用于提高柴油機效率的新型壓電共軌噴射系統

【德】 W.Klügl C.Boll G.Krüger U.Nigrin

設計開發

用于提高柴油機效率的新型壓電共軌噴射系統

【德】 W.Klügl C.Boll G.Krüger U.Nigrin

Continnental公司采用新穎的PCRs5型壓電噴油系統擴展了對柴油機燃燒過程施加影響的可能性，通過精度更高和噴射間距更短的多次噴射能進一步降低燃油耗、原始排放和運轉噪聲，而噴射的閉環調節則能確保整個使用壽命期系統的可靠性，其中壓電執行器同時被用作監控針閥運動的傳感器。

柴油機壓電噴油系統降低排放

1 對柴油噴射系統提出了更高的要求

高效率柴油機有助于達到公司車隊苛刻的CO2排放的目標。為了進一步提高柴油機效率并同時降低其原始排放，混合氣準備和燃燒期氣缸壓力變化曲線起著重要的作用。除了碳氫化合物(HC)、氮氧化物(NOx)及顆粒物排放之外，柴油機的運行噪聲和舒適性也影響著其在未來全球各種驅動方式中所可能承擔的角色。

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

新型PCRs5型壓電柴油噴射系統進一步開發的目標是：在整個運行功率范圍內更可靠地保持高品質的噴射參數；通過緊湊的部件和模塊化結構易于集成在各種不同的發動機機型中；進一步降低損失功率和優化高的液壓效率；適應越來越多的混合動力場合。

這種新型噴油系統就是針對250 MPa系統壓力以及300 000 km(轎車)和400 000 km(輕型載貨車)使用壽命設計和認證的，其200 MPa共軌壓力首次應用并搭載于市場上一種輕型載貨車系列的新型柴油機機型上，而高達250 MPa的噴射壓力則應用于高功率等級的轎車上。

2 系統部件

PCRs5型壓電噴油器、DHP1型柴油高壓泵、帶有數字式減壓閥的燃油分配管、高壓傳感器以及EMS3型發動機管理系統電控單元和軟件是模塊化PCRs5型壓電噴油系統的重要組成部分。

高壓柴油泵(圖1)的結構特點是采用滾輪挺柱傳動，以及用于調節油量和壓力的數字式進油閥，其突出的特點是具有高精度的燃油壓力調節，以及在降低進口壓力的情況下呈現較小的液壓容積和高液壓效率，此外較小的冷卻和潤滑容積流量減輕了低壓系統的負荷，從而總體上減少的損失功率，對CO2排放產生了有利的效果。這種高壓柴油泵十分緊湊(凈質量<2.6 kg)，能使用全球各種燃油，并能滿足增加起動-停機循環次數的要求。除了采用燃油潤滑的方案之外，在保持上述優點的情況下還有一種機油潤滑方案(作為插裝式高壓泵直接集成到發動機機體中)可供選用。

圖1 采用燃油潤滑的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包含有功能強大的多芯微處理器，以及按AutoSAR標準構建的基礎軟件，并支持ISO 26262標準的可靠性要求[1]。電控單元的功能已按歐6排放標準開發，除了燃油供應和噴射之外,特別是對空氣管路和包括借助于選擇性催化還原(SCR)NOx在內的廢氣后處理措施進行了進一步的開發。

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

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品有了明顯的提高，它不再呈現恒定不變的回油量，而是在發動機自動停機期間能繼續保持共軌壓力，這樣就能直接供給下次起動過程使用，進一步減少了動態回油量，總回油量比原產品減少了70%以上，因而能降低高壓燃油泵的驅動扭矩，從而對CO2平衡產生有利的效果。微型壓電堆驅動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執行器部位的連接中明顯降低了噴油器的噪聲輻射。

3 噴油器調節策略

這種新型柴油噴射系統能滿足對高效發動機燃燒壓力曲線所提出的要求，即穩定對稱的噴束形狀、高的計量精度，以及每工作循環最多達8次且具有較短噴射間距的多次噴射,目前用于量產的最短液壓噴射間距能達到150 μs。

為了可靠地達到這些高品質的噴射參數，這種壓電噴油器采用閉環調節工作，為此反饋信號直接由噴油器計值，當然對此無須在噴油器中附加傳感器。這種調節除了基于反壓電效應(壓電執行器通電產生位移用于操縱伺服閥)之外， 同時也利用原有的壓電工作原理(在壓電執行器上施加外力就產生與壓力成正比的電壓)。

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

圖3 PCRs5型調節功能結構

閉環調節的主要功能是伺服閥開啟點的調節和噴油嘴針閥關閉點的調節，其中前者基于伺服閥開啟時壓電執行器上力的識別，針對伺服閥開啟時間點和升程實時調節每次噴射，從而實現單純的通電時間補償，因而噴油器中就無需液壓補償器了。

伺服閥關閉后壓電執行器保持在部分升程，并被用作控制室壓力的傳感器。當針閥抵達座面時產生一個特征壓力標志，它在發動機電控單元中被計值，以識別實時的針閥關閉點(圖4)。

圖4 針閥關閉點調節的基本原理示意圖

除了可完全放棄噴油器中的傳感器之外，這些調節功能可確保迅速和可靠的調節回路,并易于標定而無需專門用于動力總成的特定方案，而且能與未來混合動力化機型相協調，因為在怠速運轉和倒拖運行階段無需進行這些調節。

4 發動機運行測量結果

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

圖5 Continnetal公司2.0 L發動機平臺試驗結果

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能使燃油在燃燒室中更為良好和精確地分配，實現在空間和時間上的緊湊燃燒，從而改善了放熱率曲線。

5 對廢氣后處理的重要意義

在噴油方面有2個因素對于柴油機的原始排放是至關重要的：

(1)必須減小噴油器彼此之間的噴油量誤差，在

這方面必須通過合適的策略，雖不可完全避免制造誤差，但可在發動機工作循環中將這種誤差影響降到最佳程度；

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

閉環調節回路對于廢氣后處理具有重要意義。因為這種新型噴油系統大大減小了廢氣成分的偏差，能夠降低對廢氣后處理裝置基本尺寸和匹配性方面的要求，這樣就能夠對柴油機相對于汽油機在成本方面的缺點產生有利的影響。

6 結語

這種新型的PCRs5型壓電噴油系統以其計量精度和調節品質改善了柴油機燃燒過程的控制。認證運行試驗和批量使用已證實，這種新型噴油系統能降低CO2排放和噪聲水平，并具備降低實際運行NOx和HC排放的潛力，同時顯示出對自動起停系統的適應性。

無需傳感器就能實現噴油器閉環調節，使得系統能在整個運行期間的噴油精度和穩定性達到很高的水平。每循環多達8次150 μs小間距的精確噴射使得發動機能夠實現緊湊和高效的燃燒。本文介紹的噴油壓力高達250 MPa的新型噴油系統為未來達到歐6和全球廢氣排放法規奠定了堅實的基礎。

[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 譯自 MTZ，2016,77(10)

何丹妮 編輯

2016-09-18)