柴油機高壓共軌系統(tǒng)噴油規(guī)律試驗分析

何永生，石秀勇

（1.龍口龍泵燃油噴射有限公司，龍口265701；2.同濟大學，上海200092）

1 引言

全球范圍內能源問題的日益突出和排放法規(guī)的逐漸嚴格，使得電控高壓共軌噴油系統(tǒng)已成為目前提高柴油機性能、減少其有害排放物最有效的技術手段之一。高壓共軌系統(tǒng)不僅可以改變噴射壓力，還可形成由預噴射、主噴射和后噴射等組成的多段噴射。預噴射可縮短主噴射的著火延遲時間，從而降低燃燒噪聲和NOx排放量。預噴射量對柴油機NOx排放及燃油消耗有重要影響[1]。燃油消耗隨預噴射量的增加呈上升趨勢，但不存在線性關系。而對于NOx排放，當預噴射量由少增多時，NOx排放先減少然后又增加，即對于發(fā)動機的某個工況存在一個最佳預噴射量。柴油機燃燒過程的質量在很大程度上取決于噴油規(guī)律[2]，根據柴油機不同工況選擇不同形式的噴油規(guī)律（先緩后急型和先急后緩型）曲線和噴射策略，可以在改善柴油機動力性和經濟性的同時，在降低排放、振動和噪聲等之間獲得最佳折中。因此，隨著柴油機電控高壓共軌噴油系統(tǒng)在我國得到越來越廣泛的應用，有必要對其噴油規(guī)律的測試分析和精確控制進行深入的研究。

本文利用法國EFS公司的瞬時噴油測量儀試驗臺，采用位移法對Bosch電控高壓共軌噴油系統(tǒng)進行了每循環(huán)噴油量、噴油規(guī)律等參數(shù)的精確測量和研究，以使電控高壓共軌噴油系統(tǒng)能提供發(fā)動機所需的噴油量和噴油規(guī)律。

2 高壓共軌噴油試驗系統(tǒng)

目前柴油機噴油規(guī)律的常用測量方法有Bosch長管法、位移法和復合式測量裝置3種[3]。本文研究中采用的單次噴油過程的測量設備是EFS8246共軌試驗系統(tǒng)，該試驗系統(tǒng)是法國EFS公司專為高壓共軌系統(tǒng)試驗開發(fā)的，采用位移法精確測量噴油量和真實的噴油規(guī)律。

試驗系統(tǒng)的結構如圖1a所示，主要由6個單次在線流量儀組成（圖1b）。電機驅動高壓油泵并模擬發(fā)動機產生轉速信號，外部ECU控制噴油器噴油，流量儀測錄每個噴油器的噴油過程。系統(tǒng)中的關鍵部件是單次在線流量儀，它由滑動活塞、缸體、位移和溫度傳感器及電磁閥等組成（圖1 b），滑動活塞上部的測量室通過壓力和溫度補償與位移活塞保持平衡，當噴油器向單次在線流量儀內噴射柴油時，測試腔體內的滑動活塞在噴射油液的壓力作用下產生位移，精密的位移傳感器測出柱塞的位移，與柱塞面積相乘得出噴油量，進行微分得出噴油速率。每個噴油循環(huán)結束后，排油電磁閥開啟排油，柱塞復位，準備進行下一次噴油測量。試驗系統(tǒng)可以對噴油器每次噴射的噴油量和噴油速率進行測量，每個轉速循環(huán)內最多可進行5次噴射的噴射油量測量，并能夠測量噴油起始角和噴油持續(xù)角。

3 結果與分析

3.1 噴油壓力與噴油提前角的影響

為了能夠深入了解共軌壓力和噴油始點對柴油機性能與排放的影響，首先對共軌系統(tǒng)的噴油率進行了試驗測取和分析。試驗過程中，由于模擬的發(fā)動機工況點不變，則循環(huán)噴油量相同。

圖2給出了相同噴油提前角3℃A時，在不同共軌壓力55～75MPa下的噴油率曲線。由圖中可看出，由于在噴油率曲線下方的積分面積即為發(fā)動機此工況下的循環(huán)噴油量，噴射壓力的改變直接導致了噴油持續(xù)期和噴油率峰值的變化。噴射壓力越高，噴油持續(xù)期越短，噴油率峰值越高；噴油壓力越低，噴油持續(xù)期越長，噴油率峰值越低。從圖中還可看出，噴油壓力越低則對應的初期噴油率越低。造成低噴油壓力下初期噴油率低的原因在于電控噴油器的結構。

圖3給出了電控噴油器的基本結構及其噴油過程工作原理[4]，盡管在相同噴油提前角時送給電磁閥的觸發(fā)信號是相同的，但是針閥同樣有一部分投影面積上受到共軌高壓燃油相反的作用力。這就表明，越高的噴油壓力下，噴油壓力可以幫助針閥更容易地打開，這也就闡釋了高的壓力下，噴油率較高且上升速度較快的原因。相反，當電磁閥關閉時，同樣受到此力的作用，此時噴油壓力會阻止電磁閥的關閉，因此越高的噴射壓力，電磁閥越難于關閉。

從圖2中也可以看出，在噴油結束時，較低噴射壓力下對應的噴油率下降較快，意味著斷油能力相對較強。噴油后期斷油干脆，減少噴油嘴的后滴現(xiàn)象對于改善HC排放而言是非常有益的。

圖4中描述了在相同的共軌壓力75MPa下，不同的噴油提前角所對應的噴油率曲線。由圖中可以看出，在相同的共軌壓力下，只要發(fā)動機的工況保持不變，那么每循環(huán)噴油量保持不變，亦即噴油的持續(xù)期是相同的。由于高壓共軌的噴射壓力穩(wěn)定的特點，不同的噴油提前角只是電磁閥加電脈沖的觸發(fā)時刻不同，體現(xiàn)在噴油率曲線上也就意味著相同形狀噴油率的提前或延緩，即沿著橫坐標x軸的水平移動。

比較理想的噴油規(guī)律形狀的變化趨勢是“先緩后急”，即在滯燃期內噴入氣缸的燃料量不宜過多，以控制急燃期內的壓力升高率，保證柴油機的平穩(wěn)運轉；而當著火燃燒以后，則應使燃料以較短的時間盡快地噴入氣缸，以縮短燃料噴射的持續(xù)時間，使燃料盡量在上止點附近燃燒，從而縮短燃燒持續(xù)期以降低燃油消耗率。從圖2和圖4中的噴油率曲線形狀來看，雖然沒有呈現(xiàn)先緩后急的理想形狀，卻實現(xiàn)了典型的矩形噴射形狀，而先緩后急的理想噴射可以通過共軌系統(tǒng)的預噴射功能來進行彌補。

3.2 多次噴射的噴油規(guī)律

預噴射功能在共軌系統(tǒng)上的實現(xiàn)是電控燃油系統(tǒng)發(fā)展的一大里程碑[5]，如圖5所示。根據預噴射距離主噴射的遠近可分為兩類：距離主噴射較遠的預噴射稱之為引導噴射（或第二次預噴射），而距離主噴射較近的預噴射稱為第一次預噴射（簡稱預噴射）。在主噴射之前較近進行的第一次預噴射，可以使柴油機的燃燒噪聲明顯降低；但是，較近的預噴射也會容易導致顆粒PM排放增加[6]。由于引導噴射相對于主噴射提前角很大，預混合燃燒的效果明顯，則顆粒PM排放和燃燒噪聲可以同時降低。

與預噴射相似，電控共軌燃油系統(tǒng)的后噴射功能依照其各自的作用同樣也分為兩種類型：（1）近后噴射，近后噴射是緊靠在主噴射之后進行的噴射，能使擴散燃燒更快地進行，可以促進主噴射燃燒中產生的顆粒PM的氧化而降低其排放。（2）次后噴射，次后噴射是在離開主噴射較長的時間間隔之后進行的噴射，由于排氣溫升和還原成分的供給，可使催化劑的活性增加。但如果次后噴射的時間過遲，則可能導致燃油附著到氣缸壁上，導致未燃HC的大量生成。因此，次后噴射的時間必須適當。

4 噴油規(guī)律測量分析

4.1 預噴射的噴油率測取分析

圖6給出了有預噴與無預噴時的噴油率隨曲軸轉角的變化曲線對比。由圖中可以看出，噴油系統(tǒng)在開啟預噴射功能后，在主噴射階段，噴油率基本上沒有很大的變化。也就是說，當預噴射離主噴射有一定距離時，預噴對主噴的噴油率影響很小，甚至幾乎無影響。在包含有預噴的噴油率曲線中，主噴射段前有一個凸起的噴油率（圖中A處所示），這個噴油率就是預噴射功能形成的，其與橫坐標軸之間的面積積分即為預噴射油量。

圖7中(a)、(b)分別展示了不同預噴射間隔和不同預噴射油量所對應的噴油率隨曲軸轉角的變化曲線。從圖7(a)中可以看出，當預噴射油量為一恒定值（5mg），而預噴間隔改變時，預噴射位置的變化相當于在x軸上橫向平移。由圖7(b)可以看出，而當預噴射定時相同（15℃A），預噴射油量不同時，在噴油率曲線上顯示為在相同位置上開始噴射，但噴油率峰值不同，噴油率曲線覆蓋的面積也是不同的。同時從圖中還可以看出，由于預噴射的噴射油量很小，預噴射的噴油率峰值很低，即形成不了快速的噴射狀態(tài)，且斷油能力也不如主噴射階段那么干脆，這與電磁閥的控制和響應速度有很大的關系。從電磁閥的控制方面來說，預噴射與主噴射的間隔不宜太近，如果距離太近，就會出現(xiàn)預噴射結束與主噴射開始重合的情況，連成為單次噴射，這樣就背離了多次噴射的定義。

4.2 后噴射的噴油率測取分析

圖8中(a)、(b)分別從后噴射時不同噴射開始位置和不同噴射量兩個方面進行了噴油率曲線的對比。需要指出的是，后噴射與主噴射的間隔是指在主噴射完成以后到后噴射開啟的曲軸轉角，因此當后噴射與主噴射比較接近時，由于在主噴射完成后噴油器針閥落座時有一定抖動，可能會造成后噴射量的不準確；當后噴射距離主噴射完成點較遠時，這種情況就會得到改善。從圖中可以看出，后噴射的引入對主噴射的噴油率形狀并沒有影響，無論后噴射的組合如何搭配，主噴射均保持較快的噴射速率和矩形噴射的特性。

同預噴的噴油率曲線變化類似，后噴的噴油率隨后噴間隔的改變，其主噴噴油率形狀基本不變，只是后噴燃油的噴油率位置沿著x軸發(fā)生了橫向移動；而隨著后噴油量的變化，后噴燃油的噴油率只是在同一位置其峰值有所不同。

5 結論

（1）對于噴油率而言，循環(huán)噴油量相同時，噴油始點不變而噴射壓力越高，則噴油速率越大，噴油持續(xù)期越短；而相同噴油壓力時噴油提前角的變化，噴油率曲線形狀基本未改變，只是相當于其位置沿著x軸的橫向移動。

（2）對于多次噴射的噴油率而言，當預噴油量為一定值而預噴間隔改變時，預噴射位置的變化相當于在x軸上橫向平移；而當預噴定時相同、預噴油量不同時，在噴油率曲線上顯示為在相同位置上峰值不同的預噴射噴油率：同預噴變化相似，后噴的噴油率隨后噴間隔的變化，其主噴噴油率形狀基本不變，只是后噴燃油的噴油率位置沿著x軸發(fā)生了橫向移動；而隨著后噴油量的變化，后噴燃油的噴油率只是在同一位置開始但其峰值有所不同。

1劉雄，紀麗偉.預噴射對柴油機NOx排放生成的影響[J].現(xiàn)代車用動力，2005(3)：18-21.

2顧萌君，唐鵬元.電控系統(tǒng)噴射特性對柴油機性能影響的仿真研究[J].中國科技信息，2006(6)：119-120.

3張彬，劉建新，杜慧勇等.柴油機高壓共軌系統(tǒng)噴油量和噴油規(guī)律測量方法概述[J].拖拉機與農用運輸車，2009，36(2)：6-9.

4秦朝舉，劉建新，杜慧勇等.Bosch公司高壓共規(guī)噴油系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J].拖拉機與農用運輸車，2006，33(2)：3-7.

5祝軻卿,徐權奎,楊林,等.高壓共軌噴油系統(tǒng)多次噴射油量精確測量與規(guī)律分析[J].農業(yè)工程學報, 2007(8):117～121.

6徐家龍.柴油機電控噴油技術[M].北京：人民交通出版社，2004.