共軌噴油器驅(qū)動(dòng)電路的試驗(yàn)研究*

李 克，牟連嵩，張宏超，崔國(guó)旭

(中國(guó)汽車技術(shù)研究中心，天津 300300)

前言

高壓共軌燃油系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是可在不同軌壓下實(shí)現(xiàn)燃油噴射速率的靈活控制和多次噴射。利用超高噴射壓力和多次噴射技術(shù)，NOx與PM排放和燃燒噪聲都能得到抑制［1-3］。在有小油量預(yù)噴射和后噴射的情況下，噴射系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可重復(fù)性是影響燃燒過程和排放結(jié)果的關(guān)鍵因素［4-5］。它在很大程度上都依賴于共軌燃油噴射系統(tǒng)自身的性能，同時(shí)要兼顧它和控制系統(tǒng)的合理匹配，這正是當(dāng)前我國(guó)自主開發(fā)共軌燃油噴射系統(tǒng)所要突破的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。

共軌電磁式噴油器的共同特點(diǎn)是噴油器體上都有控制腔和盛油槽，它們分別位于針閥座的上、下方，盛油槽在針閥座下方，針閥的運(yùn)動(dòng)主要是通過控制腔和盛油槽由銜鐵的開合間接控制，而銜鐵的開合則依賴于噴油器電磁閥電流激勵(lì)的直接作用［6-8］。文獻(xiàn)［8］和文獻(xiàn)［9］中的研究表明，噴油器中運(yùn)動(dòng)件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)對(duì)噴油的特性有顯著影響，尤其是銜鐵在吸合和回位終了時(shí)刻總產(chǎn)生一定的慣性沖擊。它是銜鐵動(dòng)能和彈簧彈性勢(shì)能不斷轉(zhuǎn)換和衰減的過程，此過程中部分能量轉(zhuǎn)化為高壓燃油的動(dòng)能和勢(shì)能，主要表現(xiàn)為控制腔和盛油槽內(nèi)的油壓波動(dòng)，這對(duì)噴油器的瞬態(tài)響應(yīng)、穩(wěn)定性和可重復(fù)性具有嚴(yán)重的影響。

針對(duì)以上問題，本文中通過調(diào)整電磁噴油器驅(qū)動(dòng)過程中不同階段的電磁力，試驗(yàn)研究銜鐵不同動(dòng)態(tài)響應(yīng)條件下共軌式燃油噴射系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)、最小油量控制和多次噴射等特性，從而找出最優(yōu)的驅(qū)動(dòng)電路參數(shù)，同時(shí)也為電磁噴油器硬件驅(qū)動(dòng)電路探索其標(biāo)定方法。

1 驅(qū)動(dòng)電路介紹和理論分析

本文中所用的噴油器驅(qū)動(dòng)電路是采用3階段電流控制來實(shí)現(xiàn)對(duì)銜鐵的動(dòng)態(tài)管理，如圖1所示。

這3個(gè)階段分別涉及Dp(開啟速率)、Ih(保持電流)和Dc(關(guān)閉速率)這3個(gè)特征參數(shù)。其中Dp主要由電路中的Vh(升壓電壓)和c噴油器自身的特性決定，也和M1(高壓驅(qū)動(dòng)功率管)與M2(低壓驅(qū)動(dòng)功率管)的開關(guān)狀態(tài)有關(guān)，它們分別由高壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)a和低壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)b控制。在第1階段中，M1和M2同時(shí)打開，Vh作為噴油器驅(qū)動(dòng)電源，D1(整流二極管)這時(shí)用于隔離Vh和Vl;其中Ih主要由電路中的低壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)b的保持脈沖占寬比控制;在第2階段中，M1關(guān)閉和M2打開，Vl作為噴油器驅(qū)動(dòng)電源;其中Dc主要由D2(反向抑制二極管)的抑制電壓決定，D2用來控制電磁線圈電流回落的速率;在第3階段中，M1關(guān)閉和M2打開。

在第1階段，根據(jù)基爾霍夫電壓定律分析可得到開啟電流速率的數(shù)學(xué)方程為

式中:R為回路電阻;L為回路電感;i(t)為某一時(shí)刻噴油器電磁線圈內(nèi)的電流值，其指數(shù)項(xiàng)與RL電路的自由響應(yīng)方程的指數(shù)項(xiàng)相同，為負(fù)指數(shù)函數(shù)，它將隨著時(shí)間而漸趨于零，時(shí)間常數(shù)為L(zhǎng)/R，這時(shí)回路達(dá)到最大電流Vh/R。從式(1)和式(2)中也可看出，Vh越大，Dp就越大。

在第3 階段M1 關(guān)斷后，D1、D2、R、L 和Vl形成放電回路，此時(shí)噴油器電磁線圈內(nèi)的電流響應(yīng)方程為

其中第2階段中的保持電流Ih成為本階段的初始電流，同時(shí)圖1中e點(diǎn)感生電動(dòng)勢(shì)和Dc的關(guān)系為

由于反向抑制二極管D2的存在，當(dāng)εe不超過D2所抑制的電壓Vd2時(shí)，相當(dāng)于式(3)中R趨于無窮大，Dc也很大，電流快速回落，εe上升很快。當(dāng)εe超過Vd2時(shí)，D2導(dǎo)通，R趨于無窮小，Dc不變，電流等速回落。從式(4)中可看出，εe-Vl的差值和Dc成正比關(guān)系，即Vd2直接決定著Dc的大小。

第2階段的主要目的是保持銜鐵的吸合狀態(tài)，它通過低壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)b的保持脈沖占寬比不斷在階段1(以Vl為電源)和階段3兩個(gè)狀態(tài)下切換工作，維持穩(wěn)定的保持電流Ih，但I(xiàn)h的大小會(huì)對(duì)銜鐵回落時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)產(chǎn)生影響。

各階段的電流變化直接影響著噴油器銜鐵的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，從而影響著燃油噴射的穩(wěn)定性和可重復(fù)性，即噴油器的瞬態(tài)響應(yīng)、最小油量控制和多次噴射特性。

2 試驗(yàn)測(cè)試設(shè)備和設(shè)計(jì)

試驗(yàn)所用燃油噴射系統(tǒng)為博世共軌系統(tǒng)，采用CP3.3型高壓油泵和CRIN2型噴油器。所用的主要測(cè)試設(shè)備有法國(guó)EFS公司的EFS8246型燃油噴射規(guī)律儀、橫河的96033型電流鉗和泰安的共軌油泵試驗(yàn)臺(tái)。其具體的技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)測(cè)試臺(tái)架技術(shù)參數(shù)

基于對(duì)燃燒過程優(yōu)化和排放控制的考慮，要求共軌燃油噴射系統(tǒng)在快速響應(yīng)的同時(shí)可實(shí)現(xiàn)小油量噴射和多次噴射，并具有較高的精度和較好的重復(fù)性，這要求驅(qū)動(dòng)電路和噴油器的特性得到良好的匹配。為此，通過特定的試驗(yàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的特性和燃油噴射的特性進(jìn)行了研究，具體的試驗(yàn)條件和測(cè)試指標(biāo)見表2。其中Dp和Dc分別由升壓電壓和抑制電壓決定，特定的電壓對(duì)應(yīng)著特定的電流速率。試驗(yàn)油泵轉(zhuǎn)速為定值750r/min，油溫為40℃，循環(huán)變動(dòng)的累積次數(shù)為100。

表2 試驗(yàn)條件及測(cè)試指標(biāo)

3 試驗(yàn)結(jié)果和分析

當(dāng)Ih=8.7A，Dc=597A/ms(抑制電壓為90V)時(shí)，不同噴射油量下軌壓對(duì)噴油器響應(yīng)特性的影響如圖2所示。

從圖2中可看出，多數(shù)情況隨軌壓的升高噴油器開啟和關(guān)閉響應(yīng)變快，噴射油量大小對(duì)其影響不大。只有在2.5mg噴射油量時(shí)，隨著軌壓升高，噴油器關(guān)閉響應(yīng)變慢，這是由于針閥沒有完全打開。當(dāng)噴油關(guān)閉時(shí)，針閥處于運(yùn)動(dòng)中，軌壓高則動(dòng)能大，落座的時(shí)間增加。而大油量時(shí)由于針閥完全打開，針閥的動(dòng)能快速轉(zhuǎn)化為彈簧的勢(shì)能和油壓波動(dòng)，噴油關(guān)閉時(shí)動(dòng)能為零，所以關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間較小油量時(shí)整體較低。圖3示出升壓電壓對(duì)噴油器開啟響應(yīng)的影響，隨著升壓電壓的升高，噴油器開啟速率加快，開啟時(shí)間變短;但關(guān)閉時(shí)間基本保持不變，其對(duì)關(guān)閉響應(yīng)不產(chǎn)生作用。

升壓電壓對(duì)油量循環(huán)變動(dòng)的影響如圖4所示。從圖4可看出，隨升壓電壓的升高，噴射油量的循環(huán)變動(dòng)變小，當(dāng)升壓電壓達(dá)到一定程度，噴射油量的循環(huán)變動(dòng)保持在一定范圍。但在較低升壓電壓(40V)時(shí)，軌壓的大小對(duì)噴射油量的循環(huán)變動(dòng)影響較大，隨軌壓升高噴射油量的循環(huán)變動(dòng)變小。由此可見，提高噴油器的開啟響應(yīng)速率可在一定程度上控制噴射油量的循環(huán)變動(dòng)。

當(dāng)Vh=50V、Ih=8.7A時(shí)，抑制電壓對(duì)噴油器響應(yīng)特性的影響如圖5所示。從圖5可看出，抑制電壓對(duì)噴油器的開啟響應(yīng)幾乎沒有影響，對(duì)于關(guān)閉響應(yīng)隨著抑制電壓的升高關(guān)閉響應(yīng)加快。這和噴油器關(guān)閉時(shí)電磁線圈的電流回落速率有關(guān)，電流回落速率越快，電磁關(guān)閉越早，針閥響應(yīng)就越快。抑制電壓對(duì)油量循環(huán)變動(dòng)的影響如圖6所示。由圖可見，隨著抑制電壓的升高，噴射油量的循環(huán)變動(dòng)變小，尤其小油量表現(xiàn)的更為突出。這表明電磁閥關(guān)閉響應(yīng)越快，小噴射油量的穩(wěn)定性就越好。

當(dāng)Vh=50V、抑制電壓為90V時(shí)，保持電流對(duì)噴油器響應(yīng)特性的影響如圖7所示。

保持電流對(duì)噴油器的開啟響應(yīng)也都沒有影響，對(duì)于關(guān)閉響應(yīng)隨著保持電流的增大響應(yīng)變快，這主要由于保持電流的增大意味著電磁線圈的儲(chǔ)能增大，關(guān)斷后抑制電壓的保持時(shí)間增加，電流回落速率變快。保持電流對(duì)油量循環(huán)變動(dòng)的影響如圖8所示。

隨著保持電流的增加，在大噴射油量時(shí)對(duì)循環(huán)變動(dòng)變化不大，在小噴射油量時(shí)，則循環(huán)變動(dòng)變小，并且趨于穩(wěn)定。由此可見，適當(dāng)?shù)靥岣弑３蛛娏饕部梢蕴岣咝∮土康膰娚浞€(wěn)定性。

當(dāng)主噴射油量為50mg、預(yù)噴射油量為2.5mg，升壓電壓Vh=50V、Ih=9.7A、抑制電壓為120V時(shí)，預(yù)主噴間隔對(duì)主噴循環(huán)變動(dòng)的影響如圖9所示。

預(yù)主噴間隔(0.2～1.4ms)在較低軌壓下對(duì)主噴的循環(huán)變動(dòng)影響不大，但隨著軌壓的升高，主噴的循環(huán)變動(dòng)伴隨預(yù)主噴間隔的增加不斷震蕩，沒有一定的規(guī)律，這可能和高壓油管的波動(dòng)有關(guān)，但其間一些間隔下可以控制主噴的循環(huán)變動(dòng)在理想的水平。主后噴間隔對(duì)后噴循環(huán)變動(dòng)的影響也是研究的一個(gè)重點(diǎn)，但受限于EFS8246的測(cè)試性能，對(duì)于較小的后噴射該設(shè)備計(jì)算處理精度不夠，分辨不出來，但從噴油速率曲線上可以明顯觀測(cè)到后噴射的存在，如圖10所示。

所以這里以總噴油量的循環(huán)變動(dòng)來評(píng)估主后噴間隔。主后噴間隔對(duì)總油量循環(huán)變動(dòng)的影響如圖11所示。

總體上看，隨著主后噴間隔的增加，總噴射循環(huán)變動(dòng)是變小的，但間隔為0.5ms點(diǎn)除外。因?yàn)樵陂g隔為0.5ms時(shí)，主噴和后噴完全合為一次噴射，噴射油量變大，如圖12所示，所以循環(huán)變動(dòng)要低。另外，在間隔為0.9ms以上時(shí)隨軌壓的升高總噴射油量循環(huán)變動(dòng)增大。

4 結(jié)論

(1)通過以上開發(fā)和試驗(yàn)研究可知，為了最大程度提升共軌燃油噴射系統(tǒng)的性能，采用靈活的共軌噴油器驅(qū)動(dòng)技術(shù)，并對(duì)電路驅(qū)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行合理標(biāo)定是必然的途徑。

(2)提高升壓電壓可明顯改進(jìn)噴油器開啟響應(yīng)，提高保持電流和關(guān)閉抑制電壓明顯改進(jìn)關(guān)閉響應(yīng)，而軌壓的升高有利于加快開啟響應(yīng)，但一定程度減緩了關(guān)閉速率;適當(dāng)提高升壓電壓、保持電流和關(guān)閉抑制電壓可降低燃油噴射的循環(huán)變動(dòng)，其中保持電流和關(guān)閉抑制電壓對(duì)控制小油量的循環(huán)變動(dòng)有明顯效果。

(3)軌壓過高不利于獲得理想的多次噴射一致性和穩(wěn)定性，在高軌壓下通過合理選定預(yù)主噴間隔可以有效控制預(yù)噴對(duì)主噴的干擾。主后噴間隔直接影響總噴射油量的穩(wěn)定性和一致性。

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