現(xiàn)代轎車柴油機(jī)電控高壓噴油系統(tǒng)(二)

文/江蘇 范明強(qiáng)

現(xiàn)代轎車柴油機(jī)電控高壓噴油系統(tǒng)(二)

文/江蘇 范明強(qiáng)

范明強(qiáng)

(本刊專家委員會(huì)委員)

教授級(jí)高級(jí)工程師，曾任中國第一汽車集團(tuán)公司無錫研究所發(fā)動(dòng)機(jī)研究室主任、湖南奔騰動(dòng)力科技有限公司轎車柴油機(jī)項(xiàng)目部總工程師、無錫柴油機(jī)廠高級(jí)技術(shù)顧問和多所高校客座教授。

3.電磁閥控制式噴油器

(1)靜止?fàn)顟B(tài)

燃油從共軌經(jīng)過高壓油管進(jìn)入噴油器，通過進(jìn)油節(jié)流量孔注滿閥控制室。在噴油器靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，所有的力處于平衡狀態(tài)，電磁閥借助于彈簧力關(guān)閉閥控制室的出油節(jié)流量孔。因控制柱塞的面積大于噴嘴針閥的凸肩承壓面積，而它們都承受著相同的壓力，因此通過控制柱塞作用在噴嘴針閥上的液壓力較大，產(chǎn)生一個(gè)關(guān)閉力，將噴嘴針閥壓緊在其閥座上，噴嘴保持在關(guān)閉狀態(tài)。

(2)噴油開始

為了開始噴油，由電控單元向噴油器發(fā)出一個(gè)電脈沖信號(hào)激勵(lì)電磁線圈(圖3-11 a)，使電磁閥的銜鐵克服彈簧力從其閥座上提起，將控制室的出油節(jié)流量孔打開，燃油就能從控制室排入回油管路，使得控制室中產(chǎn)生壓力降。由于進(jìn)油節(jié)流量孔的節(jié)流作用阻礙了控制室內(nèi)的壓力立即恢復(fù)，使得控制柱塞施加在噴油嘴針閥上的液壓力小于噴油嘴針閥凸肩承壓面積上所受的液壓力，因此噴油嘴針閥從其閥座上抬起，噴油過程開始(圖3-10b)。其中，噴嘴彈簧對(duì)于噴油器的功能并非是必要的，而主要是當(dāng)共軌壓力建立得尚低時(shí)，用于避免因汽缸壓縮壓力而使汽缸中的氣體反竄入噴嘴。

圖3-12示出了這種電磁閥式噴油器的一個(gè)特點(diǎn)。在噴嘴針閥全開(最大升程)的情況下，電磁閥的出油節(jié)流量孔被控制柱塞的頂部關(guān)閉，因此噴油期間從控制室中流出的燃油流量變小，從而使得控制室中的也就是作用在控制柱塞上的壓力增大，使控制柱塞向下運(yùn)動(dòng)，出油節(jié)流量孔又被打開一點(diǎn)，控制室中的壓力又降低，控制柱塞又上升關(guān)小出油節(jié)流量孔，因此在噴油期間，這樣的調(diào)節(jié)過程是在不斷地反復(fù)進(jìn)行著的，從而可減少從控制室中流出的高壓燃油量，節(jié)省系統(tǒng)的功率消耗。

從噴油嘴針閥和控制柱塞的導(dǎo)向面滲漏的燃油量隨著控制室的燃油一起排出，通過回油管返回電動(dòng)燃油泵的儲(chǔ)油箱。

(3)噴油結(jié)束

當(dāng)柴油機(jī)電控單元向噴油器發(fā)出的電脈沖信號(hào)結(jié)束，電磁閥線圈斷電(圖3-11b)，電磁閥銜鐵落座，將出油節(jié)流量孔關(guān)閉，控制室內(nèi)又恢復(fù)到共軌壓力，使得控制柱塞一側(cè)的液壓力又變得較大，因此控制柱塞克服彈簧力將噴油嘴針閥關(guān)閉，于是噴油過程就結(jié)束(圖3-10a)。

(4)多次噴射

最新一代電磁閥式噴油器由于采用了高頻電磁閥，目前每循環(huán)的噴射油量也能夠分成5～7份之多，甚至預(yù)噴射也能分成幾次，從而獲得更輕聲柔和的燃燒。同樣，為了更有效地減少有害物質(zhì)和顆粒捕集器的再生，后噴射在技術(shù)上也可以做到分成幾次實(shí)施(圖3-13)。

(5)噴油量調(diào)節(jié)

發(fā)動(dòng)機(jī)每循環(huán)的噴油量是預(yù)噴射、主噴射和后噴射油量的總和，而每次噴射的燃油量則取決于噴油壓力和噴油嘴針閥打開的時(shí)間。

首先，噴油器為了能夠在高噴油壓力下穩(wěn)定地獲得大約1.5mm3升程這樣非常小的預(yù)噴射油量，電磁閥銜鐵銷必須一直打開到碰到銜鐵座圈限位為止，而應(yīng)避免處于中間位置，也就是說電磁閥必須具有大約200μm這樣非常短的打開時(shí)間(從控制脈沖信號(hào)始點(diǎn)直到升程限位為止)。為此，電磁閥的電磁線圈必須要有一個(gè)較高的電壓，通常采用70～80V電壓工作，它是由電容器放電來達(dá)到的。通過電容器向噴油器電磁線圈輸出能量，在幾微秒內(nèi)就能達(dá)到控制電流的峰值，產(chǎn)生較大的電磁吸力，確保電磁閥銜鐵銷能盡量迅速地被提升到最大升程，使得電磁閥被快速地打開，然后電壓就降低到大約汽車電路的水平，并由汽車蓄電池繼續(xù)維持電流，噴油器就保持穩(wěn)定的開啟狀態(tài)，電流的水平處于保持階段，直到控制信號(hào)終了時(shí)才降落，這樣的控制電流波形被稱之為“峰值-保持”波形。圖3-14示出了噴油器進(jìn)行預(yù)噴射和主噴射的脈沖曲線圖。在預(yù)噴射時(shí)，電磁閥一直通電直到全部開啟升程為止，然后又立即關(guān)閉。在電磁閥關(guān)閉時(shí)，在銜鐵腔內(nèi)出現(xiàn)壓力波，它會(huì)引起銜鐵銷再次開啟，這是特別不利的現(xiàn)象，因此要通過將銜鐵腔的容積盡可能放大到可接受的最大程度來減少壓力波所引起的這種不利影響，并在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上銜鐵銷與電磁線圈鐵芯不是直接滑配合而是脫離的，中間裝用彈簧來阻止電磁閥銜鐵銷再次被開啟。

與進(jìn)氣道汽油噴射系統(tǒng)不同，在共軌噴油系統(tǒng)中噴油量的調(diào)節(jié)是優(yōu)先通過改變噴油壓力，而不是僅僅通過改變噴油時(shí)間(噴嘴針閥開啟時(shí)間)的長短來實(shí)現(xiàn)的，這可以為優(yōu)化燃燒過程帶來更大的自由度。

值得一提的是，最初噴嘴針閥座面采用通常的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，但是經(jīng)過一段運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間以后預(yù)噴射油量增大，其原因是噴嘴針閥座面配合的合適程度。經(jīng)改進(jìn)，采用了圖3-15所示的噴嘴針閥座面的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，就避免了上述現(xiàn)象。另外，噴嘴針閥導(dǎo)向表面采用非定形碳涂層，不僅提高了導(dǎo)向表面的硬度，而且還改善了針閥的摩擦狀況。同時(shí)，還在針閥座附近采用了第二個(gè)針閥導(dǎo)向面，進(jìn)一步改善了針閥的導(dǎo)向作用，這對(duì)其座面的配合也起到了有利的作用，以便即使在最小針閥升程時(shí)，各個(gè)噴孔都能獲得相同的噴射油束。圖3-16示出了基本型噴嘴與雙導(dǎo)向針閥噴嘴所形成的噴射油束及其燃燒狀況的比較，從中可以清楚地看到，雙導(dǎo)向針閥噴嘴的噴射油束得到了明顯的改善，各個(gè)噴孔噴射出的油束及其燃燒都相當(dāng)均勻。噴油量越小，噴嘴針閥的導(dǎo)向作用就越顯得重要。

3.1 壓電控制式噴油器

(1) 壓電控制的優(yōu)勢

西門子(Siemins)公司是壓電技術(shù)的先驅(qū)者，但是它僅僅用一個(gè)壓電執(zhí)行器來替代電磁閥進(jìn)行控制，而博世(Bosch)的壓電噴油器則是采用壓電執(zhí)行器直接控制噴油嘴針閥的方案，這種直接控制技術(shù)更為先進(jìn)，其理由是：因?yàn)橛脡弘妶?zhí)行器簡單地替代電磁閥進(jìn)行控制，仍然要通過液壓作用間接地操縱噴油嘴針閥動(dòng)作，這樣并不能使噴油器開閉得更快，然而提高噴油器針閥開閉的響應(yīng)速度卻正是用壓電執(zhí)行器替代電磁閥所追求的目標(biāo)，這樣才能使噴油過程變得比現(xiàn)有的電磁閥控制方式具有更大的柔性。因此，博世(Bosch)第三代共軌噴油系統(tǒng)中采用壓電直接控制式噴油器(圖3-17)，用壓電執(zhí)行元件直接控制噴油嘴針閥動(dòng)作。

采用這種直接控制噴油嘴針閥的方案充分發(fā)揮了壓電技術(shù)的優(yōu)勢：① 省掉了球閥和控制柱塞；② 噴油嘴針閥能直接響應(yīng)壓電執(zhí)行器的動(dòng)作；③ 噴油嘴針閥的開閉速度更快，可以使兩次噴油之間的間隔時(shí)間更短，提高控制柔性；④ 噴油量的控制精度更高。

圖3-18示出了壓電式和電磁閥式共軌噴油器的比較。壓電共軌噴油器由于取消了中間液壓傳動(dòng)的控制活塞，機(jī)械構(gòu)件很少，運(yùn)動(dòng)質(zhì)量從16g減少到4g，使得這種直接控制式噴油器的開閉時(shí)間小于0.1ms，比電磁閥式噴油器快了一倍。雖然后者目前每循環(huán)也已能實(shí)現(xiàn)5～7次噴射，但是前者能夠任意選擇噴油始點(diǎn)和噴射間歇，而且噴油量的計(jì)量精度更高，預(yù)噴射油量更小，因而使燃燒過程變得非常柔和，并為燃燒過程的進(jìn)一步優(yōu)化提供了更多的自由度，能獲得更好的節(jié)能減排效果。此外，因配合密封部位大大減少，使得噴油器的回油量減少了一半左右，高壓燃油泵的泵油量和所需消耗的功率也相應(yīng)減少，系統(tǒng)的總效率得以改善。

由于壓電噴油器具有優(yōu)異性能，與電磁閥控制式噴油器相比，其預(yù)噴射油量在需要時(shí)能夠減小到小于1mm3，還可應(yīng)用兩次預(yù)噴射，在中等負(fù)荷時(shí)噪聲水平降低的數(shù)量級(jí)可達(dá)到3dB(A)。同時(shí)，在保持低噪聲水平的情況下，微粒和NOx排放量還能降低大約13-18%，因而在1600bar噴油壓力下，就能使干重為1800kg的轎車無須廢氣后處理就達(dá)到歐4排放標(biāo)準(zhǔn)，充分顯示出其優(yōu)異的實(shí)際工作能力。

(2)基本工作原理

如圖3-19所示，博世(Bosch)壓電直接控制式噴油器可分成低壓、高壓和控制室3部分，主要組件是壓電執(zhí)行器、液壓接桿、伺服閥和噴嘴。噴嘴針閥是由伺服閥來控制的，噴油量則由其控制的持續(xù)期來決定。

壓電執(zhí)行器的工作原理主要是依靠多層壓電晶體在電壓作用下能伸長而產(chǎn)生位移的逆壓電效應(yīng)(詳見第五章)，它在非工作狀態(tài)(無控制信號(hào))時(shí)處于原始位置，伺服閥關(guān)閉，高壓范圍和低壓范圍相互隔斷。此時(shí)，液壓接桿起到補(bǔ)償可能存在間隙(例如由于熱膨脹所引起)的作用，噴嘴借助于緊挨著控制室的共軌壓力和彈簧保持關(guān)閉狀態(tài)。

當(dāng)對(duì)壓電執(zhí)行器施加控制信號(hào)(即施加電壓)時(shí)，它就會(huì)伸長而產(chǎn)生位移，將伺服閥打開，從而使控制室中的壓力降低，共軌壓力將針閥抬起，噴嘴開啟。直到控制信號(hào)終了，壓電執(zhí)行器恢復(fù)到原始長度，伺服閥關(guān)閉，控制室中的壓力隨之增大，噴嘴針閥也隨之關(guān)閉。

(3) 伺服閥

這種壓電直接控制式噴油器取消了將液壓力傳遞到噴嘴針閥上的控制活塞，而是采用伺服閥來進(jìn)行液壓轉(zhuǎn)換，因此運(yùn)動(dòng)質(zhì)量從16g減少到4g，使得噴嘴針閥的開閉時(shí)間小于0.1ms，比電磁閥式噴油器快了一倍，同時(shí)摩擦也大大減小，噴油器的穩(wěn)定性和噴油量計(jì)量誤差比電磁閥控制式噴油器明顯改善。伺服閥與噴嘴針閥的緊密連接使得針閥對(duì)壓電執(zhí)行器的動(dòng)作能迅速直接作出反應(yīng)，控制信號(hào)始點(diǎn)與噴油始點(diǎn)之間的延遲時(shí)間總共大約150 s，因而就能獲得很高的針閥速度和重復(fù)性較好的最小噴油量，還能實(shí)現(xiàn)很短的噴射間隔。此外，從原理上講，這種噴油器沒有從高壓范圍向低壓油路泄漏的部位，這樣就提高了整個(gè)系統(tǒng)的液壓效率。(未完待續(xù))