柴油机排放造成的环境污染已经引起人们的日益关注，在全球范围内各国政府也在不断推出新的污染物排放法规。因而在保证柴油机动力性和经济性的前提下，降低柴油机的有害排放成为当前研究者面对的挑战。

柴油机的有害排放物主要是NO_x和PM(颗粒)。 在柴油机的诸多参数中，喷油参数对柴油机油气混合和燃烧品质的影响较大，因此喷油参数对柴油机最终排放的影响成为发动机工作者所要面对的研究课题。本文的研究对象为一台4缸直喷式柴油机，通过调整其喷油提前角和喷油压力，主要验证了轨压跟随性对柴油机T4排放瞬态工况(NRTC试验)的影响，实测了该柴油机的PM、NO _x、CO和HC的排放值，对排放结果进行了分析，给柴油机喷油参数的优化提供一定的帮助。

试验装置及方案

试验使用的样机为一台4缸柴油机，其主要参数如下：功率：36.9 kW；工作循环：四冲程；单缸排量：0.94L；进气方式：自然吸气；冷却方式：水冷；缸体构造：温式；燃料供给系统形式：高压共轨；无后处理。

排放测试设备采用MXAE-MEXA‐7500DEG直采分析仪检测排放中的NO_x、CO和HC，采用MDLT—1302MTA颗粒采样器对排气中的颗粒进行检测，其中测出的稀释比精度为：±4%（稀释比被控制在4～20之间）。

该研究中柴油机排放的测试方法是参照GB20891—2014进行的。先对柴油机8工况进行标定，调整合适的预喷提前角、预喷油量、主喷提前角和共轨压力，然后进行8工况循环试验，测取每一个工况下的NO_x、CO和HC的排放，以及总的颗粒排放值。之后进行8工况稳态工况实验和8工况NRTC实验。

试验结果及其分析

8工况稳态工况实验测试结果如下：CO:2.61 g/kW・h；HC:0.57 g/kW・h；NO_x:5.24 g/kW・h；HC+NO_x:5.8 g/kW・h；PM:0.119 g/kW・h。GB20891—2014排放限值如表所示：额定功率小于37 kW，排放限值CO：5.5  g/kW・h, HC+NO_x：7.5 g/kW・h, PM：0.6 g/kW・h。通过8工况稳态工况实验结果和排放限值比较得出结果：8工况稳态工况排放能够达到排放标准。

表  排放限值

8工况瞬态工况(NRTC)实验结果显示，在稳态标定数据不变的情况下，即主喷提前角、主喷油量、预喷提前角、预喷油量及共轨喷射压力和稳态8工况一致。在这样的标定数据情况下进行8工况NRTC排放测试，其测量结果为HC+NO_x：7.59 g/kW・h，
CO：4.97 g/kW・h，NRTC不能达到排放标准。

1.NRTC排放试验不能达标准原因分析

通过排放试验，稳态工况排放试验能满足排放标准，而NRTC却不能满足排放标准，出现这种情况就必须分析NRTC。

根据GB20891—2014排放标准，NRTC循环中测功机设定规范如图1所示，NRTC循环中功率转速变化很快，基本上是每秒都有变化。在这种工况下，分析了主喷提前角、预喷提前角和主喷油量，主喷提前角和稳态标定的数据一样。

图1  NRTC循环中测功机设定规范

接下来分析轨压，实际轨压与目标轨压跟随性。图2中蓝色为柴油机转速，红色为目标轨压，黄色为实际轨压。如图2所示，在NRTC循环中实际轨压与目标轨压跟随性很差，实际轨压与目标轨压至少相差12 MPa。

图2  实际轨压与目标轨压跟随性

2.轨压对发动机排放和燃油消耗率的影响

在电控共轨系统中，高压油泵只对燃油加压，与喷射过程无直接关系，使喷油压力独立于柴油机转速和负荷，故灵活可调。图3为1 500 r/min、全负荷工况下，不同轨压对排放和燃油消耗率的影响。试验中轨压分别为90 MPa、100 MPa、110 MPa、130 MPa，最高燃烧压力在允许范围之内,所采用的喷油提前角经过优化,进气中冷后温度控制在35℃。

图3  轨压对排放和燃油消耗率的影响

从图3可看出，轨压从90 MPa升高到130 MPa时，烟度连续下降，最大降幅接近10个单位。从90 MPa提高到110 MPa时，NO_x和燃油消耗率也得到明显改善，分别下降230×10^－6和1.5 g/(kW・h )。这说明较高的喷油压力改善了油束的空间雾化，增加了油束的动能，强烈的卷吸效果提高了空气利用率；同时相同的喷油量采用高压喷射后意味着缩短了喷油持续期,可减少后燃和缩短燃烧持续期，这都使燃油消耗率和烟度得以改善，可见提高喷油压力对于燃烧的改善十分明显。但当轨压从110 MPa进一步提高时，此时较高的喷射压力活化燃烧，使得燃烧充分，导致燃烧压力升高、燃烧温度升高和富氧区域增加，使NO_x排量增加，同时过高的喷油压力超出燃烧室匹配范围，使着壁油量增加，并且随着喷油提前角的逐渐推迟，使燃烧能量不能集中在上止点做功，降低了效率，使经济性变差。与110 MPa相比，130 MPa时的NO_x排放增加了140×10^－6。如图2所示，共轨喷射压力已经和稳态时喷射压力不一样了，导致NRTC排放试验不能达排放标准。要达到排放标准，就必须解决轨压跟随性的问题。

轨压跟随性标定

ECU轨压控制原理如图4所示，轨压控制主要是根据发动机状态，计算目标轨压及对应的燃油计量阀流量需求。从而根据燃油进油计量阀流量需求，计算对应驱动电流及占空比，根据占空比控制信号实现对燃油进油计量阀的驱动。

图4  轨压控制原理

轨压控制流程中，由前馈流量和PID闭环控制得到燃油计量阀流量，由燃油计量阀流量计算相应的电流和点空比，根据燃油进油计量阀目标电流和实际电流的差值进行电流闭环控制，从而得到一个和燃油进油计量阀目标电流基本一致的燃油计量阀实际电流，燃油进油计量阀实际电流去驱动燃油进油计量阀，燃油进油计量阀实际电流保持稳定，则燃油进油计量阀进入油泵的油量稳定，油量稳定则轨压稳定。

在8工况稳态试验中，目标轨压和实际基本一致，因为可以根据PID闭环控制得到一个稳定的轨压。目标轨压和实际轨压相差较大主要出现在NRTC排放试验。原因是柴油机工况变化很频繁，PID闭环控制在很短的时间内无法很快得到稳定的轨压。

经分析燃油进油计量阀的流量和前馈流量相差很大。根据燃油进油计量阀的流量可以得到一个燃油进油计量阀的目标电流，而前馈流量表示燃油进油计量阀的实际电流。如果前馈流量和燃油进油计量阀的流量在柴油机变工况下都能基本一致，燃油进油计量阀的目标电流和实际电流就会基本一致，目标轨压和实际轨压就会基本一致。

前馈流量的组成如图5所示，前馈流量由喷油器不喷射泄漏量和喷油器喷射时的泄漏量及喷油器的预加油量组成。标好前馈流量的三张表，使之和燃油进油计量阀的流量基本一致。目标轨压和实际轨压就基本一致。

图5  前馈流量的组成

通过对前馈流量的标定，NRTC循环中实际轨压与目标轨压跟随性如图6所示，红线为目标轨压，黄线为实际轨压,蓝线为柴油机转速。此时在柴油复杂的工况中，实际轨压与目标轨压基本一致，轨压跟随性很好。

图6  NRTC循环中实际轨压与目标轨压跟随性

在标定前馈流量以后，轨压跟随性问题得到解决，重新做NRTC试验，其结果如图7所示，NO_x+HC：6.6 g/kW・h；PM:0.16 g/kW・h；CO:2.92 g/kW・h；排放限值NO_x+HC=7.5g/kW・h。这组数据说明NRTC排放试验达标。

图7  瞬态工况（NRTC）排放试验结果

结束语

轨压跟随性差导致NRTC排放试验不能达到排放标准。通过试验论证了轨压对排放和燃油消耗率的影响，当轨压超过一定值，较高的喷射压力活化燃烧，使得燃烧充分，导致压力及温度升高和富氧区域增加，使NO_x 排量增加。通过分析燃油进油计量阀流量和燃油进油计量阀控制电流的关系。在柴油机复杂工况中，目标电流和实际电流要基本一致，可以通过前馈流量标定实现，这样轨压跟随性很好。通过NRTC排放试验验证，轨压跟随性好， NRTC排放达标。