柴油机典型工况的电控喷油器多次喷射分配*

王 军，金 毅，张幽彤，丁小亮，韩 树

（1.陆军装甲兵学院车辆工程系，北京 100072； 2.北京理工大学机械与车辆学院，北京 100081）

前言

随着柴油机排放法规的日益严格，多次喷射已成为电控柴油机排放机内净化的主要手段［1］。由于车用柴油机经常变工况运行，其燃烧过程具有非线性的特征，多次喷射组合会直接影响柴油机排放性能。在柴油机上实施多次喷射时，确定适合工况的喷射组合是多次喷射应用首要解决的问题。目前发表的文献大部分是关于多次喷射对柴油机排放影响的分析和研究，最具代表性的如Nehmer等［2］在2.44 L单缸机上进行了多次喷射试验，说明了预喷油量在10%-75%之间变化，多次喷射能够在微粒排放稍微增加的情况下，有效地减少氮氧化物的排放；Chen［3］分析不同的喷射组合对1.2 L高压共轨柴油机性能的影响，通过优化废气再循环率、预喷定时、预喷油量、主喷定时和主喷油量，同时优化了氮氧化物（NOx）和烟度（Soot）的排放。Carlucci［4］分析了1.930 L FIAT高压共轨柴油机在不同工况下，预喷油量和主预间隔时间对主喷燃烧过程的影响；国内石秀勇等人进行了多次喷射对柴油机噪声和排放物的影响试验［5］，预喷有效减小了柴油机的噪声，预喷油量较少能改善NOx的排放，后喷射会使Soot的排放降低，但会导致燃油消耗率和排气温度有所升高。栾兴存等人完成了多次喷射对高压共轨涡轮增压柴油机燃烧与排放影响的试验［6］，总结出预喷和后喷对柴油机排放的影响趋势；王浒等人进行多次喷射与废气再循环相联合对柴油机的性能和排放的影响试验［7］，说明该方法能有效地降低碳烟的排放，但会导致柴油机燃油消耗率、碳氢化合物和一氧化碳的排放量增加。这些研究通常只在某一、两个工况下，采用变化单一喷油参数的方法揭示不同喷射组合对柴油机排放的影响，而对柴油机多工况如何分配多次喷射和多次喷射组合策略研究较少。本文中在简要分析电控喷油器多次喷射的形式和作用后，提出了基于工况排放值约束的多次喷射分配方法，结合柴油机典型工况的排放试验，说明了电控喷油器多次喷射分配方法的有效性，为柴油机全工况多次喷射分配提供参考。

1 喷射策略

1.1 多次喷射

多次喷射是指在柴油机每一工作循环中将燃油的喷射分为两次或两次以上的喷油方案，是一项改善柴油机性能的技术［8］。多次喷射由预喷2（Pil2）、预喷1（Pil1）、主喷（Main）和后喷（Post）组合而成，如图1所示。多次喷射参数有预喷2的提前角AiPil2、持续角度EtPil2，预喷1的提前角AiPil1、持续角度EtPil1，主喷的提前角Aj、持续角度Etj，后喷持续角度EtPos、主后喷间隔角AiPos，TDC为上止点。为便于试验设计和数据分析，预喷2、预喷1和后喷的持续角度用时间ms表示。

图1 多次喷射组成

预喷是指喷油器在主喷射之前的预先喷射燃油，其喷油量小而喷射相位前移，预喷燃烧缩短了主喷射燃油的着火延迟期，降低缸内压力升高率和温度，从而降低柴油机燃烧噪声与氮氧化物［9］。主喷是指喷油器在一个工作循环中满足转矩输出要求的主要喷射，其喷油量大，喷射相位靠近上止点。后喷是指喷油器在主喷射之后的后续喷射，喷油量小，后喷能提高扩散燃烧阶段缸内的燃烧温度和氧化生成的微粒，可减少微粒排放。

1.2 典型工况

转速和负荷构成了柴油机的工况，柴油机的工况有起动工况、怠速工况、过渡工况、最大转矩工况和额定工况等。根据车辆行驶工况统计研究，车辆在高速公路上行驶时，发动机的工况多在高速中高负荷，在二级公路上行驶时则为中速中负荷，在城市道路上行驶时则以怠速和过渡工况为主［10］，柴油机典型工况是柴油机经常工作和各种能力的工作状况，典型工况不仅涵盖了多次喷射适用的柴油机的工作区域，而且包含外特性、排放测试工况点，因此选择怠速工况、低速小负荷工况、中速中负荷工况、中速大负荷工况、额定转速大负荷工况作为柴油机的典型工况。

1.3 工况排放

氮氧化物和微粒是柴油机的主要排放物，因此在保证柴油机动力性和经济性的前提下，选择微粒（PM）和氮氧化物作为衡量指标，选取欧Ⅳ排放标准的微粒和氮氧化物加权比排放量，利用文献［7］中提出的工况分担率（表征各个工况的排放量对十三工况的加权比排放量的相对贡献大小）计算出不同工况下微粒和氮氧化物的排放量，作为评价喷射次数和喷油参数的指标。

式中：Xmass为某一工况下的排放物m的排放值，g／h；WFi为加权系数，i为工况序号。

不同工况下排放物m的排放量［12］为

式中：BSm为排放物m的加权比排放量；Gm为排放物m的排放量；Pi为i工况的柴油机功率。

i工况的NOx体积浓度DNOxi为

式中Q为排气流量，mm3／s。

由于柴油机微粒大部分是碳粒，比例成分稳定，碳烟是柴油机大负荷产生的碳粒，反映的是固态黑碳粒的多少，烟度和微粒的变化之间存在一定相关性［13］，烟度排放大，微粒值也大。微粒质量测量需要稀释取样风道等复杂设备，价格昂贵，测量繁琐，而烟度测量简便，适宜各工况测试，因此采用动态烟度值来指示微粒排放，选择张兆合、任丽娟等人提出的微粒质量浓度与烟度消光系数的关系式［14］计算微粒质量浓度对应的烟度消光系数k：

式中：CPM为排气中的微粒质量浓度，mg／m3；k为排气中烟度的消光系数，m-1。

1.4 喷射次数

不同喷射组合及其喷射参数直接影响柴油机排放的变化，对给定的试验工况，须使不同的喷射组合之间具有可比性，就需要在不同的喷射组合之间建立一个可比较的基准，此基准就是每种喷射组合在保证柴油机动力性和经济性的前提下，能使排放性能最佳折衷。多次喷射的喷射定时和喷射量主要影响柴油机的排放性和经济性，依据柴油机的排放性和经济性要求，进行多次喷射定时和喷射量组合寻优。电控喷油器多次喷射的次数确定方法是对给定的工况点，通过逐次增加喷射次数，按照柴油机两种排放折衷最优的原则，兼顾柴油机燃油消耗率指标，优选出多次喷射的喷射定时和喷射量的参数组合，进而确定合适的喷射次数，具体过程如下。

首先进行只有主喷的一次喷射试验，由目标输出转矩来确定一个合适的喷油压力、主喷喷油持续角及其喷油提前角，并确定对应的燃油消耗率。

其次进行由预喷和主喷组成的两次喷射，保持喷油压力和主喷持续角及其提前角恒定不变，改变预喷喷油量和预喷提前角，分析柴油机试验数据，选择排放指标折衷最优的预喷参数，再对比柴油机的燃油消耗率变化，确定出两次喷射参数；同法可确定由2次预喷和主喷组成的3次喷射参数。

最后在主喷后引入后喷，改变主后喷间隔角和后喷油量，分析其对柴油机排放的影响，选择排放指标折衷最优的后喷参数，再对比柴油机的燃油消耗率变化，确定出合适的4次喷射参数。

图2 试验台架组成

2 喷射试验

2.1 试验设备

电控喷油器的多次喷射须在柴油机试验台架上进行，以检验不同喷射对柴油机性能的影响。试验台架组成如图2所示，试验使用测试仪器有测功机、空气流量计、燃烧分析仪、气体分析仪和烟度计，参数如表1所示。试验用发动机为北汽福田的4JB1柴油机，其基本参数如表2所示，通过加装Bosch公司的高压共轨喷油系统，将标定功率提高到85 kW，配以自主开发的电控单元。

表1 试验用测试仪器参数

表2 4JB1柴油机基本参数表

2.2 试验工况

柴油机试验工况按照典型工况要求选取，选择6个试验工况点如图3所示（图中以空心圆圈显示）。其中A为怠速工况点，转速为650 r／min；B为中低转速小负荷范围工况点，转速为1 200 r／min、转矩为60 N·m；C＠25%、C＠50%、C＠100%分别为中高转速的低、中、高负荷范围的工况点，转速为2 125 r／mim，转矩分别为60、120、240 N·m，也是柴油机排放测试试验所规定的13工况中的3个工况，其中C＠100%为此转速下的外特性点；D为高速大负荷工况范围的工况点，转速为3 400 r／min、转矩为最大值。

选取4JB1柴油机的原机ESC13工况排放数据，按式（1）计算出4JB1柴油机微粒和氮氧化物的各工况分摊率；再根据欧Ⅳ排放标准的PM和NOx加权比排放值，工况时间为怠速4 min、其它2 min，按式（2）～式（5）计算不同工况下4JB1柴油机氮氧化物、烟度的限值，如表3所示。

图3 多次喷射试验工况点

表3 不同工况的柴油机Soot、NO x分摊率及限值

3 试验结果分析

为便于分析和简化描述，对多次喷射组合进行统一定义，多次喷射组合的喷射参数用AiPiI2／Et-PiI2／AiPiI1／EtPiI1／Ai／Etj／AiPos／EtPos格式表示，单位分别为（°）CA／μs／（°）CA／μs／（°）CA／（°）CA／（°）CA／μs，例如，60／150／30／250／5／10／0／0喷射组合表示PiI2＋PiI1＋Main的3次喷射，预喷2提前角为60°CA、喷油脉宽为150μs，预喷1的提前角为30°CA、喷油脉宽为250μs，主喷射提前角为5°CA、持续角为10°CA，没有后喷；0／0／30／250／10／15／0／0表示PiI1＋Main的2次喷射，预喷1提前角为30°CA、喷 油 脉 宽 为250μs，主 喷 射 提 前 角 为10°CA，持续角为15°CA。

3.1 怠速工况喷射

当柴油机在怠速650 r／min时，分别实施1次喷射、2次喷射，2次喷射由主喷和预喷组合而成。在喷油压力为40 MPa的条件下，柴油机怠速时不同喷射的排放如表4所示。从表4可见，随着1次喷射提前角Aj的增加，NOx排放值逐渐增加，Soot排放值逐渐减小。当实施2次喷射时，随着预喷提前角的减小，NOx排放降低的效果明显，说明预喷缩短了主喷的滞燃期，与此同时主喷发生时缸内温度较高，预喷的燃油没有得到完全反应，主喷中进入燃烧室的燃油就处于高温缺氧的环境下，造成烟度较高。在怠速工况，只有在EtPiI1较大且AiPiI1较小时，预喷的引入使Soot和NOx的排放达到限值，所以在怠速工况下，宜采用预喷加主喷组合的两次喷射。

表4 柴油机怠速时不同喷射的效果

3.2 低速小负荷喷射

当柴油机转速为1 200 r／min、负荷为60 N·m时，分别实施1次喷射、2次喷射和3次喷射，其中3次喷射为2次预喷和主喷射组合，柴油机低速小负荷时不同喷射的效果如表5所示。从表5中数据看出：在喷油压力为45 MPa的条件下，当1次喷射的提前角Aj和持续角度Etj分别为5和10°CA时，柴油机的NOx、Soot排放值分别接近此工况的限值440×10-6、0.030 m-1，有效燃油消耗率（BSFC）为242 g／（kW·h）；当实施2次喷射时，随着AiPiI1的减小，NOx排放值逐渐减小，Soot排放值逐渐增加，主喷燃油进入预喷燃烧产物造成的高温缺氧环境，导致烟度上升，采用较大的预喷-主喷间隔，较小的预喷油量，在不影响发动机燃烧性能的前提下，能改善NOx和Soot排放的折衷关系。采用预喷射的BSFC要比单次喷射的低，随着预喷和主喷间隔的减小，主燃烧更加靠近上止点，预喷对发动机燃油经济性的改善作用更加明显；当实施3次喷射时，随着AiPiI2的增加，NOx的排放较2次喷射的更小。当预喷2的提前角为60°CA时，EtPiI1较大且AiPiI1较小对降低NOx和Soot有利。当2次预喷整体较早时，随着预喷2油量的增加，NOx增加，烟度降低，因此在低转速小负荷工况下，预喷2能够有效地点燃预喷1的燃油，有利于降低主喷的压力升高率和放热率峰值，既减小了燃烧噪声，又不恶化烟度排放，BSFC随预喷AiPiI2的提前呈上升趋势，宜用2次预喷加主喷射的3次喷射。

表5 柴油机低速小负荷时不同喷射的效果

表6 柴油机中速小负荷时不同喷射的效果

3.3 中速小负荷喷射

当柴油机转速为2 125 r／min、负荷为最大负荷的25%时，分别实施2次喷射、3次喷射和4次喷射，其中4次喷射由2次预喷、主喷和后喷组成。在喷油压力为100 MPa的条件下，当单次喷射的提前角Aj和持续角度Etj分别为10和15°CA时，柴油机的NOx、Soot排放值分别接近此工况的限值150×10-6、0.025 m-1，BSFC为298 g／（kW·h）；当实施多次喷射时，柴油机不同喷射的效果如表6所示，从表6中数据看出：在同一预喷脉宽下，NOx排放值随预喷AiPiI1的增加而增大，Soot排放值逐渐减小，BSFC呈现出先减小后增加的趋势；当AiPiI1较小时，燃油消耗率相对于单次喷射有一定程度的优化，并且随着EtPiI1的增加，BSFC的优化程度越发明显。当EtPiI1为350μs，3次喷射的柴油机NOx排放值较2次喷射有明显的减小，当预喷AiPiI2较小时，预喷EtPiI2对BSFC的影响较小，而预喷AiPiI2较大时，BSFC随预喷EtPiI2的增加而上升；采用2预喷-主喷-后喷的4次喷射，Soot和NOx明显要低于单次喷射；在主-后喷间隔较小时，Soot随主-后喷间隔的变化不明显，而当主-后喷间隔超过10°CA时，烟度随着后喷油量的增加而降低。选用大于10°CA的主-后喷间隔和较大的后喷油量可得到较好的Soot和NOx排放，选取合适的后喷油量和后喷定时，BSFC呈现明显的改善。为优化NOx和Soot排放，宜采用由两次预喷、主喷和后喷组成的4次喷射。

表7 柴油机中速中负荷时不同喷射的效果

表8 柴油机中速大负荷时不同喷射的效果

3.4 中速中负荷喷射

当柴油机转速为2 125 r／min、负荷为最大负荷的50%时，分别实施2次喷射、3次喷射，其中3次喷射由预喷、主喷和后喷组成或由2次预喷和主喷射组成，在喷油压力为120 MPa的条件下，1次喷射的提前角Aj和持续角度Etj分别为10和20°CA。柴油机的NOx、Soot排放值接近此工况的限值510×10-6、0.025 m-1，BSFC为220 g／（kW·h）；当实施多次喷射时，柴油机不同喷射的效果如表7所示，从表7中数据看出：较小的EtPiI2和较大的AiPiI1，仍然能够在一定程度上降低NOx和Soot排放值。当Ai-PiI1大于40°CA时，NOx才有较为明显下降，但此时的Soot以及BSFC都有一定程度的恶化，在较大AiPos范围内，均能够有效地优化烟度的排放；当AiPos小于20°CA时，对所有试验选定的EtPos，烟度排放均有不同程度的优化。由于加入后喷，其燃烧放热可进一步氧化主燃烧期间生成的碳烟，降低碳烟排放，后喷燃油喷入缸内，使燃烧温度逐渐降低，抑制了NOx的生成，能获得较好排放性和经济性。只有在EtPost为150μs、小AiPost时，BSFC才较无后喷的有所降低。随着AiPost的增加，BSFC变化幅度较小，基本无明显变化。当柴油机中速中负荷时，宜采用预喷、主喷和后喷组成3次喷射。

3.5 中速大负荷喷射

当柴油机转速为2 125 r／min、负荷最大时，分别实施2次喷射、3次喷射，其中2次喷射由预喷和主喷组成或主喷和后喷组成，3次喷射由预喷、主喷和后喷组成。在喷油压力为140 MPa的条件下，1次喷射的提前角Aj和持续角度Etj分别为10和25°CA时，柴油机的NOx、Soot排放值分别接近此工况的限值1000×10-6、0.25 m-1，BSFC为202 g／（kW·h）；当实施多次喷射时，柴油机不同喷射的效果如表8所示。从表8中数据看出：采用预喷和主喷组合，NOx与Soot排放值成明显的折衷关系，预喷对NOx、Soot及BSFC的影响幅度明显；采用主喷和后喷组合，当主-后喷间隔角较小时，后喷定时和后喷量对NOx的影响均不大；当主 -后喷间隔角增加到10°CA以上时，NOx随主 -后喷间隔和后喷油量的增加略有下降，Soot随着后喷油量增加而降低，主-后喷间隔增大到一定程度时，BSFC比1次喷射的有所增加；采用预喷、主喷和后喷组合的3次喷射时，NOx排放值较主喷和后喷组合的明显增加，Soot排放值较主喷和后喷组合的略有下降，BSFC随着预喷AiPiI2的提前基本呈上升趋势，由于在中速大负荷工况属于柴油机的外特性工况点，主喷油量较多，后燃阶段缸内的温度压力相对较高，促进了Soot氧化，后喷作用不明显。宜用预喷加主喷的2次喷射。

3.6 高速大负荷喷射

当柴油机运行在高速3 400 r／min、最大负荷时，分别实施1次喷射和2次喷射，其中2次喷射由预喷和主喷组成。在喷油压力为140 MPa的条件下，柴油机高速大负荷时不同喷射的排放如表9所示。由表9中数据看出，在同一预喷定时下，随着EtPiI1的增加，NOx排放值逐渐增大，Soot排放值、BSFC逐渐减小；在同一预喷脉宽下，随着AiPiI1的增加，NOx，Soot排放值变化幅度不大，两次喷射的NOx与Soot排放值都接近此工况的限值。采用1次喷射的NOx与Soot排放值低于此工况的限值，BSFC较2次喷射的有所降低，由于此时柴油机气缸内的温度、压力达到最高，没有必要再用预喷提高缸内温度，宜采用单次喷射。

表9 柴油机高速大负荷时不同喷射的效果

综上所述，在怠速工况下采用2次喷射；在低速小负荷工况下采用3次喷射，适当喷油量、早的预喷可获得较好的NOx和Soot排放值；在中速小负荷工况下采用两次预喷、主喷和后喷的4次喷射，早的预喷可获得NOx和Soot的轻微改善；在中速中负荷工况下采用预喷、主喷和后喷的3次喷射，两次预喷整体相位较提前且预喷1油量较小时，能得到相对较好的柴油机排放性能；在中速大负荷工况下采用预喷加主喷的2次喷射，预喷对NOx、Soot排放影响较小；在高速大负荷工况下，缸内的温度、压力达到最高，不需要预喷提高缸内温度、压力，采用1次主喷。4JB1高压共轨柴油机典型工况的多次喷射组合如图4所示。

图4 4JB1柴油机典型工况多次喷射组合

4 结论

（1）提出了柴油机典型工况多次喷射分配方法，以各工况的NOx与Soot排放值为约束限值，兼顾燃油消耗率的变化，采用递增喷射次数、两种排放折衷寻优的方法确定喷射参数和喷射次数。

（2）按照柴油机典型工况的排放折衷最佳限值，在低速小负荷工况，适当喷油量、较早一次预喷能获得较好的柴油机NOx和Soot排放；在中速小负荷工况下，早的预喷能实现柴油机NOx和Soot的轻微改善；在中速中负荷工况下，两次预喷整体相位较提前且预喷1油量较小时，能获得相对较好的柴油机NOx和Soot排放值；在中速大负荷工况下，适当的主-后喷隔角和喷油量能实现柴油机NOx和Soot的优化。

（3）结合典型工况下多次喷射的4JB1柴油机排放试验，以氮氧化物和烟度作为评价参数，分析了不同喷射组合对4JB1柴油机排放性能的影响，确定了4JB1高压共轨柴油机典型工况的多次喷射组合。