 博士柴油電噴技術(shù) 作者：liaoyongfu 發(fā)布日期：2009-06-30 15:34:08 人氣： 84 轎車柴油化潮流 雖然，傳統(tǒng)柴油機(jī)給人留下的滾滾黑煙、轟隆噪聲等惡劣印象余患未除，但是隨著現(xiàn)代電子控制技術(shù)在柴油機(jī)中的大量應(yīng)用，現(xiàn)代柴油機(jī)的性能也早已脫胎換骨，柴油機(jī)不僅繼續(xù)穩(wěn)居中重型商用車龍頭地位，而且在轎車及SUV等乘用車領(lǐng)域中的應(yīng)用也呈現(xiàn)出普及之勢。 在歐洲，歐盟主要國家的柴油轎車市場份額已經(jīng)從1991年的16%快速增長到目前的45%，其中在德國、法國和西班牙一些國家，柴油汽車普及率甚至高達(dá)50%以上。同時，在日本及北美，柴油轎車的普及正方興未艾。僅最近的5年中，美國市場柴油車銷售便增長了56%。此外，在國內(nèi)市場，除一汽大眾、上海大眾等歐系合資品牌汽車制造商，相繼推出搭載柴油機(jī)的捷達(dá)、寶來、奧迪A6及帕薩特（出租車試用車型）外，江淮瑞風(fēng)MPV和長城、陸風(fēng)、曙光及華泰現(xiàn)代特拉卡SUV等諸多國產(chǎn)車，也紛紛推出了柴油機(jī)車型，以降低高油價給車主帶來的經(jīng)濟(jì)壓力。 據(jù)日本實野經(jīng)濟(jì)所預(yù)測，在2010年，歐洲50％以上的轎車是柴油轎車，同時，日本及美國的比例分別會達(dá)到10％和5.7％。另據(jù)美國的JD．POWER公司統(tǒng)計，到2015年全世界約有35％的車輛是柴油車?？梢?，國際汽車市場正呈現(xiàn)出一股強(qiáng)勁的轎車柴油化潮流。 柴油技術(shù)優(yōu)勢 總體而言，現(xiàn)代柴油機(jī)具有如下幾大性能優(yōu)勢： 首先，燃油經(jīng)濟(jì)性高。與汽油機(jī)相比，柴油機(jī)可節(jié)省30%左右的燃油消耗。 其次，排放低。與汽油機(jī)相比，柴油機(jī)可降低二氧化碳排放20%～25%，具有良好的環(huán)保性。 再次，動力性強(qiáng)。柴油機(jī)固有的高壓縮比、大功率輸出特性，無疑可為駕駛者營造更高的駕駛樂趣。 另外，使用壽命長。柴油機(jī)屬于壓燃式內(nèi)燃機(jī)，沒有汽油機(jī)所用的高壓放電點(diǎn)火系統(tǒng)，因此其可靠性更高、使用壽命更長。 此外，技術(shù)成熟、成本低。與其他新能源動力相比，現(xiàn)代柴油機(jī)在技術(shù)成熟度及制造成本方面均具有優(yōu)勢。 博世清潔柴油動力 博世是全球柴油系統(tǒng)及其技術(shù)開發(fā)領(lǐng)域的領(lǐng)軍企業(yè)，亦是全球最大的柴油噴射技術(shù)供應(yīng)商，其致力于柴油噴射技術(shù)生產(chǎn)研發(fā)的歷史可追溯到78年前。1986年，博世在全球率先推出創(chuàng)新的電子柴油控制系統(tǒng)（EDC）技術(shù)；1997年，博世車用柴油高壓噴射共軌系統(tǒng)投放市場。2004年，博世在全球售出的高壓柴油噴射系統(tǒng)逾700萬套。 博世電控柴油噴射系統(tǒng) 目前，博世公司引領(lǐng)技術(shù)潮流的柴油噴射技術(shù)主要有： 1． 分配泵 電控分配式噴油泵DIP（Distributor Injection Pump），簡稱分配泵，于上世紀(jì)80年代末推出，開創(chuàng)了輕量化及緊湊型高性能噴射系統(tǒng)的新時代。如今，博世分配泵已經(jīng)歷數(shù)代更新升級，最新的第4代產(chǎn)品中的VP30軸向分配泵和VP44徑向分配泵的最大噴射壓力分別可達(dá)1550巴和2000巴。高噴射壓力提升了噴嘴氣化（霧化）效果，進(jìn)而降低了油耗及排放。同時，通過集成預(yù)噴射功能，博世新型分配泵能夠有助于降低柴油車的噪聲及提高柴油車駕乘舒適性。博世分配泵適用于轎車及中型商用車的柴油噴射系統(tǒng)，如一汽大眾的捷達(dá)及奧迪A6等。 博世電控分配式噴油泵 2． 泵噴嘴 泵噴嘴UIS（Unit Injector System），是由高壓泵和噴嘴組成一個緊湊的獨(dú)立單元，安裝在發(fā)動機(jī)缸頭的氣門之間，無需冗長的高壓傳輸管路。泵噴嘴系統(tǒng)由發(fā)動機(jī)頂置凸輪軸提供安裝在缸蓋內(nèi)單體噴油器（UI）所需的驅(qū)動力，其嘴端噴射壓力最大可達(dá)到2050巴，通過機(jī)械和液壓方式可以使全噴油量分成預(yù)噴和主噴兩部分。泵噴嘴幾乎適用于從轎車到重卡的各類車型。世界上首款百公里油耗僅3升的大眾路波轎車便采用了博世泵噴嘴技術(shù)。此外，一汽大眾推出的寶來1.9升TDI柴油車也采用了該泵噴嘴技術(shù)。 博世泵噴嘴 3． 單體泵 單體泵UPS（Unit Pump System），與UIS同屬單柱塞泵系統(tǒng)，即每缸對應(yīng)一個柱塞泵（噴油泵），因此能夠精確控制噴入每一氣缸的油量。與UIS略有不同的時，UPS的高壓泵和噴油器總成之間，通過一根很短的高壓油管連接在一起。由于主要部件彼此分離，所以其在發(fā)動機(jī)的安裝布置更為自由，并且對結(jié)構(gòu)緊湊化的要求可有所降低，因此單體泵主要適用于中重型柴油車，其最大嘴端噴射壓力可達(dá)2000巴。 4． 共軌系統(tǒng) 共軌系統(tǒng)CRS（Common Rail System）屬蓄壓式噴油系統(tǒng)，由高壓泵將燃油泵入并高壓蓄存在一根共用的燃油軌道內(nèi)而得名“共軌”。CRS噴射壓力的產(chǎn)生和噴射過程相互獨(dú)立，為進(jìn)一步降低柴油機(jī)油耗和排放開辟了新途徑，同時，共軌系統(tǒng)易于實現(xiàn)預(yù)噴射，有助于柴油車降低噪聲及提高舒適性。 博世第一代共軌系統(tǒng)于1997年投放市場，其設(shè)計噴射壓力為：轎車用1350巴，商用車用1400巴；博世于2001年開始批量生產(chǎn)的第二代共軌系統(tǒng)可產(chǎn)生高達(dá)1600巴的最大噴油壓力。博世最新的第三代共軌系統(tǒng)不僅最高噴射壓力升至1800巴，而且還采用壓電式執(zhí)行器取代傳統(tǒng)的高速電磁閥，令噴油器開關(guān)速度倍增、噴射計量更精確，進(jìn)而大幅降低了油耗和有害物排放。據(jù)悉，博世計劃于2007年推出的共軌系統(tǒng)的噴射壓力更將升至2000巴。 共軌系統(tǒng)是博世公司在全球推廣的主打產(chǎn)品，適用于各類車型，如標(biāo)致307柴油車及南京依維柯輕型車等。目前，博世公司計劃將共軌系統(tǒng)銷量在柴油噴射系統(tǒng)總銷量中的比重，從2002年的42%提高到到2006年的65%。 博世柴油高壓共軌噴射系統(tǒng) 博世第三代共軌系統(tǒng)用壓電式噴油器 傳統(tǒng)柴油機(jī)內(nèi)可燃混合氣形成時間很短，而且可燃混合氣七形成與燃燒過程交錯在一起。通過分析柴油機(jī)噴油規(guī)律得到：噴入燃料的霧化質(zhì)量、汽缸內(nèi)氣體的流動以及燃燒室形狀等均直接影響燃燒過程的進(jìn)展以及有害排放物的生成。依靠傳統(tǒng)的機(jī)械控制噴油系統(tǒng)難以實現(xiàn)噴油量、噴油壓力和噴射正時完全按最佳工況運(yùn)轉(zhuǎn)的要求，也不可能滿足國際上日益嚴(yán)格的排放控制標(biāo)準(zhǔn)。 1 柴油機(jī)電子控制技術(shù)使命 電控技術(shù)的高速發(fā)展為柴油發(fā)動機(jī)獲得更好的動力性能、排放指標(biāo)與燃油經(jīng)濟(jì)性提供了可能，電噴柴油機(jī)和電噴汽油機(jī)一樣有著相同的使命，那就是要滿足日趨嚴(yán)格的排放要求，更加節(jié)能、高效、實用。電子控制技術(shù)的汽油機(jī)盡量實現(xiàn)最佳空燃比、最佳點(diǎn)火提前角；同樣，柴油機(jī)也需要最佳噴油量、最佳噴射正時以及最佳噴射壓力控制。 1.1 最佳噴油量的控制 在柴油機(jī)中，噴油量是通過控制噴油時間來調(diào)節(jié)輸出油量的大小，ECU根據(jù)發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速和加速踏板位置傳感器信息來計算出基本噴油量，然后根據(jù)水溫、進(jìn)氣溫度、進(jìn)氣壓力等傳感器的信號進(jìn)行修正，再與來自控制套位置傳感器的信號進(jìn)行反饋修正，確定最佳噴油量。而柴油機(jī)冷啟動性能和減少顆粒排放是通過預(yù)噴射控制來提高，但不同工況預(yù)噴射量、預(yù)噴射與主噴射之間的時間間隔也不一樣，所以需要可變的預(yù)噴射能力。另外，怠速工況的小油量在高的噴射壓力下需要有快速斷油能力，否則就會使油量增加或油壓降低。 1.2 最佳噴射正時的控制 最佳噴油提前角受發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、冷卻液溫度、燃油溫度、進(jìn)氣溫度及壓力等多種因素的影響。噴射正時與否將影響活塞到達(dá)汽缸上止點(diǎn)前噴入的油量，從而影響汽缸內(nèi)壓力峰值時刻，不在最佳時刻做功本質(zhì)就是傷害柴油的效能。高的汽缸壓力和溫度改善了燃油使用經(jīng)濟(jì)性，但也會導(dǎo)致NOx形成機(jī)理復(fù)雜，普遍認(rèn)為，燃燒氣體的溫度和氧的體積數(shù)，以及其停留在高溫高壓下的時間是影響增加NOx生成的原因）。柴油機(jī)電控系統(tǒng)應(yīng)能在不同的工況及工作條件下精確地控制噴油提前角，并始終保持在最佳值，以降低燃油消耗和減少排放污染，即在達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)同時選擇最具有經(jīng)濟(jì)的燃油消耗率的噴射正時是最佳的噴射正時。 1.3 最佳噴射壓力的控制 傳統(tǒng)柴油機(jī)的供油系統(tǒng)的噴射壓力與柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速負(fù)荷有關(guān)，柴油的可壓縮性和高壓油管中柴油的壓力波動，使實際的噴油狀態(tài)與噴油泵所規(guī)定的柱塞供油規(guī)律有較大的差異。每次噴射循環(huán)后高壓油管內(nèi)的殘壓都會發(fā)生變化，隨之引起不穩(wěn)定的噴射，尤其在低轉(zhuǎn)速或部分負(fù)荷條件下容易產(chǎn)生上述現(xiàn)象，嚴(yán)重時不僅噴油不均勻，而且會發(fā)生間歇性不噴射現(xiàn)象。這種特性對燃油經(jīng)濟(jì)性和排放極為不利。若供油系統(tǒng)具有不依賴轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的噴射壓力控制能力，就可選擇最合適的噴射壓力使噴射持續(xù)期、著火延遲期最佳，使柴油機(jī)在各種工況下的廢氣排放最低而經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)，這種最佳的噴射壓力控方式就是獨(dú)立的噴射壓力控制。 2 現(xiàn)代柴油機(jī)噴射技術(shù) 2.1 現(xiàn)代柴油機(jī)技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r 柴油轎車已有了近70年的歷史，現(xiàn)代柴油機(jī)技術(shù)卻只有十幾年的歷史。受世界范圍內(nèi)對內(nèi)燃機(jī)動力性能、燃油經(jīng)濟(jì)性能、排放要求的提高，以及電控燃油系統(tǒng)的發(fā)展，20世紀(jì)80年代以來，德國博世公司、奔馳汽車公司、英國盧卡斯公司、美國康明斯公司等都競相開發(fā)新產(chǎn)品并投放市場，以滿足需求。先后出現(xiàn)電控噴油泵技術(shù)、電控泵噴嘴技術(shù)和共軌噴射電控燃油系統(tǒng)，共軌系統(tǒng)相對于其它燃油噴射系統(tǒng)具有極大的優(yōu)越性。這類電控系統(tǒng)又可分為：蓄壓式電控燃油噴射系統(tǒng)、液力增壓式電控燃油噴射系統(tǒng)和高壓共軌式電控燃油噴射系統(tǒng)，其中高壓共軌式電控燃油噴射系統(tǒng)又最具有優(yōu)越性。雖然如此該型燃油系統(tǒng)也有不足之處，如整個系統(tǒng)始終處于高壓燃油作用之下；各系統(tǒng)易產(chǎn)生變形和漏泄；共軌壓力的微小波動仍能造成噴油量欠佳問題；由于油軌壓力固定難以實現(xiàn)最佳的噴油規(guī)律，較困難、復(fù)雜的噴射系統(tǒng)軟件優(yōu)化問題等。但瑕不掩瑜，高壓共軌系統(tǒng)以優(yōu)越的綜合性能被認(rèn)為是20世紀(jì)內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的3大突破之一。 2.2 高壓共軌系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn) 高壓共軌式電控柴油機(jī)是集成先進(jìn)的機(jī)械與電控技術(shù)為一體的內(nèi)燃機(jī)，其顯著優(yōu)點(diǎn)如下。 a.采用先進(jìn)的電子控制裝置，使得噴油過程的控制十分方便，并且可控參數(shù)多，利于柴油機(jī)燃燒過程的全程優(yōu)化；電子控制的壓電式執(zhí)行器開關(guān)閥頻率高，實現(xiàn)了快速斷油能力，其控制精度非常高；高壓油路中不會出現(xiàn)氣泡和殘壓為零的現(xiàn)象。因此在柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)范圍內(nèi)，循環(huán)噴油量變動小，各缸供油不均勻可得到改善。 b.采用高壓共軌方式供油，噴油系統(tǒng)壓力波動小，各噴油器間相互影響小，壓力大小與發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速無關(guān)，噴射壓力控制精度較高，噴油量控制較準(zhǔn)確，共軌系統(tǒng)中的噴油壓力柔性可調(diào)，對不同工況可確定所需的最佳噴射壓力，從而優(yōu)化柴油機(jī)綜合性能。 c.電控高壓共軌結(jié)合優(yōu)化了柴油機(jī)噴油規(guī)律（接近理想噴油規(guī)律），可柔性控制噴油速率變化，容易實現(xiàn)預(yù)噴射和多次噴射，并可獨(dú)立地柔性控制噴油正時，配合高的噴射壓力，可同時控制氮氧化物和微粒在較小的數(shù)值內(nèi)，以滿足排放要求，又能保證優(yōu)良的動力性和經(jīng)濟(jì)性。 d.高壓共軌電控燃油噴射技術(shù)的應(yīng)用有利于地球環(huán)境保護(hù)，它與目前的小型、中型及重型柴油機(jī)均能很好匹配，提高了柴油機(jī)相關(guān)的所有工業(yè)的發(fā)展速度，因而市場前景廣闊，利于推廣。 2.3 高壓共軌原理 在汽車柴油機(jī)噴射過程中，高壓油管各處的壓力是隨時間和位置的不同而變化的。柴油的可壓縮性和高壓油管中柴油的壓力波動，使實際的噴油狀態(tài)與噴油泵所規(guī)定的柱塞供油規(guī)律有較大的差異。有時殘余壓力還會產(chǎn)生二次噴油現(xiàn)象，由于二次噴油不可能完全燃燒，使得油耗增加同時還增加了煙度和碳?xì)浠衔锏呐欧帕?。殘壓的不同不僅會使得噴油不均勻，還會發(fā)生間歇性不噴射現(xiàn)象。為了解決柴油機(jī)燃油壓力變化原理的缺陷，現(xiàn)代柴油機(jī)廣泛采用高壓共軌（Common Rail）技術(shù)，即在高壓油泵、壓力傳感器和電子控制單元（ECU）組成的閉環(huán)系統(tǒng)中，將噴射壓力的產(chǎn)生和噴射過程彼此完全分開的一種供油方式。它是由高壓油泵將高壓燃油輸送到公共供油管（Rail），直接形成恒定的高壓燃油，借助于高速電磁開關(guān)閥或壓電式執(zhí)行器的啟閉，定時定量地控制噴油器噴射至柴油機(jī)燃燒室的油量，使高壓油管壓力（Pressure）大小與發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速無關(guān)，大大減小柴油機(jī)供油壓力隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速變化波動的程度。 2.3.1 第3代高壓共軌電控燃油系統(tǒng) 柴油共軌系統(tǒng)已開發(fā)了3代，它有著強(qiáng)大的技術(shù)潛力，第1代共軌高壓泵總是保持在最高壓力，導(dǎo)致能量的浪費(fèi)和很高的燃油溫度。第2代可根據(jù)發(fā)動機(jī)需求而改變輸出壓力，并具有預(yù)噴射和后噴射功能。今天各制造商已經(jīng)把目光定在了共軌系統(tǒng)第3代—壓電式（piezo-electric）共軌系統(tǒng)。圖1所示為Bosch公司第3代壓電直接控制式噴油器。 壓電式執(zhí)行元件像一個在電壓下立即就能充電的電容器，其關(guān)鍵元件是陶瓷壓電薄膜，它在加上電壓以后的0.lms以內(nèi)就會發(fā)生晶體晶格的畸變。為了使執(zhí)行器達(dá)到足夠的位移（行程），必須將許多層陶瓷薄膜燒結(jié)成一塊長方六面體。噴油器內(nèi)30mm長的執(zhí)行器由300多層薄膜組成，每層的厚度只有80μm。壓電元件加上電壓后會膨脹大約40μm，通過杠桿比為1：1.5的杠桿，使得控制腔回油通道中的閥開啟。于是，控制腔內(nèi)的壓力下降，噴油嘴針閥開啟。Bosch公司最新的共軌系統(tǒng)采用了電子控制的壓電式執(zhí)行器的開關(guān)頻率，是電磁閥在比較精確的放電曲線設(shè)計下的5倍。因而壓電執(zhí)行器代替了電磁閥，噴射控制變得更加精準(zhǔn)方便，噴油壓力從20～200MPa，最小噴射量可控制在0.5mm3，減小了煙度和NOx的排放。圖2為V6柴油機(jī)采用Bosch公司的第3代共軌噴油系統(tǒng)布置圖。 它主要由電控單元（ECU）、高壓油泵、高壓油軌1和2、電控噴油器以及各種傳感器等組成。電動燃油泵將燃油輸入高壓油泵，高壓油泵中分配單元將進(jìn)入的燃油分成兩路：一路用以冷卻傳動機(jī)構(gòu)和潤滑軸承。一路供給泵油元件，高壓油泵將燃油加壓送入高壓油軌（也稱蓄壓器），裝在油軌上的油軌壓力傳感器采集實時壓力，電控單元根據(jù)油軌壓力傳感器測量的油軌壓力信號以及需要進(jìn)行調(diào)節(jié)高壓油軌中的壓力（控制集成在高壓油泵上的分配單元進(jìn)行燃油壓力調(diào)節(jié)），而裝在油軌上的壓力調(diào)節(jié)閥則用于在汽車加速行駛時快速泄壓，電控單元ECUIR據(jù)轉(zhuǎn)速傳感器和油門位置傳感器的輸人信號，首先計算出基本噴油量，然后根據(jù)水溫、進(jìn)氣溫度、進(jìn)氣壓力等傳感器的信號進(jìn)行修正，再與來自控制套位置傳感器的信號進(jìn)行反饋修正，確定最佳噴油量，作用于噴油器壓電開關(guān)上的脈沖信號控制燃油的噴射過程，噴油量大小取決于共軌管（公共供油管）壓力和壓電式執(zhí)行器的開關(guān)頻率（脈沖信號決定這些頻率）。注：Bosch公司第3代共軌噴油系統(tǒng)在160MPa系統(tǒng)壓力和無排氣后處理的情況下用于重型汽車時，排放值可達(dá)到歐4排放標(biāo)準(zhǔn)。Bosch公司第3代共軌噴油系統(tǒng)可降低柴油機(jī)廢氣排放高達(dá)20%，此外還能提高功率5%，或降低燃油耗3%，或降低噪聲3dB（A）。 第3代高壓共軌噴射系統(tǒng)最大的特點(diǎn)在于采用了一個快速開關(guān)的壓電直列噴油器，在取得巨大成功后，博世公司將第3代高壓共軌噴射系統(tǒng)的開發(fā)重心轉(zhuǎn)移到系統(tǒng)的技術(shù)復(fù)雜度和精密度上。 2.3.2 第4代高壓共軌系統(tǒng)展望 若以噴油壓力來給共軌技術(shù)分類，BOSCH公司第1代共軌系統(tǒng)的噴油1.3.5MPa，第2代達(dá)到160MPa，第3代已經(jīng)達(dá)到180MPa，第4代將增大到220MPa的噴油壓力。因為泵噴嘴和泵管嘴系統(tǒng)205MPa的噴油壓力收到了良好的效果。2003年底，博世最新的柴油噴射系統(tǒng)裝在了大眾途銳V1OTDI型車上。兩個電子控制裝置把燃油噴射壓力調(diào)整到205MPa，在燃燒室內(nèi)燃油產(chǎn)生極好的分散性，使燃燒效率非常高。2006年底，博世公司對第3代噴射壓力達(dá)180MPa的共軌系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，并繼續(xù)開發(fā)第4代共軌系統(tǒng)。 開發(fā)第4代共軌系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是開發(fā)同軸可變噴嘴和增壓技術(shù)。同軸可變噴嘴在噴口的尺寸、位置、直徑和形狀上不同于普通的噴射器，在大部分速度和負(fù)荷的工作范圍內(nèi)，采用同軸可變噴嘴可以省去預(yù)噴射過程，使微粒排放明顯降低。2007年開始已將應(yīng)用該技術(shù)并投入批量生產(chǎn)，博世公司第4代燃油共軌系統(tǒng)中采用的增壓技術(shù)將在2008年開始使用，采用這種技術(shù)后，油泵在導(dǎo)軌內(nèi)產(chǎn)生的壓力比較低，一旦進(jìn)人到噴射器內(nèi)，噴射壓力經(jīng)過液壓增壓，提高到220MPa以上。噴射壓力高表明采用小孔噴嘴可獲得良好的燃油噴霧特性，使空氣混合得更充分，燃燒效率更高。 目前Bosch公司共軌系統(tǒng)已達(dá)到第4代，而其競爭對手才達(dá)到第3代，而且在世界柴油噴射系統(tǒng)市場占據(jù)了絕對領(lǐng)先的地位 轉(zhuǎn)載自：博士柴油電噴技術(shù)_愛夫卡柴汽專業(yè)診斷儀的汽修博客_汽修之家_汽修博客_blog.xiu123.com |
聯(lián)系客服
