抽丝剥茧 破解电控高压共轨柴油机应用困局

2016/08/25 17:11《工程机械与维修》周馥隆

自 2016 年 4 月 1 日起执行的国三排放标准较国二排放标准,主要要求是降低“HC+NOX”( 碳氢化合物与氮氧化物 ) 和 PM(颗粒物)的排放量。降低以上两项指标,技术上要求柴油发动机要提高喷油压力,使燃油燃烧更加充分,同时控制发动机气缸内的燃烧温度,从而使排放气体中的颗粒物体及氮氧物等废物含量指标合格。基于此,柴油发动机“电控高压共轨燃油喷射技术”和“尾气后处理技术”成为当今工程机械柴油发动机的主流技术。

发动机要减少污染物的排放,则需要提高燃油系统的喷射压力,提高喷油控制的精准度。这就需要提高燃油系统部件的精密程度,电控系统的复杂程度也相应提高了。这就带来了对燃油质量的高要求,维修、保养成本的提高。如果燃油质量达不到要求,保养不到位,就会增加发动机的故障频率,影响设备的正常使用,拖延施工周期。如果维修技术不好,还会增加维修成本,增加故障复杂程度,影响发动机的正常使用寿命,给用户造成更大的损失。上述任意一个环节中的任意一个问题,都会给用户的利益带来损失——增加了设备维护保养成本,增加了设备维修、管理难度,设备故障后维修周期长影响工程施工进度、影响用户承接施工业务。

每个环节出现的问题都有与设备本身和使用方法有必然的联系,我们必须全面认识和了解电控高压共轨发动机的技术原理,并探明其故障高发的根源,从而方可找到解决问题的方法。本期我们从电控高压共轨发动机的基本原理、技术特征、故障发生形式以及用户使用环境等方面,进行系统分析和探讨,为市场和用户能够放心使用电控高压共轨柴油发动机寻找解决办法。

特邀嘉宾

马军刚  广西康明斯工业动力有限公司总工程师

田少民  成都小松检测技术研究所所长

庞瑞峰  北京现代京城工程机械有限公司开发部总监

周凤东  中国工程机械工业协会维修及再制造分会副秘书长

郭锐  北京天顺长城液压科技有限公司

电控高压共轨发动机真容

电控高压共轨发动机技术源自国外,国内的应用时间并不算长,国产电控高压共轨发动机的技术依然需要从多方面进行创新和提升。

郭锐:电控高压共轨技术始于 1996年,在欧美属于非常成熟的产品。以市场份额最大的德国博世为例,目前第三代产品已经非常成熟,第四代产品也进入了批产状态。

共轨系统主要被博世、电装、德尔福等外资企业所垄断。民族企业在共轨系统研发生产方面还存在较大的差距。民族企业当中做得相对较好的企业如辽宁新风,北京亚新科天纬等。民族企业在研发投入、应用匹配、制造技术以及生产管理等诸多方面都存在明显的差距。由于国内电控共轨发动机多是基于欧二机械式燃油系统粗犷式升级而成,共轨加工工艺技术不过关,难以承受高压,压力易出现波动,轨压传感器技术也不成熟,所以自主车用高压共轨产品的性能、精度与外资差距大,自主企业一直得不到整车厂、消费者与行业的认可。

外资在我国车用高压共轨市场形成了垄断,自主品牌生存空间极小。但是外资共轨企业在中国市场的产品布局主要放在了车用高压共轨市场,其在中国本土的总产能不足以支持国内车用与非道路高压共轨需求,所以非道路用发动机排放升级为自主品牌带来了新的市场与希望。国内自主高压共轨行业有开打“价格战”的苗头,依靠价格优势与外资相抗衡,目前是国内企业与外资及同行竞争抢夺市场的有效策略。但也将可能导致国内企业没有足够研发资金支撑国五、国六的技术升级,使自主品牌失去在下一轮竞争中市场与技术竞争优势。

马军刚:随着世界各国工程机械、运输车辆等数量增加,燃油机排放的尾气已经成为对地球环境的主要污染原因之一,如何采取措施保护人类赖以生存的地球环境已是当务之急。我国自从2015 年 10 月实施非道路三阶段排放法规后,电控高压共轨燃油喷射技术正是从众多方法和措施中脱颖而出的一项成功的控制燃油机污染排放的技术,业已成为各发动机厂不约而同地的主流技术路线。

高压共轨系统可实现传统喷油系统中无法实现的功能,其优点有 4 点:一是共轨系统中的喷油压力柔性可调,对不同工况可确定最佳喷射压力,从而优化燃油机性能。二是可独立地柔性控制喷油正时,配合高的喷射压力(120 ~200MPa),可同时控制 NOx和微粒物(PM)在较小的数值内,以满足排放

要求。三是柔性控制喷油速率变化,实现理想喷油规律,容易实现预喷射和多次喷射,既可降低燃油机 NOx,又能保证优良的动力性和经济性。四是由电磁阀控制喷油,其控制精度较高,高压油路中不会出现气泡和残压为零的现象,因此循环喷油量变动小,各缸供油不均匀可得到改善,从而减轻燃油机的振动和降低排放。

由于高压共轨系统具有以上的优点,现在国内外燃油机的研究机构均投入了很大的精力对其进行研究。国外在燃油机电控高压共轨燃油喷射系统方面的研究开展得较早而且比较深入,有多种共轨系统已经投产,并与整车进行了匹配应用。比较成熟的系统有德国博世的 CRIN、日本电装公司的 ECD-U2、美国康明斯的 XPI 等。

国内燃油机电控技术在起步方面晚于一些工业先进国家。但由于近年来需求方面的强劲拉动,已经在多个方面取得了一定的进步。首先是一些高校研究人员取得的成绩。国内的高校研究人员在燃油机电控技术方面的工作起步并不算晚,只是由于国内配套技术不健全,影响了其成果的产业化进程,但通过学习国外先进技术和自身的开拓性研究,掌握了燃油机电控系统的基本要素。其次是拿出了电控燃油机的示范样机。 再次是总结撰写了一些技术专著,成为国内内燃机电控技术的早期书籍。最后是

培养出了国内在内燃机电控方面的新生力量,为国内内燃机电控技术的发展提供了第一批专业人才。

这些高校专家对国内电控技术的主要贡献是完成了燃油机计算机控制系统的设计,为后续的控制系统的发展提供了最初的理念。他们还尝试制造出燃油机电控系统的控制器和执行器系统,主要是按照国外产品的理念,通过消化吸收提出了自己的设计理念。但由于国内加工制作条件的限制,这方面的一些工作在产业化应用上不是太成功。

在商业化的技术研究领域,一些有条件的科研机构也在燃油机电控共轨领域做出了努力。例如:一汽集团所属无锡油泵嘴研究所,是国内最早开发燃油机电控共轨系统研究的工作单位之一。他们在国内率先完成了成套燃油机电控共轨系统,装备这种系统的燃油机已经开始在车辆上使用。

责任编辑:Yaodl

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方圆机电攻关高压共轨技术 注重节能低排放

在今年上半年公布的2010年度省政府科技进步奖中,浙江方圆机电设备制造有限公司研发的“高压共轨柴油机飞轮周孔高效自动加工机床”产品获得二等奖。该产品的成功开发,解决了我国高压共轨柴油机飞轮高精度信号孔高效加工的技术难题,对柴油发动机降低燃油消耗率、实现低排放具有重要意义。初创于1980年的“方圆机电”是一家从事汽车零部件生产、内燃发电机组制造销售和服务的综合高新技术企业,公司拥有省级企业技术中心,不断对产品进行设计和开发,先后研发省级新产品10多只,有20多项专利,多只产品列入国家火炬计划,多项成果获省、市科学技术一、二等奖。 紧盯汽车排放标准 近年来,“方圆机电”注重从传统制造向高端制造领域拓展,主要生产汽配产品与内燃发电机组,与潍柴动力股份有限公司、中国重型汽车集团有限公司、青岛金环汽配制造有限公司等大型企业建立了合作关系。“方圆机电”副总经理章志明介绍说,“方圆机电”紧盯国内国际关于汽车排放标准的要求,开展产品研发。日趋严重的能源危机,使柴油机越来越受到用户青睐。但是,与汽油机相比,柴油机的排放控制又是一个难点。欧洲Ⅲ、Ⅳ排放法规的相继出台,使柴油机先进的燃油喷射系统——高压共轨技术应运而生。高压共轨系统到目前仍是世界最为先进的燃油喷射系统,排放指标较同类产品降低20%,燃油消耗率降低10%-15%。“方圆机电”通过深入的市场调研,决定围绕高压共轨柴油机开发新产品,主攻高压共轨柴油机关键零件——飞轮,实现高精度信号孔高效加工,助力柴油机低排放。攻关高压共轨技术 2008年,“方圆机电”研发部抽出8人组成专项小组,开展技术攻关。高压共轨柴油机飞轮边缘有一排信号孔,均位于圆周面上,孔数多,位置精度及孔深精度要求高,过去普遍采用钻模打孔,加工精度难以控制。该项目开发一种柴油机飞轮周孔高效专用加工机床,以满足高压共轨飞轮类零件径向孔的精密加工需要。经过反反复复的调试,第一台高压共轨柴油机飞轮自动高效加工机床于2009年初成功下线。据“方圆机电”研发专家介绍,新产品创新点体现在:一是自主开发一种盘类零件自定心夹紧装置,该装置包括垂直于水平面的主轴, 主轴端部装有夹具体地盘,夹具体地盘中间装有夹具体主轴,夹具体主轴端部装有弹性锥套与锁紧螺母,具有装拆方便、连接牢固、同心高等特点;二是自主研发了步进电机直接驱动滚珠丝杆与直线导轨集成的、带闭环反馈控制的周向孔进给系统,运行平稳,钻孔深度精度高;三是由步进电机通过精密行星齿轮减速器的分度机构,可根据飞轮产品的规格要求任意分度,设置方便,角度误差在0.05度。产品经潍柴动力股份有限公司、中国重型汽车集团有限公司、青岛金环汽配制造有限公司等用户使用,反映良好。到目前已累计销售300余台,销售额为5000多万元。项目产品的关键技术已获得实用新型专利2项,并获省政府科技进步二等奖。创新助推企业快跑 高压共轨柴油机飞轮自动高效加工机床只是“方圆机电”最具代表性的一个产品,公司以创新为抓手,不断丰富产品种类,提高科技含量。据了解,公司现有的主要产品为:飞轮、消声器、进排气管、管子总成、油尺、油底壳总成等发动机零部件;沃尔沃、大宇、珀金斯、斯太尔、上柴股份、康明斯、潍柴道依茨、潍柴里卡多等柴油发电机组、比亚久动力汽油发电机组和各种规格的燃气发电机组。氮氧化物对环境的危害日益严重,我国氮氧化物的排放总量中约30%来自于机动车排放的尾气,因此机动车尾气将成为氮减排的重要控制对象。据介绍,针对欧洲Ⅳ排放标准,“方圆机电”去年成功开发柴油机尾气后处理系统,通过化学还原实现减排50%以上,受到厂家欢迎。尾气后处理系统现已完成1000多套,实现产值上千万元。科技创新助推企业快速发展,“方圆机电”去年实现产值1.7亿元,今年将达3亿元。为进一步扩大产能,去年公司在城西工业新城征地60亩,投资2.5亿元新上汽车零部件生产线技改项目,新生产线主要为中国重汽集团、潍柴动力配套生产发动机零部件。目前,两层共3万多平方米的新厂房主体工程已经完工,部分生产线开始投产。可以预见,随着政府对战略性新兴产业培育扶持力度的持续加大,“方圆机电”在高端装备制造业将有更大的作为。[详细]2011-07-26 08:58:30.407

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