柴油机喷油系统的发展——第4代共轨喷油系统

【日】 小島昭和 内山賢 増田誠 伊達健治 掘内康弘 【德】 O.E.Hermann H.J.Laumen

柴油机喷油系统的发展
——第4代共轨喷油系统

【日】 小島昭和 内山賢 増田誠 伊達健治 掘内康弘 【德】 O.E.Hermann H.J.Laumen

为满足日益收紧的排放法规要求，柴油机管理系统正变得越来越复杂，不仅尺寸越来越大，而且其价格也日趋昂贵。研究的目的是在将柴油机优势最大化的前提下，开发一种简单且价格低廉的发动机管理系统。为此，提出了结合“动力”与“智能”的开发理念。“动力”意味着可以提供250～300 MPa极高喷油压力的喷油系统；而“智能”意为领先的的闭环控制系统，这一系统可以利用集成在喷油器内部的压力传感器获得压力信号，自动修正喷油特性，即智能精准修正技术。这一技术将为柴油机创造出空前的附加价值。

压缩着火发动机 共轨喷油系统 智能精准修正技术 高喷油压力

0 前言

近年来，全球的汽车排放法规已变得越来越严格。此外，针对二氧化碳（CO2）排放的燃油耗法规也被日益收紧。

近10年间，欧洲柴油车的氮氧化物（NOx）排放量要求相比原来水平降低70％，颗粒（PM）排放要求降低80％，即使对CO2，也要求降低约30％。因此，为了在改善燃油经济性的同时满足严格的排放法规要求，需要对车辆整体进行改良，其中，发动机管理系统（EMS）对降低有害物及CO2排放极为重要。

为降低排放，需要在废气再循环（EGR）及涡轮增压发动机进气系统技术的基础上，结合应用柴油颗粒捕集器（DPF）及NOx催化转化器等后处理技术。特别是在大型车辆的后处理系统中，通常会将DPF与选择性催化还原（SCR）系统组合应用，以降低NOx排放。但由于相应的EMS极为复杂，规模又大，且价格昂贵，会因此增加原始成本，并使安装匹配性变差[1]，因此对汽车制造商来说，这意味着市场竞争力的下降。

针对这一问题，研究人员以简化EMS，抑制高成本，充分发挥柴油车固有的燃油经济性优势，优化柴油车市场定位为目标进行开发，以实现所谓的“柴油机革命”。

实际上，就是融合“动力”与“智能”的开发理念，将实现超高压喷射的喷油系统与世界领先的闭环控制系统（即智能精准修正技术（i-ART））相结合，后者能利用喷油器压力传感器输出的压力信号对喷油特性进行自动修正[2，3，5，6]，从而为传统的柴油机创造出空前的附加价值。

1 开发理念

在降低排放方面，研究人员将开发重点放在发动机或后处理系统上。从燃油经济性、安装空间及驾驶乐趣等方面来考虑，这两种选择各有优劣。对于行驶距离长、安装空间大的大型车辆来说，研究人员通常将开发重点放在SCR等后处理系统上，并为此进行了多种改良[7]。但是，为了使柴油机能够在严酷的竞争中生存下来，研究人员认为，必须从整体上简化EMS，降低系统成本，抑制车辆价格。因此，确定了此次开发的理念，即尽量降低发动机自身的排放，以简化价格昂贵的后处理系统。

图1 降低排放的途径

图1示出了降低排放的途径。通常，采用改良的喷油系统能降低排放，再结合应用DPF、SCR等后处理系统，就能使NOx、PM等降至目标值。为此，日本电装公司开发出250 MPa或300 MPa的超高压喷油系统，改善了燃油喷雾的雾化性能，提高了空气利用率，大幅降低了排放。同时，结合采用可反馈喷油特性的i-ART系统，减少了发动机排放性能的波动。在此基础上，再采用简单的后处理装置，即可达到排放目标，实现整个系统的简化，降低成本。

图2比较了大型柴油机为满足排放法规要求所需的EMS初始投资[4]。已达到欧5排放标准的发动机要在应用喷油系统和EGR技术的基础上满足欧6排放法规的要求，就必须再采用DPF组合SCR的复杂后处理系统，这样，系统总成本将增加约20％。

图2 为满足欧6排放法规所采用的各种复杂系统

与此相反，如采用超高压喷油系统及与其相对应的EGR技术，虽然喷油系统及EGR的成本会有所增加，但发动机排放降低了，使后处理系统的负担得以减轻，可以采用只有DPF或只有SCR的简单后处理系统，并降低EMS的整体成本。

图3 喷油系统发展历程

图3示出了日本电装公司喷油系统的发展趋势。自1995年推出第1代卡车用共轨喷油系统并在全球首次实现量产以来，为满足各国不断强化的排放法规要求，电装公司相继推出第2代及第3代共轨喷油系统，并始终领先于其他公司，不断向实现更高喷油压力发起挑战。

目前，电装公司正在开发适用于乘用车和商用车的第4代共轨喷油系统，其喷油压力分别达到250 MPa和300 MPa，比第1代共轨喷油系统已高出2倍以上。下文将围绕实现高压喷油的措施，对第4代喷油系统作详细介绍。

2 第4代喷油系统

图4是第4代喷油系统的结构示意图，分别给出了可实现250 MPa（乘用车）和300 MPa（商用车）超高喷油压力的关键零部件。整个系统由内置压力传感器的喷油器和利用压力信号实施反馈控制的i-ART组合而成。

图4 第4代共轨喷油系统

下文着重介绍系统的各零部件。为了实现超高压喷油，关键是要尽量减少各零部件的燃油泄漏量，研究人员将抑制燃油泄漏作为最重要的课题，对各关键零部件进行了重新设计。

图5 零部件的开发策略

图5 示出了喷油器及高压泵的燃油压力与泄漏量之间的关系，随着压力的上升，燃油泄漏量急剧增加。而当高压燃油泄漏时，压力能量会转化为热能，高压泵及喷油器结构件因受热至高温，使燃油温度再度升高，导致燃油动黏度降低，其泄漏量进一步增加，由此形成恶性循环。

高温引起的燃油劣化及燃油动黏度下降会导致润滑不良，而燃油泄漏量增加又会导致燃油消耗率增加。换言之，抑制燃油泄漏，防止上述情况的发生是实现高压喷油的重要课题。

下文着重介绍降低各零部件燃油泄漏量的对策。

首先，针对喷油器的工作原理和燃油泄漏机理，以及减少燃油泄漏的方法进行介绍。

图6是传统喷油器的结构示意图，在将液压传递至喷油嘴针阀的指令活塞上部，设有通过控制腔室压力实现喷油的控制室。

图6 传统喷油器的结构

不喷油时，出油口关闭，控制室内保持高压状态。喷油时，根据发动机电控单元指令，电磁阀通电，打开阀门，控制室内的燃油通过出油口经低压管路流出，进而使控制室内的压力下降，喷油嘴针阀上升，喷油开始。

喷油结束时，电磁阀断电，阀门关闭，从进油口流入的高压燃油使控制室内压力升高，指令活塞将喷油嘴针阀压下，由此结束喷油。

由于喷油器体、指令活塞及喷油嘴针阀之间存在相对滑动，因此需要预留出相应的空隙。空隙尺寸虽然只有几微米，但却无法将高压燃油完全密封住，高压燃油经常从这一空隙处泄漏（静态泄漏）。

另外，在喷油过程中，由于阀处于开启状态，因此，高压燃油会通过进油口及出油口经低压管路持续流出（动态泄漏）。为此，要减少燃油泄漏量，需要同时考虑动态泄漏和静态泄漏两方面的因素。

在第4代喷油器（G4S）中，采用了一种内部无低压部件的中央导油结构，并废除了指令活塞[4-6]。通过这一措施，可以消除指令活塞及喷油嘴针阀之间滑动部位的间隙，从而可将由此产生的静态燃油泄漏量降为零。

另外，为了减少燃油的动态泄漏量，采用了三通阀结构。传统的双通阀在喷油期间，高压和低压管路处于贯通状态，燃油会因此持续漏出。而采用三通阀后，喷油时高压侧的阀会关闭，高压燃油无法流入，由此可以减少燃油的动态泄漏量。

图7是传统喷油器与G4S喷油器的漏油量比较结果。结果显示，传统喷油器在压力升高的同时，包括静态泄漏和动态泄漏在内的总漏油量呈急剧增加趋势。

图7 燃油泄漏量对比

新开发的G4S喷油器将静态燃油泄漏控制在零的水平，同时也抑制了动态泄漏量，因此，即使在全负荷条件（300 MPa）下，其燃油泄漏量仅与传统喷油器在怠速运转条件下的相当[4-6]。

以下介绍第4代喷油泵（HP7）的情况。

为了确保喷油泵驱动装置能够承受超高压力，采用在实际商用车应用中已得以验证的凸轮和滚子结构。并且，采用预行程控制方式，对输送给共轨的高压燃油进行控制和调节。将供油开始时间调整为当低压燃油全部进入柱塞室后电磁阀关闭的时刻，由于高压燃油被输出，吸入时就无需对燃油流量进行节流，因此，不仅可以减少泵的驱动损失，而且可以防止在柱塞室内形成真空，以避免形成气穴，甚至能够防止燃油的劣化。

下文将利用传统泵的结构，介绍减少高压泵燃油泄漏的策略（图8）。当柱塞对燃油进行压缩时，通过泵壳和柱塞之间的滑动间隙，高压燃油会从柱塞室经溢流槽漏至低压回路中。此时，由于压力产生的能量转换为热能，泵壳和柱塞的温度升高，燃油受此影响，温度也会升高，动黏度随之降低，从而加剧燃油的泄漏。

作为相应对策，增设1条冷却回路，将供给的燃油（低压）引至柱塞附近[4，6]。由此，低压、低温的燃油冷却了泵壳等部件，也降低了燃油温度，抑制了动黏度的下降，与此同时，泵壳受热膨胀，防止了间隙的扩大，减少了间隙处的燃油泄漏。

图8 传统泵的结构

图9是传统泵与HP7泵的特性比较结果。相比传统泵，在喷油压力300 MPa时泄漏温度达到200℃，设置冷却通道后，由于大幅减少了燃油泄漏量，温度可以降低约70℃。

图9 HP7泵的特性

另外，泵的容积效率对驱动扭矩及燃油经济性有很大的影响，而通过大幅降低燃油泄漏量，与传统泵在200 MPa时的容积效率相比，HP7泵在压力升至300 MPa时，其效率反而能改善约9％。

3 高压喷油的效果

一般来说，喷射压力越高，喷雾贯穿度就越强，同时，为了促进燃油喷雾与空气的混合，以及改善燃烧，其他喷油系统制造商也都以提高喷油压力为目标进行了一系列的开发[6]。

利用第4代喷油系统，针对喷油压力对喷雾及发动机性能的影响进行了定量分析。

首先，图10比较了对燃烧有较大影响的燃油喷雾雾化特性[4]。利用激光诱导荧光法观察了喷雾的状态和当量比，并将其定量分析结果也示于图10。

图10 200 MPa与300 MPa时的喷雾对比

与200 MPa喷油压力相比，当喷油压力高达300 MPa时，喷雾的贯穿度更强，并且根据图10左侧的图像及右侧上部的当量比分布图可知，从喷油初期开始就形成了稀薄喷雾。这样，喷油压力越高，就越能促进燃油雾化及其与空气的混合，因此，能够为燃烧提供适宜的优质喷雾。

图11 高喷油压力的优势

图11为单缸发动机喷油压力对发动机性能的影响[4，6]。在高负荷的欧洲重型车试验工况（C100）条件下，在220 MPa的基础喷油压力下，若增加EGR率和增压压力，会使燃烧温度降低，进而大幅降低NOx排放，但燃烧状态会因此恶化，燃油耗和碳烟排放都会增加。

当将喷油压力提高到260 MPa，甚至300 MPa时，如上述喷雾观察结果所示，在促进喷雾雾化效果的同时，空气利用率也得以提高，且燃烧得到改善，从而可改善燃油经济性，并降低碳烟排放。

然而，仅靠提高喷油压力，并不能将碳烟排放降至基础水平，还需要优化喷孔数和喷孔流量等参数。因此，将喷油嘴喷孔流量从1 600 m L减少到1 400 m L，并将喷孔数从10个减至8个，增加每个喷孔的流量，使喷雾贯穿度增强，延长喷雾到达距离，从而提高了燃烧室周边的空气利用率，并抑制了喷雾之间的干扰，将碳烟排放抑制在基础水平。

4 喷雾特性的闭环控制系统

图12是正在开发中的i-ART结构[5，6]。

图12 i-ART的结构

在喷油器头部，设有检测喷油器内部压力的压力传感器，以及与发动机电控单元通信的电子回路和记录运行反馈值的IC存储卡。

喷油时，喷油器内部的压力会下降，并出现一系列波动，这一压力波动与实际喷油率相关。换言之，压力的拐点就是喷油率的拐点。因此，通过检测压力，可以根据压力的变化反推出喷油率，而利用这一信息，就能推断出每一时刻的喷油定时和喷油量。

另一方面，发动机电控单元内部存储有目标喷油率的模型。原则上，喷油器的喷油率特性受压力、喷油量和温度的影响，因此，事先用专用试验台设定了目标模型。通过比较模型值与利用实际压力传感器测得的值推断的喷油率，对喷油指令实施反馈控制，以控制发动机每种运行条件下的喷油定时和喷油量。通过这种方法，可以自动修正喷油器个体之间的特性差异，以及随着使用时间延长产生的喷油量波动，从而在喷油器的整个使用寿命周期内抑制排放的波动（图13）[5，6]。

图13 闭环控制策略

图14显示了i-ART的控制效果[3，6]。众所周知，在1个喷油循环中进行多次喷油可以降低排放和噪声，并能有效降低燃油耗，但要在不断变换的环境条件下精确且稳定地控制每次喷油，则需投入大量的精力。

图14 多次喷射的精度

图14（a）是传统的开环控制在多次喷射条件下所获得的喷油率测量结果。

若改变第2次喷射的喷油定时，即改变2次喷射的时间间隔，那么，第1次喷射所引起的喷油器内部压力变化会对第2次喷射的喷油开始时刻、喷油结束时刻或喷油率产生影响，因此，虽然是使用相同的指令，但第2次喷射的喷油定时和喷油量都会发生变化。

与此相反，在应用i-ART控制的情况下，可以先检测出实际的喷油率，并针对目标值进行反馈，从而不受第1次喷射压力波形的影响，也无需进行复杂的标定，就能保证在喷油定时和喷油量稳定的情况下实现多次喷射。

图15为在实际车辆上对i-ART降低燃油耗的效果进行验证的结果，比较了欧洲行驶模式下，应用与未应用i-ART控制时的CO2排放量。

为了减少喷油定时和喷油量的偏差，i-ART能将喷油定时等标定值从基础标定条件朝改善燃油耗的方向移动。结果表明，在工况行驶条件下，CO2总排放量要比传统控制方式降低约2％[3，6]。

图15 i-ART对燃油耗的影响

5 高喷油压力与i-ART控制的效果

这里，介绍联合应用第4代喷油系统与i-ART控制对降低排放和燃油耗的效果。

图16为用2.2 L单缸发动机研究获得的结果，以200 MPa喷油压力时的排放水平作为参比基准，将喷油压力提高至250 MPa，并优化喷油嘴各零部件参数，增加EGR率和增压压力，进而实现了NOx和碳烟排放性能的大幅改善。并且，如果将喷油压力进一步提高到300 MPa，并增加后喷射等措施，可进一步降低碳烟排放。

图16 300 MPa喷油系统的发展方向

通过采取以上措施，在只采用DPF或SCR的简单后处理情况下，成功地将排放降低到目标值。

另外，通过应用i-ART控制，抑制了个体间的排放不均，避免了随时间增加的排放量增加，确保在整个寿命周期内排放值始终维持在初期水平。

为此，研究人员确信，对柴油机来说，利用超高压喷射改善燃烧，同时用控制系统改善喷油特性的精度，将成为柴油机今后发展的关键技术。

6 结语

为了不断发挥柴油机自身的优势，满足未来日益严格的排放法规要求，日本电装公司在“柴油机革命”这一主题下，以尽可能从整体上构筑结构简单且价格低廉的发动机管理系统为目标进行了开发。

将第4代喷油系统所具有的“动力”与系统控制技术的“智能”相结合，进一步提高各方面性能，为柴油机创造了前所未有的附加价值。

在具体的开发过程中，围绕减少燃油泄漏这一高压喷油的关键技术进行零部件设计，实现了250～300 MPa的超高压喷油，大幅降低了排放。另外，应用i-ART控制技术，实施可自动修正喷油特性的闭环控制，抑制了喷油器的个体差异及喷油量波动，也减少了排放的波动。

日本电装公司将通过进一步推进“柴油机革命”，继续研发清洁、经济且结构简单的柴油机动力系统，为用户和社会作出贡献。

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张冬梅 译自 自動車技術会論文集，2012，43（6）

吴小军 校

朱晓蓉 编辑

2013-07-29）

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