【德】A.WIELAND E.ACHLEITNER A.LYUBAR E.SCHLCKER

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)公司針對這種噴油器開發(fā)出了基于共軌壓力信號的診斷方案，并通過該方案改善了噴油量，從而將其用作為開發(fā)工具。關(guān)鍵詞：汽油機(jī);直接噴射;共軌燃油系統(tǒng)

0 前言

在燃油耗和排放標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步加嚴(yán)的背景下，研究人員對噴油系統(tǒng)的燃油計(jì)量精度提出了全新的要求。發(fā)動機(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)動機(jī)與三元催化轉(zhuǎn)化器之間的寬帶λ傳感器來對進(jìn)氣量進(jìn)行調(diào)節(jié)，并在發(fā)動機(jī)中對空氣與噴油量的比例進(jìn)行調(diào)整[1]。除了使各個氣缸中的空氣質(zhì)量實(shí)現(xiàn)均勻分配之外，發(fā)動機(jī)還需要通過噴油系統(tǒng)來更精確地計(jì)算噴油量（圖1）。

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)的時刻，并可通過調(diào)整各個噴油器的電控持續(xù)時間來補(bǔ)償液壓開啟持續(xù)時間所產(chǎn)生的差異[2]，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，噴嘴流量也會相應(yīng)發(fā)生變化[3]。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)時間外，還應(yīng)對噴嘴流量的差異進(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處理方法，通過共軌壓力信號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。研究人員以某個用于加熱催化轉(zhuǎn)化器的典型運(yùn)行工況點(diǎn)為例，針對燃燒穩(wěn)定性，以及發(fā)動機(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?？扇蓟旌蠚鈱?shí)現(xiàn)充分燃燒，并據(jù)此對缸內(nèi)壓力進(jìn)行優(yōu)化。

1 壓力差測量原理

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間上可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立運(yùn)作，共軌噴油系統(tǒng)以此對噴油始點(diǎn)和噴油次數(shù)等參數(shù)進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)。假定某次噴油過程在時間上不與油泵的供油過程和其他噴油器的噴油過程同時開展，那么噴油量mf與出現(xiàn)在容積V中的正壓力降的關(guān)系可用式（1）來表示。

式中，Δp為容積V中的正壓力降;c2為噴嘴橫截面積。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導(dǎo)致壓力的降低。一方面，整個系統(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[4]。這種測量原理被用于HAD和Mexus 2.0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[5]。

2 從壓力信號到噴油量

為了使該類測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。為了確定音速的數(shù)值大小，研究人員在試驗(yàn)臺上使用了超聲傳感器及基于特性曲線場得出的測量方法，該方法可用于測量介質(zhì)溫度。同時，研究人員通過該方法確定了由泵供油和噴射所引起的駐波，并由此檢測到固有頻率，其受管路幾何形狀影響且正比于壓力，因此所有與幾何學(xué)有關(guān)的量值都能綜合在1個系統(tǒng)特有的可標(biāo)定常數(shù)中，如式（2）所示。

式中，ksys為可標(biāo)定常數(shù)，Δp為容積V中的正壓力降;f為固有頻率。

圖2示出了在共軌壓力為35 MPa時，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分成噴射前與噴射后共2個區(qū)域，各自包括了由壓力波動疊加而成的壓力平臺。為了確認(rèn)壓力平臺的高度，研究人員借助核心密封性的評估方案，將此類信號轉(zhuǎn)變成概率密封性函數(shù)[6]，其中應(yīng)用了1個具有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，就能將各個壓力平臺的高度及其壓力降設(shè)定為平臺差值。與簡單的平均值計(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，通過壓力信號就能在可標(biāo)定的頻率窗口中檢測到液壓系統(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，同時在溫度可調(diào)節(jié)的系統(tǒng)試驗(yàn)臺上進(jìn)行的測量證實(shí)了這種方法的效果（圖3）。每個點(diǎn)相當(dāng)于1次噴射過程，而共軌壓力、溫度和噴射持續(xù)時間則處于持續(xù)變化的狀態(tài)。基準(zhǔn)噴油量可通過Akribis噴油量指示器進(jìn)行測算，但對不同噴油系統(tǒng)和整個數(shù)據(jù)記錄而言，常數(shù)ksys是唯一確定的值。

3 噴油器流量的診斷

研究人員通過壓力降來識別噴油器間的相對流量差，從而在其使用壽命內(nèi)對其予以校正。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的掃描探測過程來對其進(jìn)行診斷。

在用于描繪電控持續(xù)時間ti的特性曲線場中，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)。為對其進(jìn)行比對，研究人員需要觀察壓力降與電控持續(xù)時間。圖4示出了系統(tǒng)中的1個噴油器在不同壓力等級下的特性曲線場，圖中用壓力降替代噴油量。研究人員通過對幾個由電控持續(xù)時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個具有不同流量的噴油閥。這4個噴油器的靜態(tài)流量在7.5～9.5 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 ℃的情況下通過測量代用燃料n-庚烷測得的。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，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)動機(jī)電控系統(tǒng)中的電控持續(xù)時間進(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。

4 噴油量檢測

研究人員通過擴(kuò)展發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺上的指示系統(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，研究人員就能按循環(huán)分辨發(fā)動機(jī)燃燒狀況與噴油量的關(guān)系，并對排量為2.0 L的4缸渦輪增壓發(fā)動機(jī)的4個處于低負(fù)荷及低轉(zhuǎn)速工況下的運(yùn)行工況點(diǎn)進(jìn)行測量。

如圖6所示，研究人員繪制出了某個氣缸在每100個循環(huán)條件下的噴油量和平均指示壓力，每個運(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)器來對其進(jìn)行觸發(fā)。

3個負(fù)荷較高的運(yùn)行工況點(diǎn)呈現(xiàn)出正常的燃燒狀況，此時負(fù)荷的變動與氣缸中的噴油量有關(guān)，而且在過量空氣系數(shù)較濃時可識別出最大功率，但是在負(fù)荷大幅降低時會出現(xiàn)停缸現(xiàn)象，這會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)定。相關(guān)分析表明，由于負(fù)荷變動會面臨混合氣較為稀薄的情況，此時針對流量補(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)的信號處理方法。研究人員充分利用了該方法，用于識別難以發(fā)現(xiàn)的流量差異現(xiàn)象，同時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量設(shè)備。

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范明強(qiáng) 譯自 MTZ，2020，81（10）

伍賽特 編輯

（收稿時間：2020-11-15）