“矩形”噴油特性曲線(圖8)，并與多次噴射能力相結合，為柴油機開發者提供了燃燒技術向更低的燃油耗、更少的排放和更高的升功率進一步優化的可能性。因此，對于不同用途的匹配，例如在不同地區或根據不同排放法規的要求，只要借助于這些附加的自由度就變得更容易了。

圖8 多次噴射和噴油特性曲線形狀的可能性

此外，還可以獲得其他一些優點：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，制造和批量生產中的調試也能從噴油器的模塊化結構中得到好處，因為這些模塊能夠單個地對其功能值或誤差進行檢驗和調試。

三、共軌高壓泵系列

在兩級產生高壓的第一級中，采用了CPN5共軌高壓泵系列中的CPN5-9/2高壓泵(第5代，泵油壓力900bar，2個柱塞)。通過對其基本設計方案的進一步升級開發，這種高壓泵方案還能滿足未來高壓共軌噴射系統更高的要求，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9)。

CPN5系列共軌高壓泵是以直列泵原理為基礎的。首先，與這種功率范圍內的其它共軌高壓泵不同，它用燃油潤滑替代了發動機機油潤滑,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一步提高。

雖然機油潤滑方案能夠將由工作原理所產生的沿泵油柱塞的燃油泄漏對機油的損害降低到最小程度，然而燃油潤滑方案卻能使機油回路和燃油回路徹底分開，因此完全避免了燃油對機油的損害，至于由于燃油的潤滑性能較差對可靠性的影響可通過結構設計和工藝措施來予以彌補。為此,有針對性地通過摩擦副有利于流動的設計及其周邊環境來促進彼此相對運動的零件之間潤滑油膜的建立,因此例如在凸輪傳動機構中應用了滾輪座方案，并且已經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CP4高壓泵中的應用證實，采用這種滾輪座方案是有效的。另外，還應用了減少摩擦的涂層和特殊的軸承材料，以改變材料的品質達到更滿意的程度。

圖9 CPN5系列高壓泵

CPN5系列共軌高壓泵的特點是其模塊化結構，通過凸輪數目、柱塞直徑和行程以及對發動機的傳動比等方面的適當組合，其泵油量和壓力譜將能覆蓋從250L/h/2 500bar一直到520L/h/900bar的范圍。特別是，選擇傳動比和凸輪數目的適當組合有助于達到最小的噴油量公差。在組合得當的情況下，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的模塊化結構以CPN5-9/2型為例示于圖10。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。凸輪軸根據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。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，因此對噴油系統提出了相應的要求。為了降低燃燒噪聲，除了燃燒技術措施之外，對噴油系統部件的要求也提高了，以便降低由其發出的噪聲。其中，在高壓泵中產生壓力是重要的噪聲源之一。在泵油壓力進一步提高以后，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動的動力學。供油柱塞運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。作為整個系統噪聲激勵的“發動機”，油泵傳動機構中的有效扭矩是一個重要參數。這種扭矩先將傳動機構朝著轉動方向壓緊，而在松弛的時候又促使在傳動部件之間產生間隙，兩者的交替重復隨即在彼此之間產生金屬沖擊，發出一種獨特的“叮零當啷”響聲。

圖10 CPN5-90-2高壓泵組件

油泵進油階段的反向扭矩具有與之相似的效應，只是具有相反的癥狀。這種“揚聲器效應”通過將這種噪聲激勵傳遞到發動機齒輪傳動機構并產生噪聲，因而使扭矩成為液力系統中的重要參數，必須對其進行優化，以達到最好的噪聲排放結果。通過凸輪幾何形狀廓線的適當設計來降低扭矩波動的激勵作用能夠達到最好的結果,而將油泵傳動機構和發動機齒輪傳動中的阻尼措施結合起來能夠明顯地降低噪聲級。

四、前景展望

通過各種試驗研究能夠進一步改進商用車傳統的燃燒過程，以進一步降低其燃油耗。其中一種重要的改進措施是進一步提高噴油壓力。基于上述所介紹的特點，噴油器具有增壓功能的CRSN4.2高壓共軌噴射系統對于進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的產品平臺還是單級產生壓力的傳統高壓共軌噴射系統都已經開始進行噴油壓力高達2 500bar的進一步開發，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，為了進一步超越這樣的極限噴油壓力，博世公司早在3年前就已經開始進行噴油壓力高達3 000bar的共軌系統的開發。當然,如此高的噴射壓力只能采用液壓轉換的方法來達到，但是這種液壓轉換并非一定要在噴油嘴中進行。至于這種更高壓力的共軌噴射系統進入市場的時間問題，最終還必須看在批量生產中如何能達到幾微米這樣非常小的制造公差，這可能是當前機械制造業所能達到的物理極限了。

發展到如此高的噴射壓力的背景是越來越嚴格的廢氣排放法規。采用3 000bar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：在優化廢氣排放的同時能夠再獲得3%～4%的節油效果。

范明強 (本刊編委會委員)

教授級高級工程師，參加過陜西汽車制造總廠的籌建工作，主管柴油機的產品開發；1984年調往機械工業部無錫油泵油嘴研究所，曾任一汽無錫柴油機廠?、第一汽車集團公司無錫研究所高級技術顧問、湖南奔騰動力科技有限公司總工程師。