直喷式柴油机喷油速率与功率和排放指标的关系分析

1.喷油率的概念^[9]、[10]

对喷油率，应从两个方面来理解其含义。一种含义是其概念本身，就是指在喷油过程中，每秒（或每度曲轴转角）从喷油器喷出的燃油量。其单位是mm³/s或mm³/CA；另一种含义是喷油率曲线的形状，是指喷油量对喷油时间（或喷油角度）的微分随时间（或曲轴转角）的变化关系，即喷射率的波形，也即喷油规律。这种含义对于控制燃烧过程是有积极的指导意义的。按喷油规律对燃烧过程的影响情况，喷油率曲线可分为三部分：

1）喷油初期（即着火延迟期）：从喷油开始到着火燃烧。

2）喷油中期：从着火燃烧到喷油压力升到最高值。

3）喷油后期：从喷油压力最高值到喷油结束。

2.理想的喷油率形状

喷油率是柴油机燃烧的最重要参数之一。改善燃烧过程的关键技术之一是通过控制喷油速率控制燃烧过程，以实现燃烧过程理想化。直喷式柴油机要求较高的喷油速率，但不同的目标对喷油率图形的要求不一样：

1）希望输出功率大，则提高喷油速率。(www.xing528.com)

2）希望排放指标好，则要求初期喷油率小，后期喷油率高，喷油结束时迅速下降。

3）希望燃油耗低，则要求适当的喷油延迟角结合高喷油率。

4）希望降低噪音，则要初期喷油率小。

若要求同时改善动力性、燃油经济性、污染物排放和噪声排放性能，理想的喷油率形状为：喷油初期的喷射率是决定预混合燃烧量的重要因素之一，为了降低NO_x和噪声，希望初始喷射率很低；喷射中期相当于扩散燃烧期，为了降低碳烟，希望喷射率很陡地加大，并且随着负荷和转速的增高，喷油率的丰满度必须增大，即从三角形向矩形过渡，以确保燃油和空气的充分混合；喷射后期是喷射压力降低期，由于此间燃油雾化不良而成为产生颗粒物排放（PM）的因素之一，因此在喷油结束时，应快速回油以实现喷油压力的迅速下降，从而使喷油后期尽量缩短。更进一步为实现极低的NO_x和PM排放，在采用DeNO_x（去除氮氧化物）催化转化器后处理装置时，需要将HC（作为还原剂）引到DeNO_x催化剂中使其活化，这是通过在做功行程中进行补充喷油（后喷射）从而增加HC来实现的。

根据以上分析，可以得到理想的喷油率曲线形状，如图1-4至图1-6所示，应该看到理想的喷油率曲线形状不是固定不变的，而应随柴油机转速和负荷的变化相应调整成最佳的形状。同时适应排放法规的变化，理想的喷油率曲线也在不断变化，因此上述的分析需要不断地更新和改进。

3.喷油率模式

在理想喷油率曲线上（图1-5、图1-6），要实现的喷油速率控制有多种模式，基本可分为连续喷射模式和多次喷射模式，连续喷射模式就是在一个循环喷射中，喷油器在电控单元的控制下启喷后连续喷油，中间没有任何的停顿，其中比较典型的如靴形喷射，△型喷油等，而多次喷射模式，就是在柴油机每缸喷油器的一个循环喷射中，喷油器可以根据需要实现多次的停顿、多次的喷射。目前大多数高压共轨喷油系统都采用多次喷射模式，如德国BOSCH公司、日本电装公司、美国DELPHI公司的高压共轨喷油系统等都可以通过给高压共轨喷油器的高速电磁阀或者压电陶瓷驱动的高速开关阀，多次通电实现多段喷射，其中包括：主喷射、预喷射和后喷射等。