（星月集團(tuán)星萊和農(nóng)業(yè)裝備有限公司 浙江 永康 321300）

引言

對電控VE 泵進(jìn)行改進(jìn)以及對小排量3 缸柴油機(jī)的制造精度進(jìn)行控制，并且進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)證明，小排量多缸柴油機(jī)的排放問題可以得到解決，拓寬了小排量高轉(zhuǎn)速柴油機(jī)的應(yīng)用范圍。

1 小排量3 缸柴油機(jī)目前存在的問題

目前，國內(nèi)市場上，小排量3 缸柴油機(jī)的燃油噴射系統(tǒng)大都采用機(jī)械直列泵，燃油噴射的一致性難以調(diào)整和控制，排放的一致性差，滿足非道路柴油機(jī)國三排放標(biāo)準(zhǔn)的柴油機(jī)很少，滿足即將實(shí)行的非道路柴油機(jī)國四排放標(biāo)準(zhǔn)[1]更加困難。

目前，排量在1.0L 以下的多缸柴油機(jī)滿足非道路柴油機(jī)國四排放標(biāo)準(zhǔn)的極少，主要原因?yàn)榕欧乓恢滦钥刂剖请y點(diǎn)，燃油噴射系統(tǒng)不能滿足小排量柴油機(jī)需要是關(guān)鍵問題。

采用電控VE 泵，可實(shí)現(xiàn)對每循環(huán)噴油量更精確的控制，更好地適應(yīng)柴油機(jī)不同工況低排放的需要[2]。對噴油正時(shí)的電控調(diào)整、優(yōu)化，能很好地實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)性能最佳和排放最低[3]。

為了滿足非道路柴油機(jī)國四排放標(biāo)準(zhǔn)，本司設(shè)計(jì)了一款功率為14.5 kW（3 600 r/min）、排量為0.76 L的3 缸水冷柴油機(jī)。采用電控VE 泵，對噴油正時(shí)進(jìn)行電控調(diào)整，降低了燃油消耗率和顆粒物排放。本款柴油機(jī)的相關(guān)技術(shù)已獲得多項(xiàng)專利，處國內(nèi)領(lǐng)先水平。

2 降低小排量3 缸柴油機(jī)排放的措施

本司與南京威孚金寧有限公司合作開發(fā)的電控VE 泵燃油噴射系統(tǒng)，拓寬了電控VE 泵在小排量柴油機(jī)上的應(yīng)用范圍，主要解決了以下幾個(gè)方面的問題：

1）對系統(tǒng)整體進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，滿足了小排量柴油機(jī)更高轉(zhuǎn)速的需求，轉(zhuǎn)速＞5 000 r/min；

2）提高了柱塞偶件精度和噴油泵噴射壓力，VE泵的噴射壓力高達(dá)145 MPa 以上，使燃油噴射更加均勻，降低了燃油消耗率，提高了效率，有效降低了顆粒物排放；

3）ECU 電控單元優(yōu)化，提高了運(yùn)算速度，運(yùn)算速度＞40 MIPS，完全滿足位置式VE 泵控制的需要；

4）優(yōu)化了提前器控制閥以及與其配套的位置傳感器精度，提高了測量活塞移動(dòng)距離，測量精度穩(wěn)定在0.01 mm，相當(dāng)于提高了噴油提前角的精度；

5）進(jìn)行了柴油機(jī)多工況的map 圖標(biāo)定。包括發(fā)動(dòng)機(jī)外特性標(biāo)定、整車駕駛性能標(biāo)定、排放標(biāo)定。

通過對VE 泵map 圖的實(shí)際匹配標(biāo)定，動(dòng)力性能和排放性能均取得了良好的效果，完全能夠滿足當(dāng)前非道路柴油機(jī)國三排放標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 提高發(fā)動(dòng)機(jī)制造精度以滿足電控VE 泵的需要

試驗(yàn)表明，發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮壓力、工作溫度等對電控VE 泵的燃油噴射特性有較大影響。穩(wěn)定的壓縮壓力，使油耗曲線比較穩(wěn)定，波動(dòng)小。壓縮壓力對燃油消耗影響較大，壓縮壓力波動(dòng)大，油耗變動(dòng)量大。

3.1 壓縮壓力對燃油消耗的影響

提高零部件制造精度，保證各缸的壓縮壓力基本一致，壓力差控制在3%以內(nèi)。壓縮壓力對燃油消耗的影響如圖1 所示。

3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)溫度控制對燃油噴射規(guī)律的影響

發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度對電控VE 泵的工作溫度有較大影響，通過試驗(yàn)測試，冷卻液溫度控制在（85±5）℃、機(jī)油溫度控制在（90±10）℃時(shí)，排放較為穩(wěn)定。

本文在發(fā)動(dòng)機(jī)溫度控制上采取了以下措施：

1）對發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，滿足最佳工作溫度需求；

2）控制機(jī)油溫度，使柴油機(jī)在最佳溫度狀態(tài)下工作。

圖1 壓縮壓力對燃油消耗的影響

本司設(shè)計(jì)了一個(gè)帶冷卻裝置的油底殼，經(jīng)散熱器冷卻后的出水進(jìn)入冷卻裝置，然后流經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行冷卻循環(huán)。此項(xiàng)技術(shù)獲得了專利。另外，保證最佳的機(jī)油工作溫度，對加快提高冷機(jī)狀態(tài)下的溫度也有好處。帶冷卻裝置的油底殼結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 設(shè)有冷卻機(jī)油的油底殼結(jié)構(gòu)

3.3 控制VE 泵的回油溫度

試驗(yàn)表明，燃油泵回油溫度對燃油噴射量的影響較大，對動(dòng)力性能有較大影響，隨之影響柴油機(jī)的排放性能。為了獲得最佳的回油溫度，本文設(shè)計(jì)了一款附帶散熱裝置的油箱，保證了最佳的回油溫度。

4 消除機(jī)油消耗量對排放的影響

柴油機(jī)在工作時(shí)通過活塞環(huán)與氣缸壁消耗的機(jī)油占總機(jī)油消耗量的70%以上，通過氣門油封消耗的機(jī)油占比約為10%，通過曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)消耗的機(jī)油占比約為10%。雖然機(jī)油消耗的產(chǎn)生部位不同，但絕大部分都參與燃燒并且其燃燒產(chǎn)物隨尾氣排出。機(jī)油參與燃燒并且燃燒產(chǎn)物隨尾氣排放的這一特點(diǎn)，決定了它對發(fā)動(dòng)機(jī)的顆粒物排放有著直接的影響。

可從以下幾個(gè)方面減少機(jī)油消耗，降低顆粒物排放。

4.1 優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)零部件加工精度，減少發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油消耗

缸體：采用一體化設(shè)計(jì)，增加柴油機(jī)機(jī)體的剛性；優(yōu)化冷卻水套設(shè)計(jì)，盡量減少缸孔變形；優(yōu)化鑄造后的熱處理工藝，提高材料硬度；優(yōu)化機(jī)加工工藝，如帶工藝缸蓋進(jìn)行缸孔精加工，減小缸孔的變形量。缸體密封性增強(qiáng)，使柴油機(jī)在熱狀態(tài)下變形量減少，阻力減小，有利于柴油機(jī)的冷起動(dòng)。

活塞：控制活塞壓縮高的精度，保證燃燒室容積，提高表面質(zhì)量。

活塞環(huán)：適當(dāng)增加油環(huán)的切向彈力、增大活塞環(huán)與氣缸壁面的接觸面積、優(yōu)化活塞回油孔的布置位置等。

曲軸箱通風(fēng)：曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化能提高油氣分離效率。設(shè)置二次分離機(jī)構(gòu)，增強(qiáng)分離能力，使沉淀干凈機(jī)油重新流入曲軸箱底部，使油氣分離更徹底，從而降低了機(jī)油消耗率。如圖3 所示。

圖3 曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

4.2 使用全合成機(jī)油

相比半合成機(jī)油或礦物機(jī)油，全合成機(jī)油穩(wěn)定性更好，在高溫下減少了機(jī)油的蒸發(fā)量，控制了氣缸壁面油膜蒸發(fā)，有利于減少灰分顆粒物排放。

4.3 控制柴油機(jī)工作時(shí)的最高溫度

機(jī)油溫度對機(jī)油消耗有較大影響，通過試驗(yàn)測得，柴油機(jī)的水溫控制在95 ℃以內(nèi)對機(jī)油消耗影響較小。所以，各終端機(jī)械在匹配時(shí)必須嚴(yán)格控制發(fā)動(dòng)機(jī)的最高水溫。

通過以上措施使柴油機(jī)的機(jī)油消耗率由原來的0.7 g/（kW·h）降低到0.4 g/（kW·h），從而降低了顆粒物的排放量。

5 噴油器的壓力設(shè)置與動(dòng)力的優(yōu)化匹配

通過對噴油器壓力進(jìn)行設(shè)置，對比排放測試結(jié)果可知，噴油壓力設(shè)置在11.5～12.5 MPa，可獲得比較理想的動(dòng)力特性曲線，經(jīng)濟(jì)性好，可靠性高。

6 進(jìn)氣量優(yōu)化

進(jìn)氣量的大小決定了活塞到達(dá)上止點(diǎn)時(shí)最終氣體壓縮量的大小，從而影響氣體壓縮壓力的大小。進(jìn)氣量偏差宜控制在0.5%以內(nèi)。優(yōu)化措施如下：

1）優(yōu)化氣道設(shè)計(jì)，尤其是進(jìn)氣道設(shè)計(jì)。試驗(yàn)表明，經(jīng)改進(jìn)的氣道提高了流量系數(shù)，增大了進(jìn)氣量，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，降低了燃油消耗率。

2）將氣門間隙的偏差控制在0.05 mm 以內(nèi)。

3）將配氣相位的制造總偏差控制在2°CA 以內(nèi)。

4）控制氣門的泄漏量。

經(jīng)過對發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)的優(yōu)化和對VE 泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)，發(fā)動(dòng)機(jī)排放完全滿足非道路柴油機(jī)國三排放標(biāo)準(zhǔn)要求，為即將實(shí)行的非道路柴油機(jī)國四排放標(biāo)準(zhǔn)奠定了基礎(chǔ)，拓寬了電控VE 泵在小排量多缸柴油機(jī)上的應(yīng)用，經(jīng)濟(jì)性好，可靠性高，降低了產(chǎn)品的制造成本，市場前景良好。

7 結(jié)論

經(jīng)過對電控VE 泵進(jìn)行優(yōu)化、對柴油機(jī)設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)以及對噴油器壓力進(jìn)行調(diào)整，使小排量多缸柴油機(jī)的排放得到了控制，解決了非道路小排量多缸柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)的難題，為小排量非道路柴油機(jī)國四排放標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)行奠定了基礎(chǔ)。該優(yōu)化方案拓寬了電控VE 泵的應(yīng)用范圍，市場前景良好。