文/江蘇 范明強

噴油過程是通過控制電磁閥線圈中的電流來實現(xiàn)的。于是，發(fā)動機電控單元使電磁線圈充電，電磁閥打開控制室的出油孔，因為控制室的出油孔大于進油孔，所以控制室中的燃油壓力降低。但是，噴油嘴針閥仍保持關(guān)閉(圖4-12(b),圖4-12見上期，下同)，一直到控制室中的壓力降低到作用在噴油嘴針閥上端的力不足以將針閥壓緊在其座面上為止。在這個階段，前面提到過的噴油器回油管路中的真空度非常重要，它有助于控制室中的壓力盡可能快地被降落。當控制室中的燃油壓力和彈簧壓力之和小于作用在針閥座上方的共軌燃油壓力時，噴油嘴針閥從其座面上抬起，噴油過程開始(圖4-12(c))。

噴油過程中，在最大共軌壓力下，通過噴油器中間塊中的噴油嘴進油量孔的壓力落差大約為10MPa，因此，實際的噴油壓力總是低于共軌壓力。

電控單元切斷電磁線圈中的電流，電磁閥關(guān)閉，噴油過程就進入了終了階段，噴油嘴針閥仍然保持開啟(圖4-12(d))，一直到控制室中再次全部充滿共軌壓力為止。共軌壓力與噴油壓力之間的壓力差對于噴油結(jié)束過程是很重要的，因為在噴油嘴針閥開著的時候，噴油嘴針閥頂尖(指針閥密封環(huán)帶以下的部分)的作用面積要添加到針閥座上方的壓力作用面積上，兩者面積之和大于處于控制室中的針閥上端壓力作用面積。因此，只有當控制室中的燃油壓力與彈簧壓力之和大于噴油嘴針閥下端的壓力時，噴油嘴針閥才能快速并精確地關(guān)閉。噴油嘴針閥關(guān)閉后，在整個噴油器中又重新建立起共軌壓力(圖4-12(e))。

噴油嘴針閥的滯后打開現(xiàn)象可以被利用，在發(fā)動機停機或者倒拖時可使共軌壓力盡可能快地降低下來。為此，以高的頻率同時控制所有的噴油器電磁閥，使共軌壓力能完全泄漏到回油管路中去，而噴油嘴針閥不會打開，同時借助于進油計量閥(IMV)減少或者切斷進入高壓燃油泵的進油量，這樣共軌壓力的降落就更快了。

控制噴油器電磁閥的電流脈沖信號可分為兩個階段：峰值電流和保持電流(圖4-13)，這種電流信號波形通常被稱之為“峰值-保持波形”。峰值電流比保持電流大，以便能克服銜鐵的慣性盡快地將電磁閥打開，從而獲得良好的動態(tài)響應(yīng)性能。而維持電磁閥開啟狀態(tài)只需要較小的保持電流，這樣可減小發(fā)動機電控單元的電功率及其在噴油器中的能量損失。整個電流脈沖信號的時間稱為“噴油脈沖寬度”或簡稱為“噴油脈寬”，一般以ms計。它表示噴油嘴針閥開啟的時間。在一定的噴油壓力下，噴油器每次的噴油量與噴油脈寬成正比，因此只需調(diào)節(jié)噴油脈寬就能調(diào)節(jié)噴油量的多少。經(jīng)過匹配試驗后，所得到的發(fā)動機各運行工況下的最佳噴油量就是以噴油脈寬的數(shù)字形式存儲在發(fā)動機電控單元內(nèi)的，用于對噴油器進行控制。

2.壓電控制式噴油系統(tǒng)

(1)壓電控制式噴油器

德爾福公司于2008年投入批量生產(chǎn)的200MPa噴油壓力的新型高壓共軌噴油系統(tǒng)，采用壓電直接控制式噴油器。與博世公司的壓電直接控制式噴油器不同，這種噴油嘴的針閥(圖4-14)直接由一個壓電陶瓷執(zhí)行器驅(qū)動，而無須經(jīng)過液壓伺服閥的轉(zhuǎn)換，因此噴嘴針閥能比前者更加迅速地開閉，而與噴油壓力無關(guān)。其對最小的先導(dǎo)噴射(注：指預(yù)噴射之前起引導(dǎo)作用的微量噴油，實際上就是第1次預(yù)噴射，參見圖4-2)油量的優(yōu)化控制以及整個使用壽命期內(nèi)卓越的噴油量穩(wěn)定性十分有利，確保達到了一流的燃油噴射品質(zhì)，使得能夠在降低燃油耗的同時獲得最低的排放。

壓電直接控制式噴油器與電磁閥控制式噴油器相比，最大的區(qū)別在于壓電執(zhí)行器以及由其直接操縱的噴嘴針閥(圖4-15)。噴油嘴針閥的開關(guān)閉速度高達3m/s，比電磁閥控制的噴嘴針閥快3倍。這種噴油器具有非常短的開關(guān)時間(200μs)，并能夠?qū)崿F(xiàn)噴嘴針閥的全升程和部分升程，其最短的噴油時間可達0.1ms，而且噴射間隔時間可極小甚至無間隔(參見圖4-2)。

同時，壓電直接控制式噴油器具有高的靜態(tài)流量值(在200MPa噴油壓力下最多可達約30g/s)，因而大大拓展了噴油器的動態(tài)流量范圍，特別是對于噴油量跨度較大的渦輪增壓直噴式柴油機，在噴油策略方面能獲得很大的自由度，可根據(jù)發(fā)動機負荷、轉(zhuǎn)速和溫度狀況，在整個進氣和壓縮行程期間將噴油量任意分成多次噴射。在小負荷工況時，只需進氣行程期間的單次噴油脈沖就足以獲得均勻的油氣混合汽，而在低速高負荷運轉(zhuǎn)的工況時，將噴油量分成2次或3次噴射，這樣就能夠盡可能減少燃油濕壁和機油稀釋現(xiàn)象。此外，高精度的噴油量計量為現(xiàn)代直噴式柴油機能滿足越來越嚴格的廢氣排放限值提供了必要的前提條件。

德爾福壓電直接控制式噴油器應(yīng)用了一種創(chuàng)新的以共軌壓力為動力的兩級式針閥運動放大器。通過壓電執(zhí)行器與噴油嘴針閥之間的這種直接耦合，確保針閥能達到最高的執(zhí)行速度。這種針閥運動放大器具備了提供分級運動能量的功能，因而能夠最佳地勝任針閥開啟和關(guān)閉階段所需能量變化的要求。

在第一放大級中，壓電執(zhí)行器與噴油嘴針閥是剛性耦合的，以便使壓電模塊打開噴油嘴所必需的電流最小，其優(yōu)點是能完全以緊密剛性耦合的“機械”方式來執(zhí)行噴油量最小的先導(dǎo)噴射，從而能夠獲得各次噴射之間極小的噴油量偏差。當針閥打開第一級結(jié)束時，第二放大級中的液壓針閥運動放大器就用上了，使得為達到最大針閥升程(噴油量較大時)所必需的壓電執(zhí)行器升程最小。

由于壓電直接控制式噴嘴針閥的開啟和關(guān)閉速度極高，并且與電磁閥控制式噴油器不同，它們與共軌壓力無關(guān)，以至于即使在較低的共軌壓力下，仍具有至今電磁閥噴油器尚達不到的針閥速度，因此，一方面在所有的共軌壓力下都能獲得矩形的噴油速率(圖4-16)，這是電磁閥控制共軌噴油系統(tǒng)不可能做到的，特別是在低于平均共軌壓力的范圍內(nèi)。

另一方面，噴嘴針閥的高速動作提高了噴射油束的動量，從而能獲得更好的油束霧化性能。圖4-17示出了噴油過程開始階段的噴射油束情況，由于壓電直接控制式噴油器打開得比電磁閥控制式噴油器更快，因此噴油開始后前者的油束貫穿深度要比后者更大，油束也更直些，從而促進了空氣與燃油更均質(zhì)化的混合，這對于升功率較高的發(fā)動機特別有利，對于燃燒過程中顆粒/NOx排放的折衷將起到有利的作用，而且也改善了燃燒過程對廢氣再循環(huán)(EGR)的適應(yīng)性。

在噴油終了時，同樣也顯示出這兩種噴油器的明顯差異，壓電直接控制式噴油器關(guān)閉得更快，因此噴油最后階段噴入燃燒室的燃油仍具有幾乎未被節(jié)流的噴射油束動量，因而這些燃油在燃燒室中也貫穿得很遠，同時由于具有較好的霧化品質(zhì)而能夠完全汽化，這對混合汽形成起到了有利作用，特別是有利于進一步降低顆粒排放。

德爾福壓電直接控制式噴油器還具有一個特別重要的結(jié)構(gòu)性能，就是壓電執(zhí)行器被燃油所包圍(參見圖4-14和4-15)，只有采用這種設(shè)計方案才能完全避免燃油的泄漏，以至于所有供應(yīng)的燃油量全都能噴入燃燒室而無須回油，所以可取消回油管。與電磁閥控制式共軌噴油系統(tǒng)相比，由此節(jié)省了多達1kW的傳動功率，從而能夠取消對成本影響較大的燃油冷卻器。

此外，壓電執(zhí)行器周圍的燃油容積起到了噴油器中穩(wěn)壓室的作用，因此噴油器與共軌－高壓泵之間的壓力波動及其對針閥運動和噴油量精度的影響被減少到最小程度。這種穩(wěn)壓室作用以及在流動過程中無各種節(jié)流保證了在噴油嘴針閥座以上的容積中具有高且穩(wěn)定不變的壓力，因此確保了在整個噴射過程中，噴油嘴具有相同的流量。同樣，由于噴油器中穩(wěn)壓室的作用，降低了噴油器與共軌之間的壓力波動，所以預(yù)噴射與主噴射之間不會相互影響。因噴油嘴針閥座以上的容積中的壓力穩(wěn)定不變，使得主噴射不受噴射間隔的影響而保持穩(wěn)定(圖4-18)。

壓電直接控制式噴油器由于針閥的完全開啟和針閥關(guān)閉的可重復(fù)性不受共軌壓力的影響，從而獲得了線性的噴油量特性曲線場，其曲線的走向僅是噴孔流量的函數(shù)，并且?guī)缀醪皇茚橀y座節(jié)流的影響(圖4-19)。

發(fā)動機試驗已證實，由于壓電直接控制式噴油器能獲得近似矩形的噴油速率，因此在噴射持續(xù)期短的情況下，能將更多的燃油噴入燃燒室，從而能夠?qū)崿F(xiàn)在顆粒排放和排氣溫度保持不變的情況下提高發(fā)動機的升功率。與電磁閥控制式共軌噴油系統(tǒng)相比，壓電直接控制式共軌噴油系統(tǒng)在中低負荷時能夠改善顆粒排放與NOx排放之間的目標沖突(圖4-20)。

正如上述所介紹的那樣，壓電直接控制式噴油器的重要特性是高針閥速度與共軌壓力無關(guān)，以及噴射過程之間的相互影響非常小，從而能夠在一次噴射后非常迅速地緊跟著進行另一次噴射。這些所列舉的性能為壓電直接控制式噴油器能以最小的噴射間隔實現(xiàn)品質(zhì)優(yōu)異的多次噴射奠定了基礎(chǔ)(圖4-21)，特別是對于在低共軌壓力下的小噴油量蘊藏著重大的應(yīng)用效果，因為此時大部分燃油仍能夠在針閥全開的情況下以最好的霧化品質(zhì)噴入燃燒室。

(2)共軌高壓泵

由于壓電直接控制式共軌噴油系統(tǒng)的最高共軌壓力已從160MPa提高到180MPa，因此德爾福公司又開發(fā)了一種柔性和模塊化的DFP3型共軌高壓泵系列，其泵油量在0.5～1.5cm3/h之間，具有優(yōu)異的耐久性和可靠性，并具有眾多的傳動變型，能匹配各種不同發(fā)動機用途和結(jié)構(gòu)空間位置。德爾福壓電直接控制式高壓共軌噴油系統(tǒng)采用DFP3.4型共軌高壓泵，可采用兩種直徑的泵油柱塞，其泵油量為0.5～0.7cm3/h(圖4-22)。

德爾福公司所有的共軌高壓泵都裝有一個進油計量調(diào)節(jié)閥，因此僅僅壓縮需噴入發(fā)動機燃燒室的燃油，這就確保了共軌高壓泵具有高的效率。共軌高壓泵的傳動系統(tǒng)可使標定轉(zhuǎn)速達到4000r/min，而超轉(zhuǎn)速可高達5000r/min。共軌高壓泵的驅(qū)動軸由發(fā)動機傳動機構(gòu)傳動，其軸承被分別壓在泵體和前蓋板中。具有多邊形輪廓的滑套由驅(qū)動軸上的偏心輪傳動，根據(jù)柱塞的數(shù)目它具有2或3個工作面。驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)動帶動滑套工作面移動，從而使在其上滑動的杯形挺柱上下運動，而泵油柱塞座落在杯形挺柱內(nèi)，因此其每次向外運動都會引起柱塞上方的燃油容積壓縮，而在彈簧的作用下回程時進行充油。泵油柱塞在淬硬的鍛鋼泵頭中運動，而泵頭被螺栓擰緊在泵體上。每個液壓泵頭具有一個進油閥和一個出油閥。在液壓泵頭和泵體之間有一片金屬密封墊，它既起到高壓密封作用又起到低壓密封作用，而涂在金屬密封墊上的氟橡膠層起到了對外的低壓密封作用。又因為燃油在液壓泵頭中的高壓下，經(jīng)過泵體上的一個鉆孔抵達泵體上的高壓出口，因此每個液壓泵頭還必須具有高壓密封，而這種高壓密封是由金屬密封墊上高壓孔周圍的3個同心槽來實現(xiàn)的。

3.調(diào)節(jié)策略

共軌噴油系統(tǒng)電控單元的任務(wù)就是根據(jù)眾多的傳感器信息進行壓力調(diào)節(jié)和噴油調(diào)節(jié)。

(1)壓力調(diào)節(jié)

噴油壓力是借助于進油計量閥(IMV)來進行調(diào)節(jié)的，發(fā)動機電控單元以可變的電流對進油計量閥(IMV)進行控制。噴油壓力取決于發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和負荷。在較高的轉(zhuǎn)速和負荷范圍內(nèi)，燃燒室中的空氣運動也較強，為了優(yōu)化燃燒需要很高的噴油壓力。

在部分負荷和怠速運轉(zhuǎn)時，汽缸充氣進行得較緩慢，因而燃燒室中的空氣運動也明顯較弱，如果在這種負荷范圍內(nèi)噴油壓力太高，燃油油滴就會碰撞到汽缸壁面上，從而導(dǎo)致形成碳煙顆粒(PM)和未燃碳氫化合物(HC)，同時還會因汽缸壁面上的潤滑油膜被沖洗掉而導(dǎo)致相關(guān)零件(汽缸套和活塞環(huán))的磨損，因此，在較低的轉(zhuǎn)速和負荷運行范圍內(nèi)，噴油壓力必須降低，在計算此時的噴油壓力時要計入諸如進氣空氣溫度、冷卻液溫度和大氣壓力以及發(fā)動機冷態(tài)時的點火滯后等參數(shù)的校正量。(未完待續(xù))