Denso公司新型柴油机用电磁阀式喷油器

【日】 S.Matsumoto K.Date T.Taguchi 【德】 O.E.Herrmann

Denso公司新型柴油机用电磁阀式喷油器

【日】 S.Matsumoto K.Date T.Taguchi 【德】 O.E.Herrmann

Denso公司新型第4代电磁阀式喷油器具有三路控制功能，因而提高了液力效率，并使燃油耗降低约1％。该喷油器的运动质量减轻75％，大大改善了液力性能。此外，其燃油泄漏量被减少到最低程度，明显降低了对冷却的要求，并且对燃油品质的波动不敏感。

柴油机 电磁阀式喷油器 共轨喷油器 三路控制功能

1 起因

全世界范围内，尤其是在排放法规非常严格的国家和地区，对柴油机的需求量始终在不断增长，而发展中国家始终聚焦于降低废气排放和二氧化碳排放的课题。研究人员在进一步开发共轨喷油系统，提高其喷油精度、喷射模式自由度和喷油压力，以降低废气排放和燃油耗，其中，特别是要提高发动机的升功率。

此外，市场还要求改善喷油系统以适应日益多样化的燃油，提高起动-停车功能所需的储存共轨压力的可能性，以及简化喷油系统零件的装配。共轨喷油器的性能是满足上述诸多要求的重要基础，目前的Denso公司第3代压电喷油器（G3P）已能满足上述要求[1]。当然，电磁阀技术在满足商用车使用寿命和优化系统成本等方面显示出较大的潜力，因而Denso公司确定了全新的开发目标（表1），开发了第4代电磁阀式喷油器（G4S）（图1），它达到了现有量产G3P喷油器的性能水平。

表1 Denso公司共轨喷油器性能一览

图1 Denso公司G4S喷油器

由于压电堆具有较大的调节力，因而G3P喷油器中采用三路控制阀，大大减少了开关转换泄漏。传统的两路电磁阀喷油器因受结构条件的限制，其开关转换泄漏量和缝隙泄漏量均较大。这不仅造成机械损失，并且在转换到高喷油压力时，在喷油器回油管路中会形成局部的高燃油温度[2]。为了应用调节力比压电堆稍小的电磁阀技术来完全避免缝隙泄漏，Denso公司在G4S喷油器上应用了一种全新型式的控制阀结构，其液力功率特性相比第3代电磁阀式喷油器（G3S）有明显改善。另一方面，与压电喷油器相比，较为简单的电磁阀技术显示出较长的使用寿命，这一特性是越野车或商用车不可或缺的。同时，这种喷油器能够达到250 MPa较高的喷油压力，中期可达300 MPa[3]。

2 液力工作原理

目前的G3S喷油器电磁阀被布置在喷油器的上部。因G4S喷油器中的开关转换泄漏量减少了70％，因此可大大缩小电磁阀，并可将其安装在喷油器的下部。如图2所示，取消了控制杆（即针阀推杆），喷油嘴针阀直接由控制室中的压力操纵，此外，喷油器中没有起密封作用的运动件。由于电磁阀位于中间位置，喷油器的运动质量可减少75％。

图2 G4S喷油器的结构及其功能

从图2可以看到，在控制室中设有1个控制阀片。在正常情况下，它起到关闭进油节流孔的作用，而控制阀片上出油节流孔的大小可进行调整，以便针对燃烧优化按喷油规律曲线运行的喷油嘴针阀开启速度。喷油开始后，控制阀片保持在其位置上，因此喷油期间的进油节流孔保持关闭。在控制阀关闭后，控制室和中间室的液压力状况得到平衡。控制阀片上方高压槽中的高压产生附加力，它克服弹簧力并将控制阀片打开，使进油节流孔敞开，当控制室中建立起压力，喷油嘴针阀就关闭。进油节流孔的大小也可进行相应调整，以改变针阀的关闭速度。

图3（a）示出G4S喷油器在不同共轨压力下的电磁阀充电控制时间与喷油量之间特性曲线，它们具有良好的线性关系，不同共轨压力下特性曲线之间的间隔也相当整齐，达到或超越了G3P喷油器的良好性能。由于大喷油量和最小喷油量范围内的线性关系，因此，可以高精度地补偿喷油器之间，以及运行期间喷油量的分散度。

图3 在不同共轨压力下G4S喷油器的喷油量，以及G3S和G4S喷油器的喷油量波动

图3（b）示出了G3S和G4S喷油器的结构。如前文所述，在开发新型G4S喷油器时，取消了在G3S喷油器中用于连接控制室与喷油嘴的控制杆，从而消除了摩擦，并减轻了运动质量，明显改善了单次喷油之间的重复性。图3（c）示出了各次喷油量之间的分散度，G4S喷油器虽然喷油压力较高，但其分散度仅为G3S喷油器的50％，因此可达到更小的最小喷油量和预喷射油量。与常规的学习功能或可选用的i-ART压力传感器相结合，能够在整个使用寿命期内获得最小的预喷射油量，这有利于降低废气排放和燃烧噪声。

3 三路控制阀的优点

Denso公司通过液力模拟计算、发动机试验，以及在轿车和商用车上进行的整个发动机特性曲线场的整车试验证实，较少的泄漏损失可降低燃油耗约1％[4]。高压燃油泵的总泄漏量被减少，其驱动功率也得以减少，从而减少了燃油耗。此外，较少的泄漏损失为有效提高共轨喷油系统中的喷油压力铺平了道路，也为废气排放和燃油耗带来了益处[3，4]。

图4 在4缸机上，200 MPa喷油压力下G3S和G4S喷油器泄漏量的比较

图4示出了G4S喷油器与常规喷油器在控制杆和喷油嘴针阀处的泄漏量比较。众所周知，缝隙泄漏量随喷油压力的提高而增加[2]。在低转速时，因发动机工作循环之间的时间间隔较长，缝隙泄漏的份额会因此增大。与此相反，常规喷油器的开关转换泄漏量则取决于控制阀开启时间的长短。全负荷时的泄漏量最大，在低转速时，常规G3S喷油器的泄漏量约为每行程40 mm3，这一泄漏量必须由高压燃油泵来承担，相当于在4缸机上消耗0.5 k W的机械功率。在额定功率点，每行程的开关转换泄漏量会相应减少一些，但是，由高压燃油泵承担的泄漏体积流量却增大了，因此，G4S喷油器在额定功率点可获得约减少2 k W机械功率的潜力。

G4S喷油器由于消除了缝隙泄漏，特别是在低速扭矩范围内泄漏量被大大减少，这不仅减少了二氧化碳排放，而且有助于起动-停车运行。发动机停机后，共轨压力能保存数分钟，可直接供下次起动使用。

此外，因应用三路控制功能，使开关转换泄漏量减少70％，剩余的泄漏量是打开喷油嘴针阀所不可避免的。最终获得的液力效率能使喷油压力提高到250～300 MPa[4]。

缝隙泄漏量主要取决于零件的公差，以及经过一段运行时间后零件的磨损程度。进出油节流孔的直径在运行期间是稳定的，而常规喷油器的开关转换泄漏量也变化不大。如图5所示，根据喷油器和运行时间的不同，常规喷油器的泄漏量呈现出某种程度的分散度，而新型G4S喷油器经过较长时间的运行后，其泄漏量几乎没有增加，喷油器之间也未出现明显的分散度[2]。

图5 耐久运行试验中G3S和G4S喷油器的泄漏量对比

依据采用不同品质燃油的全球野外应用所取得的经验，在目前量产的G3S喷油器上也采取了相应的措施，例如在运动件上涂覆类金刚石碳涂层[5]。采用上述方法，能够避免形成生物聚合物-沉积物，它们会粘结在零件上。为了评价抗沉积物的耐久性，Denso公司进行了循环试验（图6），包括采用柴油和含20％大豆生物燃油的混合燃料，在油泵试验台上按固定循环进行试验。因燃油氧化，一段时间后其总酸值会增大，这一过程会因高燃油温度而加快。

图6 快速耐久性试验

试验结果表明，常规喷油器经试验后燃油所达到的总酸值不同，直到最终喷油器出现偏差为止，其运行时间也各不相同（图6）。对于目前市场上的燃油品质而言，G3S喷油器的抗沉积物耐久性水平已经足够了[5]。在超过1 600 h的试验中，G4S喷油器的喷油量未出现偏差，对燃油品质的变化表现出较高的稳定性。其原因是减少了运动件的数目与喷油器中的摩擦表面，以及其中的温度较低，例如因泄漏量减少而使回油温度明显较低。

4 结语

新型G4S喷油器具有三路控制功能，因而提高了液力效率，并使燃油耗降低1％。由于运动质量减轻了75％，液力性能得到了明显改善，各次喷射之间的偏差只有原先的50％。此外，明显减少的泄漏，特别是对不同燃油品质的适应性提高了G4S喷油器的耐久性。G4S喷油器从2013年开始投入批量生产，喷油液力高达250 MPa，并能提供高达300 MPa的喷油压力。

[1]Kondo S，Toyoshima Y，Takayama T，et al.200 MPa piezo common rail system[J].Journal of Society of Automotive Engineers of Japan，No 20095709，2009（10）.

[2]Matsumoto S，Date K，Yamada K.Concepts and evolution of injector for common rail system[C].SAE Paper 2012-01-1753.

[3]Shinohara Y，Takeuchi K，Herrmann O，et al.3 000 bar common rail system[J].MTZ，2011，72（1）：4-8.

[4]Herrmann O，Nakagawa M，Kenhard M，et al.Ultra high pressure and enhanced multiple injection—potentials for the diesel engine and challenge for the fuel injection system[C].Fuel Injection Systems for IC engines，IMECHE，2012.

[5]Omori T，Tanaka A，Yamada K，et al.Biodiesel deposit formation mechanism and improvement of FIE[C].SAE Paper 2011-01-1935.

范明强 译自 MTZ，2013，74（2）

张 慰 编辑

材料工艺

2013-04-20）