高压共轨喷油系统喷油间的变化规律

高压共轨喷油系统喷油间的变化规律

0高压系统喷油规律的研究随着原油高压联合喷油系统的逐步普及，新的柴油发动机开始使用压缩和膨胀冲程，以减少排放和噪声。每循环喷油次数的增加,以及发动机转速的不断提高,要求各次喷射之间的时间间隔必须减小。因此,对多次喷射的喷油规律进行研究,掌握主、预喷油量随喷油间隔的变化情况,尤其是小喷油间隔时,探究造成主喷油量波动的原因,进而可以利用控制策略进行补偿,使得在不改变高压共轨系统硬件执行器的基础上,完善喷射性能,提高喷油参数水平,有利于多次喷射的稳定工作。国内外对高压油管内的压力波及汽泡的研究很多,试验和理论都证明了它们是影响喷油量波动的主要因素,但是由于测试设备条件限制,未能对其影响给出精确的定量分析。本文采用先进的EFS瞬时喷油量测量仪对高压共轨喷油系统多次喷射的预喷和主喷油量同时进行精确的测量,特别是在主、预喷间隔较小的时候,证实了压力波对喷油量的影响,而且还确定了另一个重要的影响因素——喷油器电液力延迟,它的变化直接导致了主喷射实际喷油脉宽的变化,进而影响主喷油量的大小。1喷油量测量系统本试验是在上海交通大学汽车电子技术研究所配备了自主开发的GD-1高压共轨电控喷油系统的油泵试验台上进行的;采用法国EFS公司的EMI2瞬时油量测量仪测量主、预喷油量;应用HIOKI8855信号采集仪观测驱动电流及EMI测量活塞的位移等波形;喷油间隔等各种喷油参数的调节是通过基于Vector公司的CANape软件自主开发的标定平台实现的。图1为EFS瞬时油量测量仪的机械模块EMI2的结构,EMI2对单一喷油器瞬时油量的测量与供油泵的凸轮轴转速同步,安装在仪器机械部件上方的喷油器喷出的燃油被完全回收入可变容积的盛油腔内,喷射油量冲击盛油腔下部的运动活塞,导致其克服复位弹簧力和背压而向下运动,对应的位移即反映了瞬时喷油量的大小。喷射燃油推动活塞下行的过程中,泻油阀保持关闭;而在测量阶段结束后,电控系统给出控制信号,泻油阀打开,在复位弹簧力的作用下,盛油腔内已被测量的燃油排出,回到油箱。与此同时,流量计监测泻油阀泻出的油量,以确保盛油腔内燃油不被完全排空。剩余油量的高度被称为“液压软垫”,用户可以对它进行设定和更改。EFS系统每℃A内对活塞的升程信号以及喷油参数采样5次以确保精确。根据起始信号自动设定测量角度域的起始相位(最大设定为90℃A),它实际上就是喷油参数测量的起始点。如图2所示,系统同步生成一个游标信号,每获得一个测量活塞的升程信号,就在这个游标信号上附加一个电平。最高的电平对应活塞升程采样的终点和盛油腔泻油的始点。另外,系统根据活塞升程信号微分出活塞的速率,它间接反映了喷油速率。EFS瞬时油量测量仪的测量范围是每次喷射0～600mm3,测量精度为0.6mm3(0.1%)。2试验结果为了标定和改变喷油参数变量的方便,将喷油间隔定义为由预喷的驱动电流始点到主喷驱动电流始点之间的角度量,如图2中示意。2.1喷油器间隔的影响图3为1000r/min时,0.5～0.8ms预喷脉宽在400～1000×105Pa的油压下随喷油间隔减小的喷油量曲线。不难发现,尽管脉宽和油压决定了喷油量的不同,但是同一条件下的预喷油量随着喷油间隔减小的波动幅度却很小,只有间隔非常小(1000r/min时低于8℃A)时,预喷油量才显著提高,这主要是由EFS系统在小间隔时对于预喷的采样角度自动设定不稳定引起的。实际上,由于在预喷之前没有其他喷射,所以共轨油压有足够的时间平衡到目标值,同时喷油器电磁阀和针阀也有足够的时间为预喷的动作做好准备。因此电磁阀的上电过程和电液延迟对预喷油量的影响是微乎其微的,更不会引起波动。本文因此不再对预喷油量作过多的分析。2.2喷油间隔的影响图4中,各种标记的线组分别表示的是在400～1000×105Pa的油压,0.5～0.8ms的预喷脉宽条件下,主喷脉宽为2.4ms的喷油量,此时转速固定为1000r/min。对曲线的观察和数据进行分析,可得到主喷油量随喷油间隔减小的变化规律:1)喷油间隔大于一定角度(例如图4中26℃A)时,主喷油量几乎不再波动;2)喷油间隔处于一定小角度区间(例如图4中19～22℃A)时,主喷油量有明显波峰;3)喷油间隔处于一定更小角度区间(例如图4中11～14℃A)时,主喷油量有明显波谷;4)喷油间隔小于一定很小的角度(例如图4中9℃A)时,主喷油量大幅上涨。3影响主喷油量波动的主要因素经过大量的试验以及结果的分析,发现转速和主喷脉宽的变化都没有影响主喷油量的上述变化趋势,而预喷脉宽以及共轨油压的大小只是影响了主喷油量波动的幅度,波动出现的相位却是固定不变的。因此,发动机工况及喷油参数并不是造成小喷油间隔时主喷油量发生波动的根本原因。相反的,喷油器电磁阀驱动电路的设计,甚至是喷油器和共轨管本身的机械特性可能是真正的核心原因。3.1喷油器延迟的影响在电磁阀驱动的电液伺服式喷油器中,燃油是通过电磁阀和针阀的联动来实现喷射的。从电磁阀上电始点到喷射始点存在一个总的延迟,它是由电磁阀动作的电力延迟和针阀动作的液力延迟两部分组成的。图5将同一工况下三组不同喷油间隔下的信号波形组合在一起进行对比,它们各自的延迟和喷油参数,以及此时的工况参数都罗列在表1中。尽管喷油间隔各不相同,但是预喷延迟始终是0.8ms,这是因为在它之前没有其他喷射对它产生影响,与上述对预喷的分析吻合。与之相反,主喷延迟却是各有不同。当喷油间隔为26℃A时,延迟为0.8ms,和预喷几乎相同。这是因为在这个较大的间隔时,主喷动作几乎不受之前的预喷影响,因此每脉冲喷油量可以稳定在设定的110mg;当喷油间隔为12℃A时,恰好处于前面总结的主喷油量波动的波谷内,此时主喷延迟增长到0.95ms,同时实际的主喷脉宽(包含EFS测量活塞的惯性延迟)从3.0ms减小到2.8ms,因此每脉冲喷油量也相应减小到105mg;当喷油间隔为6℃A时,此时主喷紧跟在预喷之后就进行。由于主喷延迟缩小到只有0.6ms,因此实际喷油脉宽增长到了3.25ms,于是每脉冲喷油量也就增大到了124mg。由以上分析可知,延迟越大,实际喷油脉宽就越小,于是喷油量也就越小,反之亦然。因此,喷油器的电液力延迟不同导致主喷脉宽的不同,从而直接导致了主喷油量的波动。另一方面,从图5中画圈对比可以看出,在6℃A和12℃A喷油间隔时,主喷油量的波动明显比26℃A时更加剧烈。这实际上反映的是喷油器针阀在喷油过程中的跳动,主要是由于不平衡的燃油压力导致的,而这是造成主喷油量波动的另一个重要原因。实际上,在电磁阀驱动的电液伺服式喷油器中,电力延迟主要由驱动电路设计决定。通过多年努力,我研究所开发的电控ECU(ElectronicControlUnit)的电磁阀驱动水平能够保证电力延迟在0.2ms之内。而喷油器内的液力延迟受燃油压力变化的影响很大,另外也与喷油器偶件的加工精度和尺寸有关。经测量,液力延迟在0.3～0.8ms之间波动,可见影响实际喷油脉宽的电液力延迟主要因素由液力延迟组成,而它的大小又与燃油压力的波动密切相关。因此,可以认为小喷油脉宽时造成主喷油量波动的真正原因是高压油路中的燃油压力波动。3.2预喷脉宽和共轨油量波动的关系轴向直列柱塞泵的机械结构决定了高压燃油是以脉动的方式压向共轨管的。由于共轨管的大容积和限流器的存在,这种供油脉动大部分已经衰减,但是在高压油管中仍然存在油压的小幅振动和反射波。此外,柴油是不可压缩的黏性流体,高压大脉宽的喷射后势必造成燃油流动的不连续,喷油器的盛油腔内一定会出现短暂的空腔。当两次喷射之间的间隔减小到一定程度时,前一次喷射引起的喷油器和高压油管内的燃油波动,没有得到高压油泵及时的燃油补充以及共轨管的波动平衡作用,因而势必影响到后一次喷射。预喷脉宽和共轨油压越大,主喷油量所受的影响就越大。表2为1000r/min转速,不同油压不同预喷脉宽时,固定脉宽2.4ms的主喷在油量波动的特定位置采集的瞬时共轨油压的数据比较。不难发现,油量波动的波峰对应的共轨油压高于设定油压,波谷的油压低于设定油压。而且,随着设定油压的增大,油压偏差也随之增大。另外,当预喷脉宽增大到0.8ms时,油量波动处的油压偏差更加明显,当设定油压为1000×105Pa时,油压偏差达到了150×105Pa。对喷油参数精度要求很高的电控高压共轨喷油系统来说,15%的喷油压力偏差是绝对不可接受的。4喷油特性分析喷油系统无法满足设定工况的喷油量和喷油压力要求,功率受到损失的同时,排放也可能出现一定程度的恶化;过多的喷油量不仅会造成排放的恶化,而且还浪费了一定的动力,燃油经济性受到影响。中国目前国产的电控高压共轨喷油系统在制造工艺及控制精度上都有所欠缺,要想在现有的硬件条件下提高电控柴油机的控制水平,就必须在软件和控制器方面下功夫。本文正是基于以上考虑,对目前国产共轨喷油系统的喷油特性进行了研究。结论如下:1)多次喷射的油量,尤其是主喷油量随多次喷射间隔的缩小,会在一定角度区间内呈现波动现象。预喷脉宽越大,共轨油压越大,波动越明显。2)主喷油量波动出现的喷油间隔相位区间基本是固定的,这说明它是由喷油器机械偶件的尺寸决定的,不受喷油参数和发动机工况参数的影响。3)小喷油间隔时主喷油量出现波动的原因是预喷之后造成高压油路燃油压力的不稳定波动,进而影响主喷的液力延迟。燃油压力波动