柴油機(jī)噴油的軌壓降規(guī)律及一致性方法

李云強(qiáng) ，王裕鵬，陳文淼，仇 滔，雷 艷，王敬恩

(1.濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東 濰坊 261061；2.天津大學(xué) 內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300350；3.北京工業(yè)大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京 100124)

高壓共軌燃油系統(tǒng)已成為高效低排放柴油機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置.噴嘴幾何參數(shù)不變才能保證噴嘴流通能力(流量系數(shù))在整個(gè)使用壽命內(nèi)不變，實(shí)現(xiàn)在軌壓不變的情況下單位時(shí)間內(nèi)噴出的燃油量(噴油流量)不變.實(shí)際中，由于噴孔磨損、老化和積碳程度不同導(dǎo)致多缸柴油機(jī)的各支噴油器噴嘴流量系數(shù)改變[1]，從而噴油流量不同，這時(shí)如果各缸噴射持續(xù)期相同，各缸循環(huán)噴油量會(huì)出現(xiàn)差異，破壞多缸柴油機(jī)噴油一致性，影響發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能[2]，因而在線識(shí)別共軌燃油系統(tǒng)循環(huán)油量具有重要意義.

識(shí)別進(jìn)入氣缸的循環(huán)油量是柴油機(jī)診斷的熱點(diǎn).白霖[3]和Taraza 等[4]認(rèn)為循環(huán)油量越多，缸內(nèi)燃燒做功越多，進(jìn)而柴油機(jī)瞬態(tài)轉(zhuǎn)速越高，因而提出用柴油機(jī)瞬態(tài)轉(zhuǎn)速診斷循環(huán)油量變動(dòng)的思路.李旭初[5]提出根據(jù)進(jìn)氣氧濃度與排氣氧濃度來(lái)分析燃燒過(guò)程總耗氧氣量，進(jìn)而計(jì)算燃燒油量來(lái)診斷循環(huán)油量變化的方法.Leonhardt[6]認(rèn)為進(jìn)入氣缸的燃油量變化導(dǎo)致缸內(nèi)燃燒壓力變化，提出根據(jù)瞬態(tài)缸壓進(jìn)行循環(huán)油量識(shí)別的思路；楊福源等[7]則通過(guò)實(shí)時(shí)采集發(fā)動(dòng)機(jī)各缸缸壓進(jìn)行燃燒狀態(tài)指標(biāo)計(jì)算，研發(fā)了基于缸壓的閉環(huán)反饋控制技術(shù).Hofmann 等[8]認(rèn)為油量變動(dòng)導(dǎo)致放熱率變化，開(kāi)展了基于熱釋放率變動(dòng)診斷噴油量識(shí)別的研究.侯樹(shù)梅等[9]通過(guò)燃料理化特性分離討論了不同燃料特性對(duì)柴油機(jī)燃燒的影響規(guī)律.上述方法均基于噴油燃燒的響應(yīng)進(jìn)行判斷，但由于燃燒過(guò)程具有不確定性，因而增加燃燒環(huán)節(jié)來(lái)識(shí)別噴油量將增加誤差.

高壓共軌燃油系統(tǒng)的高壓液力裝置噴油過(guò)程和來(lái)流的高壓壓力之間是耦合相關(guān)的.仇滔等[10]探究了噴油器進(jìn)/出口壓力對(duì)噴油流量特性的影響，認(rèn)為進(jìn)/出口壓力對(duì)流量系數(shù)有較大影響.He 等[11]探索了在噴油器新增壓力傳感器測(cè)量油管壓力來(lái)檢測(cè)噴油流量的可能性.Mahmoud[12]通過(guò)測(cè)量噴油器體內(nèi)的應(yīng)變來(lái)測(cè)量噴油壓力，分析噴油器流量的變動(dòng).上述方法證明根據(jù)噴油器嘴端的瞬態(tài)壓力能有效診斷出噴油過(guò)程，但必須在噴油器附件加裝瞬態(tài)壓力傳感器.

目前，高壓共軌燃油系統(tǒng)標(biāo)配是在油軌上裝有一個(gè)壓力傳感器用于軌壓閉環(huán)控制.李丕茂等[13]分析了高壓共軌系統(tǒng)軌壓波動(dòng)對(duì)噴油的影響，探究了不同噴油脈寬下軌壓對(duì)噴油量波動(dòng)幅度的影響規(guī)律.Herfatmanesh 等[14]發(fā)現(xiàn)在多次噴射中，預(yù)噴引起的軌壓波動(dòng)影響后續(xù)噴射及噴油總量.胡建功[15]通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)瞬態(tài)軌壓變動(dòng)與噴油量有關(guān).因此，油軌壓力和噴油量之間也是耦合在一起，可利用現(xiàn)有軌壓傳感器來(lái)識(shí)別噴油量.筆者理論上分析了高壓共軌噴油器噴油引起的軌壓波動(dòng)的影響因素，在油泵試驗(yàn)臺(tái)上開(kāi)展試驗(yàn)，分析了不同初始軌壓和噴射模式下，軌壓波動(dòng)與油量的關(guān)系，提出基于軌壓下降量相同來(lái)保證多缸噴油量一致的控制方法.

1 噴油引起的軌壓變動(dòng)理論分析

油軌中高壓燃油壓力的波動(dòng)主要由油泵泵油和噴油器噴油導(dǎo)致.文獻(xiàn)[16]研究表明，油泵泵油主要受油泵轉(zhuǎn)速影響，屬于低頻脈動(dòng)，而噴油可引起高頻壓力脈動(dòng)，泵油與噴油引起的壓力變動(dòng)存在頻率域差異，可明顯區(qū)分，筆者著重分析噴油引起的壓力波動(dòng).

圖1 為高壓共軌燃油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意.噴油引起軌壓變動(dòng)主要表現(xiàn)在噴油引起的高壓燃油彈性變動(dòng)以及針閥脈動(dòng)引起的壓力波震蕩.高壓油軌內(nèi)容積相對(duì)于高壓油管大很多，壓力波震蕩主要發(fā)生在油管中，因而可用集總參數(shù)模型將高壓油軌簡(jiǎn)化，軌端壓力傳感器壓力等效為高壓油管和油軌連接點(diǎn)B 的壓力pB，該點(diǎn)燃油流速為uB.高壓油管則采用一維管路方法，假設(shè)噴油器與高壓油管連接點(diǎn)為A，該點(diǎn)壓力為pA，該點(diǎn)燃油流速為uA.噴油器出口壓力為pr，高壓油管內(nèi)的壓力波速為uC.由于噴油引起的軌端壓力變動(dòng)時(shí)間很短，可忽略燃油系統(tǒng)的溫度變化.

圖1 高壓共軌燃油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structural diagram of high pressure common rail fuel system

1.1 燃油噴射流量變化引起的燃油彈性變動(dòng)

噴油開(kāi)始，噴孔出口處燃油流速隨針閥開(kāi)啟不斷增大，直至噴油器完全打開(kāi)，這個(gè)過(guò)程中燃油流出噴孔的速度 uinj如公式(1)所示.

式中：μ為流量系數(shù)；pA為噴射壓力；pr為出口壓力；0A 表示噴孔的截面積；ρ為燃油密度.假設(shè)噴油器有n 個(gè)噴孔，故燃油噴射的流量為

對(duì)于高壓油管中的燃油流速uA關(guān)系式為

式中：A1為高壓油管的截面積.

聯(lián)立式(1)～(3)，則噴射過(guò)程中燃油在高壓油管內(nèi)的流速 uA為

根據(jù)高壓燃油彈性基本性質(zhì)，有

式中：V 為共軌容積；B 為燃油彈性系數(shù).

整理式(1)～(5)得到由流速變化造成的軌壓為

1.2 噴油針閥運(yùn)動(dòng)引起的壓力波

高壓共軌噴油器的噴油是通過(guò)電磁閥控制針閥運(yùn)動(dòng)，針閥的啟閉運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致A 斷面燃油流速將突變，在高壓油管內(nèi)產(chǎn)生水擊效應(yīng)，形成壓力波.該壓力將從A 向B 傳播并再次反射向A 傳播，周期性來(lái)回傳播，并且能量波動(dòng)減弱逐漸消失.波動(dòng)速度[17]為

式中：E 為管壁材料的彈性系數(shù)；D 為管徑；δ為管壁厚度；uc為波速(燃油聲速).

噴油器打開(kāi)或關(guān)閉時(shí)，由于壓強(qiáng)增量的作用，將引起流速的變化.計(jì)算公式[14]為

式中：γ為流體的容重；g 為流體的重力加速度；u0為開(kāi)啟或關(guān)閉噴油器針閥前高壓油管中的穩(wěn)定燃油流速.由于壓力波將會(huì)引起燃油波動(dòng)發(fā)生延時(shí)，因而將會(huì)導(dǎo)致軌壓變化過(guò)程和噴油過(guò)程不同步.

1.3 噴油引起的軌壓變動(dòng)

由噴油引起軌壓變化可以表達(dá)為

噴油導(dǎo)致的軌壓下降過(guò)程主要是由于噴射流速?zèng)Q定，由于水擊壓力波的存在以及燃油流速的彈性變化，軌壓變化過(guò)程與噴油過(guò)程存在不一致性.為了方便試驗(yàn)討論，定義5 個(gè)變量參數(shù)來(lái)進(jìn)行軌壓下降過(guò)程的研究，分別為初始軌壓(噴油開(kāi)始時(shí)軌端的初始?jí)毫?、軌壓下降時(shí)間(由噴油引起的軌端壓力下降時(shí)間)、穩(wěn)定軌壓(噴油完成，軌端壓力不再下降的穩(wěn)定軌端壓力)、軌壓降(由噴油引起的軌端壓力下降值)以及噴油脈寬(噴油器的噴油時(shí)長(zhǎng)).

圖2 為噴油引起的軌壓變化，用以進(jìn)一步分析軌壓下降的歷程.

圖2 噴油引起的軌壓變化示意Fig.2 Schematic diagram of rail pressure change caused by injection

2 數(shù)據(jù)采樣與處理

采用高壓共軌燃油系統(tǒng)油軌上配置的軌壓傳感器獲得噴油引起的軌壓變化.為了完整獲得噴油引起的軌壓變動(dòng)信息，軌壓采樣周期應(yīng)小于該噴射周期，試驗(yàn)設(shè)定采樣周期為0.1 ms，即10 kHz 采樣頻率.采用TMS320f2812 的單片機(jī)，對(duì)軌壓數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，采用小波分析對(duì)軌壓數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和降噪，處理數(shù)據(jù)流程如圖3 所示.

圖3 小波分析數(shù)據(jù)處理流程Fig.3 Flow chart of wavelet analysis and data processing

圖4 為處理前、后的軌壓對(duì)比.首先進(jìn)入小波處理過(guò)程，選擇syn 小波并確定小波分析層數(shù).將軌壓信號(hào)數(shù)據(jù)放入數(shù)組，數(shù)組數(shù)滿后初始化分解次數(shù)，對(duì)數(shù)組內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行小波分解、計(jì)算高頻系數(shù)及其閾值，最后用硬閾值系數(shù)對(duì)高頻系數(shù)進(jìn)行處理，分解次數(shù)加一，分解次數(shù)達(dá)到設(shè)定的分析次數(shù)N 后進(jìn)行N層小波重構(gòu)，得到處理后的軌壓信號(hào)數(shù)據(jù)放入新的數(shù)組.

圖4 小波分析處理前、后的軌壓對(duì)比Fig.4 Comparison of rail pressure before and after wavelet analysis

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)設(shè)備

通過(guò)燃油試驗(yàn)臺(tái)架開(kāi)展高壓共軌試驗(yàn)，使用的燃油為國(guó)Ⅳ柴油.表1 為測(cè)試設(shè)備，對(duì)應(yīng)試驗(yàn)裝置如圖5 所示.

表1 試驗(yàn)設(shè)備統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistical table of experimental equipment

圖5 試驗(yàn)裝置示意Fig.5 Schematic diagram of experimental device

3.2 噴射模式對(duì)軌壓降的影響

在軌壓為80 MPa、加電時(shí)間為2 ms 條件下開(kāi)展表2 所示的試驗(yàn)測(cè)試.圖6 為使用Ⅱ號(hào)噴油器進(jìn)行不同噴射模式試驗(yàn)的軌壓變化對(duì)比，圖7 為統(tǒng)計(jì)的不同噴油脈寬組合噴油產(chǎn)生的軌壓降數(shù)值及下降時(shí)間對(duì)比.其中軌壓降是噴油后穩(wěn)定軌壓減去噴油前的穩(wěn)定軌壓.由圖7 可見(jiàn)，不同噴射模式總加電時(shí)間一致時(shí)，噴油產(chǎn)生的軌壓降和下降時(shí)間大致相同，對(duì)于多次噴射不同脈寬組合軌壓變化大致相同，不受多次噴射中間隔時(shí)間的影響.

表2 試驗(yàn)工況Tab.2 Test condition table

圖6 不同噴射模式下的軌壓變化Fig.6 Variation of rail pressure under different injection modes

圖7 不同噴射模式下的軌壓降變化與下降時(shí)間對(duì)比Fig.7 Comparison of rail pressure drop and descent time under different injection modes

3.3 不同初始軌壓影響

由于確定噴油脈寬后單次與多次噴射規(guī)律一致，所以選擇單次噴射進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn).圖8 為噴油脈寬都為1 ms、均采用Ⅰ號(hào)噴油器在不同初始軌壓下進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后的軌壓試驗(yàn)結(jié)果.圖9 為不同初始軌壓下軌壓下降時(shí)間和軌壓降總量.

圖8 噴油脈寬為1 ms時(shí)不同初始軌壓下的軌壓降變化Fig.8 Rail pressure drop of 1 ms injection pulse width with different initial rail pressure

由圖8 和圖9 可知，進(jìn)行處理后隨著初始軌壓升高，軌壓降也單調(diào)增加.這是因?yàn)槌跏架墘涸礁?，相同噴嘴流通能力條件下流速越大，噴油量變化越大，導(dǎo)致相同噴油脈寬的噴油量越多，軌壓降也越大.試驗(yàn)中，噴油脈寬為1 ms，但實(shí)際下降過(guò)程為2 ms，這說(shuō)明由于噴油壓力波的作用，軌壓下降歷程時(shí)間大于噴油脈寬時(shí)間.

圖9 噴油脈寬為1 ms 時(shí)不同初始軌壓下的軌壓降總量和軌壓下降時(shí)間變化Fig.9 Variation of rail pressure drop and rail pressure drop time with different initial rail pressure and 1 ms injection pulse width

3.4 噴油脈寬的影響

選擇Ⅰ號(hào)噴油器在初始軌壓為100 MPa，進(jìn)行不同噴油脈寬的試驗(yàn)，軌壓變化如圖10 所示.相對(duì)應(yīng)的軌壓降和軌壓下降時(shí)間如圖11 所示.

圖10 初始軌壓為100 MPa時(shí)不同噴油脈寬下的軌壓降變化Fig.10 Rail pressure changes with different injection pulse width at 100 MPa initial rail pressure

圖11 初始軌壓為100 MPa時(shí)不同噴油脈寬下的軌壓降總量和軌壓下降時(shí)間變化Fig.11 Variation of rail pressure drop and rail pressure drop time under different injection pulse width of 100 MPa initial rail pressure

由圖10 和圖11 可以看出，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后隨著噴油脈寬增加，軌壓降總量和軌壓下降時(shí)間均呈線性增加.這說(shuō)明軌壓下降延時(shí)與噴油脈寬無(wú)關(guān).隨著噴油脈寬延長(zhǎng)，軌壓降也增加，這是因?yàn)閲娪兔}寬越長(zhǎng)，噴油量越多，軌壓下降總量增加.

3.5 不同噴孔狀態(tài)下的噴油試驗(yàn)驗(yàn)證

選擇Ⅰ、Ⅱ兩種不同型號(hào)的噴油器及噴油脈寬為1 ms 時(shí)開(kāi)展不同初始軌壓的試驗(yàn)，結(jié)果如圖12 和圖13 所示.由圖12、圖13 可知，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后隨著初始軌壓升高，軌壓降增加，這是由于軌壓升高導(dǎo)致燃油流速增大，使得噴油量增加、壓降變大.Ⅱ號(hào)噴油器的軌壓降大于Ⅰ號(hào)噴油器軌壓降，這是由于噴油速率大的噴油器噴孔面積大，流量系數(shù)大，因而噴油流量大，相同噴油脈寬時(shí)噴油量大，所以噴油速率大的噴油器軌壓下降量大于噴油速率小的噴油器.

圖12 噴油脈寬為1 ms 時(shí)不同初始軌壓和噴油器下的軌壓降變化Fig.12 Rail pressure changes of different injectors with different initial rail pressure under 1 ms injection pulse width

圖13 噴油脈寬為1 ms 時(shí)不同初始軌壓和噴油器下的軌壓降和軌壓降斜率變化Fig.13 Variation of rail pressure drop and rail pressure drop slope of different injectors with different initial rail pressure under 1 ms injection pulse width

4 多缸噴油量一致控制算法與驗(yàn)證

上述結(jié)果表明，噴油速率和軌壓下降歷程緊密相關(guān)，在軌壓相同時(shí)，噴油總量和軌壓下降總量一一對(duì)應(yīng).因此，可采用以軌壓下降總量相同為目標(biāo)，調(diào)整噴油時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)多缸柴油機(jī)噴油一致的目的.

圖14 為多缸(數(shù)量為n)柴油機(jī)一致性控制方法流程.由于高壓力、長(zhǎng)噴油脈寬的條件下噴油量和軌壓下降總量的關(guān)系越明顯，同時(shí)考慮到轉(zhuǎn)速越低，對(duì)應(yīng)的各缸之間干擾越小，因此，該流程也給出了進(jìn)入該算法的條件，即系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間是否到達(dá)設(shè)置時(shí)間tset，運(yùn)行工況是否到達(dá)條件，即軌壓到達(dá)設(shè)定值pset，噴油脈寬達(dá)到Tset，達(dá)到條件進(jìn)入修正算法.計(jì)算第i缸的修正系數(shù)Ki時(shí)初始值為1，計(jì)算N 缸平均軌壓降與第i 缸的實(shí)際軌壓降的比值為實(shí)際的修正系數(shù)賦值給Ki，與ECU 設(shè)定的噴油脈寬相乘得到實(shí)際噴油脈寬，實(shí)現(xiàn)多缸油量一致.

圖14 多缸一致性控制方法流程示意Fig.14 Flow chart of multi cylinder consistency control method

選擇兩支Ⅰ號(hào)和一支Ⅱ號(hào)噴油器，兩種噴油器噴油流量不同，用Ⅱ號(hào)噴油器模擬多缸柴油機(jī)中發(fā)生噴孔變動(dòng)的噴油器進(jìn)行初始軌壓為100 MPa 的噴油試驗(yàn).設(shè)置算法觸發(fā)最大噴油脈寬為 2 ms、軌壓為100 MPa，分別統(tǒng)計(jì)噴油脈寬相等和保持軌壓降相等兩種條件下的噴油量如表3 和表4 所示.

表3 初始軌壓為100 MPa和噴油脈寬為2 ms時(shí)軌壓降及噴油量Tab.3 Statistical table of rail pressure drop and fuel injection quantity under 100 MPa initial rail pressure with 2 ms injection pulse width

表4 初始軌壓為100 MPa和噴油脈寬為3 ms軌壓降及噴油量Tab.4 Statistical table of rail pressure drop and fuel injection quantity under 100 MPa initial rail pressure with 3 ms injection pulse width

試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)采用相同的噴油脈寬，由于兩種噴油器噴油流量系數(shù)不同，相同的噴油脈寬內(nèi)產(chǎn)生的噴油量明顯不同，采用以軌壓降總量相等的修正噴油脈寬后，大流通能力的噴油器縮短了噴油脈寬，在允許測(cè)量誤差(5%)的條件下，達(dá)到3 支噴油器循環(huán)油量基本一致，證明該方法可達(dá)到保證多缸柴油機(jī)噴油一致的目的.

5 結(jié)論

(1) 噴油會(huì)引起油軌軌壓變化，針對(duì)現(xiàn)有軌壓傳感器，采用10 kHz 的采樣頻率結(jié)合小波分析的處理方法，可以有效獲得噴油導(dǎo)致的軌壓變動(dòng)過(guò)程，驗(yàn)證噴油引起的軌壓變動(dòng)規(guī)律；軌壓下降速率和噴油流量單調(diào)正相關(guān)，噴油引起的軌壓下降總量與噴油量總量也呈正相關(guān)，且與多次噴射無(wú)關(guān).

(2) 根據(jù)理論分析與試驗(yàn)驗(yàn)證所得到的噴油量-軌壓降的變動(dòng)規(guī)律，提出了以軌壓降一致為目標(biāo)，通過(guò)調(diào)整噴油脈寬來(lái)修正循環(huán)油量的多缸柴油機(jī)噴油一致性控制方法，開(kāi)展試驗(yàn)證實(shí)對(duì)于存在噴油偏差(15%的判斷依據(jù))的噴油器，通過(guò)修改噴油系數(shù)調(diào)整噴油脈寬，可在誤差允許范圍內(nèi)(5%內(nèi))，實(shí)現(xiàn)多缸噴油達(dá)到一致.