小型非道路用共轨直喷式柴油机的技术理念

【日】 T.Hasegawa T.Kuno K.Kita A.Kai Y.Takemura O.Yoshii T.Okazaki H.Miyazaki

小型非道路用共轨直喷式柴油机的技术理念

【日】 T.Hasegawa T.Kuno K.Kita A.Kai Y.Takemura O.Yoshii T.Okazaki H.Miyazaki

近年来，由于对工业用发动机运行平顺性和低燃油耗方面的要求日益提高，因此，要求农业、园林及工程机械等非道路用发动机具有高功率、低燃油耗和低噪声的特点。此外，即使是小型发动机，其电子控制装置的发展趋势也需保持一致。基于这些背景，开发了采用共轨燃油喷射系统的新型非道路用直喷式柴油机，以满足上述要求。评述了在小排量非道路用柴油机上采用共轨燃油喷射系统，以及优化燃烧系统和喷油特性的技术。

直喷式柴油机 共轨燃油喷射系统 进气涡流 喷油参数

0 前言

小型非道路用柴油机需要具有高度的灵活性，以适应各种不同的用途。因此，即使在同一种柴油机上，也必须具备不同的额定功率、额定转速和扭矩储备。为了获取这些特性，柴油机通常采用机械式直列喷油泵，并与调速系统一起进行功率调整。尽管如此，为了实现柴油机性能的根本改进，并匹配电子装置，同时由于直列喷油泵许用压力对高压喷射的限制，以及较难实施精细的电子控制，继续采用当前的喷油系统已是不切实际的。所以，为了适应当前的市场趋势，日本久保田公司开发了采用共轨燃油喷射系统的新型柴油机系列。

为了保持柴油机的装配兼容性，开发了新型输油泵。该输油泵没有集成的驱动轴，以保持当前的传动机构布置，因此，其结构非常紧凑，可以不安装在目前的直列喷油泵上，而是将其安装在柴油机本体上。为了充分利用共轨燃油喷射系统的优势，根据柴油机转速和负荷条件，对喷油定时、喷油压力和喷油规律等参数进行优化。此外，通过计算流体动力学（CFD）模拟，确定最佳的喷孔规格、燃烧室形状和压缩比。

1 发动机的技术规格

作为开发目标，新型柴油机系列是具有相同缸径、行程和排量的当前机型系列的进一步拓展。新型柴油机系列由3款机型组成，其主要技术规格如表1所列。

此外，新机型还可满足当前排放标准的要求（表2）。特别是按照功率输出范围，新型2.4 L涡轮增压柴油机的排放应该不仅低于其他自然吸气柴油机，而且还应该低于已通过美国环境保护署（EPA）第2阶段（Tier 2）认证的2.4 L涡轮增压直喷式柴油机的水平。

表1 新型柴油机的主要技术规格

表2 美国非道路用柴油机排放标准限值

2 共轨燃油喷射系统

如图1所示，新型柴油机系列采用的共轨燃油喷射系统由输油泵、燃油轨和喷油器组成。高压燃油从输油泵进入燃油轨，然后在规定的喷油压力和喷油定时条件下，按规定的喷油规律被喷入燃烧室。每个喷油器上的电磁阀根据发动机转速、负荷及其他工况参数，通过发动机电控单元，对喷油进行控制。

图1 共轨燃油喷射系统

3 燃油系统比较

与通过EPA Tier 2认证的采用机械式直列喷油泵的直喷式柴油机相比，新型柴油机由于使用了共轨燃油喷射系统，喷油压力约为原来的2倍，促进了燃油的雾化。

为了实现较高的喷油压力，考虑采用可实现高燃-空比混合气的喷孔直径和喷孔数。喷雾贯穿距是得到最佳喷油器参数的重要因素之一。CFD模拟方法是预测贯穿距的有效手段。EPA Tier 2认证机型和新型柴油机的喷雾贯穿距比较如图2所示。这里未考虑喷雾蒸发的影响，因为喷雾是在实际缸内条件下计算的。将2款柴油机设定相同的喷油始点，以便于比较。此外，基于相同的原因，并未考虑新型柴油机的预喷。在喷油早期，2种喷雾的差别并不大，但新型柴油机的最大喷雾贯穿距要比Tier 2机型的大得多。因此，最后确定的喷油系统技术规格如表3所列。

图2 喷雾贯穿距的比较

表3 喷油系统的技术规格

4 燃烧室

在设计燃烧室的形状时，应考虑用上述喷油参数实现高燃-空比的混合气。通过CFD模拟，确定了可形成适当涡流比的燃烧室形状（图3）。此外，整体CFD模型示于图4，左侧是排气道，右侧是进气道。

图3 燃烧室模拟

图4 CFD模拟模型

涡流对燃油与空气的混合起着重要作用，因此，EPA Tier 2柴油机配装机械式燃油系统后具有相对较高的涡流比。考虑到共轨系统的喷射压力较高，新型柴油机的目标涡流比要比机械式燃油系统的低，并利用喷油雾化使燃油与空气的混合更充分。2种燃油系统的模拟涡流强度示于图5。与Tier 2柴油机相比，新型柴油机燃烧室中燃烧阶段的涡流强度较低。

图5 燃烧室内的涡流强度

5 喷油规律

共轨燃油系统的主要特点是可实现多次喷射。为了使这一特点带来的效益最大化，对喷油规律进行了优化（图6）。尤其是为实现高功率、低燃油耗和低排放的目标，采用了相应的低压缩比，因此，针对低温下发动机起动和碳烟排放等方面可能存在的缺点，对喷油规律进行了精确控制。因为预喷射有助于提高冷起动条件下主喷射的可燃性，压缩比可从Tier 2柴油机的20降至18。在额定条件下，预喷射和后喷射的燃油量均为总燃油量的5％。

图6 喷油规律

6 外部冷却废气再循环（EGR）

如前文所述，2.4 L涡轮增压柴油机的排放应该比其他自然吸气柴油机的更低。因此，采用外部冷却EGR，以达到排放目标，并改善燃油耗。图7为由EGR冷却器、EGR阀和簧片阀组成的外部冷却EGR系统总体布置图，直流电机驱动的EGR阀由电控燃油系统控制。尽管整体布置可能会对非道路用发动机至关重要的紧凑性产生影响，但为了获得最佳的NOx-PM排放折中关系，应该在紧凑性与性能之间寻求最佳平衡。

图7 外部冷却EGR系统总体布置图

7 发动机性能

通过采用上述技术，实现了排放目标，同时也达到了功率输出和燃油耗等发动机性能要求。与经过EPA Tier 2认证的直喷式柴油机相比，新型柴油机在稳态C1～C8试验工况下的排放水平示于图8。

图8 废气排放水平

8 降噪措施

通过优化预喷射，控制初始燃烧压力的上升，可降低燃烧噪声（图9）。研究结果显示，可显著降低500～3 000 Hz频段的噪声，该频段噪声是燃烧噪声的主要组成部分。

图9 噪声降低的效果

此外，为了降低发动机噪声，通过优化活塞偏心距和外形，并增大发动机机体底部的加强肋厚度，改善了发动机机体的刚度，最终使发动机低怠速和高怠速工况条件下的噪声分别降低了4.2 d B（A）和3.2 dB（A）。

9 液压动力输出系统

新型输油泵的开发可以沿用辅助液压泵的现有安装方式。该输油泵没有可维持当前齿轮传动系统结构的集成驱动轴，因此，液压泵的动力可来自相同的位置（图10）。

新型喷油泵的喷油压力比当前直列喷油泵的高。因此，输油泵上的侧向力及凸轮轴表面上的比压也很高。为了减小侧向力，将输油泵安装在发动机本体上，从而使发动机本体有效分担该作用力。此外，为了使系统具有足够的润滑性，针对高比压，在凸轮轴上采用机油润滑系统。该措施可在柴油机本体改动最小的情况下提高耐久性。

图10 液压动力输出系统

10 发动机外形

图11为2.4 L涡轮增压柴油机的外形图。前文所述装置的组合与布置可实现更为灵活的安装。

图11 V2403-CR-TE3型柴油机的外形

11 结语

（1）在小型非道路用直喷式柴油机上采用共轨燃油喷射系统，实现了高功率、低燃油耗和低废气排放的目标。

（2）为使共轨燃油喷射系统的高压喷油具有更多优势，应用CFD模拟，对燃烧室形状和喷油器参数进行优化，从而获得合适的空燃混合气。

（3）该项目未采用带燃油喷雾蒸发和燃烧过程的CFD方法，后者将用于优化燃烧过程，以进一步降低废气排放，实现更佳的燃油耗值。

（4）在涡轮增压柴油机上采用外部冷却EGR系统，达到了废气排放目标，并进一步降低了燃油耗。

（5）在开发新型输油泵时，仍沿用辅助液压泵，该部件的组合与布置具有较高的安装灵活性。

[1]Yokomura H，Kohketsu S，Mori K.EGR system in a turbocharged and intercooled HD diesel engine：expansion of EGR area with venturi EGR system[J].Mitsubishi Motors Technical Review，2003，15.

[2]Sugimoto M，Matsuishi K，Okazaki T.Development of EGR system for industrial diesel engine using CFD approach[C].SAE Paper 2011-32-0635.

[3]Kuno T，Yoshii O，Higuchi K，et al.Techniques for lower exhaust emissions and higher power density in direct injection diesel engine[C].SAE Paper 2005-32-0051.

孙丹红 译自 SAE Paper 2012-32-0035

刘巽俊 校

虞 展 编辑

2013-05-15）

燃油系统