摘要：目前，虽然关于颗粒过滤器和降低N0 排放技术的讨论非常热烈，但是能将柴油机原始排放降至最低程度的喷油规律优化仍是开发低成本、低排放柴油机的关键技术。介绍了德国IAV公司和汉诺威大学燃烧技术研究所(ITV)合作开发的喷油系统，它由一个压力调制单元和一个压电直接控制喷嘴针阀的研究用喷油器组成，用来分析自由控制喷油规律，作为优化发动机燃烧过程的一种手段，该系统有高度灵活性，借助于用于商用车和轿车的两种结构设计方案，可对各种不同燃烧过程进行系统的试验研究。
关键词：直喷式柴油机 喷油系统 喷油规律
1 前言
今后几年，发动机制造业将面临废气排放法规不断收紧和排放限值不断降低的挑战，需要采用降低废气有害物质排放的各种机内和机外净化措施。
其中，喷油规律至今仍有很大可挖掘的潜力，它能使有害物质在其产生地就降低到最低程度。汉诺威大学1TV研究所开发了一种供试验研究用的、以直接作用式压电喷油器为基础的、灵活性好的共轨(CR)喷油系统。这种系统具有很大的自由度，有高度可控的动力学特性，喷油速度与喷油压力无关，并能自由选择喷油针阀升程。
试验研究用喷油器与一个压力调制单元相结合打破了迄今批量生产的喷油系统(从油泵一喷嘴系统压力控制喷油到共轨系统针阀控制喷油)众所周知的极限[3]。
在商用车应用领域内，ITV研究所已取得了液压、光学和发动机上的试验成果。ITV研究所与IAV公司又共同针对轿车发动机要求，对该系统进行了进～ 步开发。为此，除用一维模拟计算进行理论优化外，还进行了结构的改进，以便能用IAV 公司开发的试验性压电式FIRE(Flexible Injection and Ignition for Rapid Engineering)电控单元直接控制。本文介绍了在轿车应用领域的开发情况和初步试验结果。
2 目标
从当今技术水平来看，直喷式柴油机需花费较大的排气后处理费用才能达到未来严格的废气排放标准，特别是NO 和颗粒排放。通过不断开发喷油系统，喷油器的动态特性越来越好，喷油压力越来越高，再加上冷却EGR和氧化催化转化器，虽然能达到现今的排放标准，但似乎已达到极限，除采用颗粒过滤器外，还不得不采用降低N0x排放的技术。
目前，为达成公众的意愿，发动机制造商已开始采用颗粒过滤器。当然，缺点是除生产成本明显增加外，维护费用也相应增加，同时由于排气背压增大和系统的再生，使热效率降低(C 排放增多)。但原始排放方面优化的重点是可以在多大程度上满足欧4以后的排放标准，而避免采用成本很高的机外降低NOx的技术。因此，今后几年的重点是借助于机内净化措施，即喷油规律的优化。图1表示根据颗粒和NOx排放之间的折衷关系，为满足现在和未来的排放标准所面临的挑战。表1为从当今技术水平出发，对为实现这一目标所采用的喷油液压措施所作的评估。
图1 现在和未来排放限值的颗粒与NOx的折衷关系
表l 批量生产的喷油系统与双共轨喷油系统为优化燃烧过程的喷油液压措施比较
 3 系统介绍
直接作用式压电喷油器能用于全可变喷油规律的试验研究，这时在喷油压力不变的情况下其喷油速率受针阀升程的限制。在喷油嘴针阀与喷油嘴之间的针阀座处所形成的环形缝隙起着节流截面的作用。此处产生的空穴现象一方面加大了喷嘴的磨损(气蚀)，另一方面空穴随喷束喷入燃烧室中，影响了喷束的形成和分散。
除了针阀升程控制之外，还为喷油系统研制了一种压力调制单元，它能通过改变喷油期间的燃油压力来塑造喷油规律。
这样，就存在两种工作机理，能够用不同的方法对喷入燃烧室中的燃油进行时间和空间上的分配。不仅能在最高喷油压力和部分针阀升程下，而且也能在最大针阀升程和调制好的可变喷油压力下形成相同的喷油规律。
3．1 压电喷油器
试验研究用的、直接作用式喷油器的喷嘴针阀由一个压电执行器直接驱动，执行器的调节行程和调节力通过压力销传递到针阀上。针阀升程可大于200／．tm ，喷嘴完全开启或关闭的时间至少要150“rtl。
与目前批量生产的喷油器不同，这种试验研究用喷油器开启和关闭的速度与喷油压力无关，适当调制充电和放电电流或电压能任意调节针阀升程及其速度，它们有以下关系：(1)充电和放电电流强度决定针阀速度；(2)压电执行器的电压决定针阀升程。
喷油器的最高喷油压力超过2O0 MPa，其任意改变喷油规律和最小喷油量的能力已由文献[1]中的液压试验结果证实。图2为这种喷油器的剖面图及其零件名称。
图2 直接作用式压电喷油器剖面图
3．2 压力调制
双共轨压力调制单元可改变喷射过程中的喷油压力，它借助于通往喷油器的高压管路中两个压电式比例阀(PPV)将两路分开保持的燃油压力合成。图3为液压管路图。压力调制单元转换时所面临的主要挑战是尽可能大的压力变化速率与足够大的流通截面尺寸之间的矛盾。虽然小的流通截面能产生很大的压力梯度，但是喷油器供油管路中的节流损失也会突然随之增大。优化设计提供了足够的管路截面积，并且尽量避免不必要的有害容积，因此在零部件设计开始就要尽量将高压管路长度缩至最短。
图3 双共轨压力调制单元液压系统图
借助于一维等效液压系统图确定所有零部件及其装置需符合实际喷油情况的边界条件，这样就能在发动机上优化储存容积、管路截面和长度以及零部件的结构型式。双共轨的一个初期结构方案被用于验证模拟计算结果。
3．3 高压的产生和储存
共轨电动燃油泵向分开的两条独立管路供油，并借助于压力调节阀在其中建立起各自所要求的燃油压力。燃油从各压力储存器(共轨)流人一个PPV阀，并由此经一根联合管路输往压电喷油器。PPV阀直接安装在喷油器附近，其工作由上述压电喷油器控制。考虑到耐压强度和耐磨性，喷油器的喷嘴作为一种阀，对其结构进行了重大修改，选择了很大的压力室直径，喷嘴端部较大，使其中各喷油孔相距较远。压力调制单元的技术数据概括如下：(1)最大压力升高速率一150 MPa／ms；(2)共轨I／Ⅱ压力范围=0---200 MPa；(3)共轨I／Ⅱ储存容积：0．4 L。
3．4 潜力
与迄今发表的对压力调制的评价[8．9]相比，与直接作用式压电喷油器组合的双共轨系统显示出一些优点：储存的两路燃油压力只决定最低和最高喷射压力，两者之间可以更高的灵活性改变其压力梯度；大部分喷油量能在不同的喷射压力下喷入，并且喷油规律能任意选择“靴形”或“斜坡形”。
由于压电喷油器开启速度很快，且与喷射压力无关，因此有可能在喷嘴针阀座处的瞬时节流作用不产生明显影响的情况下研究压力控制喷油的作用。
图4为产生“斜坡形”喷油规律所需的PPV 阀和压电喷油器的控制，它们是采用IAV公司开发的压电式FI RE电控单元I1 实现的。这种电控单元允许好几个压电执行器在高动态特性和1肚s的时间分辨率下以几乎任意的充放电曲线独立运行。喷油始点和PPV阀的开关时刻能精确到0．1℃A。此外，这种压电式FI RE电控单元还能控制更多的东西，例如共轨压力、EGR或增压压力等。
图4 产生“斜坡形”喷油规律的控制图
4 试验结果
作为降低发动机原始排放的主要途径，优化喷油规律的研究工作一直在进行，期望未来的研究工作能取得更广泛的成果。目前，借助于理论探索或模拟计算尚不能明确阐明最佳喷油系统的详细规格，因此只能从目前批量生产喷油系统的可能性及其限制中，以及从其他喷油系统的研究工作中获得的知识推断出供研究用喷油系统的基本要求。下面以液压、光学和发动机上的测试结果来阐明所述系统的潜力。
4．1 液压试验
一个很重要的要求是在滞燃期内限制喷油量的可能性，因为在该时期内喷入的燃油在开始自燃时会突然燃烧，着火的燃油越多，N0x排放和噪声就越高。因此喷油开始的初期喷油速率必须缓慢上升。为此，在压力调制喷射的情况下，应以低的喷射压力开始喷油，而在最高压力下结束喷油。
图5分别表示由针阀座节流和压力调制所形成的两种“斜坡形”喷油规律及其与“矩形”标准共轨喷射的比较。三种喷射的喷油量相同，图中同时画出了各喷油规律的相对标准偏差。它们均显示出良好的可重复性(主喷射阶段的相对标准偏差小于5 )。这种研究用喷油系统的不同变型均能以这样的重复性工作。
图5 由压力调制或针阀座节流产生的“斜坡形”喷油规律及其与“矩形”共轨喷油规律的比较
图6a和6b用喷油压力和针阀升程来说明形成这种液压方面相同喷油规律的机理，图中同时绘出了模拟计算结果。模拟计算值与实测值相当接近，因此研究用喷油系统的性能能根据等效液压系统图的模拟计算结果进行预测。
图6(a) 由压力调制形成的“斜坡形”喷油规律及相关曲线(实测／模拟计算)
图6(b) 由针阀座节流形成的“斜坡形”喷油规律及相关曲线(实测／模拟计算)
4．2 光学测试
即使上述“斜坡形”喷油规律(图5)的液压试验结果相同，但是发动机试验结果往往还会有明显的差别。为了研究这种影响的原因，在高速压缩机上进行了喷束形成的光学测试，这样可以在光学测试良好的可接近性情况下，用不同的测试方法来评价柴油机边界条件下的喷射试验结果。采用Mie氏散射法检测喷束的液态部分，还用纹影摄影法显示喷束的汽化部分。为了制作影像采用“La—Vision Ultra--Speed—Star16”高速CCD摄像装置，它能够连续分辨显示达l6幅图像(摄像频率：l MHz)，这对喷束起始和扩展的评价有重大帮助。
从图7中所示的两种斜坡形喷射的纹影照片可以看到，压力调制喷射和针阀节流喷射在喷束贯穿距相差不多的情况下形成喷束的喷雾锥角明显不同。显然，在针阀座节流部位形成了空穴，湍流的生成对喷束的扩展产生了明显的影响。当这种空穴爆裂时释放出的能量加速了喷束的分散，从而在喷嘴附近范围内形成明显较大的喷雾锥角。
图7 用纹影摄影法研究喷柬形成的光学测试结果
4．3 发动机试验结果
上述结果为在一台商用车用2 L、4气门无涡流单缸试验机上的试验奠定了基础。发动机试验结果与光学测试结果基本符合。在针阀座节流斜坡形喷射情况下，较强的喷束分散促进了喷射初期喷嘴附近的混合气形成，导致滞燃期较短，使燃烧开始得比压力调制喷射早。由于燃油汽化较快，为开始燃烧准备了较多的可燃混合气，使压力升高率以及最高燃烧压力和最高燃烧温度都较高，在颗粒排放差不多的情况下形成了较多的热N0 。
图8表示上述效果的典型例子，图中给出了部分负荷下两种不同喷油始点(4℃A B]rI)C和8‘℃A BTI)C)时的气缸压力曲线和归一化燃烧放热规律，相应的颗粒和N 排放见图9。排放测试结果指出了一个明确的趋势：斜坡形喷射具有较为有利的排放值，无论是所试验喷油规律的对比，还是喷油始点的移动均如此。根据各种试验结果的综合分析和研究用喷油系统的灵活性都显示出进一步改变喷油系统参数的巨大潜力。
图8 两种喷油始点时“斜坡形”喷射和“矩形”喷射的气缸压力曲线和燃烧放热规律(转速1 130r／min，循环供油量120rag，增压压力Q 06MPa，平均指示压力1．2～1．3MPa
图 9 图 8 所示负荷点和喷油规律对应的颗粒及 NOx 排放
5 结论和展望
本文介绍的研究用喷油系统能满足研究开发所需的基本要求。而且开发了新的控制自由度。为直喷式柴油机优化混合气形成创建了良好的开端。由于每个燃烧室需要两套控制阀和一个压电喷油器，以及两个独立维持的储存压力，设备费用较高，因此目前优先进行了单缸试验机的研究。近来，ITV研究所已在商用车发动机上进行相关的试验研究，并且已与IAV公司合作针对轿车发动机的特殊要求，在结构和液压方面进行喷射系统的匹配工作，以及试验性压电式FI。RE电控单元的实用化改进。针对商用车拟定喷射系统液压方案的根据是一维AMESim等效液压系统图，它在以前针对商用车发动机工况匹配的喷油系统方案中得到了验证。现在正在开发针对轿车发动机的方案。图1O表示PPC阀和压电喷油器可能的布置方案 为了尽量减少有害容积，该方案空间布置十分紧凑。轿车专用系统的开发状况可以根据液压试验结果来阐述。作为高度灵活性的证据，图11表示一个等间隔多次喷射的实例，它具有均匀的油量分配。喷射期间的喷油压力从30MPa升高至150MPa。图中同时列出了喷油压力和喷油规律的模拟计算曲线，它们与实测结果很一致。本文介绍的喷油系统可以作为一种研发工具，根据基础性的试验研究来论证未来喷油系统的技术规格。期望用双共轨压力调制单元与直接作用式压电喷油器的组合能够在喷油规律方面获得更广泛的知识，这不但对传统的多相燃烧过程，而且对均质压燃(HCa)过程都非常有价值。
图1O 轿车用双共轨系统在单缸试验机上的布置实例
图11 喷油量均匀分配的等间隔多次喷射
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