博世公司新一代汽油直噴系統(tǒng)

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1 新一代汽油直接噴射系統(tǒng)的要求

全球可使用的燃料中，汽油機(jī)以低廉的制造成本、較高的升功率、良好的廢氣排放性能，以及較高的可靠性已成為最適用于當(dāng)今轎車的動(dòng)力裝置。2015年，汽油車保有量約為7 000萬輛，到2025年有望達(dá)到7 800萬輛(圖1)。當(dāng)今廣泛應(yīng)用的進(jìn)氣道噴射(PFI)汽油機(jī)到2025年的銷售量預(yù)計(jì)將有所下降，同時(shí)直噴式(GDI)汽油機(jī)的預(yù)期銷售量將翻倍。到2025年，配備PFI汽油機(jī)和GDI的新車銷售量將有望分別達(dá)到390萬輛。

圖1 博世公司預(yù)測(cè)轎車和6 t以下輕型載貨車的銷售量

隨著廢氣排放法規(guī)日趨嚴(yán)格，汽車制造商將持續(xù)不斷地降低氣態(tài)有害物和顆粒物的排放，特別是加州低污染排放三階段(LEVⅢ)法規(guī)對(duì)降低氣態(tài)有害物排放提出了很高的要求(表1)。降低非甲烷有機(jī)氣體(NMOG)和氮氧化物(NOx)，到2025年要滿足超低污染物排放車(SULEV-30)平均限值。中國和印度市場(chǎng)的廢氣排放法規(guī)快速接近歐盟和美國標(biāo)準(zhǔn)，如國六和印度BS6排放標(biāo)準(zhǔn)與歐6和美國LEVⅢ/Tier 3標(biāo)準(zhǔn)相近(圖3)。除此之外，歐盟、中國和印度未來將要求在道路行駛運(yùn)行時(shí)檢驗(yàn)實(shí)際行駛排放工況(RDE)，同時(shí)提高對(duì)汽車制造商在使用壽命期間滿足廢氣排放和燃油蒸發(fā)排放(EVAP)限值的要求。根據(jù)相關(guān)法規(guī)要求，為降低CO2排放，需要采取更有效的降低油箱-車輪CO2排放量的措施。從用戶角度出發(fā)， 購買的車輛應(yīng)該具備更多性能的優(yōu)勢(shì)，如發(fā)動(dòng)機(jī)功率、行駛性能、燃油耗，以及舒適性和噪聲-振動(dòng)-平順性(NVH)特性。

增壓直噴式汽油機(jī)有助于汽車制造商實(shí)現(xiàn)以上功能，此外汽油缸內(nèi)直噴系統(tǒng)還能在提高壓縮比的同時(shí)獲得較高的升功率，并提供優(yōu)化催化轉(zhuǎn)化器的加熱策略以補(bǔ)償廢氣渦輪增壓器渦輪散失的熱量。直噴式(DI)汽油機(jī)絕大多數(shù)使用電磁線圈控制的多孔噴油器。該噴油器主要被布置于側(cè)面或氣缸蓋中央，噴孔采用激光加工，使得在噴霧設(shè)計(jì)方面能獲得較大的自由度，并以高達(dá)25 MPa的系統(tǒng)壓力運(yùn)行。靠近火花塞的噴油器能采用最小噴油量并點(diǎn)火，使催化轉(zhuǎn)化器最快速地起燃，有效提升催化轉(zhuǎn)化器的加熱運(yùn)行效率，并降低廢氣排放[1]。

為此，除了恰到好處的噴霧設(shè)計(jì)和噴油策略之外，還需要一種可控閥動(dòng)作的軟件功能(CVO)，它能確保噴油器特性曲線在針閥彈道運(yùn)行范圍內(nèi)，噴油器可以以最小噴油量穩(wěn)定運(yùn)行[2]。直噴式汽油機(jī)顆粒物(PM)排放的其中一個(gè)重要來源是噴射期間粘附在燃燒室壁面上無法完全凈化的燃油[3]。通過噴霧設(shè)計(jì)優(yōu)化與缸內(nèi)充量運(yùn)動(dòng)相結(jié)合，以及應(yīng)用多次噴射的噴油策略，已能明顯減少活塞或氣缸壁面的潤濕，并降低PM排放。通過進(jìn)一步開發(fā)直接噴射系統(tǒng)能夠顯著降低PM排放[4]。

在市場(chǎng)開發(fā)、廢氣排放法規(guī)和最終用戶的三方共同制約下，博世新一代汽油直接噴射系統(tǒng)的開發(fā)具有下列目標(biāo)：

(1)通過將系統(tǒng)壓力提高到35 MPa，在改善NVH特性的同時(shí)優(yōu)化混合氣形成,進(jìn)一步降低PM排放；

注：WLTC：全球統(tǒng)一輕型車試驗(yàn)循環(huán)；MIDC：印度排放標(biāo)準(zhǔn)；FTP：美國聯(lián)邦汽車排放測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。

(2)與CVO相結(jié)合擴(kuò)大噴油器運(yùn)行工況；

(3)通過縮小噴射間隔以改善多次噴射能力；

(4)優(yōu)化噴油器頂端的幾何形狀，減少油膜附著，有助于降低PM排放；

(5)確保高的緊湊性、模塊化和靈活性，以滿足最終用戶的需求，并保證在EVAP、使用壽命和燃油品質(zhì)方面的可用性。

同時(shí)，包括軟件功能在內(nèi)的零部件技術(shù)方案，在采用整個(gè)系統(tǒng)后達(dá)到優(yōu)良的性能。

2 用高壓燃油泵HDP6產(chǎn)生系統(tǒng)壓力

將系統(tǒng)壓力提高到35 MPa就需要開發(fā)新一代高壓燃油泵(圖3)。高壓燃油泵HDP6擴(kuò)大了工作范圍，并提高了燃油接頭、角度位置和高壓燃油泵安裝等方面的靈活性，這種模塊化設(shè)計(jì)方案能選擇使用兩種柱塞直徑。在采用小直徑柱塞時(shí)可將泵油體積流量減小至0.9 cm3，驅(qū)動(dòng)功率降低到最小。而在采用大柱塞直徑時(shí)泵油體積流量凸輪軸每循環(huán)可高達(dá)1.3 cm3。燃油泵HDP6空轉(zhuǎn)時(shí)的NVH特性是系列產(chǎn)品中最好的。

3 高壓噴油器HDEV6的變化范圍

新型的高壓噴油器HDEV6是為匹配35 MPa系統(tǒng)壓力而設(shè)計(jì)的。其變化范圍具有較高的靈活性(圖4)，其中包括短型和長(zhǎng)型噴油器、不同的插座接頭及旋轉(zhuǎn)的靈活性。并且噴油器可布置在側(cè)面或中央，噴油器頂端直徑從7.5 mm減小到6.0 mm，使設(shè)計(jì)更為緊湊。而燃油接頭O形圈直徑從11.6 mm減小到9.4 mm，減小了所需的結(jié)構(gòu)空間，噴油器質(zhì)量減輕了20%。

圖4 博世新型高壓噴油器HDEV6

4 高壓噴油器HDEV6的燃油噴射和軟件功能

圖5示出的HDEV6噴油器噴油量特性曲線表明，在整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)噴油量?jī)H與控制針閥時(shí)間有關(guān)。為了充分使用HDEV6噴油器，對(duì)CVO軟件功能再次進(jìn)行了開發(fā)，在整個(gè)噴油器的工作范圍中，第三代CVO都發(fā)揮了作用(圖5)。

圖5 HDEV6噴油器特性曲線

在整個(gè)噴油特性曲線范圍內(nèi),使用CVO顯著降低了實(shí)際噴油量相對(duì)于額定值的偏差,從而為滿足使用壽命要求作出了貢獻(xiàn)。而采用目前尚處于開發(fā)中的匹配軟件，有望獲得額外的性能優(yōu)化，這種軟件功能對(duì)于穩(wěn)態(tài)流量具有重要意義。HDEV6噴油器的多次噴射能力已通過噴油器內(nèi)部?jī)?yōu)化得到了顯著改善，以致于能實(shí)現(xiàn)小于1 ms的噴射間隔。

為了改善在整個(gè)使用壽命期內(nèi)對(duì)于EVAP具有重要意義的閥座密封性，對(duì)HDEV6噴油器的閥座性能進(jìn)行了優(yōu)化，運(yùn)行后顯著改善了密封性，從而有效地達(dá)到了在10 MPa壓力下1.5 mm3/min的密封座泄漏限值要求。

5 燃油準(zhǔn)備和PM排放的降低

在高溫和稀薄空氣同時(shí)存在的條件下,發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒時(shí)可能會(huì)形成碳煙。在汽油缸內(nèi)直接噴射并以總體化學(xué)計(jì)量比過量空氣系數(shù)進(jìn)行預(yù)混合燃燒的情況下，當(dāng)液態(tài)燃油與燃燒室壁面之間相互作用而形成壁面油膜時(shí)就可能形成碳煙。正常的化學(xué)計(jì)量比條件下進(jìn)行的燃燒在剛抵達(dá)燃燒室壁面時(shí)很可能就會(huì)結(jié)束。如果在高溫和較低含氧量的條件下，當(dāng)所形成的壁面油膜直到火焰初步抵達(dá)燃燒室壁面時(shí)尚未氣化，那么就會(huì)形成碳煙。通過在燃燒室內(nèi)應(yīng)用光學(xué)分析方法，能非常好地顯示碳煙的形成。通過噴油器和火花塞的合理布置以及合適的噴霧設(shè)計(jì)，就不會(huì)出現(xiàn)因潤濕進(jìn)排氣門、燃燒室頂面和火花塞而形成碳煙。同時(shí)，通過噴霧設(shè)計(jì)和噴油策略就能使活塞頂面和氣缸套壁面的潤濕程度降到最低，但是運(yùn)行條件的限制是不可完全避免的。

圖7 20 MPa壓力下噴油器頂端的PM

圖6 火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)的PM來源

此外，在冷機(jī)狀態(tài)向熱機(jī)狀態(tài)的過渡過程也會(huì)形成PM排放(圖6)，甚至噴油器頂端也會(huì)產(chǎn)生附加PM排放。在燃油噴射期間，由于噴油器內(nèi)部流動(dòng)、噴束裂變、噴束與噴孔之間的相互作用及其與周圍空氣的相互作用,噴束會(huì)出現(xiàn)徑向波動(dòng),這會(huì)導(dǎo)致燃燒噴油器頂端潤濕。該處的燃油在正常火焰初步抵達(dá)時(shí)因高溫和稀薄空氣從而形成碳煙，其中一部分留存在噴油器頂端形成積炭，并與其他燃油粘合，在PM數(shù)量排放快速增加的同時(shí)這種效應(yīng)會(huì)自行增強(qiáng)，直至噴油器頂端上的積炭形成和消失達(dá)到平衡為止，因此盡量減少噴油器頂端潤濕是有效的補(bǔ)救措施。

優(yōu)化噴油器內(nèi)部流動(dòng)性和頂端幾何形狀能顯著減少潤濕現(xiàn)象，從而明顯減少積炭形成(圖7)。為此，應(yīng)用了諸如計(jì)算流體力學(xué)(CFD)模擬，以及在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中進(jìn)行高頻率的噴霧測(cè)量等各種方法。通過這些優(yōu)化措施明顯降低了來自噴油器頂端的PM排放。圖7示出了在20 MPa系統(tǒng)壓力下所達(dá)到的狀況，并與基準(zhǔn)和沒有積炭的清潔噴油器狀態(tài)進(jìn)行比較。應(yīng)用HDEV6噴油器能將系統(tǒng)壓力提高到35 MPa，并顯著提高抗PM排放的穩(wěn)定性[1]。

此外，提高噴油壓力能使燃油更好地霧化，減小油滴平均尺寸(SMD)，從而能增大液態(tài)燃油用于蒸發(fā)的表面積(圖8(a))，同時(shí)明顯增強(qiáng)了周圍空氣在噴霧中的卷吸現(xiàn)象(圖8(b))，為燃油蒸發(fā)輸入更多的熱焓。于是霧化的燃油更好地跟隨空氣流動(dòng)，因而明顯減少了在活塞頂面和氣缸套壁面上形成的油膜，從而降低了這些部位的PM形成，這已通過基礎(chǔ)試驗(yàn)研究證實(shí)(圖8(c))[5]。

圖8 系統(tǒng)的SMD、PN、質(zhì)量流量以及油膜基礎(chǔ)試驗(yàn)

所有硬件措施與標(biāo)定優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合能使在環(huán)境溫度20 ℃和RDE條件下的PM排放量降低約80%(圖9)。由于燃油蒸發(fā)延遲、燃燒室壁面較冷，以及氣缸中氣體溫度較低，低溫邊界條件對(duì)于降低PM排放是一項(xiàng)特別的挑戰(zhàn)。除了采用所有可用的機(jī)內(nèi)措施、進(jìn)一步開發(fā)標(biāo)定準(zhǔn)備λ傳感器調(diào)節(jié)之外，使用汽油機(jī)顆粒捕集器是必不可少的，以便支持RDE一致性系數(shù)等于1.0(圖9)。

圖9 環(huán)境溫度20 ℃和實(shí)際行駛排放條件下的PN排放

為了能充分挖掘直噴式噴油器的潛在性能，必須將噴油器集成到各種發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方案和燃燒過程中。為此，在博世公司汽油系統(tǒng)業(yè)務(wù)范圍內(nèi)設(shè)立了項(xiàng)目設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)，從部件至整車的噴油器及噴霧和燃燒開發(fā)過程中組合應(yīng)用分析和開發(fā)工具(圖10)。在發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)的早期階段就與發(fā)動(dòng)機(jī)制造商緊密合作，以達(dá)到最佳總體效果。

圖10 噴油器、噴霧和燃燒過程中用于分析和開發(fā)的工具

6 結(jié)論

從市場(chǎng)開發(fā)、法規(guī)和最終用戶等方面的要求出發(fā)，博世公司開發(fā)出了新一代的汽油直接噴射系統(tǒng)，其技術(shù)性能是在改善NVH特性的同時(shí)將系統(tǒng)壓力提高到35 MPa，并采用第三代CVO軟件功能和穩(wěn)態(tài)流量匹配，擴(kuò)大運(yùn)行范圍以及獲得更優(yōu)越的多次噴射能力,為更低的PM排放提供最佳的混合氣。最佳的噴油器頂端幾何形狀因減少了在該部位形成油膜的可能性并為降低PM排放作出了貢獻(xiàn)。新一代噴油系統(tǒng)的突出特點(diǎn)是具有較高的緊湊性、模塊化和靈活性能滿足用戶特定的要求，它是針對(duì)EVAP、使用壽命和燃油品質(zhì)等方面而設(shè)計(jì)的。

采用新一代噴油系統(tǒng)，經(jīng)過噴油器優(yōu)化和標(biāo)定后，在RDE條件下的PM排放可降低約80%。在要求特別苛刻的低溫條件下，除了采取所有可供使用的機(jī)內(nèi)措施，進(jìn)一步開發(fā)標(biāo)定和以及進(jìn)行λ傳感器調(diào)節(jié)準(zhǔn)備之外，還必須使用汽油機(jī)顆粒捕集器，以便能支持制造商力求的RDE一致性系數(shù)等于1.0。為了盡可能將博世直噴式噴油器最佳地集成到各種發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方案和燃燒過程中，在博世公司汽油系統(tǒng)業(yè)務(wù)范圍內(nèi)設(shè)立了項(xiàng)目開發(fā)機(jī)構(gòu)，可用于分析和開發(fā)人員進(jìn)行充分應(yīng)用到部件至整車的噴油器、以及噴霧和燃燒過程開發(fā)中。新一代汽油直接噴射系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)盡早量產(chǎn)，逐步推廣到全球，并要充分利用工業(yè)4.0制造。