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摘自2004年9/10月《Automotive Design Asia》
噴射系統(tǒng)
Jeff Daniels
摘要 柴油噴射壓力已提高到2000巴，汽油直噴和壓電技術(shù)都變得越來越常見，因為燃油供給系統(tǒng)在不斷地改革。
大約在過去的五年中，汽車燃油供給技術(shù)發(fā)生了一場革命，其中變化最大的是柴油發(fā)動機(jī)，在直噴柴油機(jī)上運用了共軌系統(tǒng)，該系統(tǒng)安裝有壓電式噴油器，現(xiàn)在正受到人們越來越多的關(guān)注。在汽油發(fā)動機(jī)方面，現(xiàn)在也有往直噴技術(shù)發(fā)展的趨勢，但這種趨勢逐漸趨緩，而且并沒有都往這個方向發(fā)展，也有其它新的技術(shù)，諸如空氣引射技術(shù)，但受材料方面的影響進(jìn)展也較緩慢。
任何燃油供給系統(tǒng)最基本的功能是向每個汽缸供給足夠的燃油，通過這種方式與吸進(jìn)來的空氣混合并燃燒，當(dāng)然，燃燒得越完全越好。隨著對汽車排放要求的提高，對該方面的更精確控制變得很有必要。燃油供給系統(tǒng)不僅要改變循環(huán)供油量，同時要改變噴油正時和噴油位置。
在90年代中期，化油器式的汽油機(jī)各項性能還能基本達(dá)到要求，該技術(shù)是把然油和空氣在進(jìn)氣歧管前混合，當(dāng)進(jìn)氣門打開后，可然混合氣流經(jīng)進(jìn)氣歧管吸入氣缸，但該技術(shù)在控制方面并不精確。之后化油器的大量改進(jìn)針對的目標(biāo)首先是完美地控制每個氣缸混合氣的濃度和量，其次是克服系統(tǒng)高慣性的操空缺點，再次是完成良好的混和與完全燃油燃燒。
達(dá)到排放法規(guī)所規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)需要三元催化轉(zhuǎn)換器，所以法規(guī)一出臺，化油器變成為了歷史。有效的操作應(yīng)該是應(yīng)該是控制可然混合氣濃度，即在大多數(shù)情況下把濃度控制在理論空燃比附近。結(jié)果燃油噴射變得強制性了。歐洲沒有采用美國早期的解決方法（燃油在喉管噴射），而是致力于開發(fā)在每個氣缸安裝一個噴油器的獨立噴射技術(shù)。所有噴油器同步工作技術(shù)在90年代早期較為普遍，在配有優(yōu)化正時技術(shù)時，但是和排放方面的有些要求必須大量采用該方法。
此后，問題成為解決方法應(yīng)該向哪個技術(shù)方向發(fā)展。解決方案不斷出現(xiàn)：燃油經(jīng)濟(jì)性和低排放驅(qū)動了歐洲排放法規(guī)向前邁進(jìn)。通過提高壓縮比來提高熱效率的任何解決方法，只要排放達(dá)標(biāo)，都被受視為可行的。從燃油系統(tǒng)的觀點看，這將使汽油直噴技術(shù)推向關(guān)注前沿。
該技術(shù)首先引起廣泛關(guān)注是在解決了使稀燃發(fā)動機(jī)高效率工作后，使其在空然比圍50：1或者更稀的情況下運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。然而，即使不用高壓縮比（它涉及到對該系統(tǒng)復(fù)雜的控制程序作處理）直噴技術(shù)也有兩個特殊優(yōu)點：燃油在汽缸中的蒸發(fā)產(chǎn)生一個使爆燃可能性提高的冷卻效果它使壓縮比提高至11：1或12：1，或更高；另外缸內(nèi)燃油噴射的準(zhǔn)確性與現(xiàn)代所有發(fā)動機(jī)內(nèi)漩渦以及氣流混和的類型有關(guān)，此能力潛在地寫出了熱效率地提高和排放的降低。
當(dāng)大家還把注意力集中在靠稀燃技術(shù)來提高燃油經(jīng)濟(jì)性（部分負(fù)荷）直噴汽油機(jī)時，有著良好聲譽的歐洲制造商們已經(jīng)為純粹達(dá)到更高性能而采用了該技術(shù)，而且這樣也給他們帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，它不需要提高更寬范圍內(nèi)的混合氣濃度，而只需切換稀燃模式和理論空燃比模式。
歐洲最早把汽油直噴技術(shù)應(yīng)用到發(fā)動機(jī)上的制造商——雷諾，雖然沿用了稀燃技術(shù)，但又悄無聲息地放棄了該技術(shù)，并聲稱這個教訓(xùn)將對后續(xù)的發(fā)展有研究價值。
同時在日本，稀燃技術(shù)的研究仍在繼續(xù)（不止是雷諾的合作伙伴日產(chǎn)）；在德國，該技術(shù)已經(jīng)被接受，而且已經(jīng)在致力于其性能的提高。歐洲已經(jīng)證實了稀混和氣燃燒的發(fā)展沒有市場，因為它有高速的限制，且因此不能高負(fù)荷工作，這意味著第一代直噴式稀混合氣燃燒單元與傳統(tǒng)的發(fā)動機(jī)相比僅顯示了一點點經(jīng)濟(jì)性。
汽油直噴技術(shù)產(chǎn)生它本身的技術(shù)問題，許多問題已經(jīng)由與柴油共軌系統(tǒng)類似的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)解決了，盡管油更低的壓力和運作限制。汽油可在整個壓縮行程中噴射，它取決于電火花點火時刻，所以在柴油機(jī)中沒有必要用高流速，大多數(shù)柴油是在極短的時間內(nèi)流動。現(xiàn)代發(fā)動機(jī)有兩個最基本的要求：高電阻失火和可靠的火焰前焰?zhèn)鞑?，直噴發(fā)動能較容易地滿足這兩個要求。
與此同時，空氣輔助噴射的進(jìn)展卻不快，曾經(jīng)被視為很有前途的氣缸內(nèi)混合技術(shù)，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)該技術(shù)很難做得像氣缸內(nèi)氣流控制技術(shù)一樣精確，而氣流控制技術(shù)主要是得益于越來越復(fù)雜的計算機(jī)分析。
在將來，可以坦白地說，柴油共軌系統(tǒng)所采用的任何技術(shù)都能潛在得應(yīng)用到汽油直噴技術(shù)中。然而系統(tǒng)壓力似乎不能再高了，但趨勢還是上升的。由于高速氣流使得噴油正時有更多機(jī)動性。汽油系統(tǒng)對預(yù)噴射沒有要求，但是對NOX轉(zhuǎn)換器的操作，也許還有對所有冷啟動后快速加熱轉(zhuǎn)換器地操作，可要求用相同的多脈沖技術(shù)控制后噴射。汽油噴射專家們已經(jīng)準(zhǔn)備好使已使用的柴油機(jī)壓電操作原理延伸到汽油領(lǐng)域。
近幾年對于柴油技術(shù)發(fā)展比汽油技術(shù)發(fā)展快得多的說法都已經(jīng)沒有異議，在短短的十年中已從預(yù)燃室間接噴射系統(tǒng)發(fā)展到電子控制技術(shù)、直噴技術(shù)、共軌系統(tǒng)（單元噴射）、多脈沖技術(shù)、壓電式噴油器技術(shù)，現(xiàn)在，最新型的light duty系統(tǒng)，該系統(tǒng)配有共軌系統(tǒng)能夠產(chǎn)生1800bar的壓力，但它依賴于發(fā)動機(jī)運轉(zhuǎn)條件，而且壓電式噴油器能在一個行程中產(chǎn)生五次不同的脈沖。
柴油技術(shù)難題
柴油系統(tǒng)設(shè)計的兩個難題還是那兩個：在較高空燃比條件下，活塞在燃油剛開始噴射就開始運動，燃油噴射面由噴油壓力精確控制。因此，一般來講，越高的噴油壓力越好，隨著噴油壓力的提高噴油速率也提高，同時使得噴油角度減小，減弱了燃油在氣缸壁的凝結(jié)，改善了發(fā)動機(jī)的排放性能。
影響燃油蒸汽流動速率的一個決定性因素——柴油機(jī)上改進(jìn)的渦輪增壓技術(shù)和氣缸蓋上的多氣門技術(shù)可使得進(jìn)氣氣流速度增加，現(xiàn)在正致力于開發(fā)帶有七個噴孔的噴油嘴（不止是在加工技術(shù)方面），盡管它們的微米級尺寸不相同，但還需要把它們部分統(tǒng)一起來。
共軌系統(tǒng)中的油泵能很容易在蓄壓共軌中產(chǎn)生很高壓力，它比上一代的多活塞泵更容易實現(xiàn)高壓，裝有SW型噴油泵的共軌系統(tǒng)一開始就把正常工作壓力定在1400bar（除了工農(nóng)業(yè)應(yīng)用外，其他普通系統(tǒng)仍舊停留在適用性方面），但是發(fā)動機(jī)需要更高的壓力，現(xiàn)在我們可以看到高于2000bar的壓力。
沒有人還在提出任何值得注意的更高壓力，因為如此高的壓力單元壓力大約30000psi，與老一代的相似。不光對密封技術(shù)提出了更高要求，而且對材料也提出了很高要求。連接蓄壓共軌和噴油器的管道必須用高強度材料制造以防止管道破裂，所以現(xiàn)在設(shè)計者致力于把連接管路做得更短，因為單元噴射系統(tǒng)有著它與生俱來的優(yōu)點，元件一體化成為又一個要求。
同時，多點噴射也已經(jīng)被迅速采用。現(xiàn)在的問題是要提供一個單獨的額外的預(yù)噴射脈沖，使得在壓縮點火階段供油壓力上升柔和，然而，在運用電子控制之前一段時間，使用雙彈簧噴油器，使得整個燃燒過程中壓力曲線形狀是可以控制的，通過把主噴射分成兩次極短的噴射，減小了發(fā)動機(jī)噪音和降低尾氣排放，但這需要更靈活更精確的控制。
多元化的發(fā)展
菲亞特是最早解決這個難題的公司之一，她領(lǐng)導(dǎo)開發(fā)了Multijet技術(shù)（在２０００年之前，作者曾在Orbassano技術(shù)中心看到一臺演示用發(fā)動機(jī)運轉(zhuǎn)良好）； P.S.A.（法國標(biāo)志－雪鐵龍集團(tuán)）卻背道而馳，它的柴油技術(shù)完全是間接噴射到共軌中去的。認(rèn)識到多次噴射的性能是解決驅(qū)動特殊的燃油濾清系統(tǒng)的理想方法?，F(xiàn)在，在一個行程中有五次噴射變得越來越普遍，而七次噴射也在研究中，主要是為了滿足可以遇見的越來越高的排放要求。
然而多次噴射技術(shù)最初的難題是開發(fā)電子控制系統(tǒng)，該電控系統(tǒng)主要依靠電容充放電速率來決定噴油時間和噴油間隔，它能迅速變得干凈，由于噴油器本身是一個限制的因素，哪里需要極快速的反應(yīng)，在螺線管的線圈中產(chǎn)生電流的時間必須能使針閥有效提升，實際上看起來瞬間的操作有效減少了總的噴射時間，引入事件散播等級不利于排放。
現(xiàn)在，研究方向又轉(zhuǎn)移到壓電作用上，在壓電式系統(tǒng)中用陶瓷水晶替代了螺線管，依靠電子領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用，壓電式噴油器可以在瞬間觸發(fā)針閥動作，壓電式噴油器的動作速度比螺線管式噴油器快4~6倍，而且能量消耗比螺線管式噴油器少。但壓電式噴油器需要占用更大的空間，而且在那兒的空間已經(jīng)非常難滿足，而且成本相對較高，至少是螺線管式噴油器的兩倍，由于這是一項新技術(shù)，它必須與已經(jīng)經(jīng)過長久試驗和驗證并已經(jīng)相當(dāng)完善的螺線管噴油器激烈的競爭。
所有主要供應(yīng)商還未花較長時間來開發(fā)壓電式噴油器，也許這是至關(guān)重要的，盡管他們的公開態(tài)度表示他們開發(fā)產(chǎn)品的速度與充分的準(zhǔn)備將會完全得到實現(xiàn)。
在商業(yè)領(lǐng)域西門子大概是最早開發(fā)壓電式噴油器的公司（在90年代緊跟FEV研究），該公司要求在2000年開始提供200萬套壓電式噴油器。給最新型的奧迪 A6 TDI車提供壓電式噴油器的BOSCH（博世公司）公司聲稱將在今年生產(chǎn)25萬套壓電式噴油器，并在2005年達(dá)到200萬套。DENSO（電裝公司，日本企業(yè)）公司正在Hugray安裝調(diào)試壓電式噴油器的生產(chǎn)設(shè)備，準(zhǔn)備在2005年投產(chǎn)。Delpi（德爾福公司）公司已經(jīng)推出他們的壓電產(chǎn)品，聲稱該產(chǎn)品可以在一個循環(huán)內(nèi)達(dá)到七次噴射，設(shè)計初衷是針對商用車使其達(dá)到Euro V（歐洲5號）和美國聯(lián)邦7號排放法規(guī)，
2005年，如果把所有歐洲生產(chǎn)商的產(chǎn)量加起來，將達(dá)到1000萬套壓電式噴油器的產(chǎn)量，因此，該產(chǎn)能可以裝備200萬臺直列或V型六缸發(fā)動機(jī)，實現(xiàn)該技術(shù)的快速商業(yè)化。
曾幾何時holygrail燃油系統(tǒng)設(shè)計被視為可以實現(xiàn)連續(xù)變化的噴油速率，而如今看來這與現(xiàn)實不符，但不管怎樣已被十分精確的多點噴射系統(tǒng)所削弱，這種系統(tǒng)（多點噴射）在很多方面與現(xiàn)代控制的概念相一致。特別是關(guān)于尾氣排放，使得問題不斷變化，隨著多次噴射技術(shù)和壓電式噴油器的發(fā)展，瞬變現(xiàn)象減少到了最少，這也就是為什么壓電技術(shù)將從柴油機(jī)應(yīng)用到汽油機(jī)上的原因。
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