柴油發動機電控燃油噴射系統對排放的影響

于海

龍口龍泵柴油噴射高科有限公司，山東龍口，265706

0 引言

在對柴油發動機的研究中發現，發動機在常規條件下運行時，每個機位循環空氣的進氣量是保持恒定狀態的，因此，要想提高柴油發動機的輸出功率，提高其運行效能，應基于發動機噴油量角度進行整體運行工況的宏觀調整，即通過調整發動機混合氣濃度的方式，進行其工況的優化[1]。為了落實此項研究成果，為柴油發動機的運行提供進一步的技術指導，本文將以裝置中的電控燃油噴射系統為例，研究該系統對柴油發動機排放的影響，為降低發動機的排放、提升其運行效率提供幫助。

1 柴油發動機電控燃油噴射系統運行特點

本文研究的電控燃油噴射系統最早在20世紀90年代被提出，在當時該系統是位于市場科技研究前沿的研究成果，系統中集成了現代化電控噴射技術。相比傳統的噴射技術，電控燃油噴射技術轉變了傳統直列式噴油泵直接供油模式，取而代之的是一種基于供油泵與數字化技術的壓力供油模式[2]。通過此種方式，將燃油按照指定或預設的路徑，傳輸到噴射系統的前端，通過壓力裝置實現對燃油的噴射。

此次研究的電控燃油噴射系統，主要由電磁閥控制，燃油在系統中的噴射壓力、噴射時間和噴射量都由系統中的電控模塊進行主動控制（電控模塊又被稱之為ECU模塊），此種控制方式在實際應用中的靈活性較強。對ECU電控單元的結構進行描述，見圖1。

圖1 ECU電控單元的結構

從圖1中可以看出，系統中的電控單元主要由三個部分構成，分別為傳感器模塊、電子控制模塊、執行器模塊。傳感器在系統中主要用于感知柴油發動機在運行中的多種信號，包括轉速信號、流量信號、氧傳感信號、進氣溫度信號等，在實現對信號的接收后，電子控制單元中的輸入電路將主動進行傳感器信號的收集，信號在A/D轉換器中進行轉換，集成在電子控制模塊中的ROM-RAM、CPU將輔助發動機進行噴射控制。完成對此模塊中信號的集中處理后，信號將以程序或指令的方式，由輸出電路傳送到執行器模塊，此模塊中的執行機構、怠速步進電機將根據控制指令的實際需求，進行柴油發動機噴油的主動控制。在對此系統的進一步研究中發現，該系統存在的優勢較為集中，具體體現在下述6個方面。

第一，該系統在運行時，可以實現對燃油的高壓噴射，相比基于直列泵的供油系統，電控噴射系統的平均噴射壓力高于其1～2倍，系統的最大噴射壓力可以超過200MPa。

第二，系統發生噴油行為時，其主要行為與噴射壓力的產生主要依靠發動機轉速提供，因此，可以在實際運行中，采用調節或改善發動機轉速的方式，進行噴油壓力的調整，保證系統處于高效、低負荷運行狀態[3]。

第三，相比傳統的噴油系統，本文研究的電控噴油系統，由于終端依靠電子化設備支撐，因此，可以通過對系統終端電控程序的調整與改進，實現對燃油的預噴，并結合前端供油實際需求，調節噴油速率，確保系統噴油規律的相對理想，保證系統在運行中達到預期效果[4]。

第四，由于該系統在實際應用中具有較強的靈活性，因此，可以采用優化系統或編譯程序的方式，進行燃油噴射的定時設定，并結合實際，自由選擇噴射量[5]。

第五，該系統在運行中具有較好的噴射特性與燃燒過程，可以實現對傳統系統運行中油耗、排煙量、噪聲等綜合性能指標的改善與優化，有利于對發動機在運行中扭轉矩陣特性的改進。

第六，基于系統的宏觀構成層面分析，該系統具有組成結構簡單、可靠性較強、使用價值高等優勢，滿足在市場廣泛推廣使用的條件。

2 柴油發動機電控燃油噴射系統對排放的影響

2.1 噴油嘴對排放的影響及優化

在明確噴射系統在運行過程中具備的特點后，針對其各個方面對排放的影響進行探究，并結合其影響特征，實現優化。首先，從系統噴油嘴結構對排放的影響進行分析。在噴射系統當中，噴油嘴能否正常運行以及運行效果會直接影響到其對污染物的排放以及裝置整體運行的安全。圖2為噴射系統中噴油嘴的內部構造示意圖。

圖2 噴射系統中噴油嘴的內部構造示意圖

圖2中噴油嘴的壓力容積室大小會直接影響到發動機運行時內部NOx氣體排放量。在系統運行結束后，壓力室當中大部分燃油都已經在燃燒的過程中蒸發，但由于無法實現完全燃燒，因此還會存在部分未被蒸發的燃油存留在噴油嘴的壓力室當中[6]。在運行結束后，這一部分燃油會被直接排放到氣缸內部，并形成有害的NOx氣體，排放到大氣當中，造成環境污染，以及對運行安全造成威脅。因此，綜合上述噴油嘴內部構造對其排放的影響分析得出，對噴油嘴內部構造進行優化能夠實現對其排放效果的提升。具體而言，可通過縮小噴油嘴壓力室容積的方法實現優化，壓力室的容積越小，則其排放效果越理想[7]。當前，在柴油發動機運行過程中都存在先緩慢后快速的運行狀態，因此結合這一特點，為了能夠促進燃油噴射效率的進一步提升，實現燃燒物質的充分燃燒，可選擇對壓力進行等級劃分的方式完成噴射。在實際應用中，當壓力不斷上升并逐漸達到上限后，噴口的面積也會擴大到最大程度，此時通過對噴油的定量控制，能夠有效降低對廢棄污染物的排放。

2.2 噴油定時對排放的影響及優化

在柴油發動機電控燃油噴射系統運行過程中，通過噴油定時能夠在一定程度上降低柴油機內部NOx氣體的排放量。以往噴油定時采用的是機械式的定時模式，這種定時的精確性相對較差，并且在對噴油定時時間的選擇上只能夠實現對前20°左右曲軸轉角的選定。隨著系統整體運行精度的提升，噴油定時角度可向前推進10°，若結合電控的方式實現對高壓噴射裝置的控制，則定時角度能夠再向前推進5°。考慮到電控燃油噴射系統釋放壓力對噴油量波動的影響，在定時噴油模式中，控制發動機內壓力波的頻率保持不變，對微量主噴電控燃油噴射進行調節，避免定時噴射的間隔時間過短，產生水機壓力波過大對排放造成影響。

對于柴油發動機而言，噴油的一瞬間氣缸內部的氣體運動方向會發生改變，從原本的四周向中間運行轉變為從中間向四周運行。此時，氣缸內的壓力也會隨著活塞的運動發生改變。當達到活塞運動的上止點時，會產生一個平臺期。在這一階段燃油能夠與空氣實現充分融合，并促進燃油的充分燃燒，降低有害氣體的排放。

2.3 發動機預混合燃燒對排放的影響及優化

一般情況下，柴油發動機在運行的過程中，若預混合燃燒的燃油量降低，則油缸當中的壓力升高率會逐漸降低，此時氣缸的峰值壓力和溫度也會隨之降低。

發動機內部具有狀態管理模塊，其主要負責實時監控發動機在實際運行中的轉速，當狀態管理模塊信號出現異常時，自動對發動機的運行狀態進行判斷，并采取調節轉速、停機的方式對發動機進行控制，避免發動機預混合燃燒速度異常，對排放產生不利影響。除了狀態管理模塊以外，發動機中的軌壓控制也十分重要。作為對柴油發動機電控燃油噴射精確性與穩定性具有重要影響的參數，軌壓控制是否符合標準，與柴油發動機預混合燃燒及其使用性能具有直接關系。本文認為應當采用軌壓閉環控制原理，靈活控制燃油噴射參數，綜合考慮發動機高壓油泵噴油的不連續性，在控制軌壓時，避免在發動機的共軌管內造成較大的壓力波動。采集軌壓信號與發動機預混合燃燒驅動信號，對兩種信號進行周期處理，直至信號的頻率能夠降低軌壓的大幅度波動，進而為柴油發動機電控燃油的噴射提供穩定的壓力。

噴射系統在運行過程中柴油噴射的持續時間可結合一個進氣行程中進入到氣缸內部的空氣質量計算得出，而進入到氣缸內部的空氣質量可以通過安裝在進氣管道上的空氣計量裝置測出。結合空氣質量與目標燃燒比之間的關系，進一步得出柴油發動機電控燃油噴射系統在此燃燒過程中的燃油質量：

圖3 發動機預混合燃燒油質量控制技術圖

由于NOx氣體在形成的過程中，極大程度上受到缸內峰值壓力以及溫度的影響，而通過噴射的方式能夠使著火時間向后推遲，進而減少后期引入到缸內的預混合燃燒的燃油量，達到燃油定時重新最佳化[8]。通過這一優化方式可以使負荷在允許的氣缸峰值壓力范圍內得到盡可能增加，從而提高柴油發動機的總熱效率。

2.4 噴油壓力對排放的影響及優化

在柴油發動機運行過程中，其噴油壓力可以分為低壓、中壓和高壓，其中高壓噴射對于提升柴油發動機運行功率和降低有害物質排放而言都有著一定促進作用。

從降低有害物質的排放上來看，碳化物的排放與NOx氣體排放之間存在著相互制約的關系，因此若想實現二者同步降低相對困難。但通過提高噴油的壓力能夠有效解決這一問題。采用高壓噴射的方式，促進噴油液滴進一步細化，并提高其與空氣之間的融合質量，達到抑制碳化物形成的目的。碳化物在這一過程中會隨著噴射壓力的增加而出現降低的變化趨勢，進而使得碳化物的排放總量降低。

噴油壓力與油量之間存在一定的關聯。柴油發動機內的油量控制模塊能夠實時根據發動機的運行狀態、實際轉速、燃料的工作模式、冷卻水溫等信號，對發動機燃料噴射量進行計算，進而獲取發動機運行中各個階段的噴油量，并進行修正計算，得出油量增減步長限制值及油量濾波系數，對控制噴油壓力具有較大的影響。

通過提升噴射的壓力，能夠進一步縮短柴油發動機電控燃油噴射系統的噴油持續時間。加之上述噴油定時推遲的輔助，有效縮短燃燒物質的著火滯燃氣周期。在這一過程中，霧化和可燃混合氣體的質量都得到了明顯的提升，進而促進油氣混合速度的加快，使得燃燒物燃燒速度提升，燃燒時間縮短，實現對NOx氣體的抑制，從而在確保柴油發動機運行質量的前提條件下，達到同時降低兩種污染物排放的目的。

3 對比分析

上文完成了電控燃油噴射系統中不同參數對排放影響的分析，并提出了針對該系統運行的對應優化策略。為了證明本文提出電控燃油噴射系統對排放影響研究的可行性，進行了如下文所示實驗。實驗選取一臺直列、四沖程、高壓共軌柴油發動機作為研究對象，采用ATL 735S型號的油耗儀、ATL254型號的燃燒分析儀。首先，將柴油發動機的轉速調整為1200r/min，發動機的運行功率為75kW，負荷為42%，替代率控制在20%～85%范圍內。設定發動機在燃燒始點的第一放熱率峰值為缸內5%的放熱總量，發動機燃燒重心的放熱總量為50%，實時記錄電控燃油噴射時刻對應的曲軸相位變化。通過公式計算柴油發動機電控燃油噴射時，有效輸出功與燃料燃燒釋放熱量的比值η，公式為：

為了檢驗提出的優化方法是否可以在實際應用中達到預期效果，在完成上述實驗設計后，設定氮氧化物與碳化物排放為實驗對比指標。

在系統排氣端設置一個氧傳感器，用于實時監測系統運行中污染物的排放，對比優化前與優化后系統運行排放，將氧傳感器監測結果繪制成折線圖，見圖4。

圖4 系統優化前與優化后氮氧化物與 碳化物排放量對比

從上述圖4所示的實驗結果中可以看出，在完成對電控燃油噴射系統的優化設計后，系統運行排出的氮氧化物與碳化物，明顯低于優化前系統運行的排出量。說明此次優化設計可以起到降低系統運行排放的效果，保證系統在使用中綜合性能的全面提升。

4 結語

本文以柴油發動機中的電控燃油噴射系統為例，從多個方面，研究了該系統對柴油發動機排放的影響，通過此次研究可以看出，要實現對研究系統的全面優化，不僅需要兼顧系統運行參數，也要做好對噴射系統中不同元件的優化設計，只有全面落實此項工作，才能確保對系統排放的全面控制與改進。