雙電磁閥增壓噴油器噴油特性試驗研究

顧欣1，施華傳，顧小磊，王伏，馮源

(1.上海柴油機股份有限公司，上海 200438；2.中國第一汽車股份有限公司無錫油泵油嘴研究所，無錫 214063)

0 引言

實施排放法規(guī)以來，對柴油機的氮氧化合物(NOx)與碳煙(soot)排放的要求越來越嚴(yán)格。為了滿足現(xiàn)行和未來排放法規(guī)需求，降低燃油消耗，必須進(jìn)一步改善現(xiàn)代柴油機的燃燒過程，這對柴油機噴油器提出了更高的要求[1]。由于雙電磁閥增壓噴油器解決方案具有噴油規(guī)律可變和噴油器內(nèi)部蓄壓噴射的特性，可實現(xiàn)多種噴油規(guī)律，以滿足發(fā)動機高效率、低排放要求。

本文針對某公司雙電磁閥增壓噴油器，研究了雙電磁閥協(xié)同工作時的控制方法，實現(xiàn)了增壓噴射下的多噴油規(guī)律模式，最后確定當(dāng)前增壓噴油器壓力的放大倍數(shù)。

1 雙電磁閥噴油器設(shè)計理念

雙電磁閥結(jié)構(gòu)的設(shè)計理念是：在共軌管內(nèi)提供壓力最高可達(dá)130 MPa的軌壓燃油，而噴油器自帶的增壓活塞可在噴油器內(nèi)部將軌壓進(jìn)一步提升至250 MPa。通過增壓活塞開啟與噴射時間的配合動作，可實現(xiàn)不同噴油規(guī)律的切換，使發(fā)動機達(dá)到更好的燃燒效果；通過雙電磁閥(增壓電磁閥與噴油電磁閥)協(xié)同工作，可實現(xiàn)多種噴射規(guī)律，以滿足不同的發(fā)動機燃燒要求。如圖1所示為斜率可變的靴型噴射與Δ型噴射。

采用雙電磁閥增壓噴油器的燃油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。使用雙電磁閥增壓噴油器，不僅可以提高噴射壓力，而且燃油系統(tǒng)布置可以與以往產(chǎn)品兼容。

圖1 增壓噴油器噴油規(guī)律

圖2 配雙電磁閥增壓噴油器燃油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 雙電磁閥增壓噴油器結(jié)構(gòu)、工作原理及驅(qū)動方式

2.1 噴油器結(jié)構(gòu)

雙電磁閥增壓噴油器結(jié)構(gòu)主要由4部分組成：(1) 增壓電磁閥1；(2)壓力放大部分機構(gòu)；(3)噴油電磁閥2；(4)油嘴控制部分；如圖3所示。噴油器內(nèi)部有3個壓力區(qū)域：1區(qū)為低壓油區(qū)，2區(qū)為共軌管中的高壓油區(qū)，3區(qū)為經(jīng)過壓力放大后的高壓油區(qū)，如圖3所示。

圖3 雙電磁閥增壓噴油器結(jié)構(gòu)

2.2 噴油器工作原理

當(dāng)增壓電磁閥1和噴油電磁閥2都關(guān)閉時，高壓腔1(1區(qū))的壓力比下面壓力腔3(3區(qū))的壓力稍大，共軌管中的高壓燃油克服中間彈簧的壓力往下面的油腔供油，此時壓力腔1和壓力腔2(2區(qū))是相通的，而壓力腔2和回油1不相通，噴油器處于不噴油工作狀態(tài)，如圖3所示。

當(dāng)增壓電磁閥1開始通電，壓力腔1和壓力腔2不相通，壓力腔2和回油1相通，放大活塞受到壓力差的作用開始下行，此時壓力腔3的體積減小，壓力開始上升，當(dāng)電磁閥2開始通電，噴油器開始工作，并處于噴油工作狀態(tài)。

當(dāng)噴油電磁閥2斷電，噴嘴針閥受到背壓的作用迅速關(guān)閉，增壓電磁閥1斷電，壓力腔2與回油1不相通，壓力腔1和壓力腔2相通，此時放大活塞受到彈簧力的作用開始上行，壓力腔3的體積增大，壓力開始下降；當(dāng)壓力腔1的壓力比下面壓力腔3的壓力大時，壓力腔1中的高壓燃油克服中間彈簧的壓力往下面的壓力腔2供油，噴油器關(guān)閉。

2.3 噴油器驅(qū)動方式

噴油器的噴射過程由開啟、全開和關(guān)閉3個過程組成，其中開啟和關(guān)閉是非穩(wěn)定過程。缸內(nèi)直噴噴油器采用驅(qū)動電流峰值-保持電流驅(qū)動方式工作。噴油器的驅(qū)動過程是一個機械、液力、電磁等諸多因素相互作用的過程。為達(dá)到保護電磁閥、提高其可靠性的目的，對電磁閥控制過程中驅(qū)動電流、電流持續(xù)時間等參數(shù)都有一定的要求。噴油器驅(qū)動控制包括2個階段，如圖4所示。第1階段為峰值電流上升與保持階段，第2階段為電流保持階段。第1階段中，升壓電路產(chǎn)生的高電壓直接作用于電磁閥線圈，加快驅(qū)動電流上升速度，縮短電磁閥開啟時間。第2階段中，直接使用蓄電池電壓對電磁閥進(jìn)行PWM(pulse width modulation)調(diào)制。這一過程采用1階保持電流，可避免電磁閥線圈進(jìn)入磁飽和狀態(tài)，從而減少能量消耗；同時又保證了線圈產(chǎn)生足夠的電磁力，維持噴油器開啟狀態(tài)[2-3]。

為了實現(xiàn)不同的噴射規(guī)律，需要對噴油器進(jìn)行增壓電磁閥驅(qū)動與噴油電磁閥驅(qū)動協(xié)同工作的控制方法進(jìn)行試驗分析。

本文在不同的軌壓與噴射脈寬下，使用單次噴射儀監(jiān)測噴油規(guī)律，通過調(diào)節(jié)2個電磁閥驅(qū)動的相對角度與驅(qū)動脈寬，得到不同的噴射規(guī)律；并以噴油量、噴油方差與噴油開啟關(guān)閉延時為限制，研究噴油器控制方法是否合適。

圖4 雙電磁閥增壓噴油器驅(qū)動電流波形

3 試驗對象、條件與方法

3.1 試驗對象

試驗用雙電磁閥增壓噴油器為液壓放大燃油噴射器，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。根據(jù)增壓電磁閥與噴油電磁閥不同的特性，使用不同的驅(qū)動峰值與保持電流對噴油器進(jìn)行驅(qū)動控制。

表1 雙電磁閥增壓噴油器技術(shù)參數(shù)

3.2 試驗條件

試驗所用主要儀器設(shè)備如表2所示。試驗中采用的共軌管內(nèi)壓力為30～80 MPa；噴射脈寬從400～2 000 μs；采用電流鉗、單次噴射儀及示波器來測定噴油器的各個參數(shù)。

表2 試驗用主要設(shè)備和儀器

3.3 試驗方法

在各個工況下，進(jìn)行噴油器增壓與非增壓的噴射試驗，以獲得不同噴射規(guī)律時的噴射控制方法組合；然后以測量的噴油量、噴油方差與噴油開啟和關(guān)閉延時為限制條件，判斷噴射質(zhì)量是否滿足要求。

其實施方法為：在不同的軌壓與噴油脈寬下，調(diào)節(jié)增壓驅(qū)動相對于噴油驅(qū)動的角度及增壓脈寬，得到靴型噴射、Δ型噴射、全增壓噴射的噴油規(guī)律，記錄并歸納得到雙電磁閥增壓噴油器的增壓噴射特性，最終根據(jù)噴油油量與噴油量方差是否滿足條件來確定實現(xiàn)噴油器多種噴油規(guī)律的控制方法是否合適。

4 多噴油規(guī)律實現(xiàn)與控制方法分析

4.1 多種噴油規(guī)律實現(xiàn)

在相同的軌壓與噴油脈寬下，分析增壓噴射和無增壓噴射的區(qū)別，并在增壓噴射的情況下，改變增壓電磁閥驅(qū)動提前角，實現(xiàn)噴油器的多種噴油規(guī)律噴射。

設(shè)定軌壓40 MPa，噴油脈寬1 500 μs，采用示波器來顯示噴油規(guī)律、增壓電磁閥驅(qū)動波形與噴射電磁閥驅(qū)動脈寬，并記錄無增壓噴射及打開增壓驅(qū)動后噴射的油量、方差、開啟延遲與關(guān)閉延遲的變化情況，最后確定各噴油規(guī)律所對應(yīng)的增壓噴射提前角度變化范圍。

4.1.1 無增壓噴射

無增壓噴射時，記錄的油量為67 mm3，方差為0.23，開啟延遲為358 μs，關(guān)閉延遲為1 100 μs，噴油規(guī)律、增壓電磁閥驅(qū)動波形與噴射電磁閥驅(qū)動脈寬如圖5所示。

圖5 無增壓時噴油規(guī)律

4.1.2 部分增壓噴射

采用噴油斜率上升較慢的噴射。記錄的油量為87.7 mm3，方差為0.29，開啟延遲為358 μs，關(guān)閉延遲為1 080 μs，噴油規(guī)律、增壓電磁閥驅(qū)動波形和噴射電磁閥驅(qū)動脈寬如圖6所示。

增壓噴射開始提前于噴油開始-3°CA～3°CA，噴油規(guī)律為靴型噴射。

采用噴油斜率上升較快的噴射。記錄的油量為 91.9 mm3，方差為0.26，開啟延遲為338 μs，關(guān)閉延遲為1 080 μs，噴油規(guī)律、增壓電磁閥驅(qū)動波形和噴射電磁閥驅(qū)動脈寬如圖7所示。

圖6 部分增壓時噴油規(guī)律1

圖7 部分增壓時噴油規(guī)律2

增壓噴射開始提前于噴油開始3°CA～6°CA，噴油規(guī)律為Δ型噴射。

4.1.3 全增壓噴射

全增壓噴射時，記錄的油量為119.1 mm3，方差為0.29，開啟延遲為338 μs，關(guān)閉延遲為1 080 μs，噴油規(guī)律、增壓電磁閥驅(qū)動波形和噴射電磁閥驅(qū)動脈寬如圖8所示。

圖8 全增壓時噴油規(guī)律

增壓噴射開始提前于噴油開始6°CA～9°CA，噴油規(guī)律為全增壓型噴射，此時噴射壓力最大。

4.2 控制方法分析

從圖5～8可以發(fā)現(xiàn)，無增壓噴射時，基本油量最??；而全增壓噴射，由于其噴射周期全部處于增壓狀態(tài)，因此噴油量最大；部分增壓噴射是為了獲得特殊的噴油規(guī)律，其噴油周期部分處于增壓噴射狀態(tài)，因此油量大于無增壓噴射，又小于全增壓噴射；隨著增壓噴射相對于噴油定時的提前角增大，部分增壓模式將逐漸從噴射斜率較小的靴型噴射轉(zhuǎn)變?yōu)閲娚湫甭瘦^大的Δ型噴射。

比較各增壓噴射模式下的噴油方差、開啟延遲和關(guān)閉延遲可以發(fā)現(xiàn)，與無增壓噴射相比，其噴油方差并未有顯著的提高，其開啟延遲和關(guān)閉延遲也未有明顯變化。因此，可證明增壓噴射時的控制方法是符合要求的。

在實際發(fā)動機匹配應(yīng)用中，可以根據(jù)發(fā)動機燃燒需求，結(jié)合實際工況，采用不同的噴射驅(qū)動方法，來獲得最好的噴射效果。

5 噴油器壓力放大倍數(shù)的確定

在相同的軌壓與噴油脈寬下，將全增壓噴射低軌壓與非增壓噴射高軌壓的相同油量點作為對比點，進(jìn)行對比分析，獲得其壓力放大倍數(shù)。

當(dāng)?shù)蛙墘旱挠土刻匦郧€與高軌壓的油量特性曲線重合時，說明噴油器噴射的效果是相同的，因此，壓力放大倍數(shù)為高軌壓油量特性曲線軌壓與低軌壓油量特性曲線軌壓之比。

增壓、非增壓下，不同軌壓下的噴射油量如圖9所示。

圖9 增壓噴油器放大倍數(shù)確定

由9圖可見，30 MPa全增壓噴射油量曲線介于60 MPa與70 MPa非增壓噴射油量曲線之間，且較為靠近70 MPa非增壓噴射油量曲線；而40 MPa全增壓噴射油量曲線介于80 MPa與100 MPa非增壓噴射油量曲線之間，且較為靠近100 MPa非增壓噴射油量曲線。 根據(jù)計算公式，可得到其壓力放大倍數(shù)約為2.5(≈1 000/400)，或約為2.34(≈700/300)。因此，其放大倍數(shù)在2.3～2.5，符合表1雙電磁閥增壓噴油器技術(shù)參數(shù)的要求。

6 結(jié)論

針對某型號雙電磁閥增壓噴油器，本文采用試驗方法，研究其雙電磁閥協(xié)同工作的方式，實現(xiàn)了增壓噴射下的多種噴油規(guī)律模式，并通過試驗分析，證明了增壓噴射下的控制方式符合實際需求。此研究結(jié)果對推廣雙電磁閥增壓噴油器的應(yīng)用具有推動作用。