高轨压燃烧系统对车用柴油机性能及排放的影响研究

高轨压燃烧系统对车用柴油机性能及排放的影响研究

苏金龙

广西玉柴机器股份有限公司 广西玉林市 537005

摘要：随着技术的不断更新，发动机燃油供给系统进入了共轨时代，而燃油共轨喷射压力是影响发动机燃烧的关键因素。共轨压力越大，喷嘴喷射油束雾化效果越好，油气混合更加均匀，更有利于发动机燃烧，从而提高发动机性能和降低污染物排放量。基于柴油机高压共轨电控喷射系统，柴油发动机受到了很多专家的认可，同时这项技术也成为柴油机的应用的一项前所未有的突破。同时这也是研究本课题的根本意义所在，在柴油机使用领域的能源节省、减少排放做出贡献。

关键词：柴油机；高轨压燃烧系统；排放

柴油机因其动力性能，经济性能，排放性能良好，所以在社会环境日益恶化的现代社会得到了广泛的应用。柴油机采用高压共轨现代喷射技术后，排放性能已达到了一个较低的水平。排放水平的高低很大程度上决定于燃烧过程的优化，只有在喷油的各个时刻实现理想的燃烧，排放的污染物才会得到有效的减少，所以对喷油规律的研究是十分必要的。进入新世纪前高压共轨电控喷油技术就开始应用在柴油发动机上。这些控制技术促进了汽车各项性能的大幅度提升，使得柴油发动机的市场竞争率进一步提高。

一、高压共轨喷油速率控制技术发展及现状

许多国家都开始对柴油机的排放问题进行严格的控制，尤其是对日趋广泛电控柴油机，不仅要有很低的噪声，而且也要有较低的碳烟及微粒的排放。在保证动力性及经济性的同时，要达到很高排放要求仅仅依靠对汽车尾气的处理时远远不够的，所以我们必须提高喷油系统的各项性能，通过燃烧来控制排放。我们对柴油机未来的供油系统的要求是净化尾气（NOX和碳烟）；提高输出功率，提高经济性；降低噪声；提高行走性能。而喷油正时和喷射速率是实现控制燃烧的重要因素。喷油速率的最优控制可以降低排放和噪声污染。

喷油速率的喷射模式是通过机械结构来实现的，如往复式预喷装置、双弹簧喷油器等[1]。人们根据市场需要早就开始这方面的研究，并有相当的一部分产品投放到市场中。最近几年才开始对喷油速率的电子控制技术进行深入研究，七十年代后半期是柴油机电子控制喷油系统走向应用技术产业。而到了八十年代后半起九十年代初期时间式电控系统的问世，才使控制精度有较大幅度的提高控制的方面也增多起来了。在我们国家由于电控喷油技术起步较晚，很多高校还处在实验室研究阶段，对喷油速率的控制技术也仅有少部分单位进行研究,其中无锡油泵油嘴研究所在研究喷油速率方面处在领先位置。

二、高压共轨电控喷油技术对柴油机排放的影响

喷油规律是喷油率随时间的变化关系。高压共轨电喷系统由原来的单次喷射向多次喷射发展，在不同工况和负荷下喷油速率也是不相同的。对于单次喷射我们主要优化主喷定时、喷油压力等控制参数。多次喷射主要是对带有预喷的喷射速率进行研究。

1、喷油速率对柴油机排放的影响。根据大量的实验及研究可以得出这样的结论，喷油速率对柴油机经济性、动力性及排放性都有很大的影响，尤其是对排放性的优化，是当前最优的控制技术。柴油机喷射过程的控制很大程度是对燃油喷射的控制，也就是先进性缓慢的喷射，等到了燃油开始燃烧再快速喷射，再果断断油。根据这样的喷油特性，形状上表现为三种形状为三角形、楔形、二次喷射（进行预喷后喷）及多段喷射方式。

采用预喷射的好处就是可以提前预热燃烧室，缩短主喷射时期的滞燃期，最高缸内温度被降低了，也就降低了碳氧化物的排放，同时，凭借在冷起动过程中采用了预喷射高压技术，发动机能够实现平顺起动，很大程度会改善冷起动性能，此外还可以极大地减少白烟的生成，这种喷射方法是好于单次喷射的。预喷射是指在主喷射之前进行的小喷射量的喷射，在主喷射之前是缸内的压力和温度提高，而一旦开始主喷射，由于预喷射的引燃作用在很短时间内进行燃烧，缩短了主喷射滞燃期，从而降低了燃烧室内的温度，使主喷射变得灵活可调，同时有利于燃油的雾化效果，以上因素而降低了高压共轨喷射过程中氮氧化物的排放量，也克服高压共轨在燃烧过程中对排放的缺点。参数规定如下喷油压力 120MPa，预喷量 1.5mm2，预主喷间隔 8℃A，80%负荷工况，1 为转速=1900r∕min，2 为转速 2700r∕min 因此如何运用预喷射进行燃油经济性与排放性的折中优化，这将成为研究难点也是研究的重点。

根据不同的工况，设置不同优化参数。预喷射的控制参数包括预喷压力、预喷射油量、预喷正时及预喷的间隔。要使得氮氧化物、微粒、噪声大小及燃油的经济性得到最佳的折中。相反情况这些控制参数控制不好会使发动机的排放性反而恶化。如果预喷射量太多，使得燃烧过程变得十分明显，这样会使主燃烧氮氧化物，烟度及噪声增大了，严重会使其排放超过无预喷射的水平。但是预喷射量太少受电控喷油器针阀开启和关闭速度的限制，针阀还没有完全脱离节流区内，使燃油不能完全雾化，发动机的排放性能变得会越来越差。除了要考虑预喷射的喷油量问题，主预喷射的间隔角度也是十分关键的参数问题，角度过大角度过小都不行。所以我们对预喷射的参数设置变得十分关键，这也是影响柴油机排放性能好坏的关键因素。但从目前情况来看，高压共轨系统对预喷射的参数在一定范围内是可以调控的，并且在实施预喷之前 ECU 可以判断出是否进行预喷射。这个问题也是后文在控制策略中考虑的关键问题。随着软件系统的开发和广泛的应用，高压共轨系统尽量实现喷射量小雾化效果好、喷油正时更精确、主、预喷射间隔角在变工况下变得更可调的。最大程度地使柴油机的排放性能在预喷射的条件下得到更好的改善。除此之外，在今后的高压共轨电喷系统的研究与开发中还可以实现微量的后喷射，意义也就在于加速后期燃烧，增大排气温度，然后再结合尾气排放的技术使得 CO、HC 及微粒排放减少。

2、喷油压力对柴油机排放的影响。柴油机喷油系统采用高压共轨技术好处就在于柴油机在不同的工况下都会提高热效率降低烟度和PM 的排放，这其中是受两方面的因素影响。高压共轨电控喷油与传统的喷射方式相比，柴油机在低转速、低负荷的条件下仍可以实现高压喷射，降低了烟度排放，特别是在冷启动的情况下降低了白烟的生成。而对于增压柴油机来说，由于进气的动量增大进气量增多使得燃烧室内的空气密度变大高压喷射在增压情况下效果会更明显，因为在此情况下可以改善柴油机的雾化效果及油气混合的作用，为了改善排放出的微粒和烟度，高压共轨系统被广泛应用于增压柴油机上。高压共轨系统虽然降低了 PM，使整个燃烧过程加快，但如果没有其他措施，氮氧化物的量也会随之增加，采取预喷射控制喷油速率形状会改善柴油机的排放特性。

总结 通过上述对于改善发动机的排放性能，合理的喷油正时是十分重要的。高压共轨喷射系统可以精确的控制喷油正时，在不同工况下，可以合理而有效地控制喷油延迟实现最佳喷射延迟角度，使得燃油经济性和排放性都达到良好效果。对于柴油机的各种性能影响，我国也在不断的进行研究，使得排放性采用高压共轨并合理利用 EGR 及进气中冷等技术手段，使得互相制约的效果互相折中，达到合情合理。

参考文献：

[1]卓斌，冒晓建，郭海涛．柴油机喷射共轨系统的控制策略与排放净化[J]．机动车与环境论坛清洁柴油车，2019．

[2] 张晓力，王尚勇，张幽彤．柴油机电控共轨喷油系统发展现状[J]．内燃机，2018(2)：3—5．

[3] 郭海涛．高压共轨喷油系统喷油规律与控制研究[J]．上海交通大学，2019．