自從開始實(shí)施排放法規(guī)以來，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放的要求越來越嚴(yán)厲，致使柴油機(jī)技術(shù)采用的噴油壓力持續(xù)不斷地提高，其中大約20年前歐洲推廣的1000bar噴射壓力的分配泵以及12年前進(jìn)入市場的1350bar噴射壓力的共軌噴油系統(tǒng)是現(xiàn)代柴油機(jī)高壓噴射的兩個(gè)里程碑。7年前又首次推出了采用壓電直接控制技術(shù)的共軌噴油系統(tǒng)應(yīng)用于轎車，并投入了批量生產(chǎn)。
為了滿足現(xiàn)行和未來的排放法規(guī)(如歐Ⅴ和歐Ⅵ)限值和減少當(dāng)前世人關(guān)注的引起全球氣候變暖的溫室氣體CO2排放，則還必須進(jìn)一步改善現(xiàn)代柴油機(jī)的燃燒過程，因此對(duì)空氣系統(tǒng)和噴油系統(tǒng)提出了更高的要求。其中，一種非常適合于現(xiàn)代柴油機(jī)達(dá)到未來廢氣有害物和CO2排放目標(biāo)的燃燒過程被命名為“優(yōu)化的傳統(tǒng)燃燒系統(tǒng)”(oCCS)(圖1)。這種燃燒過程的微粒和NOx排放值幾乎達(dá)到了如柴油機(jī)均質(zhì)燃燒(均質(zhì)充量壓縮點(diǎn)火HCCI)過程那樣的排放水平，而且還避免了均質(zhì)燃燒(HCCI)過程的缺點(diǎn)。與歐Ⅳ燃燒過程相比，oCCS燃燒過程由于其NOx排放對(duì)負(fù)荷的依賴關(guān)系不大，因此有利于開發(fā)能降低燃油耗的發(fā)動(dòng)機(jī)小型化設(shè)計(jì)。
同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)oCCS燃燒過程所必需的前提條件是降低壓縮比、降低進(jìn)氣渦流強(qiáng)度以及合適的活塞頂燃燒室形狀，而其中特別重要的是優(yōu)化燃油噴射，包括噴油狀況以及每工作循環(huán)多達(dá)8次噴射的準(zhǔn)確性和精度，并通過應(yīng)用經(jīng)改進(jìn)的多孔噴油嘴獲得最佳的油束準(zhǔn)備。此外，高效、冷卻和可調(diào)節(jié)的廢氣再循環(huán)(EGR)與優(yōu)化的增壓相結(jié)合也是重要的必備條件。鑒于降低了壓縮比，陶瓷預(yù)熱塞在廢氣排放狀況處于臨界狀態(tài)的冷起動(dòng)階段提供了最佳的支持。
與當(dāng)今應(yīng)用的燃燒過程相比，為了能充分利用較大的EGR率和較高的增壓壓力降低排放的潛力，在發(fā)動(dòng)機(jī)部分負(fù)荷時(shí)就將噴油壓力提高到1800bar是必要的(圖2)。
新型的2000bar共軌噴油系統(tǒng)
為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，博世公司已經(jīng)為這種燃燒過程開發(fā)成功了一種最新型的2000bar噴射壓力的CRS-3型高壓共軌噴油系統(tǒng)(圖3)，它采用了新型的壓電直接控制式噴油器和CP4高壓泵，借助于其良好的控制柔性以及間距短而又非常精確的多次噴射獲得了極其突出的性能。由于噴油器、高壓泵和共軌管等部件以及整個(gè)系統(tǒng)都獲得了明顯的改善，因此在發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速和部分負(fù)荷范圍內(nèi)就已經(jīng)成功地達(dá)到了所期望的高噴油壓力，而其輕的重量和高的效率更有助于達(dá)到降低CO2排放目標(biāo)。由于系統(tǒng)壓力建立迅速，因此能夠用CP4高壓油泵最佳地適應(yīng)起動(dòng)－停車系統(tǒng)。
這種新型的2000bar噴射壓力的共軌噴油系統(tǒng)已于2007年投入批量生產(chǎn)，為柴油機(jī)開發(fā)新型燃燒過程提供了前提條件，從而為發(fā)動(dòng)機(jī)制造廠商提供了達(dá)到現(xiàn)在和未來的排放法規(guī)限值，并進(jìn)一步降低燃油耗和CO2排放的機(jī)遇。
CP4型共軌高壓泵系列
新型的CP4共軌高壓泵系列具有新穎的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其基本結(jié)構(gòu)與市場上可購買到的博世CP1H型3缸偏心輪泵不同，它是一種具有雙凸輪和滾輪的徑向柱塞泵(圖4)。與傳統(tǒng)的偏心輪泵相比，這種泵基于雙凸輪的工作原理只應(yīng)用一個(gè)柱塞泵油單元，因此CP4型共軌高壓泵只需要較小的結(jié)構(gòu)空間，并具有明顯輕的重量。
CP4型共軌高壓泵從一開始就是為高轉(zhuǎn)速(泵最高試驗(yàn)轉(zhuǎn)速高達(dá)5500r/min)設(shè)計(jì)的，因此該泵能適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)以高轉(zhuǎn)速和1∶1的傳動(dòng)比運(yùn)轉(zhuǎn)。雙凸輪與高的油泵轉(zhuǎn)速相結(jié)合使得供油時(shí)間比傳統(tǒng)的偏心輪泵明顯短，因而減少了柱塞的泄漏，從而達(dá)到了最佳的效率(圖5)。
為了使得變型數(shù)目盡可能少，油泵的高壓部分被限制在一個(gè)緊湊的泵頭上(圖6)，這樣不僅在變型管理方面，而且在實(shí)際的高壓強(qiáng)度和重量方面也帶來了不少好處，因此能夠采用鋁合金泵體。除了上述提及的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)之外，與CP1H高壓泵相比，還能進(jìn)一步減輕重量，帶高壓元件的CP4型高壓泵的重量只有CP1H高壓泵的60％。為了看得更清楚起見，圖7上示出了每1000bar噴油壓力的油泵重量比較。
此外，CP4型高壓泵的這種模塊化單柱塞或雙柱塞結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到通常較大的3柱塞泵所能達(dá)到的泵油量。
噴油系統(tǒng)的工作能力還取決于所能達(dá)到的計(jì)量精度。CP4型高壓泵基于其工作原理還具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，通過選擇適當(dāng)?shù)膫鲃?dòng)比能夠滿足3~8缸發(fā)動(dòng)機(jī)的同步供油需要。由于CP4型高壓泵具有高的泵油效率，因此在低轉(zhuǎn)速時(shí)就能夠達(dá)到高的泵油壓力，特別適合于象oCCS那樣的新型燃燒過程。
所介紹的CP4型高壓泵性能對(duì)于排放品質(zhì)、燃油耗和運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性等都是非常有利的，而且這種共軌高壓泵通過采用已經(jīng)試驗(yàn)過的附加措施就能夠用例如美國市場使用的柴油運(yùn)轉(zhuǎn)。
壓電直接控制式噴油器
為達(dá)到上面提到的廢氣有害物和CO2排放目標(biāo)所需要的最佳混合氣形成完全取決于噴油器的噴射品質(zhì)。為此，所有的共軌噴油器原則上都具備相同的功能模塊：
① 噴油嘴；
② 伺服閥；
③ 電子－機(jī)械執(zhí)行器。
這些模塊在實(shí)現(xiàn)其功能時(shí)會(huì)產(chǎn)生一些干擾因素，例如不希望出現(xiàn)的泄漏以及因橫向力或剛度低所產(chǎn)生的摩擦等。同樣，隨著噴油壓力的不斷提高，對(duì)密封性和強(qiáng)度的要求也提高了，例如危險(xiǎn)的長油道鉆孔偏位等。第三代共軌噴油器持續(xù)不斷的開發(fā)，從一開始就已考慮到了所有這些要求，并已經(jīng)開發(fā)成功一種最高噴油壓力高達(dá)2000bar的壓電式噴油器，而且沒有增加重量和結(jié)構(gòu)空間，已首先應(yīng)用于轎車的批量生產(chǎn)。
壓電式噴油器系列以圖8所示的基本結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，使得這種壓電式噴油器從2003年進(jìn)入市場以來就能很好地適應(yīng)越來越高的噴油壓力。
這種基本結(jié)構(gòu)包含有噴油器體、噴油嘴和由伺服閥、液壓偶件和壓電執(zhí)行器組件所組成的功能結(jié)構(gòu)模塊，而這種功能結(jié)構(gòu)模塊可以根據(jù)用戶的需求靈活應(yīng)用，因此在噴油器體、電插頭和噴油嘴的設(shè)計(jì)中還可以有很多的變更。其基本優(yōu)點(diǎn)，第一是伺服鏈(壓電執(zhí)行器、液壓偶件和轉(zhuǎn)換閥)內(nèi)部具有高的剛度；第二是避免了噴油嘴針閥上的機(jī)械力，而在帶有挺桿的噴油器中會(huì)產(chǎn)生這種機(jī)械力從而增加磨損。這種基本結(jié)構(gòu)能夠有效地降低運(yùn)動(dòng)質(zhì)量和摩擦，對(duì)噴油器的工作穩(wěn)定性和功能變化起到了有利的作用。
總而言之，這種壓電直接控制式噴油器，由于要求達(dá)到以下目標(biāo)而必須具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：
① 針閥具有高的動(dòng)態(tài)性能，降低閥座節(jié)流損失；
② 每工作循環(huán)最多可實(shí)現(xiàn)8次噴射(3次預(yù)噴 、2次主噴、3次后噴)；
③ 在整個(gè)共軌壓力范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的最小噴油量能力，即最小噴油量的計(jì)量精度高；
④ 優(yōu)化長油道鉆孔偏位，以提高高壓強(qiáng)度；
⑤ 整個(gè)噴射過程中的壓力損失最��；
⑥ 在使用壽命期內(nèi)整個(gè)特性曲線場中的噴油量(包括電控單元的補(bǔ)償功能在內(nèi))精度高而重復(fù)性又好。
為了達(dá)到所設(shè)定的目標(biāo)，特別是要明顯提高噴油壓力，借助于功能分析來確定其開發(fā)重點(diǎn)(圖9)。通過非常精確地識(shí)別噴油器每個(gè)元件的載荷及其承載能力，有效地?cái)U(kuò)大了這種基本結(jié)構(gòu)的承載極限(＞2000bar)，同時(shí)優(yōu)化并進(jìn)一步開發(fā)其制造工藝方法，使其順利地投入了批量生產(chǎn)，并且從批量生產(chǎn)一開始就達(dá)到了非常好的質(zhì)量水平。迄今博世公司已經(jīng)生產(chǎn)了2千萬只這種類型的壓電直接控制式噴油器。
噴油嘴的進(jìn)一步開發(fā)
噴油嘴是燃燒室與噴油系統(tǒng)之間的接口，因此由噴油嘴完成的油束準(zhǔn)備同樣具有重要的意義。博世公司已經(jīng)為這種先進(jìn)的壓電直接控制式噴油系統(tǒng)開發(fā)了一種噴油嘴方案，并具有以下優(yōu)點(diǎn)：
① 在高噴油壓力下具有高的液壓效率；
② 具有良好的抗積炭耐久性；
③ 功能幾何參數(shù)偏差更小，例如噴孔仰角(注：指噴孔中心線與噴油器軸線之間的夾角)公差減小了一半。
其中開發(fā)的關(guān)鍵是直徑約為100μm的非常小的噴孔，并且要求具有非常高的位置和直徑精度以及表面粗糙度。為此，博世公司內(nèi)部開發(fā)了一種創(chuàng)新的機(jī)械加工技術(shù)，采用一種經(jīng)改進(jìn)的侵蝕工藝方法來確保滿足高的加工要求，并與一種經(jīng)進(jìn)一步開發(fā)的工藝方法共同對(duì)噴孔表面進(jìn)行液力研磨加工，這樣就能夠?qū)⒁笕绱烁叩膰娪妥熘圃斐鰜怼２捎眠@種噴油嘴能夠在中高負(fù)荷范圍內(nèi)獲得高的升功率和非常低的排放值。
共軌管的開發(fā)重點(diǎn)
共軌管是共軌噴油系統(tǒng)重要的高壓部件。對(duì)于2000bar共軌系統(tǒng)而言，可以采用激光焊接共軌，也可以采用鍛鋼共軌，同時(shí)其還必須帶有能適應(yīng)高系統(tǒng)壓力的附件——壓力傳感器和壓力調(diào)節(jié)器。焊接共軌為應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)零件提供了可能性，而鍛鋼共軌則具有最大的降低重量的潛力。
系統(tǒng)功能
對(duì)于整個(gè)共軌噴射系統(tǒng)而言，除了純粹的高壓液力部件之外，還要開發(fā)進(jìn)一步優(yōu)化噴油系統(tǒng)和空氣系統(tǒng)公差的系統(tǒng)功能。這種功能能夠及早地識(shí)別出可能存在的偏差，并將這種偏差最小化(圖10)。其中，所謂的自學(xué)習(xí)功能對(duì)于系統(tǒng)具有重要的意義，它不僅在新發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)而且在整個(gè)使用壽命期內(nèi)都能優(yōu)化計(jì)量精度。通常這些功能無須附加的傳感技術(shù)就能實(shí)現(xiàn)，從而有利于保持低成本，并有助于提高系統(tǒng)的耐久性。其中零油量標(biāo)定(ZFC)就是一個(gè)例子，這種功能2003年就已開發(fā)成功，并從那時(shí)起在批量生產(chǎn)中的應(yīng)用證實(shí)了其可靠性。這些功能無須附加的傳感技術(shù)就能在汽車行駛過程中連續(xù)不斷地監(jiān)測并修正如預(yù)噴射油量那樣大小范圍內(nèi)的噴油量。
發(fā)展方向
為了達(dá)到更高的排放和燃油耗目標(biāo)，EGR率和增壓壓力還將進(jìn)一步提高，并通過采用發(fā)動(dòng)機(jī)小型化技術(shù)將對(duì)排放有重大影響的運(yùn)轉(zhuǎn)范圍移向較高的負(fù)荷，因而不僅僅對(duì)于高功率發(fā)動(dòng)機(jī)存在著繼續(xù)提高噴油壓力的趨勢(shì)，因此未來還將開發(fā)高于2000bar噴油壓力的共軌噴油系統(tǒng)，而壓電式噴油器為此提供了最好的前提條件，目前2000bar噴油壓力的壓電式噴油器已經(jīng)用于批量生產(chǎn)。CP4高壓泵和鍛鋼共軌管在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上同樣也具備進(jìn)一步提高壓力的潛力。未來的目標(biāo)是噴油壓力要大大超過2000bar，而且裝配要具有兼容性，并不增加重量(圖11)。除了提高噴油壓力之外，還必須在動(dòng)態(tài)性能、計(jì)量精度和油束準(zhǔn)備等方面有所進(jìn)步。
先進(jìn)的燃燒過程對(duì)噴油系統(tǒng)提出了更高的要求，重要的是燃燒室內(nèi)的噴油狀況、計(jì)量準(zhǔn)確度和精度的優(yōu)化。為了充分發(fā)揮潛力，就必須提高發(fā)動(dòng)機(jī)部分負(fù)荷范圍內(nèi)的噴油壓力。為此開發(fā)的這種壓電直接控制式高壓共軌噴油系統(tǒng)能在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線場范圍內(nèi)以很小的間隔實(shí)現(xiàn)柔性控制的非常精確的多次噴射。其壓電式噴油器已經(jīng)過噴油壓力高達(dá)1800bar的百萬次實(shí)況噴射證實(shí)了其可靠性，并進(jìn)一步開發(fā)成功地用于2000bar系統(tǒng)壓力。采用新開發(fā)的效率和重量優(yōu)化的CP4高壓泵能夠滿足部分負(fù)荷范圍內(nèi)更高壓力的需要。同時(shí)這種2000bar共軌噴油系統(tǒng)的所有部件都具有進(jìn)一步提高壓力的潛力.
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