梁遲遲,張振東

(上海理工大學(xué),上海 200093)

GDI噴油器是缸內(nèi)噴注式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)噴射系統(tǒng)的關(guān)鍵執(zhí)行器件,其主要功能是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元發(fā)出的噴油脈寬信號(hào)來控制噴油量。噴油量是衡量噴油器流量特性的重要參數(shù),能否精確控制噴油量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能至關(guān)重要。

理想情況下噴油器的流量應(yīng)該是線性的,并且與整個(gè)噴油器流量范圍內(nèi)的噴油脈寬成正比。然而實(shí)際情況并非如此,由于噴油器接收噴油指令會(huì)有一定的延遲,導(dǎo)致噴油器噴油量在小噴油脈寬下會(huì)顯著偏離線性,不利于GDI噴油器噴油過程的精確控制,進(jìn)而會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性[1]。

近年來,能源供需不平衡以及國六排放標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施,對(duì)噴油器的性能提出了更高的要求。越來越多的學(xué)者將噴油器小脈寬噴油作為噴油器性能研究的一個(gè)重點(diǎn)。田丙奇[2]對(duì)高壓共軌系統(tǒng)的小脈寬噴油特性進(jìn)行了研究,解釋了小噴油脈寬下噴油量偏離線性的成因,認(rèn)為減小回油節(jié)流孔直徑能夠有效降低小脈寬噴油量非線性度。蘭奇等[3]建立了低速機(jī)雙閥電控燃油系統(tǒng)AMESim仿真模型,結(jié)果表明,小脈寬工況下循環(huán)噴油量非線性度受系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)(增壓活塞大頭直徑、增壓活塞小頭直徑、針閥彈簧預(yù)壓縮量、噴孔直徑、高壓油管直徑)影響較大。何付斌等[4]研究了燃油壓力和驅(qū)動(dòng)電壓對(duì)小脈寬非線性區(qū)域噴射特性的影響,采用二次多項(xiàng)式對(duì)非線性段進(jìn)行擬合,提高了電控噴油器在小噴油脈寬工況下的噴油量精度。Z. Liu等[5]指出,在大脈寬區(qū)域噴油量與噴油脈度呈線性關(guān)系,在小脈沖寬度區(qū)域(0.1～0.6 ms)噴油量與脈沖寬度呈非線性關(guān)系,且噴油變化率與脈沖寬度正相關(guān)。R. Kusakabedeng等[6]采用電流波形控制技術(shù)建立了噴油器的一維模型,發(fā)現(xiàn)電樞在開啟作用中的反彈導(dǎo)致小脈寬噴油非線性,通過減少電樞彈跳能夠有效改善非線性度。F. T. Scafati等[7]指出,小脈寬噴油非線性是由噴油器彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)的慣性大小和線圈施加的電磁力的減少,以及噴油器摩擦力變化引起的。L. Postrioti等[8]給出了不同噴射壓力(5～15 MPa)下GDI噴油器的流量特性曲線,指出在小脈寬階段,針閥沒有完全升起,而在線性區(qū),噴油量與噴油脈寬成正比。將噴油壓力從5 MPa提高到15 MPa,由于噴油器需要更長(zhǎng)的激勵(lì)時(shí)間來克服噴油器控制閥上的壓力,因此在小脈寬階段打開噴油器所需最小通電時(shí)間更長(zhǎng)。另一方面,線性區(qū)斜率隨著噴油壓力的增大而增大,因?yàn)橐坏┽橀y完全抬起,噴油器腔內(nèi)上方壓力越大,噴射速率越快。

本研究提出了一種小脈寬流量區(qū)的閉環(huán)控制系統(tǒng),能夠控制非線性流量區(qū)噴油精度,并能提高GDI噴油器的噴射能力?；趯?duì)GDI噴油器驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)的識(shí)別處理,對(duì)針閥開閉動(dòng)作特性的識(shí)別進(jìn)行了研究,提出的控制策略能夠計(jì)算出針閥開閉時(shí)間,進(jìn)而確定噴油器實(shí)際燃油噴射量,實(shí)現(xiàn)對(duì)噴油器噴油的精準(zhǔn)控制。

1 GDI噴油器的工作原理及小脈寬流量特性

GDI噴油器本質(zhì)上是一種高精度高速強(qiáng)力電磁閥,當(dāng)電磁線圈接收到由發(fā)動(dòng)機(jī)ECU發(fā)出的噴油信號(hào)后,銜鐵組件在電磁吸力的作用下朝鐵芯方向運(yùn)動(dòng),針閥上升,鋼球離開閥座,燃油從閥座上的噴孔以噴霧形式噴出;當(dāng)發(fā)出結(jié)束噴油指令后,電磁吸力不足以克服回位彈簧預(yù)緊力等阻力時(shí),銜鐵組件向閥座方向運(yùn)動(dòng),鋼球落座結(jié)束噴油[9]。

根據(jù)針閥的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),噴油器工作過程可分為開啟、開啟保持、關(guān)閉三個(gè)部分[10],其中開啟部分包括開啟延遲和開啟階段,關(guān)閉部分包括關(guān)閉延遲和關(guān)閉階段(見圖1中曲線1)。其中,開啟延遲階段是指ECU發(fā)出噴油指令到針閥開始上升,開啟階段是指針閥開始上升直到最大升程,開啟持續(xù)階段是指針閥保持在最大升程,關(guān)閉延遲階段是指ECU發(fā)出結(jié)束噴油指令到針閥開始下降,關(guān)閉階段是指針閥開始下降至完全落座。

圖1 GDI噴油器工作過程

當(dāng)噴油脈寬度足夠小時(shí),針閥在達(dá)到最大升程之前就會(huì)開始下降,如圖1中曲線2所示。此時(shí),噴油器針閥直接從開啟階段進(jìn)入關(guān)閉階段,針閥升程的特征是一條拋物線,相應(yīng)的噴油特性是非線性的。

噴油器的動(dòng)態(tài)流量特性是指發(fā)出噴油脈沖信號(hào)后,在一定脈沖寬度下燃油流量(Qdyn)與噴油脈寬(Ti)之間的變化關(guān)系。理想情況下噴油器的脈沖寬度與其噴油量呈線性關(guān)系,而在實(shí)際噴油時(shí)由于噴油器在噴射起始時(shí)刻與針閥升起之間有一定的滯后,其流量特性在小脈寬區(qū)域會(huì)呈現(xiàn)非線性。圖2示出GDI噴油器理想工況與實(shí)際工況下的流量特性曲線對(duì)比。

圖2 GDI噴油器流量特性曲線

2 小脈寬流量非線性控制策略

2.1 小脈寬流量非線性控制原理

圖3示出了小脈寬流量非線性控制的設(shè)計(jì)流程,主要包括硬件和軟件兩個(gè)部分。硬件部分主要是對(duì)GDI噴油器的電信號(hào)進(jìn)行采集和處理,需要在電控單元內(nèi)部配有用于調(diào)節(jié)信號(hào)以及快速處理信號(hào)(FADC硬件濾波、移動(dòng)平均濾波)的硬件電路。軟件部分主要是對(duì)從硬件收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行再處理,通過計(jì)算噴油器實(shí)際開閉時(shí)刻得出實(shí)際燃油噴射量,將實(shí)際燃油噴射量與目標(biāo)噴油量進(jìn)行比較,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)噴油脈寬的修正。

圖3 小脈寬流量非線性控制的設(shè)計(jì)流程

圖4示出小脈寬實(shí)時(shí)檢測(cè)和補(bǔ)償噴油量的控制架構(gòu)。首先對(duì)電磁線圈中的差分電壓信號(hào)進(jìn)行濾波處理,以減少疊加噪聲。然后將濾波后的信號(hào)與參考電壓(Uverf)進(jìn)行比較。參考電壓信號(hào)只與線圈斷電后因渦流衰減而引起的自感電壓有關(guān)。因此,電壓信號(hào)和參考電壓信號(hào)之間的差值排除了由于針閥運(yùn)動(dòng)引起的電壓信號(hào)變化因素,能夠更為精確地確定針閥關(guān)閉時(shí)刻。最后處理線圈電壓信號(hào)(ULF)與參考電壓信號(hào)(Uverf)之間的差值信號(hào),計(jì)算出現(xiàn)極值的時(shí)間,該時(shí)間即噴油器針閥關(guān)閉時(shí)間?；谶@種相關(guān)性,一旦從電壓信號(hào)中檢測(cè)到噴油持續(xù)時(shí)間,就能計(jì)算出實(shí)際的燃油噴射量。

圖4 小脈寬實(shí)時(shí)檢測(cè)和補(bǔ)償噴油量的控制架構(gòu)

ECU能夠自動(dòng)從GDI噴油器驅(qū)動(dòng)信號(hào)中檢測(cè)出相關(guān)電壓與電流信號(hào)(見圖5和圖6),經(jīng)過進(jìn)一步地模擬處理可以獲得噴油器的開閉時(shí)刻。在相同的驅(qū)動(dòng)脈寬指令下,不同的噴油器在小脈寬非線性區(qū)和線性模式下工作時(shí),實(shí)際的電流與電壓信號(hào)是不同的,主要是由于噴油脈寬取決于針閥的開啟時(shí)間和關(guān)閉時(shí)間。針閥開閉時(shí)刻的準(zhǔn)確識(shí)別是實(shí)現(xiàn)噴油器小脈寬精準(zhǔn)噴射控制的關(guān)鍵[11]。

圖5 噴油器線性模式下電壓與電流波形(2 ms)

圖6 小脈寬下噴油器電壓與電流波形(0.3 ms)

圖6示出了GDI噴油器小脈寬下的電壓分布與電流典型波形。噴油器開始噴油時(shí)會(huì)施加一個(gè)非常高的電壓,電流突然上升,產(chǎn)生一個(gè)大的電磁力,銜鐵向上運(yùn)動(dòng),帶動(dòng)針閥離開閥座,燃油通道打開,噴油開始;當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)停止時(shí),電磁力下降到0,因?yàn)榫€圈被一個(gè)大的負(fù)電壓值迅速斷電,通過彈簧負(fù)載關(guān)閉燃油通道,針閥落座。

2.2 基于驅(qū)動(dòng)電壓反饋的針閥關(guān)閉時(shí)刻識(shí)別

GDI噴油器噴油量直接取決于針閥的開啟和關(guān)閉時(shí)間,通過針閥關(guān)閉時(shí)間就可以精準(zhǔn)確定噴油器的開啟周期。圖7示出實(shí)際采集的信號(hào)曲線。從圖7可以看出,銜鐵的運(yùn)動(dòng)速度可以反映噴油器針閥的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)ECU發(fā)出噴油指令后,銜鐵組件在電磁吸力的作用下運(yùn)動(dòng),此時(shí)噴油器響應(yīng)快,銜鐵運(yùn)動(dòng)速度加快,帶動(dòng)針閥離開閥座,燃油噴射量從0開始增加。當(dāng)ECU發(fā)出結(jié)束噴油指令時(shí),由于噴油器針閥彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)的慣性以及線圈施加電磁力的減少,銜鐵速度急速下降,在A處產(chǎn)生一個(gè)尖點(diǎn),此時(shí)彈簧不起作用,銜鐵速度無瞬變;當(dāng)針閥完全落座后,銜鐵運(yùn)動(dòng)突變會(huì)在電磁線圈中產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì),導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電壓波形突然改變,速度發(fā)生瞬變,在B處形成斷點(diǎn),根據(jù)噴油器的工作過程,此時(shí)噴油器電壓信號(hào)改變,電壓導(dǎo)數(shù)極值點(diǎn)即為噴油器針閥關(guān)閉點(diǎn)。

圖7 電壓信號(hào)與噴油器運(yùn)動(dòng)關(guān)系

GDI噴油器的電壓信號(hào)極值點(diǎn)出現(xiàn)在關(guān)閉階段,此時(shí)噴油器線圈斷電并產(chǎn)生一個(gè)自感電壓[12]。在這一階段,除了與線圈渦流衰減有關(guān),電壓信號(hào)還與線圈斷電后銜鐵的運(yùn)動(dòng)有關(guān),其振幅取決于銜鐵的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)這一速度在銜鐵閉合之前達(dá)到最大時(shí),電壓信號(hào)就會(huì)發(fā)生變化。針對(duì)這一特性,通過處理GDI噴油器電壓信號(hào),就可以獲得針閥實(shí)際關(guān)閉時(shí)間,進(jìn)而獲得噴油器實(shí)際噴油噴射量,將實(shí)際燃油噴射量與目標(biāo)噴油量進(jìn)行比較,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)噴油脈寬的修正。

2.3 差分電壓信號(hào)處理

圖8示出了對(duì)GDI噴油器的電壓信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理的整個(gè)過程。噴油器驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)由模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)進(jìn)行采集,在采集時(shí)選取了0.4～1.2 ms間的差分電壓信號(hào)。為了避免疊加噪聲對(duì)采集電壓信號(hào)的影響,線圈斷電后的電壓信號(hào)必須事先通過低通濾波器進(jìn)行濾波。本研究先采用FADC硬件濾波進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換,然后利用截止頻率為110 kHz的低通移動(dòng)平均濾波器對(duì)所采集到的電壓信號(hào)進(jìn)行再處理。將經(jīng)過濾波后的電壓信號(hào)與參考電壓信號(hào)(Uverf)進(jìn)行比較。參考電壓信號(hào)只與線圈斷電后因渦流衰減而引起的自感電壓有關(guān)。因此,通過電壓信號(hào)和參考電壓信號(hào)之間的差值便可精確地確定針閥關(guān)閉時(shí)刻。當(dāng)線圈電壓信號(hào)(ULF)與參考電壓信號(hào)(Uverf)之間的差值信號(hào)出現(xiàn)極值點(diǎn)時(shí),即當(dāng)差值ΔU=Max(|ULF-Uverf|)時(shí),此時(shí)間對(duì)應(yīng)于噴油器針閥關(guān)閉時(shí)間。

為了減少高頻噪聲對(duì)信號(hào)分析的影響,對(duì)采樣結(jié)果進(jìn)行低通濾波,處理后的電壓曲線見圖8a。圖8b示出對(duì)濾波后的電壓信號(hào)進(jìn)行一階求導(dǎo)后的曲線,導(dǎo)數(shù)極值點(diǎn)即為噴油器關(guān)閉點(diǎn)。可以發(fā)現(xiàn)濾波后電壓值的首個(gè)一階差值的極值接近0.8 ms,此即為噴油器關(guān)閉時(shí)刻。

2.4 開啟延時(shí)研究

圖9示出不同噴射壓力下噴油器銜鐵/針閥升程曲線。從圖9可以看出,針閥開啟延遲隨著GDI噴油器噴射壓力的增加而降低,壓力越高噴油器開啟響應(yīng)越快。這是由于噴射壓力升高,導(dǎo)致噴油器銜鐵組件所受合力增大,當(dāng)ECU發(fā)出噴油信號(hào)時(shí),電磁線圈產(chǎn)生更大的電磁吸力帶動(dòng)銜鐵組件上移,所以縮短了針閥開啟延時(shí)時(shí)刻。

圖9 不同噴射壓力下噴油器銜鐵/針閥升程曲線

圖10示出噴射壓力為20 MPa時(shí),不同燃油溫度及不同介質(zhì)黏度下噴油器的流量特性曲線。由圖10可以看到燃油溫度的升高會(huì)減少噴油器開啟延遲時(shí)間,這主要是由于燃油溫度升高會(huì)傳熱至噴油器機(jī)體[13],會(huì)使燃油黏度減小,噴油器內(nèi)部流速加快,針閥摩擦阻力減小,因而能夠?qū)崿F(xiàn)快速抬起[14]。選取車用汽油與車用乙醇汽油兩種不同介質(zhì)下噴油器的流量特性進(jìn)行比較,乙醇汽油的黏度是汽油的3倍左右,黏性摩擦力隨著黏度的增加而增加[15],從而阻礙針閥的運(yùn)動(dòng),因此,在相同條件下噴射介質(zhì)為車用乙醇汽油的噴油器的開啟延遲高于介質(zhì)為車用汽油的噴油器。

圖10 不同溫度及不同介質(zhì)黏度下噴油器的流量特性曲線

與PFI噴油器不同,GDI的噴油器開啟時(shí)充電電流很快飽合,從噴油器的電信號(hào)上無法發(fā)現(xiàn)噴油器開啟時(shí)刻。每個(gè)噴油器實(shí)際開啟時(shí)間取決于噴油器實(shí)際關(guān)閉時(shí)間,經(jīng)仿真及試驗(yàn)得知,當(dāng)噴油器驅(qū)動(dòng)時(shí)間由0逐漸增大時(shí),其關(guān)閉延時(shí)有先變小再變大的趨勢(shì)。且關(guān)閉延時(shí)最小值(Tcdmin)、最小值對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)時(shí)間(ti)與開啟延時(shí)(Tod)有如下關(guān)系:

Tod=a·ti+b·Tcdmin+c。

(1)

由此可知,可以通過關(guān)閉延遲時(shí)刻來確定開啟延遲時(shí)刻。利用短時(shí)精確控制系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)在不同壓力、不同介質(zhì)黏度和不同溫度區(qū)間分別進(jìn)行自學(xué)習(xí),然后測(cè)出實(shí)際的開啟延時(shí),根據(jù)開啟延時(shí)與驅(qū)動(dòng)時(shí)間的線性關(guān)系擬合出上式中a和b的值。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖11示出小脈寬非線性流量特性測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)。試驗(yàn)裝置由油箱、燃油泵、燃油濾清器、高壓燃油泵、燃油分配泵、高壓噴油器、傳感器、信號(hào)采集系統(tǒng)、噴油量測(cè)量?jī)x和GDI噴油器驅(qū)動(dòng)控制儀等部分組成。表1列出了當(dāng)前研究的試驗(yàn)條件。選取4個(gè)同規(guī)格的6孔GDI噴油器用于研究產(chǎn)品間噴油特性的變化以及噴射壓力和燃料的影響?？紤]到現(xiàn)代GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的正常噴射壓力范圍,噴射壓力范圍選取6～35 MPa。高壓燃油泵要確保恒壓輸送,波動(dòng)不得高于1%,試驗(yàn)在室溫條件下進(jìn)行。在小脈寬噴射階段,噴油脈寬持續(xù)時(shí)間取0～0.6 ms,步長(zhǎng)為0.01 ms。線性階段取3 ms噴射脈沖持續(xù)時(shí)間來研究噴油器的流量特性?？紤]到發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮沖程期間的環(huán)境壓力,在噴油流量測(cè)量期間,背壓設(shè)定在0.8 MPa?？紤]到燃料特性的不同,選取兩種不同黏度的燃料(汽油和乙醇汽油)進(jìn)行比較。

表1 試驗(yàn)條件

圖11 小脈寬非線性流量特性測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)

圖12示出在0.20～0.60 ms脈寬下,軌壓對(duì)GDI噴油器動(dòng)態(tài)流量的影響。小脈寬噴射分為兩個(gè)子階段:快速上升階段和過渡階段。在快速上升階段,噴油量相對(duì)于噴油脈寬的增加速率更快。這是因?yàn)樵诳焖偕仙A段,針閥升程和噴油持續(xù)時(shí)間都隨著噴油脈寬的增加而增加。過渡階段出現(xiàn)在快速上升階段和線性階段之間,在此區(qū)域噴油量隨著噴油脈寬的增加而暫時(shí)減少。隨著軌壓的提升,由于噴油器需要更長(zhǎng)的時(shí)間來克服噴油器控制閥上更高的壓力,針閥上升速度隨著噴油壓力的增加而降低,因此噴油器開啟時(shí)刻向右偏移,噴油結(jié)束時(shí)針閥復(fù)位落座時(shí)間延長(zhǎng),實(shí)際噴油持續(xù)期增加。綜上所述,燃油噴射量會(huì)隨著軌壓的升高和噴油脈寬的增加而增大。

圖12 在0.20～0.60 ms脈寬下,軌壓對(duì)GDI噴油器動(dòng)態(tài)流量的影響

由于材料與制造精度的偏差,噴油器內(nèi)部針閥與電樞之間的氣隙存在差異,導(dǎo)致不同噴油器的針閥運(yùn)動(dòng)特性不同。圖13示出了4個(gè)相同型號(hào)的GDI噴油器正常工作下的燃油流量特性與流量偏差。從圖13可以看出,在小脈寬區(qū)(小于0.6 ms)時(shí),目標(biāo)噴油量與實(shí)際噴油量差異較大,燃油噴射量的相對(duì)偏差最高可達(dá)到50%;噴油脈沖寬度大于0.6 ms時(shí)目標(biāo)噴油量與實(shí)際噴油量線性度趨于一致,在線性工作模式下,燃油噴射量的相對(duì)偏差通常低于10%。

圖13 正常狀況噴油器動(dòng)態(tài)流量與流量偏差

圖14示出在本研究該控制策略下噴油器的動(dòng)態(tài)流量特性與流量偏差?？梢钥吹?個(gè)GDI噴油器在小脈寬下實(shí)際噴射量與目標(biāo)噴射量基本上趨于一致,大部分燃油噴射量的偏差都在±10%以內(nèi),僅有少數(shù)點(diǎn)偏差在20%左右,流量的非線性度得到了很好的改善,大大降低了噴油器之間的流量特性差異,從而提高了對(duì)燃油噴射量控制的精確性。

圖14 小脈寬非線性控制策略下噴油器動(dòng)態(tài)流量與偏差

4 結(jié)論

a) 針閥關(guān)閉時(shí),銜鐵速度突變,線圈電壓信號(hào)出現(xiàn)極值點(diǎn);

b) 燃油黏度的增加導(dǎo)致更長(zhǎng)的開啟延遲,在高燃油黏度下,這種較長(zhǎng)的噴射延遲減少了實(shí)際噴油持續(xù)時(shí)間,導(dǎo)致小脈寬階段的噴油量大大降低;

c) 在本研究制定的小脈寬非線性控制策略下,GDI噴油器工作在線性模式,燃油噴射量的相對(duì)偏差通常低于10%;在小脈寬區(qū)燃油噴射量偏差最高可降低30%,大部分偏差都在±10%以內(nèi),噴油器的動(dòng)態(tài)流量與噴油脈寬非線性度得到了很好的改善,有效提升了噴油器小脈寬噴油精度。