高壓共軌噴油器動態(tài)響應(yīng)特性監(jiān)測技術(shù)研究

銀增輝，姚春德，耿培林，胡江濤

前言

隨著排放法規(guī)的日趨嚴(yán)格，缸內(nèi)直噴發(fā)動機每循環(huán)的噴射次數(shù)達到了2～3次甚至更多，這些趨勢要求電磁噴油器具有快速、精確的響應(yīng)延遲時間[1-3]。電磁閥的動態(tài)響應(yīng)特性決定了燃油噴入缸內(nèi)的精確曲軸轉(zhuǎn)角和實際噴油持續(xù)期，對混合氣的形成和噴油規(guī)律有顯著影響[4-5]。因此，有必要對電磁閥的動態(tài)響應(yīng)特性和監(jiān)測方法進行深入的研究，這對發(fā)動機工作過程和控制策略優(yōu)化具有重要意義。

國內(nèi)外學(xué)者對電磁閥噴油器針閥響應(yīng)特性的監(jiān)測方法開展了廣泛的研究。文獻[6]中通過在電磁閥上安裝加速度傳感器建立了針閥響應(yīng)特性試驗臺，通過分析加速度數(shù)據(jù)來獲得針閥的動態(tài)響應(yīng)參數(shù)。文獻[7]中通過使用激光位移傳感器來監(jiān)測針閥的微量運動，來獲得針閥的運動參數(shù)。文獻[8]中設(shè)計了針閥腔壓力監(jiān)測設(shè)備，通過壓力腔壓力的變化判定針閥的開啟、關(guān)閉延遲時間。文獻[9]中使用X射線雙曝光的方式監(jiān)測高壓共軌噴油器針閥的響應(yīng)特性。文獻[10]和文獻[11]中通過電子顯微鏡檢測還原噴油器的零部件參數(shù)，并建立了一維數(shù)值模型，通過模擬計算獲得針閥的動態(tài)響應(yīng)特性。先前的研究多須破壞噴油器本身的結(jié)構(gòu)，對真實的針閥響應(yīng)特性帶來一定的影響。此外，這些研究大多針對某一特定噴油器，缺乏普適性。因此需要開發(fā)一種新型高效且具有廣泛意義的針閥響應(yīng)特性監(jiān)測方法。

本文中采用非接觸式的方法研究了高壓共軌電磁噴油器的針閥響應(yīng)特性，且對噴油器本體不造成任何破壞。通過電流傳感器監(jiān)測燃油噴射過程中噴油器電磁閥的電流和噴油器入口的壓力變化，與此同時，通過同步高速攝像機拍攝噴油器噴霧過程。通過對比分析噴霧開啟、關(guān)閉等關(guān)鍵時刻的電流、壓力、噴霧特征等關(guān)鍵參數(shù)，提出一種非接觸式的新型電磁噴油器動態(tài)響應(yīng)特性監(jiān)測方法。此外，也研究了噴油壓力變化對針閥響應(yīng)特性帶來的影響。

1 試驗裝置與方法

試驗裝置如圖1所示，主要包括燃油噴射系統(tǒng)、高速顯微攝像系統(tǒng)和同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。燃油噴射系統(tǒng)包括高壓共軌燃油系統(tǒng)、噴油器和ECU等。高速顯微攝像系統(tǒng)主要包括高速攝像機、顯微鏡頭和高亮度LED冷光源；同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括 NI DAQ采集裝置、高精度電流傳感器、壓力傳感器等。采用P系列噴油器，噴孔孔徑為0.16mm，針閥升程為0.25mm。

在試驗測試系統(tǒng)中，用變頻電機驅(qū)動高壓油泵，能提供20～160MPa的穩(wěn)定可調(diào)壓力，由ECU發(fā)出燃油噴射脈寬信號驅(qū)動噴油器按設(shè)定參數(shù)完成噴油，同步發(fā)出TTL信號觸發(fā)高速攝像系統(tǒng)和同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。試驗過程中高速攝像的拍攝速度與

圖1 試驗裝置示意圖

DAQ數(shù)據(jù)采集頻率保持一致。電流信號和壓力信號通過同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和高速攝像圖片傳入計算機，并完成對應(yīng)匹配。設(shè)定高速攝像機拍攝速度為40 000fps，對應(yīng)圖像分辨率為320×320ppi，調(diào)節(jié)燃油壓力在直噴汽油機工況范圍內(nèi)，設(shè)定噴油脈寬為2ms，完成一次噴油，同步采集脈寬、電流和壓力信號。在此基礎(chǔ)上，依次改變噴油壓力，研究不同噴射壓力下的噴油器開啟、關(guān)閉延遲和實際噴油持續(xù)期等。

2 試驗結(jié)果與分析

高壓共軌噴油器比GDI噴油器復(fù)雜，延遲響應(yīng)主要包括電力延遲、機械延遲和液力延遲。在噴油器開始噴霧之前，先后經(jīng)歷了電磁閥開啟和針閥開啟兩個階段，下面分別予以論述。

2.1 動態(tài)響應(yīng)特性

圖2為高壓共軌噴油器針閥開啟和關(guān)閉瞬間的噴霧圖像。圖3為噴油器工作過程中檢測到的噴油器電磁閥電流和入口壓力及其變化率。

圖2 噴油器電磁閥開啟、關(guān)閉瞬間對應(yīng)的噴霧圖像

圖3 噴油器工作過程的信號檢測

圖3 中:上方兩條曲線分別為電流曲線和電流變化率曲線，a為噴油器控制脈沖開始時刻；b為電磁閥開啟的瞬間，它對應(yīng)線圈電流變化率達到最大值的位置，在此過程中電流和電磁吸力都逐漸變大，當(dāng)電磁吸力與彈簧預(yù)緊力、壓力、球閥重力之和相等時，電磁閥開始運動，控制腔泄油孔打開，噴油器入口壓力出現(xiàn)微降，此時對應(yīng)的壓力變化率小于0；在c時刻，針閥開始打開，噴油器入口壓力出現(xiàn)急劇下降，此時刻也對應(yīng)于圖2中的針閥開啟瞬間，有燃油噴出；d為噴油脈寬信號結(jié)束時刻；e為電磁閥關(guān)閉時刻，在電磁閥關(guān)閉過程中，磁路中磁通變小，線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，阻礙線圈電流進一步變小，因自感電動勢作用，線圈中電流變大，出現(xiàn)了電流曲線上e時刻的小突起，在之前的關(guān)于GDI噴油器的研究中也有同樣的現(xiàn)象和規(guī)律[12]；f為針閥關(guān)閉的時刻，噴油結(jié)束，對應(yīng)圖2的關(guān)閉瞬間，此時，噴油器入口壓力變化率也達到最大值。圖中，a與d之間對應(yīng)的時間為噴油脈寬，a與b之間對應(yīng)的時間為電磁閥開啟延遲，a與c之間對應(yīng)的時間為針閥開啟延遲，d與e之間對應(yīng)的時間為電磁閥關(guān)閉延遲，d與f之間對應(yīng)的時間為針閥關(guān)閉延遲，c與f之間對應(yīng)的時間為實際噴油持續(xù)期。因此，通過檢測分析電流曲線和壓力的特征，可得到電磁閥開啟、關(guān)閉延遲時間、針閥開啟關(guān)閉延遲時間和實際噴油持續(xù)期。高壓共軌電磁噴油器電磁閥、針閥的開啟、關(guān)閉延遲和線圈電流、壓力變化有很好的對應(yīng)關(guān)系，通過檢測分析電流和壓力曲線的特征，可得到電磁閥開啟、關(guān)閉延遲時間、針閥開啟關(guān)閉延遲時間和實際噴油持續(xù)期。

2.2 噴油壓力對動態(tài)響應(yīng)特性的影響

不同噴射壓力下針閥開啟關(guān)閉延遲如圖4所示。由圖可見:隨著噴油壓力的提高，針閥開啟延遲和關(guān)閉延遲都逐漸降低并趨于穩(wěn)定，其中與40MPa相比，160MPa延遲時間縮短了140μs；隨著噴射壓力的提高，針閥打開的速度越快，同時噴油器關(guān)閉的過程中，其關(guān)閉的速度也更迅速；不論是針閥開啟延遲還是針閥關(guān)閉延遲，它們的總體趨勢都是隨著噴油壓力的提高而減小。

圖4 不同噴射壓力下針閥開啟關(guān)閉延遲

不同噴射壓力下實際噴油持續(xù)期如圖5所示。

圖5 不同噴射壓力下實際噴油持續(xù)期

由圖可見，在2ms噴油脈寬下，不同噴射壓力下其實際噴油持續(xù)期基本一致，均在2.5ms左右，由此來看，由于噴油延遲的原因，噴油器的實際噴油持續(xù)時間大于噴油脈寬理論持續(xù)時間，但不論噴油壓力如何變化，當(dāng)噴油脈寬固定時，其對應(yīng)的實際燃油噴射持續(xù)期是一致的。

燃油噴射壓力的變化影響噴油器針閥開啟延遲和關(guān)閉延遲的時間，隨著噴油壓力的提高噴油器關(guān)閉延遲、響應(yīng)延遲都縮短，相對于理論脈寬持續(xù)期，實際噴油持續(xù)期略大，且在不同的噴射壓力下基本一致。

圖6為不同噴油壓力下，燃油噴射過程中的壓力波動情況，即壓降曲線。壓力波動，即壓降值，定義為初始噴油壓力與瞬時噴油壓力之差值。由圖可見，在噴射過程中噴油器的壓降隨著噴油壓力的提高而增加，在噴射壓力為160MPa時，最大降幅達17MPa。

圖6 不同噴射壓力下壓力波動

為比較不同噴油壓力下壓降的程度或百分比，引入“壓力波動率”的概念，定義為瞬時壓降值與(初始)噴油壓力的比值。圖7為不同噴射壓力下的壓力波動率曲線。由圖可見，在2ms噴油脈寬下，隨著噴射壓力的降低，壓力波動率逐漸變大，在40MPa時壓力波動率的最大值為15%。對比分析得知，噴油壓力越低時噴射過程中壓力波動率越大。

圖7 不同噴射壓力下壓力波動率

3 結(jié)論

本研究基于噴油器入口壓力、噴油器電流采集和同步高速攝像系統(tǒng)，提出一種新型非接觸式噴油器針閥響應(yīng)特性監(jiān)測方法，構(gòu)建了動態(tài)響應(yīng)特性測試系統(tǒng)，解決了電控噴油器升程測量過程中電磁干擾和結(jié)構(gòu)布置的問題，且可實現(xiàn)發(fā)動機工作過程中的實時監(jiān)測，有利于控制策略的閉環(huán)反饋和優(yōu)化。

電磁噴油器的電磁閥開啟、關(guān)閉延遲和線圈電流有很好的對應(yīng)關(guān)系，當(dāng)噴油器開始噴油時，線圈電流變化率達到最大值，當(dāng)噴油器噴油結(jié)束時，線圈電流曲線對應(yīng)出現(xiàn)電流突起。據(jù)此，可獲得包括開啟延遲、關(guān)閉延遲和噴油持續(xù)期等電磁閥動態(tài)響應(yīng)特性。結(jié)合噴油器入口壓力變化，可進一步確定針閥開啟過程和關(guān)閉過程及其對應(yīng)的時間，包括完全開啟時刻。

對于高壓共軌電磁閥噴油器而言，不同的噴射壓力帶來的響應(yīng)延遲差異較大，但實際噴油持續(xù)期基本一致。在燃油噴射過程中，壓力越大，壓力波動絕對值越大，但壓力波動率相對較低。

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