王 軍，金 毅，張幽彤，丁小亮，韓 樹

（1.陸軍裝甲兵學院車輛工程系，北京 100072； 2.北京理工大學機械與車輛學院，北京 100081）

前言

隨著柴油機排放法規(guī)的日益嚴格，多次噴射已成為電控柴油機排放機內凈化的主要手段［1］。由于車用柴油機經常變工況運行，其燃燒過程具有非線性的特征，多次噴射組合會直接影響柴油機排放性能。在柴油機上實施多次噴射時，確定適合工況的噴射組合是多次噴射應用首要解決的問題。目前發(fā)表的文獻大部分是關于多次噴射對柴油機排放影響的分析和研究，最具代表性的如Nehmer等［2］在2.44 L單缸機上進行了多次噴射試驗，說明了預噴油量在10%-75%之間變化，多次噴射能夠在微粒排放稍微增加的情況下，有效地減少氮氧化物的排放；Chen［3］分析不同的噴射組合對1.2 L高壓共軌柴油機性能的影響，通過優(yōu)化廢氣再循環(huán)率、預噴定時、預噴油量、主噴定時和主噴油量，同時優(yōu)化了氮氧化物（NOx）和煙度（Soot）的排放。Carlucci［4］分析了1.930 L FIAT高壓共軌柴油機在不同工況下，預噴油量和主預間隔時間對主噴燃燒過程的影響；國內石秀勇等人進行了多次噴射對柴油機噪聲和排放物的影響試驗［5］，預噴有效減小了柴油機的噪聲，預噴油量較少能改善NOx的排放，后噴射會使Soot的排放降低，但會導致燃油消耗率和排氣溫度有所升高。欒興存等人完成了多次噴射對高壓共軌渦輪增壓柴油機燃燒與排放影響的試驗［6］，總結出預噴和后噴對柴油機排放的影響趨勢；王滸等人進行多次噴射與廢氣再循環(huán)相聯(lián)合對柴油機的性能和排放的影響試驗［7］，說明該方法能有效地降低碳煙的排放，但會導致柴油機燃油消耗率、碳氫化合物和一氧化碳的排放量增加。這些研究通常只在某一、兩個工況下，采用變化單一噴油參數(shù)的方法揭示不同噴射組合對柴油機排放的影響，而對柴油機多工況如何分配多次噴射和多次噴射組合策略研究較少。本文中在簡要分析電控噴油器多次噴射的形式和作用后，提出了基于工況排放值約束的多次噴射分配方法，結合柴油機典型工況的排放試驗，說明了電控噴油器多次噴射分配方法的有效性，為柴油機全工況多次噴射分配提供參考。

1 噴射策略

1.1 多次噴射

多次噴射是指在柴油機每一工作循環(huán)中將燃油的噴射分為兩次或兩次以上的噴油方案，是一項改善柴油機性能的技術［8］。多次噴射由預噴2（Pil2）、預噴1（Pil1）、主噴（Main）和后噴（Post）組合而成，如圖1所示。多次噴射參數(shù)有預噴2的提前角AiPil2、持續(xù)角度EtPil2，預噴1的提前角AiPil1、持續(xù)角度EtPil1，主噴的提前角Aj、持續(xù)角度Etj，后噴持續(xù)角度EtPos、主后噴間隔角AiPos，TDC為上止點。為便于試驗設計和數(shù)據(jù)分析，預噴2、預噴1和后噴的持續(xù)角度用時間ms表示。

圖1 多次噴射組成

預噴是指噴油器在主噴射之前的預先噴射燃油，其噴油量小而噴射相位前移，預噴燃燒縮短了主噴射燃油的著火延遲期，降低缸內壓力升高率和溫度，從而降低柴油機燃燒噪聲與氮氧化物［9］。主噴是指噴油器在一個工作循環(huán)中滿足轉矩輸出要求的主要噴射，其噴油量大，噴射相位靠近上止點。后噴是指噴油器在主噴射之后的后續(xù)噴射，噴油量小，后噴能提高擴散燃燒階段缸內的燃燒溫度和氧化生成的微粒，可減少微粒排放。

1.2 典型工況

轉速和負荷構成了柴油機的工況，柴油機的工況有起動工況、怠速工況、過渡工況、最大轉矩工況和額定工況等。根據(jù)車輛行駛工況統(tǒng)計研究，車輛在高速公路上行駛時，發(fā)動機的工況多在高速中高負荷，在二級公路上行駛時則為中速中負荷，在城市道路上行駛時則以怠速和過渡工況為主［10］，柴油機典型工況是柴油機經常工作和各種能力的工作狀況，典型工況不僅涵蓋了多次噴射適用的柴油機的工作區(qū)域，而且包含外特性、排放測試工況點，因此選擇怠速工況、低速小負荷工況、中速中負荷工況、中速大負荷工況、額定轉速大負荷工況作為柴油機的典型工況。

1.3 工況排放

氮氧化物和微粒是柴油機的主要排放物，因此在保證柴油機動力性和經濟性的前提下，選擇微粒（PM）和氮氧化物作為衡量指標，選取歐Ⅳ排放標準的微粒和氮氧化物加權比排放量，利用文獻［7］中提出的工況分擔率（表征各個工況的排放量對十三工況的加權比排放量的相對貢獻大小）計算出不同工況下微粒和氮氧化物的排放量，作為評價噴射次數(shù)和噴油參數(shù)的指標。

式中：Xmass為某一工況下的排放物m的排放值，g／h；WFi為加權系數(shù)，i為工況序號。

不同工況下排放物m的排放量［12］為

式中：BSm為排放物m的加權比排放量；Gm為排放物m的排放量；Pi為i工況的柴油機功率。

i工況的NOx體積濃度DNOxi為

式中Q為排氣流量，mm3／s。

由于柴油機微粒大部分是碳粒，比例成分穩(wěn)定，碳煙是柴油機大負荷產生的碳粒，反映的是固態(tài)黑碳粒的多少，煙度和微粒的變化之間存在一定相關性［13］，煙度排放大，微粒值也大。微粒質量測量需要稀釋取樣風道等復雜設備，價格昂貴，測量繁瑣，而煙度測量簡便，適宜各工況測試，因此采用動態(tài)煙度值來指示微粒排放，選擇張兆合、任麗娟等人提出的微粒質量濃度與煙度消光系數(shù)的關系式［14］計算微粒質量濃度對應的煙度消光系數(shù)k：

式中：CPM為排氣中的微粒質量濃度，mg／m3；k為排氣中煙度的消光系數(shù)，m-1。

1.4 噴射次數(shù)

不同噴射組合及其噴射參數(shù)直接影響柴油機排放的變化，對給定的試驗工況，須使不同的噴射組合之間具有可比性，就需要在不同的噴射組合之間建立一個可比較的基準，此基準就是每種噴射組合在保證柴油機動力性和經濟性的前提下，能使排放性能最佳折衷。多次噴射的噴射定時和噴射量主要影響柴油機的排放性和經濟性，依據(jù)柴油機的排放性和經濟性要求，進行多次噴射定時和噴射量組合尋優(yōu)。電控噴油器多次噴射的次數(shù)確定方法是對給定的工況點，通過逐次增加噴射次數(shù)，按照柴油機兩種排放折衷最優(yōu)的原則，兼顧柴油機燃油消耗率指標，優(yōu)選出多次噴射的噴射定時和噴射量的參數(shù)組合，進而確定合適的噴射次數(shù)，具體過程如下。

首先進行只有主噴的一次噴射試驗，由目標輸出轉矩來確定一個合適的噴油壓力、主噴噴油持續(xù)角及其噴油提前角，并確定對應的燃油消耗率。

其次進行由預噴和主噴組成的兩次噴射，保持噴油壓力和主噴持續(xù)角及其提前角恒定不變，改變預噴噴油量和預噴提前角，分析柴油機試驗數(shù)據(jù)，選擇排放指標折衷最優(yōu)的預噴參數(shù)，再對比柴油機的燃油消耗率變化，確定出兩次噴射參數(shù)；同法可確定由2次預噴和主噴組成的3次噴射參數(shù)。

最后在主噴后引入后噴，改變主后噴間隔角和后噴油量，分析其對柴油機排放的影響，選擇排放指標折衷最優(yōu)的后噴參數(shù)，再對比柴油機的燃油消耗率變化，確定出合適的4次噴射參數(shù)。

圖2 試驗臺架組成

2 噴射試驗

2.1 試驗設備

電控噴油器的多次噴射須在柴油機試驗臺架上進行，以檢驗不同噴射對柴油機性能的影響。試驗臺架組成如圖2所示，試驗使用測試儀器有測功機、空氣流量計、燃燒分析儀、氣體分析儀和煙度計，參數(shù)如表1所示。試驗用發(fā)動機為北汽福田的4JB1柴油機，其基本參數(shù)如表2所示，通過加裝Bosch公司的高壓共軌噴油系統(tǒng)，將標定功率提高到85 kW，配以自主開發(fā)的電控單元。

表1 試驗用測試儀器參數(shù)

表2 4JB1柴油機基本參數(shù)表

2.2 試驗工況

柴油機試驗工況按照典型工況要求選取，選擇6個試驗工況點如圖3所示（圖中以空心圓圈顯示）。其中A為怠速工況點，轉速為650 r／min；B為中低轉速小負荷范圍工況點，轉速為1 200 r／min、轉矩為60 N·m；C＠25%、C＠50%、C＠100%分別為中高轉速的低、中、高負荷范圍的工況點，轉速為2 125 r／mim，轉矩分別為60、120、240 N·m，也是柴油機排放測試試驗所規(guī)定的13工況中的3個工況，其中C＠100%為此轉速下的外特性點；D為高速大負荷工況范圍的工況點，轉速為3 400 r／min、轉矩為最大值。

選取4JB1柴油機的原機ESC13工況排放數(shù)據(jù)，按式（1）計算出4JB1柴油機微粒和氮氧化物的各工況分攤率；再根據(jù)歐Ⅳ排放標準的PM和NOx加權比排放值，工況時間為怠速4 min、其它2 min，按式（2）～式（5）計算不同工況下4JB1柴油機氮氧化物、煙度的限值，如表3所示。

圖3 多次噴射試驗工況點

表3 不同工況的柴油機Soot、NO x分攤率及限值

3 試驗結果分析

為便于分析和簡化描述，對多次噴射組合進行統(tǒng)一定義，多次噴射組合的噴射參數(shù)用AiPiI2／Et-PiI2／AiPiI1／EtPiI1／Ai／Etj／AiPos／EtPos格式表示，單位分別為（°）CA／μs／（°）CA／μs／（°）CA／（°）CA／（°）CA／μs，例如，60／150／30／250／5／10／0／0噴射組合表示PiI2＋PiI1＋Main的3次噴射，預噴2提前角為60°CA、噴油脈寬為150μs，預噴1的提前角為30°CA、噴油脈寬為250μs，主噴射提前角為5°CA、持續(xù)角為10°CA，沒有后噴；0／0／30／250／10／15／0／0表示PiI1＋Main的2次噴射，預噴1提前角為30°CA、噴 油 脈 寬 為250μs，主 噴 射 提 前 角 為10°CA，持續(xù)角為15°CA。

3.1 怠速工況噴射

當柴油機在怠速650 r／min時，分別實施1次噴射、2次噴射，2次噴射由主噴和預噴組合而成。在噴油壓力為40 MPa的條件下，柴油機怠速時不同噴射的排放如表4所示。從表4可見，隨著1次噴射提前角Aj的增加，NOx排放值逐漸增加，Soot排放值逐漸減小。當實施2次噴射時，隨著預噴提前角的減小，NOx排放降低的效果明顯，說明預噴縮短了主噴的滯燃期，與此同時主噴發(fā)生時缸內溫度較高，預噴的燃油沒有得到完全反應，主噴中進入燃燒室的燃油就處于高溫缺氧的環(huán)境下，造成煙度較高。在怠速工況，只有在EtPiI1較大且AiPiI1較小時，預噴的引入使Soot和NOx的排放達到限值，所以在怠速工況下，宜采用預噴加主噴組合的兩次噴射。

表4 柴油機怠速時不同噴射的效果

3.2 低速小負荷噴射

當柴油機轉速為1 200 r／min、負荷為60 N·m時，分別實施1次噴射、2次噴射和3次噴射，其中3次噴射為2次預噴和主噴射組合，柴油機低速小負荷時不同噴射的效果如表5所示。從表5中數(shù)據(jù)看出：在噴油壓力為45 MPa的條件下，當1次噴射的提前角Aj和持續(xù)角度Etj分別為5和10°CA時，柴油機的NOx、Soot排放值分別接近此工況的限值440×10-6、0.030 m-1，有效燃油消耗率（BSFC）為242 g／（kW·h）；當實施2次噴射時，隨著AiPiI1的減小，NOx排放值逐漸減小，Soot排放值逐漸增加，主噴燃油進入預噴燃燒產物造成的高溫缺氧環(huán)境，導致煙度上升，采用較大的預噴-主噴間隔，較小的預噴油量，在不影響發(fā)動機燃燒性能的前提下，能改善NOx和Soot排放的折衷關系。采用預噴射的BSFC要比單次噴射的低，隨著預噴和主噴間隔的減小，主燃燒更加靠近上止點，預噴對發(fā)動機燃油經濟性的改善作用更加明顯；當實施3次噴射時，隨著AiPiI2的增加，NOx的排放較2次噴射的更小。當預噴2的提前角為60°CA時，EtPiI1較大且AiPiI1較小對降低NOx和Soot有利。當2次預噴整體較早時，隨著預噴2油量的增加，NOx增加，煙度降低，因此在低轉速小負荷工況下，預噴2能夠有效地點燃預噴1的燃油，有利于降低主噴的壓力升高率和放熱率峰值，既減小了燃燒噪聲，又不惡化煙度排放，BSFC隨預噴AiPiI2的提前呈上升趨勢，宜用2次預噴加主噴射的3次噴射。

表5 柴油機低速小負荷時不同噴射的效果

表6 柴油機中速小負荷時不同噴射的效果

3.3 中速小負荷噴射

當柴油機轉速為2 125 r／min、負荷為最大負荷的25%時，分別實施2次噴射、3次噴射和4次噴射，其中4次噴射由2次預噴、主噴和后噴組成。在噴油壓力為100 MPa的條件下，當單次噴射的提前角Aj和持續(xù)角度Etj分別為10和15°CA時，柴油機的NOx、Soot排放值分別接近此工況的限值150×10-6、0.025 m-1，BSFC為298 g／（kW·h）；當實施多次噴射時，柴油機不同噴射的效果如表6所示，從表6中數(shù)據(jù)看出：在同一預噴脈寬下，NOx排放值隨預噴AiPiI1的增加而增大，Soot排放值逐漸減小，BSFC呈現(xiàn)出先減小后增加的趨勢；當AiPiI1較小時，燃油消耗率相對于單次噴射有一定程度的優(yōu)化，并且隨著EtPiI1的增加，BSFC的優(yōu)化程度越發(fā)明顯。當EtPiI1為350μs，3次噴射的柴油機NOx排放值較2次噴射有明顯的減小，當預噴AiPiI2較小時，預噴EtPiI2對BSFC的影響較小，而預噴AiPiI2較大時，BSFC隨預噴EtPiI2的增加而上升；采用2預噴-主噴-后噴的4次噴射，Soot和NOx明顯要低于單次噴射；在主-后噴間隔較小時，Soot隨主-后噴間隔的變化不明顯，而當主-后噴間隔超過10°CA時，煙度隨著后噴油量的增加而降低。選用大于10°CA的主-后噴間隔和較大的后噴油量可得到較好的Soot和NOx排放，選取合適的后噴油量和后噴定時，BSFC呈現(xiàn)明顯的改善。為優(yōu)化NOx和Soot排放，宜采用由兩次預噴、主噴和后噴組成的4次噴射。

表7 柴油機中速中負荷時不同噴射的效果

表8 柴油機中速大負荷時不同噴射的效果

3.4 中速中負荷噴射

當柴油機轉速為2 125 r／min、負荷為最大負荷的50%時，分別實施2次噴射、3次噴射，其中3次噴射由預噴、主噴和后噴組成或由2次預噴和主噴射組成，在噴油壓力為120 MPa的條件下，1次噴射的提前角Aj和持續(xù)角度Etj分別為10和20°CA。柴油機的NOx、Soot排放值接近此工況的限值510×10-6、0.025 m-1，BSFC為220 g／（kW·h）；當實施多次噴射時，柴油機不同噴射的效果如表7所示，從表7中數(shù)據(jù)看出：較小的EtPiI2和較大的AiPiI1，仍然能夠在一定程度上降低NOx和Soot排放值。當Ai-PiI1大于40°CA時，NOx才有較為明顯下降，但此時的Soot以及BSFC都有一定程度的惡化，在較大AiPos范圍內，均能夠有效地優(yōu)化煙度的排放；當AiPos小于20°CA時，對所有試驗選定的EtPos，煙度排放均有不同程度的優(yōu)化。由于加入后噴，其燃燒放熱可進一步氧化主燃燒期間生成的碳煙，降低碳煙排放，后噴燃油噴入缸內，使燃燒溫度逐漸降低，抑制了NOx的生成，能獲得較好排放性和經濟性。只有在EtPost為150μs、小AiPost時，BSFC才較無后噴的有所降低。隨著AiPost的增加，BSFC變化幅度較小，基本無明顯變化。當柴油機中速中負荷時，宜采用預噴、主噴和后噴組成3次噴射。

3.5 中速大負荷噴射

當柴油機轉速為2 125 r／min、負荷最大時，分別實施2次噴射、3次噴射，其中2次噴射由預噴和主噴組成或主噴和后噴組成，3次噴射由預噴、主噴和后噴組成。在噴油壓力為140 MPa的條件下，1次噴射的提前角Aj和持續(xù)角度Etj分別為10和25°CA時，柴油機的NOx、Soot排放值分別接近此工況的限值1000×10-6、0.25 m-1，BSFC為202 g／（kW·h）；當實施多次噴射時，柴油機不同噴射的效果如表8所示。從表8中數(shù)據(jù)看出：采用預噴和主噴組合，NOx與Soot排放值成明顯的折衷關系，預噴對NOx、Soot及BSFC的影響幅度明顯；采用主噴和后噴組合，當主-后噴間隔角較小時，后噴定時和后噴量對NOx的影響均不大；當主 -后噴間隔角增加到10°CA以上時，NOx隨主 -后噴間隔和后噴油量的增加略有下降，Soot隨著后噴油量增加而降低，主-后噴間隔增大到一定程度時，BSFC比1次噴射的有所增加；采用預噴、主噴和后噴組合的3次噴射時，NOx排放值較主噴和后噴組合的明顯增加，Soot排放值較主噴和后噴組合的略有下降，BSFC隨著預噴AiPiI2的提前基本呈上升趨勢，由于在中速大負荷工況屬于柴油機的外特性工況點，主噴油量較多，后燃階段缸內的溫度壓力相對較高，促進了Soot氧化，后噴作用不明顯。宜用預噴加主噴的2次噴射。

3.6 高速大負荷噴射

當柴油機運行在高速3 400 r／min、最大負荷時，分別實施1次噴射和2次噴射，其中2次噴射由預噴和主噴組成。在噴油壓力為140 MPa的條件下，柴油機高速大負荷時不同噴射的排放如表9所示。由表9中數(shù)據(jù)看出，在同一預噴定時下，隨著EtPiI1的增加，NOx排放值逐漸增大，Soot排放值、BSFC逐漸減??；在同一預噴脈寬下，隨著AiPiI1的增加，NOx，Soot排放值變化幅度不大，兩次噴射的NOx與Soot排放值都接近此工況的限值。采用1次噴射的NOx與Soot排放值低于此工況的限值，BSFC較2次噴射的有所降低，由于此時柴油機氣缸內的溫度、壓力達到最高，沒有必要再用預噴提高缸內溫度，宜采用單次噴射。

表9 柴油機高速大負荷時不同噴射的效果

綜上所述，在怠速工況下采用2次噴射；在低速小負荷工況下采用3次噴射，適當噴油量、早的預噴可獲得較好的NOx和Soot排放值；在中速小負荷工況下采用兩次預噴、主噴和后噴的4次噴射，早的預噴可獲得NOx和Soot的輕微改善；在中速中負荷工況下采用預噴、主噴和后噴的3次噴射，兩次預噴整體相位較提前且預噴1油量較小時，能得到相對較好的柴油機排放性能；在中速大負荷工況下采用預噴加主噴的2次噴射，預噴對NOx、Soot排放影響較小；在高速大負荷工況下，缸內的溫度、壓力達到最高，不需要預噴提高缸內溫度、壓力，采用1次主噴。4JB1高壓共軌柴油機典型工況的多次噴射組合如圖4所示。

圖4 4JB1柴油機典型工況多次噴射組合

4 結論

（1）提出了柴油機典型工況多次噴射分配方法，以各工況的NOx與Soot排放值為約束限值，兼顧燃油消耗率的變化，采用遞增噴射次數(shù)、兩種排放折衷尋優(yōu)的方法確定噴射參數(shù)和噴射次數(shù)。

（2）按照柴油機典型工況的排放折衷最佳限值，在低速小負荷工況，適當噴油量、較早一次預噴能獲得較好的柴油機NOx和Soot排放；在中速小負荷工況下，早的預噴能實現(xiàn)柴油機NOx和Soot的輕微改善；在中速中負荷工況下，兩次預噴整體相位較提前且預噴1油量較小時，能獲得相對較好的柴油機NOx和Soot排放值；在中速大負荷工況下，適當?shù)闹?后噴隔角和噴油量能實現(xiàn)柴油機NOx和Soot的優(yōu)化。

（3）結合典型工況下多次噴射的4JB1柴油機排放試驗，以氮氧化物和煙度作為評價參數(shù)，分析了不同噴射組合對4JB1柴油機排放性能的影響，確定了4JB1高壓共軌柴油機典型工況的多次噴射組合。