國內外電控燃油噴射技術分析
德爾福在中國市場針對中輕型車推廣共軌技術,針對重型車提供泵噴嘴和單體泵技術;博世電噴系統最新技術已經由電控共軌發展到電控液力放大系統,博世在中國市場主推高壓共軌系統;電裝目前正在研發第三代、第四代共軌系統,它將適應中國市場需求的共軌系統帶到中國。在國外技術包圍中,自主國產的成都威特電噴提出了電控單體泵低成本解決方案。
德爾福:共軌技術和單體泵技術各有側重
德爾福汽車系統中國投資有限公司的柴油系統銷售經理張巍說,對供油系統機械性能而言,其最主要的要求就是提高噴射壓力,所以德爾福公司目前針對歐Ⅲ要求,給國內用戶在共軌方面提供了1600巴的壓力系統,在單體泵方面提供了2000巴的壓力系統。
德爾福的產品線按照客戶的要求分成三部分:第一部分主要針對中輕型商務車,為客戶提供共軌系統;第二部分針對中型商務車,為客戶提供“轉子泵”系統、泵噴嘴系統或者提供中型共軌系統;第三部分針對重型車市場,德爾福提供泵噴嘴和單體泵技術。
德爾福柴油部門的前身是CAV公司,自1988年開始向市場提供電控泵技術,自2000年開始提供高壓共軌技術。到2005年,已經累計向全球投放了400萬套共軌系統。輕型車共軌系統針對歐Ⅲ、歐Ⅳ的要求,一方面是精確的電子控制,另一方面就是達到盡量高的壓力。
德爾福在重型車上建議客戶采用單體泵系統。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。當從歐Ⅲ向歐Ⅳ升級時,發動機機身主體結構仍然不變,只是把歐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。
在性能方面,目前在國內單體泵使用的壓力達到2000巴,當向歐Ⅳ升級、在雙閥系統時,這個壓力可以達到2500巴。而且單體泵的理論設計原理可以由凸輪型線產生逐漸上升的噴油壓力曲線,這是發動機需要的理想的供油曲線。同時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,如果使用雙閥系統,不僅可以對壓力進行控制,還可以對噴射進行控制,而且可以采用多次噴射。它的標準可以達到歐Ⅳ或者歐Ⅴ的能力。目前,德爾福的雙閥系統在歐洲大批量生產,供應給歐Ⅳ發動機,配套歐Ⅴ發動機的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,可以保證排放水平和燃油消耗率水平。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。
博世:在中國大力推廣高壓共軌技術
博世對中國市場的保守預測是,到2015年,柴油車所占比例能達到25%。中國車用柴油系統現在所使用的絕大多數還是機械噴射系統,但往電控發展的趨勢不可逆轉。博世柴油噴射系統概括了各種各樣的系統。預計未來的發展方向是,電控高壓共軌系統將占據絕大部分市場,到2010年,將占所有柴油系統產品生產和銷售的三分之二左右。
博世為乘用車和輕型卡車量身定做了發動機排量在1~4升之間的柴油機系統,即第二代高壓共軌系統。
博世對于中型卡車制定了一套適應中國環境的平臺系統。這套系統適用于3.5噸以上車輛,氣缸排量4~8升,發動機轉速是2200~2700轉之間。發動機排量比較大也需要容量比較大的泵,建議使用CP3系列,上面同樣有一個電控計量閥。
博世認為重卡發動機也應采用高壓共軌系統,這一平臺指的是車輛在6噸以上,發動機排量在8~14升之間,轉速在1800~2200轉之間。采用另外一種叫做CPN2.2的高壓泵,它的供油量相對來說更高,而且同樣具有電控計量閥來控制輸入到軌中的油量。重機所使用的電控單元與輕中機型有些不同,因為重機的ECU電控單元一般裝在發動機上面,電控單元對于抗震、抗熱要求比較高,應當使用EDC7系列。
博世與無錫威孚合資成立的新公司專門生產噴油器和噴嘴,其以后的目標就是在中國生產和推廣電控柴油噴射系統。新廠區不光具備銷售和項目管理功能,也包括產品的開發、生產、發動機及車輛標定等。
從明年初開始,博世適用于中重卡的噴油器將在中國生產,同時,博世汽車電子分部將在蘇州開始對電控單元實行國產化。但高壓油泵、軌、傳感器等這些部件,到現在為止還沒有確定具體的國產計劃。
電裝:歐Ⅲ以上排放普遍采用共軌系統
電裝中國投資有限公司的售后服務部副主任宋濤向記者介紹,電裝的HP-0型共軌系統是其目前在中國主推的產品,主要由4個部分組成:高壓軌道、噴油器、輸油泵及ECU控制電腦。首先,通過凸輪軸的運轉,將燃油壓入輸油泵內,ECU再通過提取燃油壓力、溫度、發動機轉速、油門踏板開度等信號,進行整理分析后,控制輸油泵電磁閥在最佳時間進行開啟,來調整軌道內部的壓力,如果ECU檢測到發動機系統需要比較大的供油壓力,就會控制電磁閥提前動作,從而改變軌道系統的內部燃油壓力,再通過噴油器上面的TWV閥來控制改變噴嘴的噴油時間、噴油量及噴射率,來提升發動機的動力性。
電裝中國投資有限公司2003年在上海成立了上海電裝燃油噴射有限公司,同年開始生產電裝機械式柴油泵,計劃在上海生產共軌系統。
國外:從電控共軌發展到電控液力
實際上20世紀90年代,歐洲柴油機產品就已經陸續達到歐Ⅲ標準。他們采用了以下一些技術:電子控制,高壓燃油噴射,小孔徑噴油嘴,減少燃油噴射速率,四氣門;中重型柴油機上出現了低渦流和無渦流燃燒室;輕型柴油機采用廢氣再循環;另外,還有可變幾何截面增壓器以及機油消耗控制等方法。專家普遍認為,以上是對柴油機的基本要求。要實現歐Ⅲ排放,首先必須提高噴射壓力。此外,就是獨立于轉速和負荷的噴油定時調節、先緩后急的噴射規律(有利于氮化物的控制)及迅速的噴油切斷過程。
國外典型的電控噴油系統有電控泵噴嘴和電控單體泵。電控單體泵在泵噴嘴的基礎上衍生出來,除了壓力較泵噴嘴稍低一點外,其他功能基本和泵噴嘴相近,這兩個電噴系統應用都比較成功。第三種為電控共軌系統。這也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NVH指標。由于這些因素,電控共軌技術已普遍為新的一代轎車柴油機采用。一些原來配備電控分配泵的輕型或中型車用柴油機也轉而采用電控共軌系統,如康明斯公司的ISM系列柴油機。第四種是電控液力放大系統。四種系統都能迅速進行噴油切斷,電控共軌系統還最適用于現有機型的改裝。
未來發展需要進一步提高噴射壓力并實現多次噴射,主噴射有較低的初始噴射速率。各跨國企業實現這些要求的技術路線不同,有的通過傳統的電控共軌系統,也有的通過電控液力放大共軌系統,如BOSCHCRIN4液力放大共軌系統或德爾福的雙電磁閥電控泵噴嘴系統。
國內:電控直列泵是目前滿足歐Ⅲ排放的低成本解決方案
目前國內柴油機絕大部分是滿足歐Ⅱ標準的,其技術特點主要包括渦輪增壓中冷、P7100直列式高壓燃油泵、啞鈴型燃燒室、兩氣門和機油消耗控制技術。這些機器能否滿足歐Ⅲ標準在很長時間內一直都是一個疑問。
有關行業人士認為,中國生產的歐Ⅱ柴油機產品,經過適當改進,在無須變更主要部件生產線的情況下就可以滿足歐Ⅲ標準,如通過電子控制的高壓燃油噴射、降低燃油噴射速率、增加燃油室徑深比和噴油嘴孔數、減少進氣渦流比、進一步減少機油消耗等措施。這些技術早已被一些國外機型驗證可行,如卡特彼勒公司的3126、萬國公司的T444等。
由于研發滯后,中國車用柴油機行業很難接近世界一流的電控燃油噴射技術,值得慶幸的是,國內相關行業正在努力改變這種狀況。如一汽集團無錫油泵油嘴研究所經過多年研制,成功開發出具有自主產權的電控共軌系統,成都威特公司與清華大學聯合于2004年成功研制出具有自主產權的電控單體泵系統,并于當年開始提供成套產品。
在今年5月舉行的上海國際發動機及制造技術展覽會上,成都威特公司展出了新研制的電控直列泵技術。電控直列泵也就是電控組合泵,是針對我國柴油發動機企業的實際情況、老機型的歐Ⅲ升級改造確定的技術路線:滿足歐Ⅲ對噴油系統的最低要求,可靠性高,價格低,機械接口與P型泵相同,安裝方便,系統標定過程簡單。這種電控組合泵不同于電裝曾經生產過的電控直列泵ECD-P,后者是所謂位置橫置,即根據ECU的指令驅動齒桿調整曲軸與凸輪軸之間的相位差,達到對噴油定時實現控制。