柴油機(jī)高壓共軌系統(tǒng)噴油規(guī)律試驗(yàn)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(jì)大學(xué)，上海200092）

1 引言

全球范圍內(nèi)能源問題的日益突出和排放法規(guī)的逐漸嚴(yán)格，使得電控高壓共軌噴油系統(tǒng)已成為目前提高柴油機(jī)性能、減少其有害排放物最有效的技術(shù)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(yù)噴射、主噴射和后噴射等組成的多段噴射。預(yù)噴射可縮短主噴射的著火延遲時(shí)間，從而降低燃燒噪聲和NOx排放量。預(yù)噴射量對(duì)柴油機(jī)NOx排放及燃油消耗有重要影響[1]。燃油消耗隨預(yù)噴射量的增加呈上升趨勢(shì)，但不存在線性關(guān)系。而對(duì)于NOx排放，當(dāng)預(yù)噴射量由少增多時(shí)，NOx排放先減少然后又增加，即對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的某個(gè)工況存在一個(gè)最佳預(yù)噴射量。柴油機(jī)燃燒過程的質(zhì)量在很大程度上取決于噴油規(guī)律[2]，根據(jù)柴油機(jī)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(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，在降低排放、振動(dòng)和噪聲等之間獲得最佳折中。因此，隨著柴油機(jī)電控高壓共軌噴油系統(tǒng)在我國(guó)得到越來越廣泛的應(yīng)用，有必要對(duì)其噴油規(guī)律的測(cè)試分析和精確控制進(jìn)行深入的研究。

本文利用法國(guó)EFS公司的瞬時(shí)噴油測(cè)量?jī)x試驗(yàn)臺(tái)，采用位移法對(duì)Bosch電控高壓共軌噴油系統(tǒng)進(jìn)行了每循環(huán)噴油量、噴油規(guī)律等參數(shù)的精確測(cè)量和研究，以使電控高壓共軌噴油系統(tǒng)能提供發(fā)動(dòng)機(jī)所需的噴油量和噴油規(guī)律。

2 高壓共軌噴油試驗(yàn)系統(tǒng)

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

試驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1a所示，主要由6個(gè)單次在線流量?jī)x組成（圖1b）。電機(jī)驅(qū)動(dòng)高壓油泵并模擬發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)速信號(hào)，外部ECU控制噴油器噴油，流量?jī)x測(cè)錄每個(gè)噴油器的噴油過程。系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件是單次在線流量?jī)x，它由滑動(dòng)活塞、缸體、位移和溫度傳感器及電磁閥等組成（圖1 b），滑動(dòng)活塞上部的測(cè)量室通過壓力和溫度補(bǔ)償與位移活塞保持平衡，當(dāng)噴油器向單次在線流量?jī)x內(nèi)噴射柴油時(shí)，測(cè)試腔體內(nèi)的滑動(dòng)活塞在噴射油液的壓力作用下產(chǎn)生位移，精密的位移傳感器測(cè)出柱塞的位移，與柱塞面積相乘得出噴油量，進(jìn)行微分得出噴油速率。每個(gè)噴油循環(huán)結(jié)束后，排油電磁閥開啟排油，柱塞復(fù)位，準(zhǔn)備進(jìn)行下一次噴油測(cè)量。試驗(yàn)系統(tǒng)可以對(duì)噴油器每次噴射的噴油量和噴油速率進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)轉(zhuǎn)速循環(huán)內(nèi)最多可進(jìn)行5次噴射的噴射油量測(cè)量，并能夠測(cè)量噴油起始角和噴油持續(xù)角。

3 結(jié)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(diǎn)對(duì)柴油機(jī)性能與排放的影響，首先對(duì)共軌系統(tǒng)的噴油率進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)取和分析。試驗(yàn)過程中，由于模擬的發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)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(shí)，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(dòng)機(jī)此工況下的循環(huán)噴油量，噴射壓力的改變直接導(dǎo)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(zhǎng)，噴油率峰值越低。從圖中還可看出，噴油壓力越低則對(duì)應(yīng)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(jié)構(gòu)。

圖3給出了電控噴油器的基本結(jié)構(gòu)及其噴油過程工作原理[4]，盡管在相同噴油提前角時(shí)送給電磁閥的觸發(fā)信號(hào)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(dāng)電磁閥關(guān)閉時(shí)，同樣受到此力的作用，此時(shí)噴油壓力會(huì)阻止電磁閥的關(guān)閉，因此越高的噴射壓力，電磁閥越難于關(guān)閉。

從圖2中也可以看出，在噴油結(jié)束時(shí)，較低噴射壓力下對(duì)應(yīng)的噴油率下降較快，意味著斷油能力相對(duì)較強(qiáng)。噴油后期斷油干脆，減少噴油嘴的后滴現(xiàn)象對(duì)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(duì)應(yīng)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(dòng)機(jī)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(diǎn)，不同的噴油提前角只是電磁閥加電脈沖的觸發(fā)時(shí)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(biāo)x軸的水平移動(dòng)。

比較理想的噴油規(guī)律形狀的變化趨勢(shì)是“先緩后急”，即在滯燃期內(nèi)噴入氣缸的燃料量不宜過多，以控制急燃期內(nèi)的壓力升高率，保證柴油機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)；而當(dāng)著火燃燒以后，則應(yīng)使燃料以較短的時(shí)間盡快地噴入氣缸，以縮短燃料噴射的持續(xù)時(shí)間，使燃料盡量在上止點(diǎn)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(shí)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(yù)噴射功能來進(jìn)行彌補(bǔ)。

3.2 多次噴射的噴油規(guī)律

預(yù)噴射功能在共軌系統(tǒng)上的實(shí)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(jù)預(yù)噴射距離主噴射的遠(yuǎn)近可分為兩類：距離主噴射較遠(yuǎn)的預(yù)噴射稱之為引導(dǎo)噴射（或第二次預(yù)噴射），而距離主噴射較近的預(yù)噴射稱為第一次預(yù)噴射（簡(jiǎn)稱預(yù)噴射）。在主噴射之前較近進(jìn)行的第一次預(yù)噴射，可以使柴油機(jī)的燃燒噪聲明顯降低；但是，較近的預(yù)噴射也會(huì)容易導(dǎo)致顆粒PM排放增加[6]。由于引導(dǎo)噴射相對(duì)于主噴射提前角很大，預(yù)混合燃燒的效果明顯，則顆粒PM排放和燃燒噪聲可以同時(shí)降低。

與預(yù)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(jìn)行的噴射，能使擴(kuò)散燃燒更快地進(jìn)行，可以促進(jìn)主噴射燃燒中產(chǎn)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(zhǎng)的時(shí)間間隔之后進(jìn)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(shí)間過遲，則可能導(dǎo)致燃油附著到氣缸壁上，導(dǎo)致未燃HC的大量生成。因此，次后噴射的時(shí)間必須適當(dāng)。

4 噴油規(guī)律測(cè)量分析

4.1 預(yù)噴射的噴油率測(cè)取分析

圖6給出了有預(yù)噴與無預(yù)噴時(shí)的噴油率隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線對(duì)比。由圖中可以看出，噴油系統(tǒng)在開啟預(yù)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(dāng)預(yù)噴射離主噴射有一定距離時(shí)，預(yù)噴對(duì)主噴的噴油率影響很小，甚至幾乎無影響。在包含有預(yù)噴的噴油率曲線中，主噴射段前有一個(gè)凸起的噴油率（圖中A處所示），這個(gè)噴油率就是預(yù)噴射功能形成的，其與橫坐標(biāo)軸之間的面積積分即為預(yù)噴射油量。

圖7中(a)、(b)分別展示了不同預(yù)噴射間隔和不同預(yù)噴射油量所對(duì)應(yīng)的噴油率隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線。從圖7(a)中可以看出，當(dāng)預(yù)噴射油量為一恒定值（5mg），而預(yù)噴間隔改變時(shí)，預(yù)噴射位置的變化相當(dāng)于在x軸上橫向平移。由圖7(b)可以看出，而當(dāng)預(yù)噴射定時(shí)相同（15℃A），預(yù)噴射油量不同時(shí)，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(shí)從圖中還可以看出，由于預(yù)噴射的噴射油量很小，預(yù)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(yīng)速度有很大的關(guān)系。從電磁閥的控制方面來說，預(yù)噴射與主噴射的間隔不宜太近，如果距離太近，就會(huì)出現(xiàn)預(yù)噴射結(jié)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(cè)取分析

圖8中(a)、(b)分別從后噴射時(shí)不同噴射開始位置和不同噴射量?jī)蓚€(gè)方面進(jìn)行了噴油率曲線的對(duì)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(zhuǎn)角，因此當(dāng)后噴射與主噴射比較接近時(shí)，由于在主噴射完成后噴油器針閥落座時(shí)有一定抖動(dòng)，可能會(huì)造成后噴射量的不準(zhǔn)確；當(dāng)后噴射距離主噴射完成點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，這種情況就會(huì)得到改善。從圖中可以看出，后噴射的引入對(duì)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(yù)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(dòng)；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(jié)論

（1）對(duì)于噴油率而言，循環(huán)噴油量相同時(shí)，噴油始點(diǎn)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(shí)噴油提前角的變化，噴油率曲線形狀基本未改變，只是相當(dāng)于其位置沿著x軸的橫向移動(dòng)。

（2）對(duì)于多次噴射的噴油率而言，當(dāng)預(yù)噴油量為一定值而預(yù)噴間隔改變時(shí)，預(yù)噴射位置的變化相當(dāng)于在x軸上橫向平移；而當(dāng)預(yù)噴定時(shí)相同、預(yù)噴油量不同時(shí)，在噴油率曲線上顯示為在相同位置上峰值不同的預(yù)噴射噴油率：同預(yù)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(dòng)；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。

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