高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)

吳學(xué)舜 韓志強(qiáng) 田維

摘要：為了滿足教學(xué)實(shí)驗(yàn)的需求，讓學(xué)生緊跟現(xiàn)代柴油機(jī)燃油供給系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展，設(shè)計(jì)搭建了高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)?；谠搶?shí)驗(yàn)平臺(tái)可以完成五類基本教學(xué)實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生從對(duì)先進(jìn)燃油系統(tǒng)的基本認(rèn)知到基于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)踐動(dòng)手能力都得到提高，能夠滿足發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造和發(fā)動(dòng)機(jī)原理的相關(guān)能力培養(yǎng)要求。該平臺(tái)也可以用于本科畢業(yè)設(shè)計(jì)等創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)，學(xué)生根據(jù)需要自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案完成相關(guān)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力和創(chuàng)新意識(shí)。該平臺(tái)還可以用于科學(xué)研究，實(shí)現(xiàn)教學(xué)與科研資源共享，使高校有限資源的作用最大化。

關(guān)鍵詞：高壓共軌;教學(xué)實(shí)驗(yàn);綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái);資源共享;實(shí)踐創(chuàng)新

中圖分類號(hào)：U464.136? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）10-0233-03

0? 引言

柴油機(jī)的電控技術(shù)從20世紀(jì)80年代開始開發(fā)研究，經(jīng)過30余年的發(fā)展從位置式控制系統(tǒng)發(fā)展到時(shí)間式控制的電控高壓共軌系統(tǒng)和電控泵噴嘴系統(tǒng)，使柴油機(jī)的噴射系統(tǒng)滿足理想噴射系統(tǒng)的要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)柴油機(jī)放熱規(guī)律的柔性化控制，達(dá)到節(jié)能又控制排放的目的[1，2]。高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)作為目前柴油機(jī)最佳燃油系統(tǒng)，其普及率在歐洲已經(jīng)達(dá)90%以上，在中國市場上國IV及以上排放水平的柴油機(jī)幾乎全部配備了高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)。因此，高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)對(duì)于柴油機(jī)來講是至關(guān)重要的。

我校能源與動(dòng)力工程汽車發(fā)動(dòng)機(jī)專業(yè)主要培養(yǎng)從事內(nèi)燃機(jī)技術(shù)開發(fā)、設(shè)計(jì)制造本科學(xué)生?！捌嚢l(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造”與“汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理”是兩門必須學(xué)習(xí)的專業(yè)核心課程，其中“汽車發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造”課程主要講授發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理，燃油供給系統(tǒng)作為柴油機(jī)四大系統(tǒng)之一是學(xué)習(xí)的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一，此前主要以位置式機(jī)械燃油供給系統(tǒng)為基礎(chǔ)進(jìn)行講授，學(xué)生所學(xué)知識(shí)在現(xiàn)在的發(fā)動(dòng)機(jī)上已經(jīng)不再使用，造成學(xué)生所學(xué)知識(shí)學(xué)完即過時(shí)的現(xiàn)狀，因此必須將目前普遍使用的最先進(jìn)燃油供給系統(tǒng)加入到教學(xué)過程當(dāng)中來，滿足學(xué)生未來的工作需要。另一方面，目前的“汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理”課程都是基于主流發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，如果“汽車發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造”所講述知識(shí)與“汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理”脫節(jié)，那么必須不利于學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握;此外，在原理講述的過程當(dāng)中也需要利用實(shí)驗(yàn)過程讓學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)有一個(gè)具體的認(rèn)識(shí)，幫助學(xué)生更好地掌握課程知識(shí)[3-5]，加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)也有助于培養(yǎng)具有較強(qiáng)綜合素質(zhì)的創(chuàng)新型人才[6-7]。

綜上所述，亟需構(gòu)建高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，幫助學(xué)生更好地掌握高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作原理、性能參數(shù)及對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響關(guān)鍵參數(shù)。同時(shí)，也為學(xué)生進(jìn)一步探索高壓共軌柴油機(jī)噴射系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用研究提供一個(gè)基礎(chǔ)平臺(tái)。

1? 高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)方案

1.1 高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)構(gòu)成

高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)主要包括高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)和測量與采集系統(tǒng)兩個(gè)部分。高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)是整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的核心部件，是教學(xué)實(shí)驗(yàn)的主體。雖然目前市場上的高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的各類較多，但是其基本原理都比較類似，本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以市場占有率最高的BOSCH（博世）高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)為對(duì)象進(jìn)行設(shè)計(jì)。讓學(xué)生理解高壓共軌的基本原理和基本組成，為學(xué)生掌握其他的高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

測量與采集系統(tǒng)是本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的另一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它通過將實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上的各個(gè)傳感器信號(hào)采集并以直觀的壓力、溫度、質(zhì)量和體積等學(xué)生常見的物理量呈現(xiàn)出來，讓學(xué)生更直觀的認(rèn)識(shí)和理解實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。借助數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以設(shè)置測試條件、采集和存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)，方便實(shí)驗(yàn)的操作對(duì)結(jié)果的處理。

1.2 高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的基本組成

如圖1所示為高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的組成示意圖，主要由帶粗濾的燃油箱、帶油水分離器的過濾器、低壓輸油泵、高壓油泵、油泵低壓回油管、高壓輸油管、燃油共軌管、噴油器、噴油器回油管、油泵電磁閥、軌壓傳感器和電子控制單元等組成。

高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的燃油走向?yàn)椋喝加拖鋬?nèi)柴油在低壓輸油泵的作用下，柴油從燃油箱中經(jīng)低壓油管被吸出，經(jīng)油水分離器分離過濾和燃油濾清器再次濾清后送往高壓油泵，高壓油泵使低壓柴油變?yōu)楦邏翰裼?，并將高壓油?jīng)高壓油管送至燃油共軌管，燃油共軌管經(jīng)高壓油管連接電控噴油器供油接頭。在這個(gè)過程當(dāng)中，高壓油泵上有一回油管，將低壓輸油泵輸送的多余燃油流回油箱;如果油軌的油壓超過最大限定值后，高壓燃油經(jīng)燃油共軌上的回油管回到油箱;噴油器上的回油經(jīng)回油管送回油箱。

高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的控制過程為：電控單元ECU根據(jù)轉(zhuǎn)速傳感器、高壓油泵上壓力傳感器和軌壓傳感器檢測電控噴油器的供油壓力，通過控制高壓油泵上的回油閥和共軌管上限壓閥使噴油器供油壓力穩(wěn)定在設(shè)定值附近。同時(shí)電控單元根據(jù)設(shè)定的脈寬和頻率，定時(shí)打開、關(guān)閉電控噴油器實(shí)現(xiàn)噴油過程。但是，用于教學(xué)平臺(tái)的高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)其功能需求不一樣，因此需要在控制系統(tǒng)上進(jìn)行改進(jìn)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)用控制系統(tǒng)主要功能包括：軌壓的控制、噴射頻率控制、噴射脈寬控制和噴油次數(shù)計(jì)量與控制。

1.3 高壓共軌柴油噴油器的基本工作原理

高壓共軌噴油器的工作原理與傳統(tǒng)機(jī)械式噴油器的工作原理相差較大，如圖2所示為高壓共軌電控噴油器的結(jié)構(gòu)示意和工作原理圖。

1.3.1 噴油器關(guān)閉狀態(tài)

當(dāng)沒有控制信號(hào)輸入時(shí)，回油球閥在電磁閥回位彈簧的作用理下壓緊在回油節(jié)流閥的閥座上，回油節(jié)流孔關(guān)閉，高壓燃油充滿整個(gè)控制腔，控制腔中的油壓、針閥壓力室中的油壓與共軌管中的油壓保持平衡。此時(shí)，控制腔中的油壓作用在控制活塞上端面上所產(chǎn)生的力與針閥回位彈簧所產(chǎn)生的壓力之和大于針閥壓力室中的油壓作用在針閥壓力環(huán)向上的推力，因此噴針閥處于向下壓緊的狀態(tài)，噴油器關(guān)閉。

1.3.2 噴油器開啟過程

當(dāng)有控制電壓輸入時(shí)，電磁閥線圈內(nèi)產(chǎn)生電流，電磁閥線圈產(chǎn)生的電磁力克服電磁閥回位彈簧的彈力使電磁閥向上運(yùn)動(dòng)，球閥離開閥座打開回油節(jié)流孔，控制腔中的高壓燃油從回油節(jié)流孔經(jīng)噴油器的回油管流回燃油箱。由于進(jìn)油節(jié)流孔的直徑小于回油節(jié)流孔的直徑，在進(jìn)油節(jié)流孔的節(jié)流作用下控制腔內(nèi)的燃油壓力與回油管內(nèi)的壓力保持平衡，而針閥壓力室內(nèi)的壓力與燃油共軌管內(nèi)的油壓保持平衡。這時(shí)作用在控制活塞上端平面上的油壓產(chǎn)生的作用力減小，控制活塞上端面上的油壓作用力和噴油器針閥彈簧的彈力之和小于針閥壓力室內(nèi)的油壓作用在針閥壓力環(huán)向上推力，針閥向上移動(dòng)而打開噴油器，噴油開始。噴油器的最低打開噴油壓力取決于針閥回位彈簧的預(yù)緊力，當(dāng)共軌管中的壓力高于這個(gè)值時(shí)噴油器才可以開啟。當(dāng)噴油壓力一定時(shí)，噴油量與控制電磁閥的通電時(shí)間成正比，與噴油泵轉(zhuǎn)速及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速無關(guān)，這就是時(shí)間壓力（P-T）燃油噴射系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。

1.3.3 噴油器回位過程

當(dāng)控制信號(hào)作用消失時(shí)，電磁閥回位彈簧把銜鐵向下推，球閥關(guān)閉回油節(jié)孔。高壓燃油經(jīng)進(jìn)油節(jié)流孔流入控制腔，控制腔油壓逐漸回升，直到與共軌壓油平衡。作用在控制活塞上端平面的油壓作用逐漸增大，當(dāng)油壓在控制活塞上端面上所產(chǎn)生的力與針閥回位彈簧所產(chǎn)生的壓力之和大于針閥壓力室中的油壓作用在針閥壓力環(huán)向上的推力時(shí)針閥向下運(yùn)動(dòng)而落入閥座，噴嘴關(guān)閉，噴油過程結(jié)束。

1.4 高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)主要測量裝置

噴油器電流裝置：噴油器的開啟過程是完全依賴于電磁閥的控制，因此電磁閥的電流信號(hào)是噴油器的關(guān)鍵控制參數(shù)之一，即時(shí)間壓力控制當(dāng)中的時(shí)間。噴油器電流測量主要采用磁感應(yīng)式電流探頭，并借助于示波器或者是實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的采集系統(tǒng)進(jìn)行顯示，讓學(xué)生可以直觀地了解控制電流的變化情況。

軌壓測量裝置：軌壓作為控制噴油量的另一關(guān)鍵參數(shù)其重要性是不言而喻的，軌壓的測量一般采用壓阻式壓力傳感器，傳感器信號(hào)借助實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的采集系統(tǒng)進(jìn)行采集和顯示。

油量計(jì)量裝置：噴油量的測量分為兩部分，其中一部分是測量噴射量，主要計(jì)量的是從噴油器噴孔噴射出來的油量;另一部分是測量噴油器的回油量，主要是計(jì)量從噴油器回油道流回燃油箱的回油量。

2? 教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

針對(duì)能源與動(dòng)力工程汽車發(fā)動(dòng)機(jī)專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)需求，從演示性實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)三個(gè)方面搭建的高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，可以開展以下主要實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（見圖3）：

2.1 高壓共軌柴油機(jī)噴射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理實(shí)驗(yàn)

高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及原理與傳統(tǒng)機(jī)械式噴射系統(tǒng)有很大的區(qū)別，通過實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以直觀地認(rèn)識(shí)系統(tǒng)的組成，各部分之間的位置裝配關(guān)系及工作原理，燃油的流程，控制信號(hào)流程圖等等。詳細(xì)拆解高壓油泵，了解其結(jié)構(gòu)原理，弄清與傳統(tǒng)高壓油泵的區(qū)別，充分認(rèn)識(shí)油壓的建立與轉(zhuǎn)速無關(guān)的本質(zhì)。詳細(xì)拆解電控噴油器，了解其工作原理，充分認(rèn)識(shí)其電子-液力-機(jī)械力三者的協(xié)同工作關(guān)系，理解時(shí)間-壓力控制的本質(zhì)。通過整體認(rèn)識(shí)和對(duì)關(guān)鍵部件的詳細(xì)拆解，讓學(xué)生對(duì)整個(gè)高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)有更直觀的認(rèn)識(shí)，為理論課程的學(xué)習(xí)和今后的工作打下基礎(chǔ)。

2.2 噴油量及回油量測量實(shí)驗(yàn)

噴油量是噴油器的關(guān)鍵參數(shù)[8]，每一支噴油器都有其自身的流量特性;高壓共軌噴油器的回油取決于進(jìn)回油孔的直徑，而進(jìn)回油孔的直徑是影響噴油器流量特性的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)之一，因此高壓共軌噴油器的回油量是測量關(guān)鍵參數(shù)。高壓共軌噴油器的噴油量與回油量的測量需要同步進(jìn)行，測量時(shí)固定軌壓和控制脈寬，在噴射固定次數(shù)后測量其總的噴油量和總的回油量并除以噴射次數(shù)即可獲得噴油器相應(yīng)的噴油量和回油量。

2.3 噴油器控制參數(shù)調(diào)整實(shí)驗(yàn)

影響噴油器流量特性的主要控制參數(shù)有軌壓、控制脈寬和驅(qū)動(dòng)電壓，通過調(diào)整上述三個(gè)參數(shù)當(dāng)中的某一個(gè)參數(shù)，然后按2.2所述的方法測量其噴油量和回油量，即可獲得不同控制參數(shù)下噴油器的流量特性。通過調(diào)整控制脈寬，即噴射時(shí)間，和調(diào)整噴油壓力來測量噴油量的流量特性，可以進(jìn)一步幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)到高壓共軌噴射系統(tǒng)的時(shí)間壓力控制概念。

2.4 噴油器標(biāo)定及一致性測試實(shí)驗(yàn)

噴油器由于制造誤差等原因會(huì)導(dǎo)致每一支噴油器的流量特性不完全一致，因此噴油器在使用之前都需要進(jìn)行一個(gè)標(biāo)定測試來確認(rèn)其流量特性。該實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生了解噴油器的標(biāo)定流程，掌握噴油器的標(biāo)定方法，為將來工作打下基礎(chǔ)。在實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，可以隨機(jī)給學(xué)生多支噴油器讓學(xué)生完成噴油器的標(biāo)定，并分析多支噴油器流量特性的一致性。

2.5 噴霧質(zhì)量演示實(shí)驗(yàn)

噴霧質(zhì)量是影響柴油機(jī)燃燒的關(guān)鍵因素，因此噴霧質(zhì)量是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理課程的學(xué)習(xí)重點(diǎn)之一。借助實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，再配合紋影等攝像系統(tǒng)即可獲得在一定壓力和控制信號(hào)下的燃油噴霧質(zhì)量，讓學(xué)生可以直觀地觀察燃油噴霧形狀和理解控制參數(shù)對(duì)噴霧質(zhì)量的影響，幫助學(xué)生加深對(duì)理論課程的理解。

3? 高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)多元化

學(xué)生在高壓共軌結(jié)構(gòu)及原理認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)、噴油量及回油量測量實(shí)驗(yàn)、噴油器控制參數(shù)調(diào)整實(shí)驗(yàn)、噴油器標(biāo)定實(shí)驗(yàn)和噴霧質(zhì)量演示實(shí)驗(yàn)等多層次的綜合實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練中，完成了高壓共軌從認(rèn)識(shí)、了解到應(yīng)用強(qiáng)化的訓(xùn)練。學(xué)生還可以根據(jù)自己選擇的實(shí)驗(yàn)對(duì)象、內(nèi)容和設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)和探索高壓共軌的相關(guān)規(guī)律和原理。這樣既滿足了理論教學(xué)的演示性和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)需求，又滿足了學(xué)生對(duì)創(chuàng)新性、探究性和綜合性實(shí)驗(yàn)的需求。讓學(xué)生全面掌握基本的知識(shí)和技能，同時(shí)也培養(yǎng)了學(xué)生的工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新思維和運(yùn)用知識(shí)解決問題的能力。

高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可滿足本科畢業(yè)設(shè)計(jì)和創(chuàng)新實(shí)踐訓(xùn)練的需要。結(jié)合目前高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)在各類柴油機(jī)上的應(yīng)用情況，學(xué)生完成相關(guān)課題時(shí)可利用現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，自主查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料等，完成研究、設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)。這不僅可以培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力，同時(shí)也可提高學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力。

高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)還可以用于科學(xué)研究，實(shí)現(xiàn)教學(xué)與科研的緊密結(jié)合。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可用于電子控制系統(tǒng)的開發(fā)與標(biāo)定工作的噴油器控制調(diào)試，也可用于高壓共軌噴射系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配測試，還可用于噴油器關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計(jì)等等。將教學(xué)設(shè)備與科研設(shè)備緊密結(jié)合使用可以提高設(shè)備的利用率，也可讓本科生參與到自己所熟悉設(shè)備的研究領(lǐng)域，激發(fā)學(xué)生的科研興趣。

4? 結(jié)語

高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)是基于“汽車發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造”與“汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理”兩門主要核心課程展開的，該平臺(tái)可以完成從認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)和學(xué)生版主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，滿足了對(duì)學(xué)生的日常教學(xué)要求和對(duì)學(xué)生的創(chuàng)造力的培養(yǎng)。與此同時(shí)，該平臺(tái)還可用于科學(xué)研究和畢業(yè)設(shè)計(jì)等創(chuàng)新訓(xùn)練的培養(yǎng)，這種實(shí)驗(yàn)室資源整合與科研教學(xué)相整合的方式有利于實(shí)驗(yàn)室資源的共享，實(shí)現(xiàn)資源的節(jié)約，充分發(fā)揮現(xiàn)有資源的作用。

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