探究汽油直接噴射系統(tǒng)原理和相應(yīng)的信號(hào)處理方法

在汽油直接噴射領(lǐng)域，電磁式噴油器以其低廉的成本而被廣泛采用。Vitesco技術(shù)公司針對(duì)這種噴油器開發(fā)出了基于共軌壓力信號(hào)的診斷方案，并通過該方案改善了噴油量，從而將其用作為開發(fā)工具。

0 前言

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在燃油耗和排放標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步加嚴(yán)的背景下，研究人員對(duì)噴油系統(tǒng)的燃油計(jì)量精度提出了全新的要求。發(fā)動(dòng)機(jī)的原始排放和廢氣后處理的有害物轉(zhuǎn)化取決于內(nèi)燃機(jī)氣缸中的過量空氣系數(shù)λ。

研究人員通常采用發(fā)動(dòng)機(jī)與三元催化轉(zhuǎn)化器之間的寬帶λ傳感器來對(duì)進(jìn)氣量進(jìn)行調(diào)節(jié)，并在發(fā)動(dòng)機(jī)中對(duì)空氣與噴油量的比例進(jìn)行調(diào)整。除了使各個(gè)氣缸中的空氣質(zhì)量實(shí)現(xiàn)均勻分配之外，發(fā)動(dòng)機(jī)還需要通過噴油系統(tǒng)來更精確地計(jì)算噴油量（圖1）。

圖1 高壓燃油系統(tǒng)布置示意圖

在通常情況下，研究人員可通過控制電壓和電流來確定噴油閥開關(guān)的時(shí)刻，并可通過調(diào)整各個(gè)噴油器的電控持續(xù)時(shí)間來補(bǔ)償液壓開啟持續(xù)時(shí)間所產(chǎn)生的差異，但此類方法并未考慮到噴嘴流量引起的偏差。

噴嘴如因制造誤差或其他原因在使用壽命期內(nèi)產(chǎn)生了積炭，噴嘴流量也會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化。為了實(shí)現(xiàn)良好的噴油量精度，研究人員除了需要考慮液壓開啟持續(xù)時(shí)間外，還應(yīng)對(duì)噴嘴流量的差異進(jìn)行診斷和補(bǔ)償。

研究人員需要診斷的參數(shù)主要是噴油量及其與共軌壓力干擾之間的物理關(guān)系。研究人員借助于本文介紹的信號(hào)處理方法，通過共軌壓力信號(hào)來確定壓力干擾和液壓固有頻率，從而在寬廣的壓力和溫度邊界條件下，獲得噴油量間的相互關(guān)系。隨后，研究人員可通過應(yīng)用噴油閥線性工作過程來對(duì)噴油器流量進(jìn)行診斷。

具有較高分辨率的共軌壓力傳感器使全新標(biāo)定工具的應(yīng)用成為可能。研究人員以某個(gè)用于加熱催化轉(zhuǎn)化器的典型運(yùn)行工況點(diǎn)為例，針對(duì)燃燒穩(wěn)定性，以及發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性與噴油量的關(guān)系開展了重點(diǎn)研究。循環(huán)精度的分辨率能確保可燃混合氣實(shí)現(xiàn)充分燃燒，并據(jù)此對(duì)缸內(nèi)壓力進(jìn)行優(yōu)化。

1 壓力差測(cè)量原理

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在高壓噴油系統(tǒng)中，由共軌、油管和噴油器形成的容積起到壓力儲(chǔ)存器的作用，并可通過高壓燃油泵提供高壓燃油。根據(jù)工作原理，供油過程與噴油過程在時(shí)間上可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立運(yùn)作，共軌噴油系統(tǒng)以此對(duì)噴油始點(diǎn)和噴油次數(shù)等參數(shù)進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)。

噴油閥能以無泄漏的狀態(tài)進(jìn)行工作，噴入氣缸的總油量就會(huì)導(dǎo)致壓力的降低。一方面，整個(gè)系統(tǒng)的可壓縮性主要取決于燃油的可壓縮性，因此，高壓共軌、高壓油管和噴油器都必須具有足夠高的剛性，而且必須要盡可能降低氣體所占的容積份額。

部分研究人員認(rèn)為，高壓容積為單相狀態(tài)，在整個(gè)燃油系統(tǒng)中的壓力處于恒定狀態(tài)；另一方面，安裝在熱氣缸蓋中的噴油器與外置的共軌之間存在一定的溫度梯度。這種測(cè)量原理被用于HAD和Mexus2.0等壓力指示器中，以此顯示出噴入的燃油所引起的壓力升高值。

2 從壓力信號(hào)到噴油量

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為了使該類測(cè)量原理用于燃油系統(tǒng)，研究人員只需要提供用于壓力調(diào)節(jié)的信號(hào)。為了確定音速的數(shù)值大小，研究人員在試驗(yàn)臺(tái)上使用了超聲傳感器及基于特性曲線場(chǎng)得出的測(cè)量方法，該方法可用于測(cè)量介質(zhì)溫度。

圖2示出了在共軌壓力為35 MPa時(shí)，3種不同單次噴射質(zhì)量的共軌壓力曲線。為了確定壓力降的數(shù)值大小，研究人員將壓力信號(hào)分成噴射前與噴射后共2個(gè)區(qū)域，各自包括了由壓力波動(dòng)疊加而成的壓力平臺(tái)。

圖2 共軌壓力循環(huán)及其概率密封性函數(shù)

為了確認(rèn)壓力平臺(tái)的高度，研究人員借助核心密封性的評(píng)估方案，將此類信號(hào)轉(zhuǎn)變成概率密封性函數(shù)，其中應(yīng)用了1個(gè)具有0.05 MPa帶寬的三角形核心。研究人員通過確定分布函數(shù)的最大值，就能將各個(gè)壓力平臺(tái)的高度及其壓力降設(shè)定為平臺(tái)差值。與簡(jiǎn)單的平均值計(jì)算方法不同，該方法更為可靠。

此外，研究人員借助于快速傅里葉變換，通過壓力信號(hào)就能在可標(biāo)定的頻率窗口中檢測(cè)到液壓系統(tǒng)的固有頻率，并盡可能使其不出現(xiàn)額外的干擾頻率。在壓力增加且溫度降低的情況下，所確定的固有頻率類似于聲波，并會(huì)出現(xiàn)升高現(xiàn)象。

通過式（2），研究人員可確定工作過程中所噴射出的燃油量，同時(shí)在溫度可調(diào)節(jié)的系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行的測(cè)量證實(shí)了這種方法的效果（圖3）。每個(gè)點(diǎn)相當(dāng)于1次噴射過程，而共軌壓力、溫度和噴射持續(xù)時(shí)間則處于持續(xù)變化的狀態(tài)?；鶞?zhǔn)噴油量可通過Akribis噴油量指示器進(jìn)行測(cè)算，但對(duì)不同噴油系統(tǒng)和整個(gè)數(shù)據(jù)記錄而言，常數(shù)是唯一確定的值。

圖3 相對(duì)于基準(zhǔn)噴油量的噴油量診斷結(jié)果

3 噴油器流量的診斷

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研究人員通過壓力降來識(shí)別噴油器間的相對(duì)流量差，從而在其使用壽命內(nèi)對(duì)其予以校正。正如試驗(yàn)研究所表明的那樣，研究人員可通過量產(chǎn)壓力傳感器以16 kHz的掃描探測(cè)過程來對(duì)其進(jìn)行診斷。

在用于描繪電控持續(xù)時(shí)間的特性曲線場(chǎng)中，取決于壓力的噴油器流量在線性工作范圍內(nèi)處于持續(xù)升高的狀態(tài)。為對(duì)其進(jìn)行比對(duì)，研究人員需要觀察壓力降與電控持續(xù)時(shí)間。系統(tǒng)中的1個(gè)噴油器在不同壓力等級(jí)下的特性曲線場(chǎng)。

研究人員通過對(duì)幾個(gè)由電控持續(xù)時(shí)間和壓力降組成的數(shù)值進(jìn)行回歸計(jì)算，以此查明各個(gè)噴油器特性曲線的斜率。該數(shù)值與噴油量Qp密切相關(guān)。在診斷持續(xù)時(shí)間內(nèi)，研究人員必須保持邊界條件的成立，尤其應(yīng)使平均壓力水平處于恒定不變的狀態(tài)。

為了在液壓試驗(yàn)臺(tái)上模擬噴油器之間的流量偏差，研究人員需要在噴油系統(tǒng)中配裝4個(gè)具有不同流量的噴油閥。這4個(gè)噴油器的靜態(tài)流量在7.5~9.0 g/s之間。該數(shù)值是研究人員在共軌壓力為10 MPa和試驗(yàn)介質(zhì)溫度為20 ℃的情況下通過測(cè)量代用燃料n-庚烷測(cè)得的。

正如圖5所示，a為修正系數(shù)，R為常數(shù)，Qp值可用于確定壓力等級(jí)，并與流量成一定比例。研究人員在此基礎(chǔ)上通過調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)中的電控持續(xù)時(shí)間進(jìn)行補(bǔ)償，同樣也可借助于噴油量指示器確定基準(zhǔn)噴油量Qref。

圖5 不同壓力和噴油器的流量診斷值及測(cè)得的基準(zhǔn)噴油量

4 噴油量檢測(cè)

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研究人員通過擴(kuò)展發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上的指示系統(tǒng)，采用具有高分辨率的共軌壓力傳感器，得到了另1種應(yīng)用可能性。只要采用合適的噴油定時(shí)，研究人員就能按循環(huán)分辨發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒狀況與噴油量的關(guān)系，并對(duì)排量為2.0 L的4缸渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的4個(gè)處于低負(fù)荷及低轉(zhuǎn)速工況下的運(yùn)行工況點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。

如圖6所示，研究人員繪制出了某個(gè)氣缸在每100個(gè)循環(huán)條件下的噴油量和平均指示壓力，每個(gè)運(yùn)行工況點(diǎn)均以化學(xué)計(jì)量比運(yùn)行，但是為了使噴油量能顯示出明顯的變化，研究人員通過λ調(diào)節(jié)器來對(duì)其進(jìn)行觸發(fā)。

圖6 在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上檢測(cè)的噴油量和無流量校正時(shí)的停缸過程

3個(gè)負(fù)荷較高的運(yùn)行工況點(diǎn)呈現(xiàn)出正常的燃燒狀況，此時(shí)負(fù)荷的變動(dòng)與氣缸中的噴油量有關(guān)，而且在過量空氣系數(shù)較濃時(shí)可識(shí)別出最大功率，但是在負(fù)荷大幅降低時(shí)會(huì)出現(xiàn)停缸現(xiàn)象，這會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)定。

相關(guān)分析表明，由于負(fù)荷變動(dòng)會(huì)面臨混合氣較為稀薄的情況，此時(shí)針對(duì)流量補(bǔ)償?shù)谋匾跃妥兊幂^為重要。研究人員通過改善噴油量精度，可防止個(gè)別氣缸以超化學(xué)計(jì)量比的狀態(tài)運(yùn)行，以此避免停缸現(xiàn)象的發(fā)生。

5 結(jié)語

類似于測(cè)量技術(shù)中用于提高噴油系統(tǒng)壓力的方法，在噴油過程中所產(chǎn)生的壓力降通常被用于診斷所需的噴油量，本文介紹了其原理和相應(yīng)的信號(hào)處理方法。

研究人員充分利用了該方法，用于識(shí)別難以發(fā)現(xiàn)的流量差異現(xiàn)象，同時(shí)將其用于壓力傳感器的壓力調(diào)節(jié)過程，并通過提高量產(chǎn)傳感器的壓力和時(shí)間分辨率來改善診斷精度。在開發(fā)和標(biāo)定過程中，研究人員采用該方法對(duì)缸內(nèi)工作過程進(jìn)行研究，并通過循環(huán)精度確定所需要的噴油量，且無須采用昂貴的測(cè)量設(shè)備。

編輯：jq