高压共轨喷油器动态响应特性监测技术研究

银增辉，姚春德，耿培林，胡江涛

前言

随着排放法规的日趋严格，缸内直喷发动机每循环的喷射次数达到了2～3次甚至更多，这些趋势要求电磁喷油器具有快速、精确的响应延迟时间[1-3]。电磁阀的动态响应特性决定了燃油喷入缸内的精确曲轴转角和实际喷油持续期，对混合气的形成和喷油规律有显著影响[4-5]。因此，有必要对电磁阀的动态响应特性和监测方法进行深入的研究，这对发动机工作过程和控制策略优化具有重要意义。

国内外学者对电磁阀喷油器针阀响应特性的监测方法开展了广泛的研究。文献[6]中通过在电磁阀上安装加速度传感器建立了针阀响应特性试验台，通过分析加速度数据来获得针阀的动态响应参数。文献[7]中通过使用激光位移传感器来监测针阀的微量运动，来获得针阀的运动参数。文献[8]中设计了针阀腔压力监测设备，通过压力腔压力的变化判定针阀的开启、关闭延迟时间。文献[9]中使用X射线双曝光的方式监测高压共轨喷油器针阀的响应特性。文献[10]和文献[11]中通过电子显微镜检测还原喷油器的零部件参数，并建立了一维数值模型，通过模拟计算获得针阀的动态响应特性。先前的研究多须破坏喷油器本身的结构，对真实的针阀响应特性带来一定的影响。此外，这些研究大多针对某一特定喷油器，缺乏普适性。因此需要开发一种新型高效且具有广泛意义的针阀响应特性监测方法。

本文中采用非接触式的方法研究了高压共轨电磁喷油器的针阀响应特性，且对喷油器本体不造成任何破坏。通过电流传感器监测燃油喷射过程中喷油器电磁阀的电流和喷油器入口的压力变化，与此同时，通过同步高速摄像机拍摄喷油器喷雾过程。通过对比分析喷雾开启、关闭等关键时刻的电流、压力、喷雾特征等关键参数，提出一种非接触式的新型电磁喷油器动态响应特性监测方法。此外，也研究了喷油压力变化对针阀响应特性带来的影响。

1 试验装置与方法

试验装置如图1所示，主要包括燃油喷射系统、高速显微摄像系统和同步数据采集系统。燃油喷射系统包括高压共轨燃油系统、喷油器和ECU等。高速显微摄像系统主要包括高速摄像机、显微镜头和高亮度LED冷光源；同步数据采集系统包括 NI DAQ采集装置、高精度电流传感器、压力传感器等。采用P系列喷油器，喷孔孔径为0.16mm，针阀升程为0.25mm。

在试验测试系统中，用变频电机驱动高压油泵，能提供20～160MPa的稳定可调压力，由ECU发出燃油喷射脉宽信号驱动喷油器按设定参数完成喷油，同步发出TTL信号触发高速摄像系统和同步数据采集系统。试验过程中高速摄像的拍摄速度与

图1 试验装置示意图

DAQ数据采集频率保持一致。电流信号和压力信号通过同步数据采集系统和高速摄像图片传入计算机，并完成对应匹配。设定高速摄像机拍摄速度为40 000fps，对应图像分辨率为320×320ppi，调节燃油压力在直喷汽油机工况范围内，设定喷油脉宽为2ms，完成一次喷油，同步采集脉宽、电流和压力信号。在此基础上，依次改变喷油压力，研究不同喷射压力下的喷油器开启、关闭延迟和实际喷油持续期等。

2 试验结果与分析

高压共轨喷油器比GDI喷油器复杂，延迟响应主要包括电力延迟、机械延迟和液力延迟。在喷油器开始喷雾之前，先后经历了电磁阀开启和针阀开启两个阶段，下面分别予以论述。

2.1 动态响应特性

图2为高压共轨喷油器针阀开启和关闭瞬间的喷雾图像。图3为喷油器工作过程中检测到的喷油器电磁阀电流和入口压力及其变化率。

图2 喷油器电磁阀开启、关闭瞬间对应的喷雾图像

图3 喷油器工作过程的信号检测

图3 中:上方两条曲线分别为电流曲线和电流变化率曲线，a为喷油器控制脉冲开始时刻；b为电磁阀开启的瞬间，它对应线圈电流变化率达到最大值的位置，在此过程中电流和电磁吸力都逐渐变大，当电磁吸力与弹簧预紧力、压力、球阀重力之和相等时，电磁阀开始运动，控制腔泄油孔打开，喷油器入口压力出现微降，此时对应的压力变化率小于0；在c时刻，针阀开始打开，喷油器入口压力出现急剧下降，此时刻也对应于图2中的针阀开启瞬间，有燃油喷出；d为喷油脉宽信号结束时刻；e为电磁阀关闭时刻，在电磁阀关闭过程中，磁路中磁通变小，线圈中产生感应电动势，阻碍线圈电流进一步变小，因自感电动势作用，线圈中电流变大，出现了电流曲线上e时刻的小突起，在之前的关于GDI喷油器的研究中也有同样的现象和规律[12]；f为针阀关闭的时刻，喷油结束，对应图2的关闭瞬间，此时，喷油器入口压力变化率也达到最大值。图中，a与d之间对应的时间为喷油脉宽，a与b之间对应的时间为电磁阀开启延迟，a与c之间对应的时间为针阀开启延迟，d与e之间对应的时间为电磁阀关闭延迟，d与f之间对应的时间为针阀关闭延迟，c与f之间对应的时间为实际喷油持续期。因此，通过检测分析电流曲线和压力的特征，可得到电磁阀开启、关闭延迟时间、针阀开启关闭延迟时间和实际喷油持续期。高压共轨电磁喷油器电磁阀、针阀的开启、关闭延迟和线圈电流、压力变化有很好的对应关系，通过检测分析电流和压力曲线的特征，可得到电磁阀开启、关闭延迟时间、针阀开启关闭延迟时间和实际喷油持续期。

2.2 喷油压力对动态响应特性的影响

不同喷射压力下针阀开启关闭延迟如图4所示。由图可见:随着喷油压力的提高，针阀开启延迟和关闭延迟都逐渐降低并趋于稳定，其中与40MPa相比，160MPa延迟时间缩短了140μs；随着喷射压力的提高，针阀打开的速度越快，同时喷油器关闭的过程中，其关闭的速度也更迅速；不论是针阀开启延迟还是针阀关闭延迟，它们的总体趋势都是随着喷油压力的提高而减小。

图4 不同喷射压力下针阀开启关闭延迟

不同喷射压力下实际喷油持续期如图5所示。

图5 不同喷射压力下实际喷油持续期

由图可见，在2ms喷油脉宽下，不同喷射压力下其实际喷油持续期基本一致，均在2.5ms左右，由此来看，由于喷油延迟的原因，喷油器的实际喷油持续时间大于喷油脉宽理论持续时间，但不论喷油压力如何变化，当喷油脉宽固定时，其对应的实际燃油喷射持续期是一致的。

燃油喷射压力的变化影响喷油器针阀开启延迟和关闭延迟的时间，随着喷油压力的提高喷油器关闭延迟、响应延迟都缩短，相对于理论脉宽持续期，实际喷油持续期略大，且在不同的喷射压力下基本一致。

图6为不同喷油压力下，燃油喷射过程中的压力波动情况，即压降曲线。压力波动，即压降值，定义为初始喷油压力与瞬时喷油压力之差值。由图可见，在喷射过程中喷油器的压降随着喷油压力的提高而增加，在喷射压力为160MPa时，最大降幅达17MPa。

图6 不同喷射压力下压力波动

为比较不同喷油压力下压降的程度或百分比，引入“压力波动率”的概念，定义为瞬时压降值与(初始)喷油压力的比值。图7为不同喷射压力下的压力波动率曲线。由图可见，在2ms喷油脉宽下，随着喷射压力的降低，压力波动率逐渐变大，在40MPa时压力波动率的最大值为15%。对比分析得知，喷油压力越低时喷射过程中压力波动率越大。

图7 不同喷射压力下压力波动率

3 结论

本研究基于喷油器入口压力、喷油器电流采集和同步高速摄像系统，提出一种新型非接触式喷油器针阀响应特性监测方法，构建了动态响应特性测试系统，解决了电控喷油器升程测量过程中电磁干扰和结构布置的问题，且可实现发动机工作过程中的实时监测，有利于控制策略的闭环反馈和优化。

电磁喷油器的电磁阀开启、关闭延迟和线圈电流有很好的对应关系，当喷油器开始喷油时，线圈电流变化率达到最大值，当喷油器喷油结束时，线圈电流曲线对应出现电流突起。据此，可获得包括开启延迟、关闭延迟和喷油持续期等电磁阀动态响应特性。结合喷油器入口压力变化，可进一步确定针阀开启过程和关闭过程及其对应的时间，包括完全开启时刻。

对于高压共轨电磁阀喷油器而言，不同的喷射压力带来的响应延迟差异较大，但实际喷油持续期基本一致。在燃油喷射过程中，压力越大，压力波动绝对值越大，但压力波动率相对较低。

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