论电控共轨系统降低柴油机有害排放的研究

担负着铁路运输重要任务的内燃机车是以柴油机作为动力装置的，柴油机是以柴油作为燃料跟空气混合进行燃烧而做功的，柴油燃烧将会产生大量的废气，在废气中含有有害物质会污染环境，这就要求在保证柴油机发挥正常功率并有良好经济性的前提下，应尽量降低柴油机对有害物质的排放。本文针对这一问题作初步探讨。

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1 柴油机燃烧排出废气的成分

1.1 柴油机排出废气的成分分析

柴油的化学成分主要为碳氢化合物，内部含有少量的氮、硫、杂质、添加物等物质。当燃油燃烧时，主要的燃烧产物为二氧化碳和水蒸气，另外在燃烧的废气中还含有氮氧化合物(NOx)、微粒(PM)、二氧化硫、一氧化碳等有害物质。

在柴油机排出的废气中，二氧化碳占7.1%；氮气占75.2%；氧气、硫化物及其他成分占16.88%；能污染环境的有害排放物质占0.82%。在有害排放物中，影响比较大的主要是氮氧化合物(NOx)、碳氢化合物(CH)和微粒(PM)。因此我们研究柴油机的排放物重点是在减少氮氧化合物和微粒，其次是碳氢化合物。

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1.2 柴油机排出废气中有害气体的形成

氮氧化合物是在高温的燃烧室内混合气中的氮和氧经过化学反应而成；一氧化碳是燃油在局部低温或缺氧的条件下不完全燃烧的产物；碳氢化合物是燃油不完全燃烧的产物；硫化物是柴油中硫的成分与氧气燃烧时所产生；微粒是柴油在局部高温下产生裂解或缺氧而形成的固体颗粒。

2 现代柴油机对燃油喷射系统的性能要求

2.1 应具有高的喷射压力

柴油机燃油喷射压力的高低决定了燃油在燃烧室内被喷散的雾化程度，从而影响了燃油在气缸内与空气进行良好混合的质量，也就影响了燃油在燃烧室内进行燃烧的完善程度和燃烧产物中有害物质的形成情况。传统的柴油机在低速运转时由于所需要的供油量较少，使喷射压力较低，会导致气缸内燃油与空气混合不良，柴油机燃烧不良，排气大量冒黑烟，对环境污染加剧。

金星想奉承她，“你什么奖没拿过啊，奖项算什么。”殷桃并不接招，背挺得笔直，“那也不是……”话只说了一半。留白的局部应该是，“谁不想拿奖。”

采用电控高压共轨喷射系统可以通过电子控制单元实现喷油规律的合理控制，使柴油机的燃烧性能更加完善，从而减少废气的排放。

2.2 应具有最佳的喷油时机

柴油机的喷油应有一个喷油提前角，即在压缩过程末期活塞还未到达上止点前开始喷油，喷入气缸的燃油与压缩空气进行混合，经过一定的物理化学准备过程后开始爆发燃烧。如果喷油过早，气缸内压缩空气的压力和温度不能达到燃油的自然条件，燃油不能完全燃烧。如果喷油过晚，一方面经过物理化学准备过程后，活塞已经过了上止点才开始燃烧，在膨胀过程中燃烧使做功能力下降；另一方面由于喷油过晚，使喷油结束时间推迟，导致柴油机后燃加剧，柴油机排温过高，排出的有害废气增加。

喷油规律是柴油机喷油器的喷油量随曲轴转角而变化的函数关系。喷油规律的好坏对柴油机废气的排放成分有重要的影响。

电控高压共轨喷射系统是通过传感器、电子控制单元、电磁阀等联合控制柴油机喷油器的喷油，使柴油机喷油雾化质量提高，从而提高了柴油机燃油燃烧等综合性能，大大降低了有害物质的排放。

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2.3 应具有合理的喷油规律

其主要解决的问题有：I）完善专家数据，为专家遴选、推荐服务提供保障；II）获取科技权威内容，聚拢专家，提供数字出版和OA托管服务，以缩短内容更新周期和减少对上游出版社的依赖；III）和研究人员建立联系，完善个人著作权的授权途径，可以减少版权风险以及打破独家协议的掣肘。

按：《韵会》所引《说文》把《说文》的单字训释改为并列的两个单字相训，这种并列式的两个词结合紧了就成了双音节词。这种双音节词是口头语和文献中并列使用同义词的结果。①

良好的喷油规律是先缓后急，并停喷迅速。开始喷油要缓，以减少燃烧前聚集的燃油量，可防止爆振燃烧；在燃烧开始后，应加快喷油速率，以减少喷油持续时间，提高燃烧速率；后期应尽快结束喷油，以避免产生二次喷射等不正常的燃油喷射现象，以减少有害物质的排放。

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采用电控高压共轨喷油系统，喷射压力不受负荷和转速的影响，在任何工况下均能实现较高的喷射压力，大大改善了柴油机油气混合和燃烧过程,降低了颗粒等有害物质的排放。

3 电控高压共轨喷射系统

采用电控高压共轨喷射系统可以精确的控制柴油机的喷油时机，使燃油燃烧更完全，并降低氮氧化合物等有害废气的排放。

3.1 基本组成

电控高压共轨喷油系统主要由喷油控制系统和燃油供给系统两大部分组成。如图1所示。

(1)喷油控制系统

上式中所获得的商均取整数。将最终获得的结果引入待求图号地形图比例尺代码中，结合图幅命名规则，可以获得对应图幅图号。同时依据地理空间数据所在经纬度差值、图幅行列号，可以获得对应地理图幅经度、纬度坐标。

控制系统由传感器、电子控制单元和电磁阀等组成。其中的核心部分是电子控制单元。 传感器用来获得控制信息，电子控制单元ECU通过控制信息进行计算和处理，电磁阀为执行机构，其开启和关闭通过电子控制单元的指令来控制。

(2)燃油供给系统

燃油供给系统主要由供油泵、共轨和喷油器等部件组成。利用供油泵(高压油泵)为共轨提供高压油，高压油在共轨内储存，喷油器通过高压油管与共轨储油室相连，共轨内的高压油通过高压油管流入喷油器针阀前端油腔，通过电磁阀来控制喷油器的喷油。

3.2 高压共轨喷射系统的特点

电控高压共轨喷油系统主要具有以下特点：

(1)自由调节喷油压力

我国是农业大国，水资源和土地资源的时空分布不均。灌溉对我国的粮食生产和粮食安全具有重要的作用，灌溉农田的粮食产量一般可占粮食总生产量的70%左右[1-2]。北方灌区农作物需水期降水量偏少，需要引水灌溉，因此确定合理的灌溉水量对于灌区的水资源管理和灌区建设具有重要的作用[3-4]。尤其是在全球气候变化背景下，灌区内的降水和蒸发会发生一定的变化，从而改变灌区的水文循环过程和水量平衡，进而引起灌区内水资源管理的改变[5-6]。

(2)自由调节喷油量

电子控制单元ECU可通过柴油机的转速及负荷信号计算出柴油机的最佳喷油量，并控制喷油器电磁阀的开启和关闭时间，从而调节喷油器的喷油量。

如图2所示，ECD—U2电控高压共轨喷油系统主要由高压油泵、共轨储油室、喷油器、电子控制单元(ECU)、电磁阀和传感器等组成。

电控高压共轨喷油系统可以自由的调节柴油机预喷射、后喷射以及多段喷射等喷油率形状，以满足柴油机不同工况、不同用途的需求。

(4)自由调节喷油时间

通过传感器检测到的柴油机运行工况，由电子控制系统ECU计算出在此工况下的最佳喷油时间，通过电磁阀控制喷油器开始喷油、停止喷油的时刻，从而控制喷油器的喷油时间。

3.3 工作原理

电控高压共轨喷油系统虽然有各种形式，但其工作原理基本相同，主要由供油泵(高压油泵)输送高压燃油到共轨储油室，共轨储油室内的高压油通过高压油管引入喷油器，通过电磁阀的动作来控制喷油器的喷油。电磁阀的动作是由电子装置提供的信号来控制。

下面以日本电装公司的ECD—U2电控高压共轨喷油系统为例简单介绍其工作原理。

(3)自由调节喷油率形状

通过共轨压力传感器获得的燃油压力信号来调节供油泵的供油压力，从而调节共轨储油室内的压力，根据共轨储油室的压力来进行喷油压力的调节。此外，还可以根据预先设定的最佳值(指令值)进行反馈控制。

从图2中可以看出，燃油通过高压油泵将低压变成高压燃油后经过单向阀送至共轨储存，通过高压油管连接每个喷油器。高压油管内的压力取决于共轨压力，而与柴油机的转速无关。喷油器的喷油过程由电子控制单元ECU和电磁阀直接控制，可以实现任何转速下的高压喷油、喷射率和喷射时期的精确控制。

高压油泵为共轨储油室输送高压油，提供的高压油通过油量控制阀(PCV)控制共轨储油室内的压力，设在共轨储油室内的压力传感器检测共轨储油室内的压力，并通过反馈方式与设定的最佳值相匹配。共轨储油室内的高压油通过高压油管与喷油器的进油路相通，作用在喷油器针阀的背后，当针阀升起开始喷油时，由三通电磁阀(TWV)的开关来控制喷油量和喷油持续期，当三通电磁阀TWV通电时，喷油器针阀上部从回油处排油，使之上部压力降低，针阀前端的油压大于上部油压，使针阀升起，喷油器开始喷油；当三通电磁阀TWV断电时，针阀上部停止回油，上部压力增加，当上部压力大于针阀前端油压后，针阀落座，停止喷油。

通过ECU的输出信号来控制三通电磁阀TWV的通断电时间，就可以控制喷油器的燃油喷射时间和喷射量。另外在喷油器针阀的背压室设有一个单向节流孔(固定量孔)，通过其节流作用来控制初始喷射的快慢，以实现先缓后急的喷射率模式。

3.4 优点及对废气排放的影响

在电控高压共轨喷油系统中，喷油器针阀的开启时间和喷油压力是通过一个三通电磁阀(TWV)和一个油量控制阀(PCV)来控制的，可实现喷油器喷油量、喷油速率和喷油时间的控制。与传统喷油系统相比主要有以下优点及对废气排放的影响：

(1)可自动调节喷油压力。电控高压共轨喷油系统可以根据柴油机不同工况自动调节喷油压力，无论在任何转速均能获得所需的最佳喷油压力，从而优化了柴油机的燃烧性能，使各种工况下柴油机的燃烧都处于最佳状态，使排放的有害废气减少。

(2)可自动控制喷油正时。根据柴油机的运转工况等参数，由电子控制单元ECU计算出喷油器最佳喷油时间，并提供高的喷射压力，使柴油机的燃油充分燃烧，使排出的废气中氮氧化合物(NOx)、微粒( PM )等有害物质降到最低值。

(3)可自动控制喷油速率。电控高压共轨喷油系统可以自由的调节柴油机预喷射、后喷射以及多段喷射等喷油率形状，实现理想的喷油规律，既能保证柴油机好的动力性和经济性，又能降低柴油机氮氧化合物的排放。

声音传出来，虚弱得像一声蚊嘤。狼剩儿显然是听见了。我看到他似乎颤了一下，好像从梦中惊醒。他瞄一眼手中的拨浪鼓，又看着奄奄一息的我，口唇开始抖动，越来越剧烈，泪珠大颗大颗地滚落下来。他突然又向前跨了一步，跪到床上，抬起我的头枕在他的臂弯。狼剩儿的眼泪洒落在我的脸上，他不停地用手给我擦拭。我拼尽最后一丝气力，哽咽着说：

(4)可自动调节喷油量。电控高压共轨喷油系统是通过共轨储油室为喷油器供油，而不是由高压油泵直接提供，并且喷油器的喷油量是由三通电磁阀PCV自动控制和调节，因此，喷油器的供油稳定，喷油量准确，各缸供油均匀，使柴油机工作稳定，燃烧完全，使有害废气排放降低。

4 结论

对于传统柴油机，其喷油系统是由高压油泵产生高压油，通过高压油管提供给喷油器，喷油器得到针阀的最低启阀压力后开始喷油。由于高压油泵一般是由凸轮轴驱动的，高压油泵提供的高压油受到柴油机转速和负荷的影响，当在低速、低负荷工况下工作时，供油压力较低，使喷油器喷油雾化质量下降，柴油机燃烧状况不良，排气冒黑烟，排出的废气中有害物质增加。

具有电控高压共轨喷油系统的柴油机，高压油泵产生的高压油不是直接供给喷油器，而是给共轨储油室供油，通过储存在共轨内的高压油为喷油器提供高压油，因此供油稳定，不受柴油机转速和负荷的影响；另外喷油器的喷油是通过电子控制单元和电磁阀综合控制，喷油正时准确、喷油量和喷油率自动调节，使喷油器喷油雾化质量提高，柴油机在任何工况下燃烧更完全，从而降低有害物质排放，减少环境污染。

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