電噴柴油技術 回顧(圖)

柴油汽車是什么樣子的？或許很多中國人還對柴油車的噪音心有余悸，在筆者印象中，小時候見到的柴油車主要是農村田間耕地用的拖拉機、大卡車、推土機，后來，隨著對汽車的認識，發現柴油機還有很多領域在應用，比如發電機、輪船、坦克、筑路機等重型機械。但總而言之，柴油機給我們的樣子都是不折不扣的“干粗活”的大塊頭。以致很多人還是拿著原來的目光檢驗著現在的柴油乘用車。

電噴柴油技術 回顧

眾所周知，盡管20世紀30年代就已經有了柴油乘用車，但早期柴油車的發展源于二戰時期蘇軍T-34坦克的獨特命運——由于T-34坦克采用柴油機，即使中彈也不容易起火，成為戰場上的佼佼者。現在的中國市場如同早期的國際市場，消費者談到柴油車時，常常會笑言“柴油車最大的好處是不會著火”。但隨著柴油技術日益發展，人們越來越發現柴油機的無窮魅力：高扭矩、高壽命、低油耗、低排放，柴油機成為解決汽車能源問題最現實和最可靠的手段。如今歐洲每推出一款新車都會配有柴油發動機的車型，而在中國能夠實現這一舉措的可能只有一汽-大眾公司。但一個不爭的現實擺在了我們面前：隨著能源危機，溫室效應的逐漸增加，人們對動力性要求的提高，盡管電子燃油噴射已經被廣泛使用，僅僅靠汽油車的解決方案不足以解決這些問題。所以在汽車工業的腹地——德國一刻也沒有停止對柴油發動機的研究。即使在國內，目前采用柴油機也只有10余款，分別為捷達、寶來、奧迪、開迪、江淮瑞風等5款乘用車，福田沖浪、江鈴陸風、華泰特拉卡、上海萬豐、遼寧曙光等5款SUV。瑞風柴油車所搭載的2.5升柴油機是引進韓國現代汽車公司D4BH發動機，而一汽-大眾的4款柴油乘用車均采用德國大眾與博世公司合作的柴油機，這5款柴油乘用車全部是柱塞泵、泵噴嘴技術。

柴油機的優點是：省油、環保、動力強、經濟、維修方便，只要解決缺點就具有更大的市場前景，而實現電控柴油機的方案現在看來是一個很好的解決措施。實現柴油控制有三條技術路線圖，分別是單體泵、泵噴嘴和高壓共軌。目前主要的國際汽車配件供應商都在進行著柴油共軌噴射系統的開發，如：博世、德爾福、西門子、電裝公司、VDO和瑪格納-馬瑞利公司，它們是全球主要的共軌噴射系統供應商，而目前在國內生產共軌柴油噴射系統的還只有博世一家。下面分別介紹三種技術：

1.單體泵技術

德爾福在重型車上采用單體泵系統。從成本上講，國內的發動機從歐Ⅱ向歐Ⅲ升級時，如果采用單體泵，對發動機改動非常小，僅以外掛式的凸輪軸箱代替歐Ⅱ發動機的直列泵就可。當從歐Ⅲ向歐Ⅳ升級時，發動機機身主體結構仍然不變，只要把歐Ⅲ系統里機械式噴油器改成德爾福的電控噴油器，形成雙電磁閥單體泵系統，在發動機整體結構不做大的調整下，就可以達到歐Ⅳ的排放水平。單體泵的外形如圖1所示。單體泵系統控制如圖2所示。

圖1 單體泵的外形圖

圖2 單體泵控制油路

 在性能方面，目前在國內單體泵使用的壓力達到200MPa，當向歐Ⅳ升級，這個壓力可以達到250 MPa。在單體泵上采用了類似于共軌I2C的系統一致性控制，來優化整個系統的性能。在供油控制方面，如果使用雙電磁閥單體泵系統，不僅可以對壓力進行控制，還可以對噴射進行控制，而且還可以采用多次噴射。它可以達到歐Ⅳ或者歐Ⅴ的標準。目前，德爾福的雙電磁閥單體泵系統在歐洲大批量生產，主要供應給歐Ⅳ標準的發動機，歐Ⅴ標準的發動機相關系統正在做開發工作。

單體泵系統的另一個優勢就是它的可靠性和壽命，這些性能已經在歐洲和北美市場上得到了10年甚至是15年的實際使用時間、數百萬輛整車使用的證明。單體泵系統在發動機使用過程中，可以保證排放和燃油消耗率低。目前，這種非常強化、非常可靠的性能和使用壽命，仍然在進一步提高。所以，從德爾福的觀點來看，在技術方面，相信在2010年之前，所有歐洲和北美的重型車生產商絕大多數會采用單體泵系統和泵噴嘴技術。德爾福也在研發2010年以后新的排放法規所要求的新的系統。

2.泵噴嘴技術 

優良的混合氣是提高柴油發動機動力性、燃油經濟性；降低排放率、噪音率的關鍵因素。這就要求噴射系統產生足夠高的噴射壓力，確保燃油霧化良好，同時還必須精確控制噴油始點和噴油量。而泵噴嘴系統能夠符合上述的嚴格要求。因此，早在1905年柴油發動機的創始人Rudolf diesel 先生就提出了泵噴油器概念，設想將噴油泵和噴嘴合成一體，省去高壓油管并獲得高噴射壓力。20世紀50年代，間歇控制泵噴射系統的柴油發動機就已應用在輪船及卡車上。之后，Volkswagen和Robert Bosh AG公司合作研制出適用于乘用車的電磁閥控制泵噴射系統。泵噴嘴的結構如圖3所示。泵噴嘴系統工作示意圖如圖4所示。

圖3 泵噴嘴結構圖及示意圖

圖4 泵噴嘴系統工作示意圖

其中主要部件作用如下：
 
（1）單向閥：發動機不工作時，防止燃油回流。
 （2）旁通閥：若燃油內有空氣，則通過此處排出。
 （3）節流孔與過濾器：收集、分離供油管內的氣泡。
 （4）限壓閥1：調節供油管內壓力大于0.75MPa時打開。
 （5）限壓閥2：保持回油管內壓力在0.10MPa。
 （6）燃油泵：燃油泵是間歇式葉片泵，其優點是在較低發動機轉速時也可供油。泵體內油道使油泵轉子始終處于被燃油浸潤的狀態，從而可隨時輸送燃油。如圖5所示。

圖5 燃油泵油路連接圖

 （7）燃油分配管集成：燃油分配管集成在缸蓋內的供油管內，其功能是等量向各泵噴嘴分配燃油，在此，燃油與受熱燃油混合，并被泵噴嘴強制流回供油管。使供油管內流向各缸的燃油溫度一致。所有泵噴嘴被提供相同量的燃油，使發動機運轉平穩。否則，泵噴嘴的油溫將會不同，并且泵噴嘴被提供不同質量的燃油。這將會使發動機運轉不平穩并將在前幾個缸中產生極度高溫。燃油分配管如圖6所示。

圖6 燃油分配管

 （8）燃油冷卻泵：使冷卻液在冷卻環路中循環。當燃油溫度達到70℃，發動機控制單元通過燃油冷卻泵繼電器將其接通。
 在國內很多的乘用車上使用泵噴嘴，如：寶來TDI、途安TDI和奧迪TDI等。泵噴嘴技術相對于之前的技術（如柱塞泵），已經具有明顯改進，而其最大的好處是大大增加了噴油壓力，其渦輪增壓泵噴嘴的噴射壓力都能達到200MPa以上。由于噴射壓力直接影響柴油燃燒做功效率，因此，泵噴嘴的燃燒效率很高。

3.高壓共軌技術

“CRDI”是英文Common Rail Direct Injection的縮寫，意為高壓共軌柴油直噴技術，CRDI技術和SDI（自然吸氣直接噴射柴油發動機）技術、TDI（直噴式渦輪增壓柴油發動機）技術均為德國博世公司研發的柴油發動機技術。共軌系統由高壓泵、噴油管、高壓蓄壓器（共軌）、噴油器、電控單元和傳感器及執行器組成。

共軌式噴油系統主要的貢獻就是將噴射壓力的產生和噴射過程彼此完全分開，通過對共軌管內的油壓實現精確控制，使高壓油管壓力大小與發動機的轉速基本無關。這一柴油發動機技術的創新最大限度地降低了柴油發動機車型的振動和噪聲，同時將油耗進一步降低，使排放更加清潔。但共軌技術的噴油壓力低于泵噴嘴系統，一般只能達到160MPa左右。由于噴油壓力調節寬泛，采用共軌技術的柴油車能更好地適應各種工況，起步也不會困難。

博世公司首家于1997年開始批量生產共軌燃油噴射系統的乘用車，當時博世和奔馳聯合推出共軌技術柴油奔馳C級別車，而在當時阿爾法羅密歐156也是最早使用高壓共軌的乘用車之一。在國產車中，華泰現代使用的是共軌噴射系統。柴油共軌系統已開發了3代。

 第一代共軌高壓泵總是保持在最高壓力，導致燃油的浪費和很高的燃油溫度。第一代共軌系統為商用車設計的，最高噴射壓力為140MPa，乘用車噴射壓力為135MPa。

第二代共軌系統可根據發動機需求而改變輸出壓力，并具有預噴射和后噴射功能。帶有控制油量的油泵，噴射壓力能達到160MPa。即使在壓力較低的情況下，該系統也可以根據實際狀況提供適量的噴油壓力。不僅有助于降低燃油消耗，而且還可以降低燃油溫度，從而省去燃油冷卻裝置。預噴射降低了發動機噪聲：在主噴射之前百萬分之一秒內少量的燃油被噴進了汽缸壓燃，預熱燃燒室。預熱后的汽缸使主噴射后的壓燃更加容易，缸內的壓力和溫度不再是突然地增加，有利于降低燃燒噪音。在膨脹過程中進行后噴射，產生二次燃燒，將缸內溫度增加200～250℃，降低了排氣中的碳氫化合物。博世公司的第二代共軌系統產品已經在沃爾沃的S60、V70D5及寶馬的230d等乘用車上試用。

第三代共軌系統帶有壓電直列式噴油器。2003年，第三代共軌系統面世，壓電式（piezo）共軌系統的壓電執行器代替了電磁閥，于是得到了更加精確的噴射控制。省去了回油管，在結構上更簡單。壓力從20～200MPa彈性調節。最小噴射量可控制在0.5mm3，減小了煙度和NOX的排放。最高噴射壓力達到180MPa。此套采用新研發的壓電直列式噴油器的系統使帶預噴和后噴的噴油率曲線范圍更為自由。

與其它噴射系統相比，共軌系統把壓力產生與實際燃油噴射過程分離。“軌”被作為高壓蓄壓器，其內部燃油壓力始終保持與發動機具體工況相適應的最佳壓力。共軌系統可被輕易地安裝到各類不同的發動機中。除此之外，共軌系統還提供了更廣闊的擴展功能和在燃燒過程設計上更多大的自由度，它可以使柴油發動機以更低的排放、更好的燃油經濟性和低噪聲運行。電控共軌系統，是國內專家一致認為目前水平最高、將來會占統治地位的一種電控系統。其噴油器的特殊設計，可實行靈活的多次噴射，且噴射壓力可在不同轉速和負荷條件下任意調節，給發動機帶來的好處是極為理想的指標。由于這些因素，電控共軌技術已普遍為新一代乘用車柴油發動機采用。