直噴汽油機噴油器驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計和噴霧試驗

于秀敏，楊 松，趙立峰，董 偉，張文超，孫 平，何 玲

(吉林大學(xué)，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130022)

前言

汽油缸內(nèi)直噴技術(shù)在提高汽油發(fā)動機經(jīng)濟性和降低有害物質(zhì)排放方面有很大的優(yōu)勢，是當(dāng)今國內(nèi)外汽油發(fā)動機研究的重要領(lǐng)域。改善發(fā)動機的經(jīng)濟性和排放性關(guān)鍵在于優(yōu)化和控制發(fā)動機的燃燒過程。缸內(nèi)直噴汽油機燃油由于存在燃油霧化時間短、與空氣混合不充分等問題，其噴霧射流的霧化、蒸發(fā)和與缸內(nèi)新鮮空氣的混合情況將直接影響發(fā)動機的燃燒過程［1－3］。噴霧特性對改善直噴汽油機的經(jīng)濟性、動力性和排放特性有重要意義。

文獻(xiàn)［4］～文獻(xiàn)［6］中對單孔渦旋式噴油器的噴霧特性進(jìn)行了研究，建立了噴油器噴霧貫穿距離經(jīng)驗公式和噴油器油束模型。文獻(xiàn)［7］～文獻(xiàn)［8］中研究了缸內(nèi)直噴汽油機燃燒系統(tǒng)混合氣形成規(guī)律，并提出了相應(yīng)的控制策略。文獻(xiàn)［9］～文獻(xiàn)［10］中對多孔型噴油器噴霧射流的初期破碎、破碎、蒸發(fā)和射流形成過程做了深入研究。

缸內(nèi)直噴發(fā)動機噴油器驅(qū)動系統(tǒng)的研究還比較少，精確控制噴油定時、驅(qū)動電流和燃油噴射量難度較大。本文中設(shè)計了以L9707芯片為基礎(chǔ)的電流驅(qū)動型噴油器控制系統(tǒng)，利用噴射系統(tǒng)對多孔GDI噴油器驅(qū)動控制系統(tǒng)進(jìn)行了測試和驗證。研究了典型工況下的噴霧特性，分析了噴霧錐角、噴霧貫穿距、燃油分布形態(tài)和噴霧發(fā)展過程。

1 噴霧測試系統(tǒng)

試驗所用的噴油器為GDI多孔噴油器，該噴油器具有渦旋室，均布6孔，噴孔直徑0.18mm、噴射錐角 50°。

噴油器噴霧測試系統(tǒng)由上位機、噴油器控制模塊、噴油器驅(qū)動模塊、噴油器、高速攝像機、定容積容器、高壓燃油罐和高壓控制氣瓶等組成，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。上位機通過串口通信將噴油器開啟時間、峰值電流保持時間和相鄰噴射時間間隔等的控制參數(shù)發(fā)送給噴油器控制器，控制器依據(jù)上位機發(fā)送的的噴油控制信號，產(chǎn)生噴油器驅(qū)動控制信號(PWM信號)和高速攝像機圖像采集觸發(fā)信號(TTL信號)。噴油器驅(qū)動電路驅(qū)動噴油器開啟并將高壓燃油噴入可視化定容積容器內(nèi)。采樣頻率10 000幀/s，分辨率512×512bit。高壓燃油由高壓氮氣驅(qū)動，壓力范圍0～15MPa;定容積容器內(nèi)為N2和CO2混合氣，背壓可調(diào)，最大壓力1.0MPa。

2 噴油器控制系統(tǒng)硬件方案設(shè)計

噴油器控制系統(tǒng)總體技術(shù)方案須實現(xiàn):對噴油器驅(qū)動電流的控制;能精確控制噴油時刻和噴油量;具備通信和調(diào)試功能。噴油器控制方案包括:(1)具有電壓轉(zhuǎn)化和電源保護(hù)功能的電源管理模塊;(2)實現(xiàn)上位機、控制器和驅(qū)動芯片間通信的通信模塊;(3)產(chǎn)生噴油控制信號的噴油器控制模塊;(4)產(chǎn)生Peak_Hold電流的噴油器驅(qū)動模塊。

2.1 噴油器主控系統(tǒng)

噴油器主控系統(tǒng)包括:電源管理模塊、通信模塊和主控芯片最小系統(tǒng)模塊。采用了基于MAX232芯片的RS-232串口通信方式，實現(xiàn)上位機和噴油器控制系統(tǒng)之間的通信，可以實時修改噴油器控制參數(shù)。主控系統(tǒng)采用MC9S12XDP512型單片機，芯片系統(tǒng)資源豐富，能實現(xiàn)復(fù)雜的算法，具有多個獨立的通信模塊，支持背景調(diào)試模式，方便對噴油器控制參數(shù)和運行狀態(tài)的檢測和更新。

2.2 噴油器驅(qū)動系統(tǒng)

采用L9707芯片作為驅(qū)動芯片，實現(xiàn)對驅(qū)動電流(Peak-Hold Current)各段電流的大小和持續(xù)時間的控制。該驅(qū)動系統(tǒng)可以同時驅(qū)動3組6個噴油器工作，并且提供了過流保護(hù)、短接高邊驅(qū)動檢測、開路檢測和保護(hù)等功能。此外，芯片具有SPI通信接口，能實現(xiàn)多種驅(qū)動電流模式和錯誤診斷。

噴油驅(qū)動芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括:(1)DC/DC升壓模塊，具有Boost升壓電路，可提供高電壓最大電壓值為70V，通過電阻REIN1和REIN2可調(diào)節(jié)電壓大小;(2)高邊預(yù)驅(qū)動模塊，包括3路VHU預(yù)驅(qū)動模塊和3路VHB預(yù)驅(qū)動模塊;(3)6路低邊驅(qū)動模塊、SPI通信模塊和邏輯控制模塊。芯片具有串行通信SPI接口，具有3種電流驅(qū)動模式:Hold模式;Peak-Hold模式;PEAK-Hold1-Hold2模式。不同驅(qū)動電流模式下，噴油驅(qū)動控制信號和控制效果見表1。

表1 L9707控制真值表

驅(qū)動電流波形由控制系統(tǒng)和驅(qū)動芯片設(shè)定，INJPI和INJI為輸入控制信號。當(dāng)INJPI和INJl同時置高時，開啟VHU預(yù)驅(qū)動，峰值電流閾值(Peak Current Threshold)可由外接電阻Rpu和Rpd設(shè)定;INJI信號置高時開啟VHB預(yù)驅(qū)動，通過斬波控制保持電流，保持電流水平可由外接電阻設(shè)定(Hold1段電流由Rh1u和 Rh1d設(shè)定;Hold2段電流由 Rh2u和 Rh2d設(shè)定)。

3 噴油器控制系統(tǒng)軟件方案設(shè)計

噴油器控制系統(tǒng)軟件設(shè)計須實現(xiàn):噴油器驅(qū)動電流模式的設(shè)置;噴油器開啟時刻和開啟持續(xù)時間的精確控制;噴油器控制器、上位機和噴油驅(qū)動芯片之間的通信等功能。設(shè)計的噴油器軟件控制方案包括了控制器初始化、控制器通信、噴油器控制參數(shù)更新和噴油控制等函數(shù)，各函數(shù)的功能如表2所示。

表2 控制系統(tǒng)函數(shù)

噴油器驅(qū)動系統(tǒng)控制程序運行流程:程序首先定義控制系統(tǒng)的控制參數(shù)，并對其進(jìn)行初始化，然后對控制器的輸出端口和通信模塊寄存器進(jìn)行初始化，確定輸出信號的類型和噴油器驅(qū)動電流模式。當(dāng)噴油器控制器接收到上位機發(fā)送的噴油器控制參數(shù)(包括噴油器開啟信號、噴油持續(xù)時間和峰值電流持續(xù)時間)后，使能相應(yīng)控制模塊，產(chǎn)生噴油控制信號控制噴油器開啟和關(guān)閉。

4 典型工況下噴霧特性測試

在噴油器噴射壓力 8與 6MPa、噴射背壓0.1MPa、噴射脈寬6ms和峰值電流持續(xù)時間1.5ms典型工況下，研究了多孔式缸內(nèi)直噴汽油機噴油器噴霧射流定容噴霧發(fā)展過程。

噴霧參數(shù)定義:噴霧錐角為不考慮噴霧射流外圍的湍流褶皺時，與燃油外圍相切的兩條直線間的夾角;噴霧貫穿距離為從噴嘴出口至射流發(fā)展頂端的距離。

圖2為不同噴射壓力下的噴霧過程，時間為1～8ms。噴霧射流噴入容器內(nèi)后迅速向下發(fā)展，并有橫向擴散。由于射流和空氣的卷吸作用，從3ms開始在射流外圍形成明顯褶皺，在5ms時明顯形成渦旋結(jié)構(gòu)。射流發(fā)展初期噴霧錐角較大，噴霧穩(wěn)定后噴霧錐角略有減小，但整體變化不大。初期貫穿距離增長迅速，3ms時達(dá)到58mm;后期貫穿距離隨時間幾乎呈線性增長趨勢。噴霧射流發(fā)展到最大貫穿距離2/3(60mm)左右后，由于噴霧射流外圍燃油在與空氣相互作用后，液滴動量減小，燃油分布形態(tài)基本保持不變。噴射結(jié)束之后，噴霧繼續(xù)向下發(fā)展，但速度很慢。

圖3顯示了兩個典型噴射壓力下噴霧錐角的變化情況。當(dāng)噴射壓力為6MPa時，噴霧穩(wěn)定后(3ms)噴霧錐角約為32°;噴射壓力8MPa時，噴霧錐角為36°。在典型噴射壓力下，噴射壓力較大時噴霧錐角也略有增大。噴霧錐角主要受噴油器結(jié)構(gòu)影響，多孔式噴油器的整體噴霧錐角主要受噴孔布置角度的影響，受單孔噴霧射流影響較小。噴油壓力提高時，單孔噴霧錐角增大，整體噴霧錐角會略微增加，但增加幅度較?。?1］。

圖4顯示了噴霧貫穿距離隨時間的變化關(guān)系。噴霧貫穿距離發(fā)展過程分為兩個階段:初期發(fā)展階段和主要發(fā)展階段。以噴射壓力為8MPa為例，初期發(fā)展階段，噴霧貫穿距離增大速度較快，1.5ms時，貫穿距離增加至 50mm，平均增長速率約為33.3m/s;主要發(fā)展階段噴霧貫穿距離增加速度變緩，增加速率約為7.8m/s。初期階段的噴霧遠(yuǎn)端射流速度較快，遠(yuǎn)端燃油液滴動量較大，噴霧射流迅速向下發(fā)展，噴霧貫穿距離增加較快;隨著噴霧遠(yuǎn)端燃油和空氣間的動量交換和相互作用，噴霧遠(yuǎn)端燃油液滴運動速度變慢，遠(yuǎn)端燃油液滴動量與環(huán)境阻力幾乎平衡，燃油貫穿距離增長速度緩慢［4］。

典型工況下，噴油結(jié)束(6ms)時，噴射壓力6MPa下的噴霧貫穿距離為72.6mm，噴射壓力8MPa下的噴霧貫穿距離為78.5mm，最大噴霧貫穿距離增加了4.9mm。噴射壓力對多孔噴油器貫穿距離的影響較小，噴射壓力從6增加至8MPa，噴霧貫穿距離增加了4.9mm。對多孔型噴油器，由于噴孔直徑較小，當(dāng)噴射壓力升高時，噴孔對噴霧射流的節(jié)流作用加強且噴霧發(fā)展初期介質(zhì)氣體對噴霧射流的阻礙作用也會增強，噴霧貫穿距離隨噴射壓力增加的幅度較小。

5 結(jié)論

GDI發(fā)動機對噴油器的瞬態(tài)響應(yīng)特性要求較高，須精確控制噴油器驅(qū)動電流。本文中設(shè)計了噴油器驅(qū)動系統(tǒng)，在典型工況下對噴油器驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行了驗證，并對噴霧射流發(fā)展過程進(jìn)行了研究，結(jié)論如下。

(1)基于驅(qū)動電流控制的噴油器控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)噴射定時和噴射量的精確控制，噴油器響應(yīng)迅速、工作可靠。Peak_Hold模式可實現(xiàn)噴油器驅(qū)動電流波形的準(zhǔn)確控制以及峰值電流(Peak Current)、Hold1段保持電流和Hold2段保持電流的有效控制。

(2)多孔型噴油器在典型工況下，噴霧射流錐角隨時間先增大后減小，噴霧射流穩(wěn)定后噴霧錐角基本保持不變。隨著噴射壓力的增大，整體噴霧錐角略有增加。噴霧貫穿距離發(fā)展明顯分為初期發(fā)展階段和主要階段。初期階段，噴霧貫穿距離隨時間迅速增大;主要階段，射流貫穿距離隨時間線性增加。典型工況下，多孔型噴油器噴霧貫穿距離受噴射壓力影響較小，噴射壓力增加時噴霧貫穿距離也隨之增加，但增加幅度較小。

［1］ Zhao F，Lai M，Harrington D L．A Review of Mixture Preparation and Combustion Control Strategies for Spark-Ignited Direct-Injection Gasoline Engines［C］．SAE Paper 970627．

［2］ Tomoda T，Sasakl S，Sawada D，et al．Development of Direct Injection Gasoline Engine-Study of Stratified Mixture Formation［C］．SAE Paper 970539．

［3］ Fraidl G K，Piok W F，Wirth M．Gasoline Direct Injection:Actual Trends and Future Strategies for Injection and Combustion Systems［C］．SAE Paper 960465．

［4］ 李波，李云清，王德福．GDI發(fā)動機噴霧特性的數(shù)值模擬擬合實驗研究［J］．內(nèi)燃機學(xué)報，2012，30(1):9 －15．

［5］ 高劍，蔣德明，廖世勇，等．缸內(nèi)直噴汽油機高壓渦旋噴油器的油束模型［J］．西安交通大學(xué)學(xué)報，2003，37(9):898 －902．

［6］ 高劍，蔣德明，廖世勇，等．一種改進(jìn)的直噴汽油機渦旋噴油器的油束模型［J］．內(nèi)燃機學(xué)報，2003，21(5):289 －22．

［7］ 王建昕，王燕軍，雷小呼，等．兩段噴射GDI發(fā)動機分層混合氣控制策略研究［J］．汽車工程，2005，27(3):285 －288．

［8］ 王燕軍，王建昕，帥石金．兩段噴射直噴式汽油機燃燒系統(tǒng)的混合氣形成規(guī)律［J］．清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2005，45(8):1149－1152．

［9］ Zigan L，Schmitz I，Wensing M，et al．Effect of Fuel Properties on Primary Breakup and Spray Formation Studies at Gasoline 3-hole Nozzle［C］//ILASS-Eu-rope 2010，23rd Annual Conference on Liquid Atomization and Spray System．Brno:Czech Republic，2010:1－5．

［10］ Zigan L，Schimitz I，Wensing M，et al．Effect of Fuel Properties on Spray Breakup and Evaporation Studied for a Multihole Direct Injection Spark Ignition Injector［J］．Energy ＆ Fuels，2010，24(8):4341－4350．

［11］ 蔚慶國，王艷華，等．缸內(nèi)直噴汽油機多孔噴油器噴霧特性實驗研究［J］．車用發(fā)動機，2012，5(16):71 －76．