多次噴射噴霧脈寬與控制信號(hào)脈寬對(duì)應(yīng)關(guān)系研究

趙志帥，徐丹，孫柏剛

(1.北京理工大學(xué)機(jī)械與車(chē)輛學(xué)院，北京 100081；2.中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所(天津)，天津 300400)

多次噴射可以有效提升柴油機(jī)排放性和經(jīng)濟(jì)性，在柴油機(jī)中得到了廣泛應(yīng)用[1]。在多次噴射中，噴射脈寬和噴射間隔是兩個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)。噴射脈寬直接關(guān)系到噴油量，對(duì)柴油機(jī)的排放性和燃油消耗造成影響。電磁噴油器存在電磁延遲[2]和液力延遲[3]，使得實(shí)際噴射脈寬與控制信號(hào)脈寬存在差異,從而對(duì)柴油機(jī)燃燒性能造成影響[4-5]。噴射間隔與各個(gè)噴射階段的噴油量存在確定性依賴(lài)關(guān)系[6]。噴射間隔過(guò)小則會(huì)導(dǎo)致多次噴射發(fā)生燃油融合現(xiàn)象[7-9]，從而導(dǎo)致燃油消耗加劇和顆粒物排放增加[10]。因此，研究多次噴射實(shí)際脈寬和控制脈寬之間對(duì)應(yīng)關(guān)系，以及多次噴射臨界間隔時(shí)間，對(duì)于優(yōu)化柴油機(jī)的排放性能和油耗性能將產(chǎn)生積極的影響。

眾多學(xué)者對(duì)于實(shí)際噴射脈寬與控制信號(hào)脈寬之間差異進(jìn)行了大量研究。郭世龍等[11]通過(guò)AMESim仿真研究了電控噴油器電磁信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間。劉楠等[12]利用matlab/simulink對(duì)電控噴油器電磁信號(hào)和針閥升程信號(hào)的差異進(jìn)行了研究。銀增輝等[13]通過(guò)試驗(yàn)對(duì)電磁控制信號(hào)和噴油器入口壓力信號(hào)的差異進(jìn)行了研究。上述研究中實(shí)際噴射脈寬的確定均是在針閥處或者噴油器入口處間接獲取，而無(wú)法直觀地獲取到實(shí)際噴射脈寬。噴霧作為供油系統(tǒng)和燃燒系統(tǒng)的結(jié)合點(diǎn)，對(duì)于供油和燃燒相匹配十分關(guān)鍵。實(shí)際噴射脈寬指的是燃油開(kāi)始進(jìn)入缸內(nèi)到燃油停止進(jìn)入缸內(nèi)之間的時(shí)間段。通過(guò)噴霧圖像可以清楚直觀地獲取缸內(nèi)燃油噴射的起始狀態(tài)和噴射情況，相較于其他方式，可以更方便準(zhǔn)確地獲得實(shí)際噴射脈寬。利用可視化試驗(yàn)裝置對(duì)缸內(nèi)噴霧進(jìn)行觀測(cè)，通過(guò)噴霧圖像可以直觀地獲得實(shí)際噴射脈寬。將供油系統(tǒng)噴射過(guò)程延伸至缸內(nèi)，可進(jìn)一步對(duì)噴射脈寬和間隔時(shí)間的影響因素進(jìn)行分析。

本研究在超高壓供油平臺(tái)上，利用可視化手段進(jìn)行了單孔噴霧試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果分析研究了在超高壓噴射系統(tǒng)不同背景密度情況下多次噴射噴霧脈寬和控制信號(hào)脈寬之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)由超高壓供油系統(tǒng)與可視化試驗(yàn)裝置兩部分組成。超高壓供油系統(tǒng)油泵最大工作壓力為250 MPa，電磁噴油器最大工作壓力為300 MPa。可視化試驗(yàn)裝置由定容彈、高速攝像機(jī)、光源以及控制系統(tǒng)等部分組成。高速攝相機(jī)拍攝速度為200 000 fps，分辨率為256×504像素，光源采用HYXYL Daylight compact 1200型鏑燈，放置于相機(jī)通道的對(duì)面。圖1示出可視化試驗(yàn)裝置示意圖。

圖1 可視化試驗(yàn)裝置示意

1.2 試驗(yàn)工況的設(shè)定

表1所示為噴霧發(fā)展特性試驗(yàn)工況設(shè)置。試驗(yàn)中所有工況均重復(fù)進(jìn)行10次試驗(yàn)，以減小誤差。

表1 噴霧試驗(yàn)工況

試驗(yàn)所用噴油器為單孔噴油器，孔徑為0.148 mm。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試確定單次噴射單孔噴油量為16.3 mg。多次噴射總噴油量保持16.3 mg恒定，通過(guò)改變預(yù)噴射油量比例獲得多種工況。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 單次噴射控制信號(hào)脈寬與噴霧脈寬對(duì)應(yīng)關(guān)系

單次噴射噴霧脈寬由噴霧圖像獲得，其獲取方法如圖2所示。在進(jìn)行噴霧脈寬確定時(shí)，將燃油從噴孔噴出的前一張空白圖片定為噴射始點(diǎn)(0 ms)；將噴孔處油束出現(xiàn)明顯斷噴的圖像(圖中2.35 ms圖像)定為噴射終點(diǎn)，即該工況下噴霧脈寬為2.35 ms。單次噴射控制信號(hào)脈寬由控制供油系統(tǒng)的電磁閥電流信號(hào)獲得。

圖2 噴霧脈寬確定

控制信號(hào)脈寬與噴霧脈寬的關(guān)系如圖3所示。由圖3可以看出，控制信號(hào)脈寬包括了噴油開(kāi)啟延遲T1和脈寬T2，噴霧脈寬包括了脈寬T2和噴油關(guān)閉延遲T3。脈寬延長(zhǎng)量可以表達(dá)為T(mén)3-T1。噴油關(guān)閉延遲T3是從控制系統(tǒng)發(fā)出電信號(hào)到控制閥開(kāi)始響應(yīng)直至針閥完全落座所經(jīng)歷的時(shí)間，其中電控信號(hào)延遲和控制閥響應(yīng)延遲是系統(tǒng)本身延遲特性，不隨噴射壓力的改變而改變。

圖3 控制信號(hào)脈寬與噴霧脈寬對(duì)應(yīng)關(guān)系示意圖

表2示出由噴霧圖像獲得的不同噴射壓力和背景密度下的噴霧脈寬。由表2可以看出，在不同噴射壓力及背景密度工況下，噴霧脈寬始終大于控制信號(hào)脈寬，這是由于供油系統(tǒng)在實(shí)際工作過(guò)程中存在各種延遲造成的，包括電磁延遲、液壓延遲。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，相同噴射壓力、不同密度條件下，噴霧脈寬保持恒定，噴霧脈寬相對(duì)控制信號(hào)脈寬的延長(zhǎng)量同樣保持恒定。這是因?yàn)?，背景密度反映的是噴射背壓，它?duì)噴射過(guò)程的影響體現(xiàn)在噴油速率上。噴油速率與噴油器噴孔內(nèi)外壓差成正比?？紤]噴射壓力最低為200 MPa，而在最高背景密度下的噴射背壓僅為2.4 MPa，密度對(duì)噴油速率的影響甚微，因此不同密度條件下，噴霧脈寬保持恒定。從表2還可以看出，噴射壓力增大時(shí)，噴霧脈寬相對(duì)于控制信號(hào)脈寬的延長(zhǎng)量減小。這是因?yàn)椋琓3包括從電控信號(hào)結(jié)束到噴霧完全結(jié)束即針閥完全落座的時(shí)間。這一時(shí)間包括電控信號(hào)的延遲與噴油器關(guān)閉的延遲，電控信號(hào)造成的延遲與噴射壓力無(wú)關(guān)，噴油器關(guān)閉的延遲與針閥處的受力情況有關(guān)。在針閥落座時(shí)，針閥同時(shí)受到來(lái)自控制腔方向向下的壓力和蓄壓腔方向向上的壓力。控制腔的壓力升高速度隨著噴射壓力的增大而減小，使得針閥更快落座。而蓄壓腔壓力隨著噴射壓力增大而增大，使得針閥下降所需時(shí)間增大。二者的共同作用使得控制閥關(guān)閉后的針閥落座時(shí)間在各個(gè)壓力下基本保持不變。因此不同壓力下，噴油關(guān)閉延遲T3保持恒定。噴油開(kāi)啟延遲主要與變形恢復(fù)延遲和壓力室充油延遲有關(guān)。隨著壓力的升高，針閥變形量越大，變形恢復(fù)延遲越大，而壓力室充油延遲隨壓力的升高不斷縮小，在系統(tǒng)壓力超過(guò)200 MPa后該延遲恒等于0 ms，因此噴油開(kāi)啟延遲T1隨壓力的升高而增加。綜合T3和T1隨壓力的變化規(guī)律，脈寬延長(zhǎng)量隨壓力的升高逐漸減小。

表2 不同噴射壓力及背景密度條件下控制信號(hào)脈寬與噴霧脈寬對(duì)應(yīng)關(guān)系

2.2 多次噴射控制信號(hào)脈寬與噴霧脈寬對(duì)應(yīng)關(guān)系

由圖4可知，在200 MPa噴射壓力，60 kg/m3背景密度，0.8 ms預(yù)主噴間隔時(shí)間工況，不同預(yù)噴百分比下噴霧脈寬始終大于控制信號(hào)脈寬，這是由前文所述的供油系統(tǒng)的各種噴射延遲造成的。且隨著預(yù)噴百分比的增加，脈寬延長(zhǎng)量隨之增加，每增加5%的預(yù)噴油量，控制信號(hào)脈寬平均增加0.072 ms，而噴霧脈寬增加0.1 ms，即每增加5%的預(yù)噴油量，噴霧脈寬增量相對(duì)控制信號(hào)脈寬增量增加0.028 ms,從而使得噴霧脈寬相對(duì)控制信號(hào)脈寬的延長(zhǎng)量隨預(yù)噴油量的增加而增加。

圖4 不同預(yù)噴百分比下控制信號(hào)脈寬與噴霧脈寬對(duì)應(yīng)關(guān)系

如圖5所示，脈寬延長(zhǎng)量始終是正值，即噴霧脈寬始終大于控制信號(hào)脈寬，這是噴油開(kāi)啟延遲和噴油關(guān)閉延遲二者共同作用的結(jié)果；隨著預(yù)噴油量的增加，脈寬延長(zhǎng)量增加，這是由于增加相同噴油量，噴霧脈寬增加量大于控制信號(hào)脈寬增加量造成的。相同預(yù)噴油量下，隨壓力的升高，脈寬延長(zhǎng)量減小，這是因?yàn)殡S著壓力升高，噴油關(guān)閉延遲基本不變，而噴油開(kāi)啟延遲隨壓力的升高而增大，導(dǎo)致脈寬延長(zhǎng)量隨壓力升高而減小。

圖5 不同壓力下脈寬延長(zhǎng)量隨預(yù)噴百分比變化規(guī)律

2.3 控制信號(hào)多次噴射間隔與噴霧多次噴射間隔對(duì)應(yīng)關(guān)系

前文已經(jīng)提到過(guò)，背景密度對(duì)噴油速率的影響很小，可以忽略不計(jì)，因此其對(duì)噴射間隔也幾乎沒(méi)有影響，各背景密度下控制信號(hào)與噴霧噴射間隔之間呈現(xiàn)相同規(guī)律，因此只選取一個(gè)背景密度為例，對(duì)該規(guī)律進(jìn)行說(shuō)明分析。由表3可以看出，在不同壓力、預(yù)噴油量及控制信號(hào)噴射間隔下，噴霧噴射間隔始終比控制信號(hào)噴射間隔小0.1 ms。這是由于供油系統(tǒng)在工作過(guò)程中存在延遲，使得控制信號(hào)噴射間隔始終大于噴霧噴射間隔。隨壓力和預(yù)噴油量的增加，控制信號(hào)噴射間隔與噴霧噴射間隔始終保持0.1 ms的差值，這是控制信號(hào)到噴油規(guī)律信號(hào)之間的波動(dòng)變化規(guī)律和噴油規(guī)律信號(hào)到噴霧圖像信號(hào)之間的波動(dòng)規(guī)律綜合作用的效果。

表3 不同預(yù)噴百分比下控制信號(hào)噴射間隔與噴霧噴射間隔對(duì)應(yīng)關(guān)系

2.4 燃油融合臨界間隔時(shí)間研究

在探討噴射間隔的設(shè)置及變化規(guī)律時(shí)，必須考慮發(fā)生噴射融合的臨界噴射間隔，只有設(shè)定的噴射間隔大于融合臨界噴射間隔時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)多次噴射。對(duì)臨界噴射間隔的判定上，控制電流設(shè)置較小噴射間隔后，首先會(huì)在噴油規(guī)律曲線上反映出是否融合。但由于噴射延遲的存在，燃油噴霧是否已經(jīng)發(fā)生了融合，仍需要通過(guò)噴霧圖像進(jìn)行驗(yàn)證。

在進(jìn)行超高壓供油系統(tǒng)多次噴射噴油規(guī)律測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，在各個(gè)壓力下，當(dāng)預(yù)主噴射間隔為0.4 ms時(shí)，噴油規(guī)律曲線中預(yù)噴噴油與主噴噴油規(guī)律曲線恰好相連。以220 MPa為例，如圖6所示，當(dāng)預(yù)主噴間隔小于0.4 ms時(shí)，預(yù)噴結(jié)束和主噴開(kāi)始的噴油規(guī)律曲線重合在一起，兩次噴射融合為一次噴射。當(dāng)預(yù)主噴間隔大于0.4 ms時(shí)，兩次噴射的噴油規(guī)律曲線出現(xiàn)明顯的斷開(kāi)。

圖6 220 MPa，噴射間隔0.4 ms時(shí)的噴油規(guī)律

為了確定噴霧發(fā)生融合的臨界噴射間隔，對(duì)相同壓力和相同噴射間隔下的噴霧圖像進(jìn)行分析。由圖7可以看出，在0.2 ms時(shí)預(yù)噴射結(jié)束，到0.5 ms時(shí)主噴射開(kāi)始，預(yù)噴燃油油束和主噴燃油油束并沒(méi)有融合在一起，即0.4 ms預(yù)主噴間隔下，噴油規(guī)律曲線出現(xiàn)噴射融合現(xiàn)象，噴霧圖像油束并未出現(xiàn)噴射融合現(xiàn)象，0.4 ms并不是真正的噴射融合臨界噴射間隔。為了確定此工況下的真實(shí)融合臨界噴射間隔，繼續(xù)減小預(yù)主噴噴射間隔，觀察噴霧圖像油束發(fā)展過(guò)程。

圖7 220 MPa，0.4 ms 預(yù)主噴噴射間隔下多次噴射噴霧發(fā)展過(guò)程

圖8示出相同噴射壓力、相同預(yù)噴油量下，預(yù)主噴噴射間隔為0.3 ms時(shí)多次噴射噴霧發(fā)展過(guò)程。

圖8 220 MPa，0.3 ms 預(yù)主噴噴射間隔下多次噴射噴霧發(fā)展過(guò)程

由圖8可以看出，本應(yīng)該在0.2 ms結(jié)束的預(yù)噴射，并沒(méi)有出現(xiàn)斷噴現(xiàn)象，之后的油束一直為連續(xù)油束，說(shuō)明預(yù)噴油束與主噴油束已經(jīng)融合在一起，無(wú)法區(qū)分，0.3 ms即為該工況下的融合臨界噴射間隔。

3 結(jié)論

a) 單次噴射條件下，噴霧脈寬始終大于控制信號(hào)脈寬，二者的差值隨著噴射壓力增大而減小，與背景氣體密度無(wú)關(guān)；

b) 預(yù)噴+主噴條件下，噴霧脈寬依舊始終大于控制信號(hào)脈寬；當(dāng)預(yù)噴油量不變時(shí)，隨著噴射壓力的增大，噴霧脈寬與控制信號(hào)脈寬之間的差值隨之減小；在噴射壓力不變的情況下，隨著預(yù)噴油量的增加，脈寬差值逐漸增大；上述規(guī)律在不同背景密度和預(yù)主噴間隔下始終成立，因此在控制信號(hào)設(shè)定時(shí)，可以不考慮背景密度與噴射間隔的影響；

c) 不同壓力、預(yù)噴油量及控制信號(hào)噴射間隔下，噴霧噴射間隔始終比控制信號(hào)噴射間隔小0.1 ms；當(dāng)噴油規(guī)律曲線中預(yù)主噴射發(fā)生融合時(shí)，噴霧中預(yù)主噴油束并沒(méi)有發(fā)生融合，即真實(shí)融合的臨界噴射間隔需要由實(shí)際噴霧進(jìn)行確定。