柴油发动机电控燃油喷射系统对排放的影响

于海

龙口龙泵柴油喷射高科有限公司，山东龙口，265706

0 引言

在对柴油发动机的研究中发现，发动机在常规条件下运行时，每个机位循环空气的进气量是保持恒定状态的，因此，要想提高柴油发动机的输出功率，提高其运行效能，应基于发动机喷油量角度进行整体运行工况的宏观调整，即通过调整发动机混合气浓度的方式，进行其工况的优化[1]。为了落实此项研究成果，为柴油发动机的运行提供进一步的技术指导，本文将以装置中的电控燃油喷射系统为例，研究该系统对柴油发动机排放的影响，为降低发动机的排放、提升其运行效率提供帮助。

1 柴油发动机电控燃油喷射系统运行特点

本文研究的电控燃油喷射系统最早在20世纪90年代被提出，在当时该系统是位于市场科技研究前沿的研究成果，系统中集成了现代化电控喷射技术。相比传统的喷射技术，电控燃油喷射技术转变了传统直列式喷油泵直接供油模式，取而代之的是一种基于供油泵与数字化技术的压力供油模式[2]。通过此种方式，将燃油按照指定或预设的路径，传输到喷射系统的前端，通过压力装置实现对燃油的喷射。

此次研究的电控燃油喷射系统，主要由电磁阀控制，燃油在系统中的喷射压力、喷射时间和喷射量都由系统中的电控模块进行主动控制（电控模块又被称之为ECU模块），此种控制方式在实际应用中的灵活性较强。对ECU电控单元的结构进行描述，见图1。

图1 ECU电控单元的结构

从图1中可以看出，系统中的电控单元主要由三个部分构成，分别为传感器模块、电子控制模块、执行器模块。传感器在系统中主要用于感知柴油发动机在运行中的多种信号，包括转速信号、流量信号、氧传感信号、进气温度信号等，在实现对信号的接收后，电子控制单元中的输入电路将主动进行传感器信号的收集，信号在A/D转换器中进行转换，集成在电子控制模块中的ROM-RAM、CPU将辅助发动机进行喷射控制。完成对此模块中信号的集中处理后，信号将以程序或指令的方式，由输出电路传送到执行器模块，此模块中的执行机构、怠速步进电机将根据控制指令的实际需求，进行柴油发动机喷油的主动控制。在对此系统的进一步研究中发现，该系统存在的优势较为集中，具体体现在下述6个方面。

第一，该系统在运行时，可以实现对燃油的高压喷射，相比基于直列泵的供油系统，电控喷射系统的平均喷射压力高于其1～2倍，系统的最大喷射压力可以超过200MPa。

第二，系统发生喷油行为时，其主要行为与喷射压力的产生主要依靠发动机转速提供，因此，可以在实际运行中，采用调节或改善发动机转速的方式，进行喷油压力的调整，保证系统处于高效、低负荷运行状态[3]。

第三，相比传统的喷油系统，本文研究的电控喷油系统，由于终端依靠电子化设备支撑，因此，可以通过对系统终端电控程序的调整与改进，实现对燃油的预喷，并结合前端供油实际需求，调节喷油速率，确保系统喷油规律的相对理想，保证系统在运行中达到预期效果[4]。

第四，由于该系统在实际应用中具有较强的灵活性，因此，可以采用优化系统或编译程序的方式，进行燃油喷射的定时设定，并结合实际，自由选择喷射量[5]。

第五，该系统在运行中具有较好的喷射特性与燃烧过程，可以实现对传统系统运行中油耗、排烟量、噪声等综合性能指标的改善与优化，有利于对发动机在运行中扭转矩阵特性的改进。

第六，基于系统的宏观构成层面分析，该系统具有组成结构简单、可靠性较强、使用价值高等优势，满足在市场广泛推广使用的条件。

2 柴油发动机电控燃油喷射系统对排放的影响

2.1 喷油嘴对排放的影响及优化

在明确喷射系统在运行过程中具备的特点后，针对其各个方面对排放的影响进行探究，并结合其影响特征，实现优化。首先，从系统喷油嘴结构对排放的影响进行分析。在喷射系统当中，喷油嘴能否正常运行以及运行效果会直接影响到其对污染物的排放以及装置整体运行的安全。图2为喷射系统中喷油嘴的内部构造示意图。

图2 喷射系统中喷油嘴的内部构造示意图

图2中喷油嘴的压力容积室大小会直接影响到发动机运行时内部NOx气体排放量。在系统运行结束后，压力室当中大部分燃油都已经在燃烧的过程中蒸发，但由于无法实现完全燃烧，因此还会存在部分未被蒸发的燃油存留在喷油嘴的压力室当中[6]。在运行结束后，这一部分燃油会被直接排放到气缸内部，并形成有害的NOx气体，排放到大气当中，造成环境污染，以及对运行安全造成威胁。因此，综合上述喷油嘴内部构造对其排放的影响分析得出，对喷油嘴内部构造进行优化能够实现对其排放效果的提升。具体而言，可通过缩小喷油嘴压力室容积的方法实现优化，压力室的容积越小，则其排放效果越理想[7]。当前，在柴油发动机运行过程中都存在先缓慢后快速的运行状态，因此结合这一特点，为了能够促进燃油喷射效率的进一步提升，实现燃烧物质的充分燃烧，可选择对压力进行等级划分的方式完成喷射。在实际应用中，当压力不断上升并逐渐达到上限后，喷口的面积也会扩大到最大程度，此时通过对喷油的定量控制，能够有效降低对废弃污染物的排放。

2.2 喷油定时对排放的影响及优化

在柴油发动机电控燃油喷射系统运行过程中，通过喷油定时能够在一定程度上降低柴油机内部NOx气体的排放量。以往喷油定时采用的是机械式的定时模式，这种定时的精确性相对较差，并且在对喷油定时时间的选择上只能够实现对前20°左右曲轴转角的选定。随着系统整体运行精度的提升，喷油定时角度可向前推进10°，若结合电控的方式实现对高压喷射装置的控制，则定时角度能够再向前推进5°。考虑到电控燃油喷射系统释放压力对喷油量波动的影响，在定时喷油模式中，控制发动机内压力波的频率保持不变，对微量主喷电控燃油喷射进行调节，避免定时喷射的间隔时间过短，产生水机压力波过大对排放造成影响。

对于柴油发动机而言，喷油的一瞬间气缸内部的气体运动方向会发生改变，从原本的四周向中间运行转变为从中间向四周运行。此时，气缸内的压力也会随着活塞的运动发生改变。当达到活塞运动的上止点时，会产生一个平台期。在这一阶段燃油能够与空气实现充分融合，并促进燃油的充分燃烧，降低有害气体的排放。

2.3 发动机预混合燃烧对排放的影响及优化

一般情况下，柴油发动机在运行的过程中，若预混合燃烧的燃油量降低，则油缸当中的压力升高率会逐渐降低，此时气缸的峰值压力和温度也会随之降低。

发动机内部具有状态管理模块，其主要负责实时监控发动机在实际运行中的转速，当状态管理模块信号出现异常时，自动对发动机的运行状态进行判断，并采取调节转速、停机的方式对发动机进行控制，避免发动机预混合燃烧速度异常，对排放产生不利影响。除了状态管理模块以外，发动机中的轨压控制也十分重要。作为对柴油发动机电控燃油喷射精确性与稳定性具有重要影响的参数，轨压控制是否符合标准，与柴油发动机预混合燃烧及其使用性能具有直接关系。本文认为应当采用轨压闭环控制原理，灵活控制燃油喷射参数，综合考虑发动机高压油泵喷油的不连续性，在控制轨压时，避免在发动机的共轨管内造成较大的压力波动。采集轨压信号与发动机预混合燃烧驱动信号，对两种信号进行周期处理，直至信号的频率能够降低轨压的大幅度波动，进而为柴油发动机电控燃油的喷射提供稳定的压力。

喷射系统在运行过程中柴油喷射的持续时间可结合一个进气行程中进入到气缸内部的空气质量计算得出，而进入到气缸内部的空气质量可以通过安装在进气管道上的空气计量装置测出。结合空气质量与目标燃烧比之间的关系，进一步得出柴油发动机电控燃油喷射系统在此燃烧过程中的燃油质量：

图3 发动机预混合燃烧油质量控制技术图

由于NOx气体在形成的过程中，极大程度上受到缸内峰值压力以及温度的影响，而通过喷射的方式能够使着火时间向后推迟，进而减少后期引入到缸内的预混合燃烧的燃油量，达到燃油定时重新最佳化[8]。通过这一优化方式可以使负荷在允许的气缸峰值压力范围内得到尽可能增加，从而提高柴油发动机的总热效率。

2.4 喷油压力对排放的影响及优化

在柴油发动机运行过程中，其喷油压力可以分为低压、中压和高压，其中高压喷射对于提升柴油发动机运行功率和降低有害物质排放而言都有着一定促进作用。

从降低有害物质的排放上来看，碳化物的排放与NOx气体排放之间存在着相互制约的关系，因此若想实现二者同步降低相对困难。但通过提高喷油的压力能够有效解决这一问题。采用高压喷射的方式，促进喷油液滴进一步细化，并提高其与空气之间的融合质量，达到抑制碳化物形成的目的。碳化物在这一过程中会随着喷射压力的增加而出现降低的变化趋势，进而使得碳化物的排放总量降低。

喷油压力与油量之间存在一定的关联。柴油发动机内的油量控制模块能够实时根据发动机的运行状态、实际转速、燃料的工作模式、冷却水温等信号，对发动机燃料喷射量进行计算，进而获取发动机运行中各个阶段的喷油量，并进行修正计算，得出油量增减步长限制值及油量滤波系数，对控制喷油压力具有较大的影响。

通过提升喷射的压力，能够进一步缩短柴油发动机电控燃油喷射系统的喷油持续时间。加之上述喷油定时推迟的辅助，有效缩短燃烧物质的着火滞燃气周期。在这一过程中，雾化和可燃混合气体的质量都得到了明显的提升，进而促进油气混合速度的加快，使得燃烧物燃烧速度提升，燃烧时间缩短，实现对NOx气体的抑制，从而在确保柴油发动机运行质量的前提条件下，达到同时降低两种污染物排放的目的。

3 对比分析

上文完成了电控燃油喷射系统中不同参数对排放影响的分析，并提出了针对该系统运行的对应优化策略。为了证明本文提出电控燃油喷射系统对排放影响研究的可行性，进行了如下文所示实验。实验选取一台直列、四冲程、高压共轨柴油发动机作为研究对象，采用ATL 735S型号的油耗仪、ATL254型号的燃烧分析仪。首先，将柴油发动机的转速调整为1200r/min，发动机的运行功率为75kW，负荷为42%，替代率控制在20%～85%范围内。设定发动机在燃烧始点的第一放热率峰值为缸内5%的放热总量，发动机燃烧重心的放热总量为50%，实时记录电控燃油喷射时刻对应的曲轴相位变化。通过公式计算柴油发动机电控燃油喷射时，有效输出功与燃料燃烧释放热量的比值η，公式为：

为了检验提出的优化方法是否可以在实际应用中达到预期效果，在完成上述实验设计后，设定氮氧化物与碳化物排放为实验对比指标。

在系统排气端设置一个氧传感器，用于实时监测系统运行中污染物的排放，对比优化前与优化后系统运行排放，将氧传感器监测结果绘制成折线图，见图4。

图4 系统优化前与优化后氮氧化物与 碳化物排放量对比

从上述图4所示的实验结果中可以看出，在完成对电控燃油喷射系统的优化设计后，系统运行排出的氮氧化物与碳化物，明显低于优化前系统运行的排出量。说明此次优化设计可以起到降低系统运行排放的效果，保证系统在使用中综合性能的全面提升。

4 结语

本文以柴油发动机中的电控燃油喷射系统为例，从多个方面，研究了该系统对柴油发动机排放的影响，通过此次研究可以看出，要实现对研究系统的全面优化，不仅需要兼顾系统运行参数，也要做好对喷射系统中不同元件的优化设计，只有全面落实此项工作，才能确保对系统排放的全面控制与改进。