双电磁阀增压喷油器喷油特性试验研究

顾欣1，施华传，顾小磊，王伏，冯源

(1.上海柴油机股份有限公司，上海 200438；2.中国第一汽车股份有限公司无锡油泵油嘴研究所，无锡 214063)

0 引言

实施排放法规以来，对柴油机的氮氧化合物(NOx)与碳烟(soot)排放的要求越来越严格。为了满足现行和未来排放法规需求，降低燃油消耗，必须进一步改善现代柴油机的燃烧过程，这对柴油机喷油器提出了更高的要求[1]。由于双电磁阀增压喷油器解决方案具有喷油规律可变和喷油器内部蓄压喷射的特性，可实现多种喷油规律，以满足发动机高效率、低排放要求。

本文针对某公司双电磁阀增压喷油器，研究了双电磁阀协同工作时的控制方法，实现了增压喷射下的多喷油规律模式，最后确定当前增压喷油器压力的放大倍数。

1 双电磁阀喷油器设计理念

双电磁阀结构的设计理念是：在共轨管内提供压力最高可达130 MPa的轨压燃油，而喷油器自带的增压活塞可在喷油器内部将轨压进一步提升至250 MPa。通过增压活塞开启与喷射时间的配合动作，可实现不同喷油规律的切换，使发动机达到更好的燃烧效果；通过双电磁阀(增压电磁阀与喷油电磁阀)协同工作，可实现多种喷射规律，以满足不同的发动机燃烧要求。如图1所示为斜率可变的靴型喷射与Δ型喷射。

采用双电磁阀增压喷油器的燃油系统结构如图2所示。使用双电磁阀增压喷油器，不仅可以提高喷射压力，而且燃油系统布置可以与以往产品兼容。

图1 增压喷油器喷油规律

图2 配双电磁阀增压喷油器燃油系统结构

2 双电磁阀增压喷油器结构、工作原理及驱动方式

2.1 喷油器结构

双电磁阀增压喷油器结构主要由4部分组成：(1) 增压电磁阀1；(2)压力放大部分机构；(3)喷油电磁阀2；(4)油嘴控制部分；如图3所示。喷油器内部有3个压力区域：1区为低压油区，2区为共轨管中的高压油区，3区为经过压力放大后的高压油区，如图3所示。

图3 双电磁阀增压喷油器结构

2.2 喷油器工作原理

当增压电磁阀1和喷油电磁阀2都关闭时，高压腔1(1区)的压力比下面压力腔3(3区)的压力稍大，共轨管中的高压燃油克服中间弹簧的压力往下面的油腔供油，此时压力腔1和压力腔2(2区)是相通的，而压力腔2和回油1不相通，喷油器处于不喷油工作状态，如图3所示。

当增压电磁阀1开始通电，压力腔1和压力腔2不相通，压力腔2和回油1相通，放大活塞受到压力差的作用开始下行，此时压力腔3的体积减小，压力开始上升，当电磁阀2开始通电，喷油器开始工作，并处于喷油工作状态。

当喷油电磁阀2断电，喷嘴针阀受到背压的作用迅速关闭，增压电磁阀1断电，压力腔2与回油1不相通，压力腔1和压力腔2相通，此时放大活塞受到弹簧力的作用开始上行，压力腔3的体积增大，压力开始下降；当压力腔1的压力比下面压力腔3的压力大时，压力腔1中的高压燃油克服中间弹簧的压力往下面的压力腔2供油，喷油器关闭。

2.3 喷油器驱动方式

喷油器的喷射过程由开启、全开和关闭3个过程组成，其中开启和关闭是非稳定过程。缸内直喷喷油器采用驱动电流峰值-保持电流驱动方式工作。喷油器的驱动过程是一个机械、液力、电磁等诸多因素相互作用的过程。为达到保护电磁阀、提高其可靠性的目的，对电磁阀控制过程中驱动电流、电流持续时间等参数都有一定的要求。喷油器驱动控制包括2个阶段，如图4所示。第1阶段为峰值电流上升与保持阶段，第2阶段为电流保持阶段。第1阶段中，升压电路产生的高电压直接作用于电磁阀线圈，加快驱动电流上升速度，缩短电磁阀开启时间。第2阶段中，直接使用蓄电池电压对电磁阀进行PWM(pulse width modulation)调制。这一过程采用1阶保持电流，可避免电磁阀线圈进入磁饱和状态，从而减少能量消耗；同时又保证了线圈产生足够的电磁力，维持喷油器开启状态[2-3]。

为了实现不同的喷射规律，需要对喷油器进行增压电磁阀驱动与喷油电磁阀驱动协同工作的控制方法进行试验分析。

本文在不同的轨压与喷射脉宽下，使用单次喷射仪监测喷油规律，通过调节2个电磁阀驱动的相对角度与驱动脉宽，得到不同的喷射规律；并以喷油量、喷油方差与喷油开启关闭延时为限制，研究喷油器控制方法是否合适。

图4 双电磁阀增压喷油器驱动电流波形

3 试验对象、条件与方法

3.1 试验对象

试验用双电磁阀增压喷油器为液压放大燃油喷射器，其主要技术参数如表1所示。根据增压电磁阀与喷油电磁阀不同的特性，使用不同的驱动峰值与保持电流对喷油器进行驱动控制。

表1 双电磁阀增压喷油器技术参数

3.2 试验条件

试验所用主要仪器设备如表2所示。试验中采用的共轨管内压力为30～80 MPa；喷射脉宽从400～2 000 μs；采用电流钳、单次喷射仪及示波器来测定喷油器的各个参数。

表2 试验用主要设备和仪器

3.3 试验方法

在各个工况下，进行喷油器增压与非增压的喷射试验，以获得不同喷射规律时的喷射控制方法组合；然后以测量的喷油量、喷油方差与喷油开启和关闭延时为限制条件，判断喷射质量是否满足要求。

其实施方法为：在不同的轨压与喷油脉宽下，调节增压驱动相对于喷油驱动的角度及增压脉宽，得到靴型喷射、Δ型喷射、全增压喷射的喷油规律，记录并归纳得到双电磁阀增压喷油器的增压喷射特性，最终根据喷油油量与喷油量方差是否满足条件来确定实现喷油器多种喷油规律的控制方法是否合适。

4 多喷油规律实现与控制方法分析

4.1 多种喷油规律实现

在相同的轨压与喷油脉宽下，分析增压喷射和无增压喷射的区别，并在增压喷射的情况下，改变增压电磁阀驱动提前角，实现喷油器的多种喷油规律喷射。

设定轨压40 MPa，喷油脉宽1 500 μs，采用示波器来显示喷油规律、增压电磁阀驱动波形与喷射电磁阀驱动脉宽，并记录无增压喷射及打开增压驱动后喷射的油量、方差、开启延迟与关闭延迟的变化情况，最后确定各喷油规律所对应的增压喷射提前角度变化范围。

4.1.1 无增压喷射

无增压喷射时，记录的油量为67 mm3，方差为0.23，开启延迟为358 μs，关闭延迟为1 100 μs，喷油规律、增压电磁阀驱动波形与喷射电磁阀驱动脉宽如图5所示。

图5 无增压时喷油规律

4.1.2 部分增压喷射

采用喷油斜率上升较慢的喷射。记录的油量为87.7 mm3，方差为0.29，开启延迟为358 μs，关闭延迟为1 080 μs，喷油规律、增压电磁阀驱动波形和喷射电磁阀驱动脉宽如图6所示。

增压喷射开始提前于喷油开始-3°CA～3°CA，喷油规律为靴型喷射。

采用喷油斜率上升较快的喷射。记录的油量为 91.9 mm3，方差为0.26，开启延迟为338 μs，关闭延迟为1 080 μs，喷油规律、增压电磁阀驱动波形和喷射电磁阀驱动脉宽如图7所示。

图6 部分增压时喷油规律1

图7 部分增压时喷油规律2

增压喷射开始提前于喷油开始3°CA～6°CA，喷油规律为Δ型喷射。

4.1.3 全增压喷射

全增压喷射时，记录的油量为119.1 mm3，方差为0.29，开启延迟为338 μs，关闭延迟为1 080 μs，喷油规律、增压电磁阀驱动波形和喷射电磁阀驱动脉宽如图8所示。

图8 全增压时喷油规律

增压喷射开始提前于喷油开始6°CA～9°CA，喷油规律为全增压型喷射，此时喷射压力最大。

4.2 控制方法分析

从图5～8可以发现，无增压喷射时，基本油量最小；而全增压喷射，由于其喷射周期全部处于增压状态，因此喷油量最大；部分增压喷射是为了获得特殊的喷油规律，其喷油周期部分处于增压喷射状态，因此油量大于无增压喷射，又小于全增压喷射；随着增压喷射相对于喷油定时的提前角增大，部分增压模式将逐渐从喷射斜率较小的靴型喷射转变为喷射斜率较大的Δ型喷射。

比较各增压喷射模式下的喷油方差、开启延迟和关闭延迟可以发现，与无增压喷射相比，其喷油方差并未有显著的提高，其开启延迟和关闭延迟也未有明显变化。因此，可证明增压喷射时的控制方法是符合要求的。

在实际发动机匹配应用中，可以根据发动机燃烧需求，结合实际工况，采用不同的喷射驱动方法，来获得最好的喷射效果。

5 喷油器压力放大倍数的确定

在相同的轨压与喷油脉宽下，将全增压喷射低轨压与非增压喷射高轨压的相同油量点作为对比点，进行对比分析，获得其压力放大倍数。

当低轨压的油量特性曲线与高轨压的油量特性曲线重合时，说明喷油器喷射的效果是相同的，因此，压力放大倍数为高轨压油量特性曲线轨压与低轨压油量特性曲线轨压之比。

增压、非增压下，不同轨压下的喷射油量如图9所示。

图9 增压喷油器放大倍数确定

由9图可见，30 MPa全增压喷射油量曲线介于60 MPa与70 MPa非增压喷射油量曲线之间，且较为靠近70 MPa非增压喷射油量曲线；而40 MPa全增压喷射油量曲线介于80 MPa与100 MPa非增压喷射油量曲线之间，且较为靠近100 MPa非增压喷射油量曲线。 根据计算公式，可得到其压力放大倍数约为2.5(≈1 000/400)，或约为2.34(≈700/300)。因此，其放大倍数在2.3～2.5，符合表1双电磁阀增压喷油器技术参数的要求。

6 结论

针对某型号双电磁阀增压喷油器，本文采用试验方法，研究其双电磁阀协同工作的方式，实现了增压喷射下的多种喷油规律模式，并通过试验分析，证明了增压喷射下的控制方式符合实际需求。此研究结果对推广双电磁阀增压喷油器的应用具有推动作用。