電控VE泵在小排量3缸柴油機上的優化應用

（星月集團星萊和農業裝備有限公司 浙江 永康 321300）

引言

對電控VE 泵進行改進以及對小排量3 缸柴油機的制造精度進行控制，并且進行試驗驗證。試驗證明，小排量多缸柴油機的排放問題可以得到解決，拓寬了小排量高轉速柴油機的應用范圍。

1 小排量3 缸柴油機目前存在的問題

目前，國內市場上，小排量3 缸柴油機的燃油噴射系統大都采用機械直列泵，燃油噴射的一致性難以調整和控制，排放的一致性差，滿足非道路柴油機國三排放標準的柴油機很少，滿足即將實行的非道路柴油機國四排放標準[1]更加困難。

目前，排量在1.0L 以下的多缸柴油機滿足非道路柴油機國四排放標準的極少，主要原因為排放一致性控制是難點，燃油噴射系統不能滿足小排量柴油機需要是關鍵問題。

采用電控VE 泵，可實現對每循環噴油量更精確的控制，更好地適應柴油機不同工況低排放的需要[2]。對噴油正時的電控調整、優化，能很好地實現柴油機性能最佳和排放最低[3]。

為了滿足非道路柴油機國四排放標準，本司設計了一款功率為14.5 kW（3 600 r/min）、排量為0.76 L的3 缸水冷柴油機。采用電控VE 泵，對噴油正時進行電控調整，降低了燃油消耗率和顆粒物排放。本款柴油機的相關技術已獲得多項專利，處國內領先水平。

2 降低小排量3 缸柴油機排放的措施

本司與南京威孚金寧有限公司合作開發的電控VE 泵燃油噴射系統，拓寬了電控VE 泵在小排量柴油機上的應用范圍，主要解決了以下幾個方面的問題：

1）對系統整體進行了優化設計，滿足了小排量柴油機更高轉速的需求，轉速＞5 000 r/min；

2）提高了柱塞偶件精度和噴油泵噴射壓力，VE泵的噴射壓力高達145 MPa 以上，使燃油噴射更加均勻，降低了燃油消耗率，提高了效率，有效降低了顆粒物排放；

3）ECU 電控單元優化，提高了運算速度，運算速度＞40 MIPS，完全滿足位置式VE 泵控制的需要；

4）優化了提前器控制閥以及與其配套的位置傳感器精度，提高了測量活塞移動距離，測量精度穩定在0.01 mm，相當于提高了噴油提前角的精度；

5）進行了柴油機多工況的map 圖標定。包括發動機外特性標定、整車駕駛性能標定、排放標定。

通過對VE 泵map 圖的實際匹配標定，動力性能和排放性能均取得了良好的效果，完全能夠滿足當前非道路柴油機國三排放標準要求。

3 提高發動機制造精度以滿足電控VE 泵的需要

試驗表明，發動機的壓縮壓力、工作溫度等對電控VE 泵的燃油噴射特性有較大影響。穩定的壓縮壓力，使油耗曲線比較穩定，波動小。壓縮壓力對燃油消耗影響較大，壓縮壓力波動大，油耗變動量大。

3.1 壓縮壓力對燃油消耗的影響

提高零部件制造精度，保證各缸的壓縮壓力基本一致，壓力差控制在3%以內。壓縮壓力對燃油消耗的影響如圖1 所示。

3.2 發動機溫度控制對燃油噴射規律的影響

發動機的溫度對電控VE 泵的工作溫度有較大影響，通過試驗測試，冷卻液溫度控制在（85±5）℃、機油溫度控制在（90±10）℃時，排放較為穩定。

本文在發動機溫度控制上采取了以下措施：

1）對發動機冷卻系統進行了優化設計，滿足最佳工作溫度需求；

2）控制機油溫度，使柴油機在最佳溫度狀態下工作。

圖1 壓縮壓力對燃油消耗的影響

本司設計了一個帶冷卻裝置的油底殼，經散熱器冷卻后的出水進入冷卻裝置，然后流經發動機進行冷卻循環。此項技術獲得了專利。另外，保證最佳的機油工作溫度，對加快提高冷機狀態下的溫度也有好處。帶冷卻裝置的油底殼結構如圖2 所示。

圖2 設有冷卻機油的油底殼結構

3.3 控制VE 泵的回油溫度

試驗表明，燃油泵回油溫度對燃油噴射量的影響較大，對動力性能有較大影響，隨之影響柴油機的排放性能。為了獲得最佳的回油溫度，本文設計了一款附帶散熱裝置的油箱，保證了最佳的回油溫度。

4 消除機油消耗量對排放的影響

柴油機在工作時通過活塞環與氣缸壁消耗的機油占總機油消耗量的70%以上，通過氣門油封消耗的機油占比約為10%，通過曲軸箱通風系統消耗的機油占比約為10%。雖然機油消耗的產生部位不同，但絕大部分都參與燃燒并且其燃燒產物隨尾氣排出。機油參與燃燒并且燃燒產物隨尾氣排放的這一特點，決定了它對發動機的顆粒物排放有著直接的影響。

可從以下幾個方面減少機油消耗，降低顆粒物排放。

4.1 優化發動機零部件加工精度，減少發動機的機油消耗

缸體：采用一體化設計，增加柴油機機體的剛性；優化冷卻水套設計，盡量減少缸孔變形；優化鑄造后的熱處理工藝，提高材料硬度；優化機加工工藝，如帶工藝缸蓋進行缸孔精加工，減小缸孔的變形量。缸體密封性增強，使柴油機在熱狀態下變形量減少，阻力減小，有利于柴油機的冷起動。

活塞：控制活塞壓縮高的精度，保證燃燒室容積，提高表面質量。

活塞環：適當增加油環的切向彈力、增大活塞環與氣缸壁面的接觸面積、優化活塞回油孔的布置位置等。

曲軸箱通風：曲軸箱通風系統結構優化能提高油氣分離效率。設置二次分離機構，增強分離能力，使沉淀干凈機油重新流入曲軸箱底部，使油氣分離更徹底，從而降低了機油消耗率。如圖3 所示。

圖3 曲軸箱通風系統結構優化

4.2 使用全合成機油

相比半合成機油或礦物機油，全合成機油穩定性更好，在高溫下減少了機油的蒸發量，控制了氣缸壁面油膜蒸發，有利于減少灰分顆粒物排放。

4.3 控制柴油機工作時的最高溫度

機油溫度對機油消耗有較大影響，通過試驗測得，柴油機的水溫控制在95 ℃以內對機油消耗影響較小。所以，各終端機械在匹配時必須嚴格控制發動機的最高水溫。

通過以上措施使柴油機的機油消耗率由原來的0.7 g/（kW·h）降低到0.4 g/（kW·h），從而降低了顆粒物的排放量。

5 噴油器的壓力設置與動力的優化匹配

通過對噴油器壓力進行設置，對比排放測試結果可知，噴油壓力設置在11.5～12.5 MPa，可獲得比較理想的動力特性曲線，經濟性好，可靠性高。

6 進氣量優化

進氣量的大小決定了活塞到達上止點時最終氣體壓縮量的大小，從而影響氣體壓縮壓力的大小。進氣量偏差宜控制在0.5%以內。優化措施如下：

1）優化氣道設計，尤其是進氣道設計。試驗表明，經改進的氣道提高了流量系數，增大了進氣量，提高了發動機的功率，降低了燃油消耗率。

2）將氣門間隙的偏差控制在0.05 mm 以內。

3）將配氣相位的制造總偏差控制在2°CA 以內。

4）控制氣門的泄漏量。

經過對發動機整機的優化和對VE 泵的優化設計，發動機排放完全滿足非道路柴油機國三排放標準要求，為即將實行的非道路柴油機國四排放標準奠定了基礎，拓寬了電控VE 泵在小排量多缸柴油機上的應用，經濟性好，可靠性高，降低了產品的制造成本，市場前景良好。

7 結論

經過對電控VE 泵進行優化、對柴油機設計進行改進以及對噴油器壓力進行調整，使小排量多缸柴油機的排放得到了控制，解決了非道路小排量多缸柴油機燃油噴射系統的難題，為小排量非道路柴油機國四排放標準的實行奠定了基礎。該優化方案拓寬了電控VE 泵的應用范圍，市場前景良好。