智能喷油器——大型发动机喷油技术数字化

【德】 E.RAUER M.ROTTER M.WILLMANN C.SENGHAAS

0 前言

自1997年诞生第1款电控共轨喷油系统以来[1]，在减排措施的推动下，喷油系统压力在2014年逐步从120 MPa提高到250 MPa[2]。由于压力较高，某些部件已达到了疲劳强度极限，同时磨损导致部件无法达到正常的使用寿命。现代喷油系统采用多次喷射技术来降低压力上升梯度(预喷)和碳烟排放(后喷)。该技术同减少碳氢(HC)排放的盲孔优化设计一样，属于最先进的技术。另一项仍然存在的挑战是在喷油部件的整个使用寿命期间，确保其满足排放要求。因此，严格的边界条件对材料、设计和制造精度提出了很高的要求。此外，现代喷油系统通常需要电子漂移补偿，从而通过传感器监控喷油过程并根据需要重新调节。

未来能源转型将成为最大的挑战之一，能源转型后将减少发动机排放对环境的影响。过剩的、可再生的电能可转换为燃料，然后再次应用于大型发动机，尤其是用于移动设备。目前，多种燃料都在备选方案之中，如二甲醚，甲醛二甲醚及甲醇等。性质与柴油相近的燃料与现阶段的喷油系统一起使用对喷油部件的液压设计及摩擦系统提出了挑战[3-4]。

单一的、未混合的燃料或者规格明显有限的燃料可以通过测试程序和耐久性试验进行验证，而燃料混合物的验证是1项更高要求的工作。由生物柴油的混合经验可知，许多燃料混合物的验证与混合比没有明显的关系，因而难以控制。

未来需要通过电子系统监控燃油喷射或燃烧。一方面能够充分利用变化较大的燃料特性实现燃烧的热力学优化；另一方面可及时检测到意外的喷射行为甚至发动机故障。

在比较燃油喷射系统时，产品成本通常是最重要的考虑因素之一。通常在计算时不会同时评估采购成本和运行成本。喷油器的漂移现象是决定运行成本的关键因素。主动状态监控可使燃油消耗稳定并延长更换间隔，从而充分延长喷油部件的使用寿命，同时保护发动机免受喷油器缺陷(如由燃料污染引起)的影响。

随着高度网络化的架构在工业设备中的应用，组件可与其使用环境进行交互。系统的若干组件可以相互交换数据和信息，从而使子系统、总系统或上级系统得到优化。在大型发动机应用领域，发动机部件集成已逐渐应用在远程监控系统中，由此为操作安全性、服务和后勤等方面带来了额外的益处[5]。

2 智能喷油器

喷嘴附近的压力传感器可用于监测喷油器功能，并将其状态传送给外界。针对喷油过程的控制回路可以监测喷油开始与结束，从而使喷油持续期保持稳定，并对磨损作出响应。目前，为了实现漂移补偿，在中央电子系统中处理传感器信号，并将结果传送给发动机电控单元，以调节喷射参数。

作为1种全新的高度集成的方法，智能喷油器的信号调节和处理组件位于喷油器上端或靠近喷油器部位(图1)。喷油器螺线管高频制动引起的信号干扰和恶劣的环境条件(如温度和振动等)会影响压力信号，在电子设计过程中应将其考虑在内。通常，喷油器需要电子元件检验哪些附加功能可以通过数字化来实现。目前可实现的基本功能包括漂移补偿、状态监控、组件的数字识别及负荷记录器。

图1 集成本地智能技术的喷油器

3 针阀力控制

通过喷嘴上方所获取的信息，对液压、机械或电磁组件进行校对通常无法完全实现。如果喷油系统的目标是提供稳定的最小喷油量，如在双燃料系统中采用相同的喷油器提供起动喷油量和全负荷喷油量，则有必要对喷嘴附近区域的喷油量和压力情况进行测量分析。

通过对测量方法和空间布置进行系统分析，证明测量阀座接触和喷嘴针阀上方的控制室压力具有一定实用价值。考虑到将针阀座设计为电气开关所带来的技术挑战及测量控制室压力具有附加功能潜力，决定采用被Woodward L’Orange公司称为“针阀力控制(NFC)”的新技术。

4 结构

由于传感器安装在空间狭小的区域，并且承受着来自执行器、辅助阀，以及各种入口和出口施加的高机械应力，因此测量喷嘴针阀上方的控制室压力比较困难。在初始方法中，从控制室至部件外壁正下方有1个盲孔。盲孔区域采用应变计，从而将传感器功能集成到喷油器组件中(图2)。所有应变计元件的原型都是在此基础上设计的。这种采用粘合应变计的技术现已成为Woodward L’Orange公司在实验室和单缸试验机上采用的最先进技术之一。应变计目前尚未达到可投入制造的阶段，其主要原因是采用薄膜技术的应变计结构和喷油器液压部件的边界条件具有显著差异。

图2 用在针阀上方的应变计元件

出于上述原因，Woodward L’Orange公司正在与合作伙伴共同开发高度集成的压力传感器，并可应用于Woodward L’Orange公司的所有喷油器。图3示出安装在最紧凑的喷油器系列产品上的传感器，其外部尺寸符合商业传感元件的要求。通常，传感元件安装在1个大型外壳中，并配有放大器和插接件。当采用NFC技术时，这些传感元件集成在1个非常紧凑的密封壳体内。根据信号特征表明，传感器小型化可能导致的体积下降现象且不会影响信号评估。

图3 高度集成的压力传感器

5 信号曲线

图4示出了在喷嘴针阀上方的控制室中所测得的典型压力信号曲线。当螺线管出现激励时，喷油器的辅助阀开启，控制室中的压力下降且针阀没有移动；当压力超过将针阀保持在密封座中的力时，针阀开始移出阀座并进行燃油喷射。该阶段的压力曲线取决于控制室的流入与流出以及针阀的开启速度。当针阀到达其上止点时，控制室内的压力下降到由入口和出口之间的比率所确定的压力水平。当螺线管激励过程结束时，辅助阀关闭，控制室内的压力迅速上升且针阀不会移动。当针阀向其阀座移动并达到阀座时，控制室内的压力再次急剧上升，此时喷油过程结束(图4)。

图4 喷嘴针阀上方的控制室中的压力曲线

由该信号曲线可以看出，即使喷油量非常小，压力幅度也几乎相当于系统压力的50%，因此信噪比良好。如果只需要检测喷油过程的开始和结束，那么仅需要识别信号中明确显示的最小值，其余信号曲线信息包括节流阀横截面、针阀速度和辅助阀特性等，将用于第2开发阶段。

6 算法与结果

根据所需精度，选择以50～100 kHz的采样率采集信号。通过对输入信号进行多次过滤和推导的算法，识别出2个特征极值并确定其相对于激励开始时的位置。该算法适用于不同的液压结构，且在运行时非常稳定。在任何系统压力下，喷油开始和结束时检测到的散射区均小于22 μs。图5示出了喷油过程开始后激励持续时间的标准偏差。当前的实验室设备还无法检测到哪部分散射是由喷油器引起的。目前，可以测量的最小量低于全负荷喷油量的1%，且验证率超过98%。因此，该方法实际上可用于瞬态过程的逐次校正。

图5 计算喷油开始的标准偏差，每次在恒定的激励时间和不同的系统压力下进行50次喷射

通过具有相应算法的稳健传感器技术进行连续且详细的喷油器监测。通过这种方式实现完整信号的高频记录，以便在将来采用更复杂的程序时，可以从信号曲线中获得上述附加信息。

7 智能喷油器的基本功能

通过漂移补偿来矫正由老化引起的喷油器喷射性能变化。将漂移补偿功能参数(强度和时间进展)作为有效值输入状态检测模型。为了实现漂移补偿和喷油器平衡，将复杂的模型储存在电子设备中。首先根据工况点监测喷油开始和持续时间并使其保持恒定。然后通过改变激励时间来补偿额外的偏差。除了平衡喷油器，补偿流量中由生产造成的公差之外，还需要基于模型考虑无法直接测量的老化现象，如喷嘴流量变化。

图6比较了约1 000 h运行时间后的未校正的喷油器与校正后的喷油器。部分喷油器超出了公差限制范围。图6示出了所考虑喷油器的包络线。喷油量在激励时间内处于恒定压力作用下。结果表明，在校正情况下，全负荷工况下的喷油器散射现象改善了80%。优化散射可使寿命期间的排放值和油耗值稳定，并且延长喷油器的使用寿命。

图6 1 000 h运行时间后的喷油量曲线散射

状态监控与漂移补偿密切相关，它可以推断喷油器的机械状态并预测部件的寿命终止。这是基于状态维护的先决条件。

通过负荷记录器记录在部件磨损中起重要作用的负荷循环。将合适的形式将喷射次数、相应的压力和喷油量输入上述磨损模型中。与关键部件的疲劳强度模型相结合，负荷记录器可用于避免自发故障风险，并使昂贵的部件得到充分使用，并在再制造过程中实现回收利用。此外，实际操作中获得的信息可用于产品开发。在通常情况下，从现场返回的零部件缺乏详细的运行数据，这增加了精确评估和模型构建的难度。通过访问负荷记录器，可将来自各种应用的大量数据整合到连续建模过程中，并延长维护间隔，还可通过长期观测，提高相关部件的耐久性。

另1项基本功能是组件的数字识别。它简化了组件的现场处理，可以自动检查正确的部件编号，简化交换过程的存档，并防止劣质剽窃。电子识别取代了容易出错的过程，其中打印的部件编号、校正数据和其他信息等以光学代码的形式进行记录并传输到控制单元中。

整个系统的开发阶段通过数据云实现设备的联网，所有功能都可实现计算并得以存储，供需要时使用。

现代微控制器能经济高效地执行信号转换和评估，因此这些功能也可在喷油器上实现本地应用。在实施完全联网之前采用该方案，以便为原始设备和改造设备提供服务。

8 结语

本文介绍了智能喷油器的基本功能，并用于下一代喷油器的第1开发阶段。如果这些功能得以实现，并且可与其他发动机部件、发动机操作系统，以及数据云实现联网，由此可开发出许多其他的功能(图7)。

将燃烧室压力指示和喷油器监测结合在一起，可以改进热力学分析和发动机诊断，或者简化非常规燃料的使用。状态诊断可以改善零部件市场的销售和物流流程，还可以通过不同的方式应用状态诊断，如将其用于识别燃料过滤装置中的缺陷(当多喷油器加速磨损时)，或者在系统安装之后显示出各个喷油器的磨损状态，还可检测再制造是否经过授权。智能喷油器为各个燃油喷射组件的数字化奠定了基础，推动喷油技术进入下一个发展阶段。

图7 智能喷油器集成系统