簡要介紹柴油機(jī)管理系統(tǒng)的功能和應(yīng)用

只有適應(yīng)各種燃油品質(zhì)和不同的使用環(huán)境，柴油車才能在全球市場得到推廣。因此，整個發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)應(yīng)集成3項技術(shù)：（1）能適應(yīng)各種燃油特性的噴油系統(tǒng)組件；（2）能優(yōu)化燃燒過程的控制技術(shù)；（3）在各種行駛條件和使用環(huán)境下能提供高廢氣凈化效率和高燃油效率的排氣后處理系統(tǒng)。介紹能實現(xiàn)上述目標(biāo)的新型柴油機(jī)管理系統(tǒng)。

0 前言

全球范圍內(nèi)針對汽車的排放法規(guī)日益收緊，從保護(hù)環(huán)境的角度出發(fā)，削減CO2排放的需求不斷高漲，而汽車是CO2的主要排放源之一。因此，采取有效的排放措施以削減CO2排放量的需求已經(jīng)變得極為迫切。

在提高燃油效率的技術(shù)中，除了以混合動力車為代表的利用電能作為輔助手段的汽油車外，對于熱效率高、燃油經(jīng)濟(jì)性優(yōu)異的柴油車而言，即使在至今未真正普及的日本等國，也以清潔型柴油機(jī)的全新形象掀起一股熱潮。此外，在對物流行業(yè)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展等不可或缺的大型商用車及農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域，除柴油機(jī)外，尚未出現(xiàn)其他可替代的動力裝置。因此，可以想象，以經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展的新興國家為中心，柴油車的銷售量將會不斷增加。

柴油車銷售區(qū)域不斷擴(kuò)大將對燃油系統(tǒng)產(chǎn)生諸多影響。在先進(jìn)國家，為了適應(yīng)以歐6為代表的強(qiáng)制性排放法規(guī)，噴油壓力還將進(jìn)一步提高。另外，2030年以后，預(yù)計化石燃料將會逐步減少，取而代之的或許是生物燃料和合成燃料，因此，在技術(shù)上也必須準(zhǔn)備相應(yīng)的對策。

另一方面，新興國家亦會效仿先進(jìn)國家，不斷強(qiáng)化排放法規(guī)和燃油耗標(biāo)準(zhǔn)，可以想象，共軌噴油系統(tǒng)的應(yīng)用將會不斷普及和擴(kuò)展，為此，必須解決因采用當(dāng)?shù)厝剂隙斐傻娜紵▌蛹皣娪拖到y(tǒng)零部件損壞等問題。

如上所述，作為先進(jìn)國家和新興國家未來的柴油車技術(shù)，“高壓化”和“燃料多樣化”等已成為重要的關(guān)鍵詞。

1 開發(fā)理念

在這樣的背景下，確定了本項研究的目標(biāo)，即開發(fā)出不限地域和燃料種類的、能推進(jìn)柴油車普及的發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)（EMS）。

為了開發(fā)出能在各地區(qū)對燃料具有很強(qiáng)適應(yīng)性并具有優(yōu)異性能的EMS系統(tǒng)，研究人員從噴油系統(tǒng)組件、系統(tǒng)控制技術(shù)及排氣后處理系統(tǒng)應(yīng)有的結(jié)構(gòu)著手，進(jìn)行了各種嘗試。圖1示出了各系統(tǒng)的開發(fā)理念和目標(biāo)。

圖1 EMS概念示意圖

1.1 噴油系統(tǒng)組件

噴油系統(tǒng)的主要組件包括：（1）對于各種特性的燃料都具有高效率、低燃油耗優(yōu)勢，并且在安裝方面也具有小型緊湊、堅固耐用特點的新型噴油器；（2）具有高效率、低燃油耗特性的高壓供油泵。

1.2 噴油系統(tǒng)控制技術(shù)

控制單元的功能是，支持各組件發(fā)揮各自的特性，即檢測燃油特性，然后據(jù)此修正噴油特性，以確保柴油機(jī)處于良好的燃燒狀態(tài)，維持優(yōu)異的燃油經(jīng)濟(jì)性。在提高排放性能的同時，確保車輛的加速性等駕駛性能。此外，一旦檢測出可能對系統(tǒng)組件造成傷害的燃油特性，則立即發(fā)出更換燃油的警示，從而保證車輛的長時間行駛。

1.3 排氣后處理系統(tǒng)

排氣后處理系統(tǒng)的開發(fā)目標(biāo)如下：在各種行駛條件及使用環(huán)境下，都能維持高凈化效率，抑制燃油經(jīng)濟(jì)性的惡化，并且在不依賴基礎(chǔ)設(shè)施的前提下發(fā)揮排氣后處理功效。由此，開發(fā)出能適用于各種地域環(huán)境的高效率排氣后處理系統(tǒng)。

綜合上述3項技術(shù)的EMS系統(tǒng)將為普及清潔型柴油車作出貢獻(xiàn)。下文將針對這三項EMS構(gòu)成要素進(jìn)行詳細(xì)說明。

2 噴油系統(tǒng)組件

為了實現(xiàn)柴油車清潔、舒適的行駛，對于噴油系統(tǒng)組件，要求其具有高效率、高性能、高精度，以及對環(huán)境的適應(yīng)性等各種性能。其中，為了適應(yīng)世界各地的使用環(huán)境，不得不面對的是由不同燃料誘發(fā)的各種技術(shù)難題。因此，為了實現(xiàn)上述理念，關(guān)鍵在于如何適應(yīng)燃料和使用環(huán)境方面的多樣性。

2.1 噴油器

圖2示出了傳統(tǒng)噴油器的結(jié)構(gòu)，由控制腔中的的壓力和噴嘴腔中的壓力控制噴油量。控制腔中的壓力產(chǎn)生向下的作用力，并通過指令活塞傳遞給噴嘴針閥。

圖2傳統(tǒng)噴油器的結(jié)構(gòu)

為了適應(yīng)各地區(qū)不同的燃料特性，噴油系統(tǒng)組件必須具備良好的性能可靠性，從而可以燃用生物燃料、合成燃料等多種燃料，并且能在燃料品質(zhì)管理不甚完備的新興國家、甚至可能出現(xiàn)異物混入的特殊情況下使用。因此，為了在車輛整個使用壽命期內(nèi)保證穩(wěn)定工作，必須防止因沉淀物或雜質(zhì)等嵌入系統(tǒng)滑動部位而引起的工作不良。一般認(rèn)為，盡量減少滑動部位的微米級間隙是較為有效的措施。在傳統(tǒng)的噴油器結(jié)構(gòu)中，在指令活塞和噴嘴針閥處是有滑動部位的。

此外，隨著高壓化的進(jìn)展，將燃油泄漏量降到極限是另一個重要策略。隨著壓力的升高，經(jīng)由滑動部位或節(jié)流處的燃油從高壓部位向低壓部位的泄漏量將會急劇增加。高壓燃油轉(zhuǎn)為低壓燃油時，其壓力能轉(zhuǎn)化成熱能，所以，供油泵和噴油器的結(jié)構(gòu)零部件將會因受熱而達(dá)到高溫。由于燃油溫度的上升，燃油動黏度降低，這又將進(jìn)一步促進(jìn)泄漏量增加，從而形成惡性循環(huán)。

由此產(chǎn)生的結(jié)果是，滑動部位潤滑不良，接口等樹脂零件受熱損壞，氧化穩(wěn)定性較低的高濃度生物燃料等產(chǎn)生沉淀物，以及為了對多余浪費的燃料進(jìn)行加壓而使供油泵的做功量徒然增加，導(dǎo)致燃油經(jīng)濟(jì)性惡化。

為了解決上述課題，以適應(yīng)各種燃料為目的，減少滑動部位數(shù)量，并且隨著高壓化的推進(jìn)，盡量減少燃油泄漏量，最終開發(fā)出的全新噴油器（G4S）結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 G4S噴油器的結(jié)構(gòu)

將傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中設(shè)置在噴油器上部的電磁閥執(zhí)行器布置在噴油器內(nèi)部，在噴嘴正上方設(shè)置控制腔，從而可取消作為滑動部件之一的指令活塞。這樣可以消除在滑動部位產(chǎn)生的靜態(tài)燃油泄漏。

在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，噴嘴上部還設(shè)置有低壓腔，所以在噴嘴針閥的滑動部位也會產(chǎn)生燃油泄漏。在新設(shè)計的結(jié)構(gòu)中，噴嘴上方是高壓腔，因此這一滑動部位不再會產(chǎn)生靜態(tài)燃油泄漏。

由此，在新開發(fā)的G4S噴油器中，無論是在噴油狀態(tài)下，還是非噴油狀態(tài)下，靜態(tài)燃油泄漏量都可能為零。

另外，噴油時控制閥動作過程中產(chǎn)生的動態(tài)燃油泄漏應(yīng)盡可能少。為此，按全新概念設(shè)計的三通閥允許泄漏的燃油量只相當(dāng)于針閥運動過程中擠壓出去的容積（圖4）。以下將對其作詳細(xì)介紹。

圖4新概念控制閥[4, 5]

傳統(tǒng)噴油器中的控制閥是雙通閥，只能開啟或關(guān)閉與控制腔連通的低壓油路。當(dāng)開啟控制閥噴射燃油時，高壓燃油流入控制腔中，這部分燃油有可能會泄漏到低壓油路中，產(chǎn)生動態(tài)燃油泄漏。

為了盡量減少動態(tài)燃油泄漏量，通過切換控制腔及與之連通的油路，在噴油過程中關(guān)閉高壓油路，以防止高壓燃油流入，為此必須采用三通閥。研究人員已在壓電式噴油器中采用三通閥，這是因為只有壓電元件的大驅(qū)動力才能實現(xiàn)這一結(jié)構(gòu)，而電磁閥式噴油器則比較困難。

此次研發(fā)的重點是如何使電磁閥式噴油器成功應(yīng)用三通閥的功能。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，在控制腔中新增1塊具有出油量孔的控制板。噴油時，控制板與圖4中的上平面貼緊，控制腔中的燃油經(jīng)由出油量孔排出，控制腔中的壓力降低并開始噴油。此時，控制板將高壓油路堵死，防止高壓燃油流入。采用雙通閥時噴油過程中產(chǎn)生的動態(tài)燃油泄漏量被限制在針閥上升所必需的容積范圍內(nèi)。噴油結(jié)束時，利用控制板上下的壓差，使高壓燃油從進(jìn)油量孔充滿控制腔，控制腔內(nèi)變成高壓，此時針閥下降并結(jié)束噴油。

圖5是實際G4S噴油器的結(jié)構(gòu)。由于取消了指令活塞，將電磁閥布置在噴油器內(nèi)部，與傳統(tǒng)噴油器相比，結(jié)構(gòu)更加緊湊。并且由于取消了指令活塞，減少了滑動部件，從結(jié)構(gòu)性能上來說，新噴油器在異物混入和沉淀物方面具有更高的可靠性。此外，由于在噴嘴正上方導(dǎo)入高壓燃油，在高壓燃油與低壓燃油之間不存在滑動部位，所以，在結(jié)構(gòu)上不會產(chǎn)生靜態(tài)燃油泄漏。

圖5 G4S噴油器的結(jié)構(gòu)[4, 5]

圖6是實際測量得到的燃油泄漏量。正如預(yù)期的那樣，靜態(tài)燃油泄漏量為零，動態(tài)燃油泄漏量可以控制在必要的最小量范圍內(nèi)。結(jié)果確認(rèn)，新噴油器的燃油泄漏量可被降低至傳統(tǒng)噴油器的1/6～1/8水平。

圖6燃油泄漏量的比較[4, 5]

2.2 供油泵

這里介紹高壓供油泵的開發(fā)過程。供油泵開發(fā)的重點是，對各地區(qū)的燃料都具有良好的適應(yīng)性，防止因異物造成柱塞滑動故障，以及如何減少燃油泄漏量等。

由于進(jìn)油油路的節(jié)流作用，在進(jìn)油調(diào)量式供油泵中，只吸入必要的燃油量，并將其壓送到共軌和噴油器中。當(dāng)柱塞下行時，由于油路中節(jié)流的影響，柱塞腔中形成負(fù)壓，產(chǎn)生穴蝕。在這樣的狀態(tài)下，柱塞上升，柱塞腔內(nèi)的燃油被迅速壓縮（快速壓縮可減少熱量逃逸），形成高溫，這一高溫促使燃料中的碳出現(xiàn)沉淀。

為此，本次研發(fā)中，研究人員采用預(yù)行程控制閥（PCV）結(jié)構(gòu)，即全量吸入而只壓送必要量的燃油，從原理上避免了沉淀物的產(chǎn)生（圖7）。這樣，在進(jìn)油時沒有節(jié)流作用，油路中不會產(chǎn)生負(fù)壓，抑制了穴蝕的產(chǎn)生，從而可防止產(chǎn)生沉淀物。

圖7新型高壓供油泵[6]

其次，針對減少燃油泄漏的措施進(jìn)行研究。隨著柱塞上升，柱塞腔中的壓力升高，從間隙僅數(shù)微米的滑動部位會產(chǎn)生高壓燃油泄漏。如前所述，燃油壓力越高，泄漏量就越大，并且由于壓力能轉(zhuǎn)化成熱能，所以泄漏量越多，泵體溫度就會越高。

為了達(dá)到抑制泵體溫度的目的，將相對低溫、低壓的燃油壓送到滑動部位附近的殼體中，采用了全新設(shè)計的冷卻槽結(jié)構(gòu)（圖8（a））。由于殼體被冷卻，使燃油溫度降低，抑制了動黏度的降低，從而達(dá)到了減少滑動部位燃油泄漏的目的。

圖8（b）示出了新結(jié)構(gòu)的高壓供油泵（HP7）性能與傳統(tǒng)供油泵的比較。試驗證明，在300 MPa的超高壓條件下，由于設(shè)置了冷卻槽，與之前相比，泄漏燃油的溫度約降低70℃。這樣，由于通過降低泄漏燃油的溫度減少了泄漏量，使吸入并壓縮的高壓燃油可被有效地壓送到共軌和噴油器中。與傳統(tǒng)系統(tǒng)200 MPa的條件相比，HP7高壓供油泵雖然采用300 MPa的高壓，但卻能獲得同等甚至更高的容積效率（圖8（b））。

圖8新型供油泵及其性能比較[6]

3 噴油系統(tǒng)控制技術(shù)

為了最大限度發(fā)揮噴油系統(tǒng)組件的性能，下面將介紹支持這些組件功能的噴油系統(tǒng)控制技術(shù)。

3.1 智能噴油精度修正技術(shù)（i-ART）

到目前為止，研究人員已經(jīng)成功開發(fā)出i-ART系統(tǒng)，即將壓力傳感器設(shè)置在噴油器內(nèi)部，檢測因噴油而產(chǎn)生的壓力變動，從而推定噴油特性（圖9）。將各種運行條件下的目標(biāo)噴油特性作為標(biāo)準(zhǔn)模型值存儲在發(fā)動機(jī)電控單元（ECU）內(nèi)，通過反饋控制，使實際噴油特性與模型值保持一致，修正個體樣本之間的噴油特性偏差，以及其生命周期內(nèi)因工作時間延長而引起的各種波動。

圖9 i-ART系統(tǒng)[7]

下面將介紹作為噴油系統(tǒng)控制技術(shù)的i-ART系統(tǒng)。燃油特性對燃燒特性和潤滑特性都有很大的影響。所以，對于車輛性能和可靠性來說，燃油特性檢測是非常重要的技術(shù)。換言之，為了確保輸出功率、排放和駕駛性能，基于燃油特性實時反饋噴油定時等噴油特性參數(shù)，從而優(yōu)化燃燒過程，這是最理想的方法。例如，低十六烷值（CN）的燃料著火性較差，難以實現(xiàn)氮氧化物（NOx）排放與CO2排放之間的平衡，如能利用i-ART系統(tǒng)檢測燃料的十六烷值，就有可能使上述排放性能得到改善。

圖10示出了利用i-ART系統(tǒng)檢測十六烷值，并根據(jù)十六烷值反饋相應(yīng)噴油定時的實例。試驗條件是采用配裝2.2 L發(fā)動機(jī)的車輛（車輛質(zhì)量1.5 t），在新歐洲行駛循環(huán)（NEDC）下進(jìn)行評價。采用CN=40的燃料時，即使噴油定時相同，由于著火時間延遲，會導(dǎo)致燃燒惡化。因此，與采用CN=57的燃料相比，其NOx-CO2的平衡關(guān)系會變差。因此，如能檢測出燃料的十六烷值為40，則可以推定著火延遲時間，將噴油定時提前，以獲得與CN=57的燃料相同的著火時間。由此，可以在燃用CN=40的燃料時，改善NOx-CO2之間的平衡關(guān)系，獲得與CN=57的燃料相近的特性。

圖10檢測燃油特性的效果[3]

這里，介紹檢測燃料十六烷值的方法。利用噴油量和扭矩隨十六烷值（著火時間）的變化而變化的特性進(jìn)行相關(guān)的研究。車輛在行駛過程中減速時是不噴油的，但此時如噴射微小的燃油量，則著火時間會隨著十六烷值的不同而發(fā)生變化，與之相應(yīng)的扭矩（發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速）也會隨之產(chǎn)生變化。因此，通過檢測發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，可以推斷出燃料的十六烷值。

但是，在通常的噴油系統(tǒng)中，無法判斷究竟噴射了多少燃油，所以，即使采用這種方法，也會因精度不高而無法付諸實用。

對此，如前文所述，i-ART系統(tǒng)由于可以推定噴油特性，從而可以準(zhǔn)確地檢測出噴油量。因此，可以從發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的變化檢測出與噴油量相應(yīng)的扭矩波動，從而正確地推定燃料的十六烷值。

3.2 對于燃燒性能的考察

前文已介紹了對于各地區(qū)的各種燃料都有很強(qiáng)適應(yīng)性的噴油系統(tǒng)組件及系統(tǒng)控制技術(shù)的開發(fā)情況。下面就對輸出功率、排放及駕駛性能具有直接影響的燃燒性能，以及i-ART系統(tǒng)的功能定位進(jìn)行說明。

前文所述對各種燃料具有極強(qiáng)適應(yīng)性的噴油系統(tǒng)組件所構(gòu)成的噴油系統(tǒng)在確保發(fā)動機(jī)可靠性方面已具備足夠的性能，但在燃燒性能方面仍不是最為理想的。

此外，雖然利用缸內(nèi)壓力傳感器等直接檢測燃燒狀態(tài)并反饋最佳值的方法是最為理想的[9, 10]，但從成本和安裝性來看，有些車輛未必能夠安裝此類傳感器。

因此，將對燃料具有很強(qiáng)適應(yīng)性的噴油系統(tǒng)組件與可以利用i-ART檢測燃料特性的噴油系統(tǒng)控制技術(shù)結(jié)合起來，就可以構(gòu)成適用于各國及各種燃料特性的最佳噴油控制系統(tǒng)。

另外，由于可以保證在整個使用壽命期內(nèi)實現(xiàn)最佳的噴油， i-ART系統(tǒng)已成為確保燃燒穩(wěn)定的一種有效輔助手段。

4 排氣后處理系統(tǒng)

迄今，研究人員一直在致力于降低EMS的復(fù)雜程度和成本，并充分發(fā)揮柴油車的燃油經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢，旨在改善其市場地位，推動所謂“柴油機(jī)革命”的進(jìn)展。

將“智能”（可實時反饋噴油特性的i-ART系統(tǒng)）與“動力”（最高噴油壓力可達(dá)到250 MPa乃至300 MPa的超高壓第4代共軌系統(tǒng)）融合在一起，最終目的是創(chuàng)造出迄今所沒有的全新商品價值。

在這樣的方針下，如前所述，研究人員將具有廣泛適應(yīng)性的噴油系統(tǒng)組件與i-ART系統(tǒng)的功能有效地結(jié)合起來，成功地開發(fā)出新一代的噴油系統(tǒng)控制技術(shù)。

然而，如果只對噴油系統(tǒng)進(jìn)行改善，那么，即使對燃料特性的分散程度可以提出最佳解決方案，但對于減少排放和改善燃油經(jīng)濟(jì)性來說，其效果也是有限的。因此，要在超乎設(shè)想的燃料特性和環(huán)境條件下實現(xiàn)低排放性能，就必須開發(fā)出性能穩(wěn)定、低成本、安裝方便的排氣后處理系統(tǒng)。

初步方案是進(jìn)一步提高選擇性催化還原（SCR）裝置和稀氮氧化物捕集器（LNT）的性能，但最終是要實現(xiàn)不依賴于基礎(chǔ)設(shè)施的排氣后處理系統(tǒng)。

此次研究是對現(xiàn)有的SCR和LNT添加電氣輔助手段所構(gòu)成的系統(tǒng)可行性方案進(jìn)行調(diào)查。隨著法規(guī)限值的不斷強(qiáng)化，燃油經(jīng)濟(jì)性改善技術(shù)的新進(jìn)展，以及各種行駛循環(huán)的導(dǎo)入，NOx催化劑的低溫凈化性能變得越來越重要。為此，研究人員看準(zhǔn)將來蓄電池電壓升高及混合動力車的電動化趨勢，研究有效利用電能并將等離子作為排氣后處理輔助手段的潛在可行性。

圖11示出了在NEDC工況，以及將來的全球統(tǒng)一輕型車測試循環(huán)（WLTC）工況下行駛時的催化劑進(jìn)口溫度。試驗采用配裝2.2 L發(fā)動機(jī)和自動變速器的車輛（車輛質(zhì)量1.2 t）。在所有的行駛工況下，催化劑達(dá)到激活溫度（200℃左右）的時間都在10 min以上，期間NOx未被凈化而是直接排出。預(yù)測今后NOx法規(guī)還將進(jìn)一步被強(qiáng)化，所以，為了降低這一過程中的NOx排放，必須采用某種升溫手段。

圖11各種工況下的催化劑溫度

此次研究中，針對基于等離子的電氣輔助手段降低NOx排放的效果進(jìn)行預(yù)測評估。圖12是這次試驗的系統(tǒng)示意圖。將模擬排氣的氣體導(dǎo)入等離子反應(yīng)器，確認(rèn)下游LNT催化劑的吸附功能。用電爐調(diào)整LNT的溫度，研究各種條件下的溫度特性。圖13示出了試驗結(jié)果。采用更細(xì)的電極，以及進(jìn)一步提高電解強(qiáng)度的放電反應(yīng)器，提高了能量效率，將低排氣溫度下氧化NO的燃油經(jīng)濟(jì)性惡化率控制在0.5%左右的極低值。圖13（a）示出了與等離子供給能量相對應(yīng)的NO→NO2轉(zhuǎn)化效率，當(dāng)施加能量達(dá)到某一程度，即使在常溫下，也可以得到高轉(zhuǎn)化效率。因此，可以期待催化劑具備充分的吸附量。圖13（b）示出了等離子輔助LNT與尿素SCR裝置的NO2凈化率比較，由結(jié)果確認(rèn)，即使與尿素SCR相比，等離子輔助LNT從常溫開始就具備更高的凈化效率。

圖12試驗系統(tǒng)示意圖

圖13 NOx凈化性能的比較

5 結(jié)語

綜上所述，為促進(jìn)柴油車普及應(yīng)用所制定的研發(fā)目標(biāo)是成功開發(fā)不限地域、不限燃料品種的EMS。理想的EMS應(yīng)由3項基本技術(shù)整合而成：（1）能適用于各種燃料的高效率、低燃油耗、小型緊湊且經(jīng)久耐用的噴油系統(tǒng)組件；（2）為了支持噴油系統(tǒng)組件工作，必須具備可以檢測出燃料特性、實現(xiàn)最佳燃燒的噴油系統(tǒng)控制技術(shù)；（3）能在各種行駛條件及工作環(huán)境下實現(xiàn)高凈化效率和優(yōu)異燃油經(jīng)濟(jì)性的排氣后處理系統(tǒng)。以實現(xiàn)“柴油機(jī)革命”為目標(biāo)，研究人員今后還將不斷開發(fā)更新的技術(shù)。