智能噴油器
——大型發(fā)動(dòng)機(jī)噴油技術(shù)數(shù)字化

【德】 E.RAUER M.ROTTER M.WILLMANN C.SENGHAAS

0 前言

自1997年誕生第1款電控共軌噴油系統(tǒng)以來[1]，在減排措施的推動(dòng)下，噴油系統(tǒng)壓力在2014年逐步從120 MPa提高到250 MPa[2]。由于壓力較高，某些部件已達(dá)到了疲勞強(qiáng)度極限，同時(shí)磨損導(dǎo)致部件無(wú)法達(dá)到正常的使用壽命。現(xiàn)代噴油系統(tǒng)采用多次噴射技術(shù)來降低壓力上升梯度(預(yù)噴)和碳煙排放(后噴)。該技術(shù)同減少碳?xì)?HC)排放的盲孔優(yōu)化設(shè)計(jì)一樣，屬于最先進(jìn)的技術(shù)。另一項(xiàng)仍然存在的挑戰(zhàn)是在噴油部件的整個(gè)使用壽命期間，確保其滿足排放要求。因此，嚴(yán)格的邊界條件對(duì)材料、設(shè)計(jì)和制造精度提出了很高的要求。此外，現(xiàn)代噴油系統(tǒng)通常需要電子漂移補(bǔ)償，從而通過傳感器監(jiān)控噴油過程并根據(jù)需要重新調(diào)節(jié)。

未來能源轉(zhuǎn)型將成為最大的挑戰(zhàn)之一，能源轉(zhuǎn)型后將減少發(fā)動(dòng)機(jī)排放對(duì)環(huán)境的影響。過剩的、可再生的電能可轉(zhuǎn)換為燃料，然后再次應(yīng)用于大型發(fā)動(dòng)機(jī)，尤其是用于移動(dòng)設(shè)備。目前，多種燃料都在備選方案之中，如二甲醚，甲醛二甲醚及甲醇等。性質(zhì)與柴油相近的燃料與現(xiàn)階段的噴油系統(tǒng)一起使用對(duì)噴油部件的液壓設(shè)計(jì)及摩擦系統(tǒng)提出了挑戰(zhàn)[3-4]。

單一的、未混合的燃料或者規(guī)格明顯有限的燃料可以通過測(cè)試程序和耐久性試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，而燃料混合物的驗(yàn)證是1項(xiàng)更高要求的工作。由生物柴油的混合經(jīng)驗(yàn)可知，許多燃料混合物的驗(yàn)證與混合比沒有明顯的關(guān)系，因而難以控制。

未來需要通過電子系統(tǒng)監(jiān)控燃油噴射或燃燒。一方面能夠充分利用變化較大的燃料特性實(shí)現(xiàn)燃燒的熱力學(xué)優(yōu)化；另一方面可及時(shí)檢測(cè)到意外的噴射行為甚至發(fā)動(dòng)機(jī)故障。

在比較燃油噴射系統(tǒng)時(shí)，產(chǎn)品成本通常是最重要的考慮因素之一。通常在計(jì)算時(shí)不會(huì)同時(shí)評(píng)估采購(gòu)成本和運(yùn)行成本。噴油器的漂移現(xiàn)象是決定運(yùn)行成本的關(guān)鍵因素。主動(dòng)狀態(tài)監(jiān)控可使燃油消耗穩(wěn)定并延長(zhǎng)更換間隔，從而充分延長(zhǎng)噴油部件的使用壽命，同時(shí)保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)免受噴油器缺陷(如由燃料污染引起)的影響。

隨著高度網(wǎng)絡(luò)化的架構(gòu)在工業(yè)設(shè)備中的應(yīng)用，組件可與其使用環(huán)境進(jìn)行交互。系統(tǒng)的若干組件可以相互交換數(shù)據(jù)和信息，從而使子系統(tǒng)、總系統(tǒng)或上級(jí)系統(tǒng)得到優(yōu)化。在大型發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域，發(fā)動(dòng)機(jī)部件集成已逐漸應(yīng)用在遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中，由此為操作安全性、服務(wù)和后勤等方面帶來了額外的益處[5]。

2 智能噴油器

噴嘴附近的壓力傳感器可用于監(jiān)測(cè)噴油器功能，并將其狀態(tài)傳送給外界。針對(duì)噴油過程的控制回路可以監(jiān)測(cè)噴油開始與結(jié)束，從而使噴油持續(xù)期保持穩(wěn)定，并對(duì)磨損作出響應(yīng)。目前，為了實(shí)現(xiàn)漂移補(bǔ)償，在中央電子系統(tǒng)中處理傳感器信號(hào)，并將結(jié)果傳送給發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元，以調(diào)節(jié)噴射參數(shù)。

作為1種全新的高度集成的方法，智能噴油器的信號(hào)調(diào)節(jié)和處理組件位于噴油器上端或靠近噴油器部位(圖1)。噴油器螺線管高頻制動(dòng)引起的信號(hào)干擾和惡劣的環(huán)境條件(如溫度和振動(dòng)等)會(huì)影響壓力信號(hào)，在電子設(shè)計(jì)過程中應(yīng)將其考慮在內(nèi)。通常，噴油器需要電子元件檢驗(yàn)?zāi)男└郊庸δ芸梢酝ㄟ^數(shù)字化來實(shí)現(xiàn)。目前可實(shí)現(xiàn)的基本功能包括漂移補(bǔ)償、狀態(tài)監(jiān)控、組件的數(shù)字識(shí)別及負(fù)荷記錄器。

圖1 集成本地智能技術(shù)的噴油器

3 針閥力控制

通過噴嘴上方所獲取的信息，對(duì)液壓、機(jī)械或電磁組件進(jìn)行校對(duì)通常無(wú)法完全實(shí)現(xiàn)。如果噴油系統(tǒng)的目標(biāo)是提供穩(wěn)定的最小噴油量，如在雙燃料系統(tǒng)中采用相同的噴油器提供起動(dòng)噴油量和全負(fù)荷噴油量，則有必要對(duì)噴嘴附近區(qū)域的噴油量和壓力情況進(jìn)行測(cè)量分析。

通過對(duì)測(cè)量方法和空間布置進(jìn)行系統(tǒng)分析，證明測(cè)量閥座接觸和噴嘴針閥上方的控制室壓力具有一定實(shí)用價(jià)值?？紤]到將針閥座設(shè)計(jì)為電氣開關(guān)所帶來的技術(shù)挑戰(zhàn)及測(cè)量控制室壓力具有附加功能潛力，決定采用被Woodward L’Orange公司稱為“針閥力控制(NFC)”的新技術(shù)。

4 結(jié)構(gòu)

由于傳感器安裝在空間狹小的區(qū)域，并且承受著來自執(zhí)行器、輔助閥，以及各種入口和出口施加的高機(jī)械應(yīng)力，因此測(cè)量噴嘴針閥上方的控制室壓力比較困難。在初始方法中，從控制室至部件外壁正下方有1個(gè)盲孔。盲孔區(qū)域采用應(yīng)變計(jì)，從而將傳感器功能集成到噴油器組件中(圖2)。所有應(yīng)變計(jì)元件的原型都是在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的。這種采用粘合應(yīng)變計(jì)的技術(shù)現(xiàn)已成為Woodward L’Orange公司在實(shí)驗(yàn)室和單缸試驗(yàn)機(jī)上采用的最先進(jìn)技術(shù)之一。應(yīng)變計(jì)目前尚未達(dá)到可投入制造的階段，其主要原因是采用薄膜技術(shù)的應(yīng)變計(jì)結(jié)構(gòu)和噴油器液壓部件的邊界條件具有顯著差異。

圖2 用在針閥上方的應(yīng)變計(jì)元件

出于上述原因，Woodward L’Orange公司正在與合作伙伴共同開發(fā)高度集成的壓力傳感器，并可應(yīng)用于Woodward L’Orange公司的所有噴油器。圖3示出安裝在最緊湊的噴油器系列產(chǎn)品上的傳感器，其外部尺寸符合商業(yè)傳感元件的要求。通常，傳感元件安裝在1個(gè)大型外殼中，并配有放大器和插接件。當(dāng)采用NFC技術(shù)時(shí)，這些傳感元件集成在1個(gè)非常緊湊的密封殼體內(nèi)。根據(jù)信號(hào)特征表明，傳感器小型化可能導(dǎo)致的體積下降現(xiàn)象且不會(huì)影響信號(hào)評(píng)估。

圖3 高度集成的壓力傳感器

5 信號(hào)曲線

圖4示出了在噴嘴針閥上方的控制室中所測(cè)得的典型壓力信號(hào)曲線。當(dāng)螺線管出現(xiàn)激勵(lì)時(shí)，噴油器的輔助閥開啟，控制室中的壓力下降且針閥沒有移動(dòng)；當(dāng)壓力超過將針閥保持在密封座中的力時(shí)，針閥開始移出閥座并進(jìn)行燃油噴射。該階段的壓力曲線取決于控制室的流入與流出以及針閥的開啟速度。當(dāng)針閥到達(dá)其上止點(diǎn)時(shí)，控制室內(nèi)的壓力下降到由入口和出口之間的比率所確定的壓力水平。當(dāng)螺線管激勵(lì)過程結(jié)束時(shí)，輔助閥關(guān)閉，控制室內(nèi)的壓力迅速上升且針閥不會(huì)移動(dòng)。當(dāng)針閥向其閥座移動(dòng)并達(dá)到閥座時(shí)，控制室內(nèi)的壓力再次急劇上升，此時(shí)噴油過程結(jié)束(圖4)。

圖4 噴嘴針閥上方的控制室中的壓力曲線

由該信號(hào)曲線可以看出，即使噴油量非常小，壓力幅度也幾乎相當(dāng)于系統(tǒng)壓力的50%，因此信噪比良好。如果只需要檢測(cè)噴油過程的開始和結(jié)束，那么僅需要識(shí)別信號(hào)中明確顯示的最小值，其余信號(hào)曲線信息包括節(jié)流閥橫截面、針閥速度和輔助閥特性等，將用于第2開發(fā)階段。

6 算法與結(jié)果

根據(jù)所需精度，選擇以50～100 kHz的采樣率采集信號(hào)。通過對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行多次過濾和推導(dǎo)的算法，識(shí)別出2個(gè)特征極值并確定其相對(duì)于激勵(lì)開始時(shí)的位置。該算法適用于不同的液壓結(jié)構(gòu)，且在運(yùn)行時(shí)非常穩(wěn)定。在任何系統(tǒng)壓力下，噴油開始和結(jié)束時(shí)檢測(cè)到的散射區(qū)均小于22 μs。圖5示出了噴油過程開始后激勵(lì)持續(xù)時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)偏差。當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備還無(wú)法檢測(cè)到哪部分散射是由噴油器引起的。目前，可以測(cè)量的最小量低于全負(fù)荷噴油量的1%，且驗(yàn)證率超過98%。因此，該方法實(shí)際上可用于瞬態(tài)過程的逐次校正。

圖5 計(jì)算噴油開始的標(biāo)準(zhǔn)偏差，每次在恒定的激勵(lì)時(shí)間和不同的系統(tǒng)壓力下進(jìn)行50次噴射

通過具有相應(yīng)算法的穩(wěn)健傳感器技術(shù)進(jìn)行連續(xù)且詳細(xì)的噴油器監(jiān)測(cè)。通過這種方式實(shí)現(xiàn)完整信號(hào)的高頻記錄，以便在將來采用更復(fù)雜的程序時(shí)，可以從信號(hào)曲線中獲得上述附加信息。

7 智能噴油器的基本功能

通過漂移補(bǔ)償來矯正由老化引起的噴油器噴射性能變化。將漂移補(bǔ)償功能參數(shù)(強(qiáng)度和時(shí)間進(jìn)展)作為有效值輸入狀態(tài)檢測(cè)模型。為了實(shí)現(xiàn)漂移補(bǔ)償和噴油器平衡，將復(fù)雜的模型儲(chǔ)存在電子設(shè)備中。首先根據(jù)工況點(diǎn)監(jiān)測(cè)噴油開始和持續(xù)時(shí)間并使其保持恒定。然后通過改變激勵(lì)時(shí)間來補(bǔ)償額外的偏差。除了平衡噴油器，補(bǔ)償流量中由生產(chǎn)造成的公差之外，還需要基于模型考慮無(wú)法直接測(cè)量的老化現(xiàn)象，如噴嘴流量變化。

圖6比較了約1 000 h運(yùn)行時(shí)間后的未校正的噴油器與校正后的噴油器。部分噴油器超出了公差限制范圍。圖6示出了所考慮噴油器的包絡(luò)線。噴油量在激勵(lì)時(shí)間內(nèi)處于恒定壓力作用下。結(jié)果表明，在校正情況下，全負(fù)荷工況下的噴油器散射現(xiàn)象改善了80%。優(yōu)化散射可使壽命期間的排放值和油耗值穩(wěn)定，并且延長(zhǎng)噴油器的使用壽命。

圖6 1 000 h運(yùn)行時(shí)間后的噴油量曲線散射

狀態(tài)監(jiān)控與漂移補(bǔ)償密切相關(guān)，它可以推斷噴油器的機(jī)械狀態(tài)并預(yù)測(cè)部件的壽命終止。這是基于狀態(tài)維護(hù)的先決條件。

通過負(fù)荷記錄器記錄在部件磨損中起重要作用的負(fù)荷循環(huán)。將合適的形式將噴射次數(shù)、相應(yīng)的壓力和噴油量輸入上述磨損模型中。與關(guān)鍵部件的疲勞強(qiáng)度模型相結(jié)合，負(fù)荷記錄器可用于避免自發(fā)故障風(fēng)險(xiǎn)，并使昂貴的部件得到充分使用，并在再制造過程中實(shí)現(xiàn)回收利用。此外，實(shí)際操作中獲得的信息可用于產(chǎn)品開發(fā)。在通常情況下，從現(xiàn)場(chǎng)返回的零部件缺乏詳細(xì)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，這增加了精確評(píng)估和模型構(gòu)建的難度。通過訪問負(fù)荷記錄器，可將來自各種應(yīng)用的大量數(shù)據(jù)整合到連續(xù)建模過程中，并延長(zhǎng)維護(hù)間隔，還可通過長(zhǎng)期觀測(cè)，提高相關(guān)部件的耐久性。

另1項(xiàng)基本功能是組件的數(shù)字識(shí)別。它簡(jiǎn)化了組件的現(xiàn)場(chǎng)處理，可以自動(dòng)檢查正確的部件編號(hào)，簡(jiǎn)化交換過程的存檔，并防止劣質(zhì)剽竊。電子識(shí)別取代了容易出錯(cuò)的過程，其中打印的部件編號(hào)、校正數(shù)據(jù)和其他信息等以光學(xué)代碼的形式進(jìn)行記錄并傳輸?shù)娇刂茊卧小?/p>

整個(gè)系統(tǒng)的開發(fā)階段通過數(shù)據(jù)云實(shí)現(xiàn)設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)，所有功能都可實(shí)現(xiàn)計(jì)算并得以存儲(chǔ)，供需要時(shí)使用。

現(xiàn)代微控制器能經(jīng)濟(jì)高效地執(zhí)行信號(hào)轉(zhuǎn)換和評(píng)估，因此這些功能也可在噴油器上實(shí)現(xiàn)本地應(yīng)用。在實(shí)施完全聯(lián)網(wǎng)之前采用該方案，以便為原始設(shè)備和改造設(shè)備提供服務(wù)。

8 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了智能噴油器的基本功能，并用于下一代噴油器的第1開發(fā)階段。如果這些功能得以實(shí)現(xiàn)，并且可與其他發(fā)動(dòng)機(jī)部件、發(fā)動(dòng)機(jī)操作系統(tǒng)，以及數(shù)據(jù)云實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，由此可開發(fā)出許多其他的功能(圖7)。

將燃燒室壓力指示和噴油器監(jiān)測(cè)結(jié)合在一起，可以改進(jìn)熱力學(xué)分析和發(fā)動(dòng)機(jī)診斷，或者簡(jiǎn)化非常規(guī)燃料的使用。狀態(tài)診斷可以改善零部件市場(chǎng)的銷售和物流流程，還可以通過不同的方式應(yīng)用狀態(tài)診斷，如將其用于識(shí)別燃料過濾裝置中的缺陷(當(dāng)多噴油器加速磨損時(shí))，或者在系統(tǒng)安裝之后顯示出各個(gè)噴油器的磨損狀態(tài)，還可檢測(cè)再制造是否經(jīng)過授權(quán)。智能噴油器為各個(gè)燃油噴射組件的數(shù)字化奠定了基礎(chǔ)，推動(dòng)噴油技術(shù)進(jìn)入下一個(gè)發(fā)展階段。

圖7 智能噴油器集成系統(tǒng)