电控VE泵在小排量3缸柴油机上的优化应用

（星月集团星莱和农业装备有限公司 浙江 永康 321300）

引言

对电控VE 泵进行改进以及对小排量3 缸柴油机的制造精度进行控制，并且进行试验验证。试验证明，小排量多缸柴油机的排放问题可以得到解决，拓宽了小排量高转速柴油机的应用范围。

1 小排量3 缸柴油机目前存在的问题

目前，国内市场上，小排量3 缸柴油机的燃油喷射系统大都采用机械直列泵，燃油喷射的一致性难以调整和控制，排放的一致性差，满足非道路柴油机国三排放标准的柴油机很少，满足即将实行的非道路柴油机国四排放标准[1]更加困难。

目前，排量在1.0L 以下的多缸柴油机满足非道路柴油机国四排放标准的极少，主要原因为排放一致性控制是难点，燃油喷射系统不能满足小排量柴油机需要是关键问题。

采用电控VE 泵，可实现对每循环喷油量更精确的控制，更好地适应柴油机不同工况低排放的需要[2]。对喷油正时的电控调整、优化，能很好地实现柴油机性能最佳和排放最低[3]。

为了满足非道路柴油机国四排放标准，本司设计了一款功率为14.5 kW（3 600 r/min）、排量为0.76 L的3 缸水冷柴油机。采用电控VE 泵，对喷油正时进行电控调整，降低了燃油消耗率和颗粒物排放。本款柴油机的相关技术已获得多项专利，处国内领先水平。

2 降低小排量3 缸柴油机排放的措施

本司与南京威孚金宁有限公司合作开发的电控VE 泵燃油喷射系统，拓宽了电控VE 泵在小排量柴油机上的应用范围，主要解决了以下几个方面的问题：

1）对系统整体进行了优化设计，满足了小排量柴油机更高转速的需求，转速＞5 000 r/min；

2）提高了柱塞偶件精度和喷油泵喷射压力，VE泵的喷射压力高达145 MPa 以上，使燃油喷射更加均匀，降低了燃油消耗率，提高了效率，有效降低了颗粒物排放；

3）ECU 电控单元优化，提高了运算速度，运算速度＞40 MIPS，完全满足位置式VE 泵控制的需要；

4）优化了提前器控制阀以及与其配套的位置传感器精度，提高了测量活塞移动距离，测量精度稳定在0.01 mm，相当于提高了喷油提前角的精度；

5）进行了柴油机多工况的map 图标定。包括发动机外特性标定、整车驾驶性能标定、排放标定。

通过对VE 泵map 图的实际匹配标定，动力性能和排放性能均取得了良好的效果，完全能够满足当前非道路柴油机国三排放标准要求。

3 提高发动机制造精度以满足电控VE 泵的需要

试验表明，发动机的压缩压力、工作温度等对电控VE 泵的燃油喷射特性有较大影响。稳定的压缩压力，使油耗曲线比较稳定，波动小。压缩压力对燃油消耗影响较大，压缩压力波动大，油耗变动量大。

3.1 压缩压力对燃油消耗的影响

提高零部件制造精度，保证各缸的压缩压力基本一致，压力差控制在3%以内。压缩压力对燃油消耗的影响如图1 所示。

3.2 发动机温度控制对燃油喷射规律的影响

发动机的温度对电控VE 泵的工作温度有较大影响，通过试验测试，冷却液温度控制在（85±5）℃、机油温度控制在（90±10）℃时，排放较为稳定。

本文在发动机温度控制上采取了以下措施：

1）对发动机冷却系统进行了优化设计，满足最佳工作温度需求；

2）控制机油温度，使柴油机在最佳温度状态下工作。

图1 压缩压力对燃油消耗的影响

本司设计了一个带冷却装置的油底壳，经散热器冷却后的出水进入冷却装置，然后流经发动机进行冷却循环。此项技术获得了专利。另外，保证最佳的机油工作温度，对加快提高冷机状态下的温度也有好处。带冷却装置的油底壳结构如图2 所示。

图2 设有冷却机油的油底壳结构

3.3 控制VE 泵的回油温度

试验表明，燃油泵回油温度对燃油喷射量的影响较大，对动力性能有较大影响，随之影响柴油机的排放性能。为了获得最佳的回油温度，本文设计了一款附带散热装置的油箱，保证了最佳的回油温度。

4 消除机油消耗量对排放的影响

柴油机在工作时通过活塞环与气缸壁消耗的机油占总机油消耗量的70%以上，通过气门油封消耗的机油占比约为10%，通过曲轴箱通风系统消耗的机油占比约为10%。虽然机油消耗的产生部位不同，但绝大部分都参与燃烧并且其燃烧产物随尾气排出。机油参与燃烧并且燃烧产物随尾气排放的这一特点，决定了它对发动机的颗粒物排放有着直接的影响。

可从以下几个方面减少机油消耗，降低颗粒物排放。

4.1 优化发动机零部件加工精度，减少发动机的机油消耗

缸体：采用一体化设计，增加柴油机机体的刚性；优化冷却水套设计，尽量减少缸孔变形；优化铸造后的热处理工艺，提高材料硬度；优化机加工工艺，如带工艺缸盖进行缸孔精加工，减小缸孔的变形量。缸体密封性增强，使柴油机在热状态下变形量减少，阻力减小，有利于柴油机的冷起动。

活塞：控制活塞压缩高的精度，保证燃烧室容积，提高表面质量。

活塞环：适当增加油环的切向弹力、增大活塞环与气缸壁面的接触面积、优化活塞回油孔的布置位置等。

曲轴箱通风：曲轴箱通风系统结构优化能提高油气分离效率。设置二次分离机构，增强分离能力，使沉淀干净机油重新流入曲轴箱底部，使油气分离更彻底，从而降低了机油消耗率。如图3 所示。

图3 曲轴箱通风系统结构优化

4.2 使用全合成机油

相比半合成机油或矿物机油，全合成机油稳定性更好，在高温下减少了机油的蒸发量，控制了气缸壁面油膜蒸发，有利于减少灰分颗粒物排放。

4.3 控制柴油机工作时的最高温度

机油温度对机油消耗有较大影响，通过试验测得，柴油机的水温控制在95 ℃以内对机油消耗影响较小。所以，各终端机械在匹配时必须严格控制发动机的最高水温。

通过以上措施使柴油机的机油消耗率由原来的0.7 g/（kW·h）降低到0.4 g/（kW·h），从而降低了颗粒物的排放量。

5 喷油器的压力设置与动力的优化匹配

通过对喷油器压力进行设置，对比排放测试结果可知，喷油压力设置在11.5～12.5 MPa，可获得比较理想的动力特性曲线，经济性好，可靠性高。

6 进气量优化

进气量的大小决定了活塞到达上止点时最终气体压缩量的大小，从而影响气体压缩压力的大小。进气量偏差宜控制在0.5%以内。优化措施如下：

1）优化气道设计，尤其是进气道设计。试验表明，经改进的气道提高了流量系数，增大了进气量，提高了发动机的功率，降低了燃油消耗率。

2）将气门间隙的偏差控制在0.05 mm 以内。

3）将配气相位的制造总偏差控制在2°CA 以内。

4）控制气门的泄漏量。

经过对发动机整机的优化和对VE 泵的优化设计，发动机排放完全满足非道路柴油机国三排放标准要求，为即将实行的非道路柴油机国四排放标准奠定了基础，拓宽了电控VE 泵在小排量多缸柴油机上的应用，经济性好，可靠性高，降低了产品的制造成本，市场前景良好。

7 结论

经过对电控VE 泵进行优化、对柴油机设计进行改进以及对喷油器压力进行调整，使小排量多缸柴油机的排放得到了控制，解决了非道路小排量多缸柴油机燃油喷射系统的难题，为小排量非道路柴油机国四排放标准的实行奠定了基础。该优化方案拓宽了电控VE 泵的应用范围，市场前景良好。