柴油機噴油的軌壓降規律及一致性方法

李云強 ，王裕鵬，陳文淼，仇 滔，雷 艷，王敬恩

(1.濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061；2.天津大學 內燃機燃燒學國家重點實驗室，天津 300350；3.北京工業大學 環境與能源工程學院，北京 100124)

高壓共軌燃油系統已成為高效低排放柴油機的標準配置.噴嘴幾何參數不變才能保證噴嘴流通能力(流量系數)在整個使用壽命內不變，實現在軌壓不變的情況下單位時間內噴出的燃油量(噴油流量)不變.實際中，由于噴孔磨損、老化和積碳程度不同導致多缸柴油機的各支噴油器噴嘴流量系數改變[1]，從而噴油流量不同，這時如果各缸噴射持續期相同，各缸循環噴油量會出現差異，破壞多缸柴油機噴油一致性，影響發動機工作性能[2]，因而在線識別共軌燃油系統循環油量具有重要意義.

識別進入氣缸的循環油量是柴油機診斷的熱點.白霖[3]和Taraza 等[4]認為循環油量越多，缸內燃燒做功越多，進而柴油機瞬態轉速越高，因而提出用柴油機瞬態轉速診斷循環油量變動的思路.李旭初[5]提出根據進氣氧濃度與排氣氧濃度來分析燃燒過程總耗氧氣量，進而計算燃燒油量來診斷循環油量變化的方法.Leonhardt[6]認為進入氣缸的燃油量變化導致缸內燃燒壓力變化，提出根據瞬態缸壓進行循環油量識別的思路；楊福源等[7]則通過實時采集發動機各缸缸壓進行燃燒狀態指標計算，研發了基于缸壓的閉環反饋控制技術.Hofmann 等[8]認為油量變動導致放熱率變化，開展了基于熱釋放率變動診斷噴油量識別的研究.侯樹梅等[9]通過燃料理化特性分離討論了不同燃料特性對柴油機燃燒的影響規律.上述方法均基于噴油燃燒的響應進行判斷，但由于燃燒過程具有不確定性，因而增加燃燒環節來識別噴油量將增加誤差.

高壓共軌燃油系統的高壓液力裝置噴油過程和來流的高壓壓力之間是耦合相關的.仇滔等[10]探究了噴油器進/出口壓力對噴油流量特性的影響，認為進/出口壓力對流量系數有較大影響.He 等[11]探索了在噴油器新增壓力傳感器測量油管壓力來檢測噴油流量的可能性.Mahmoud[12]通過測量噴油器體內的應變來測量噴油壓力，分析噴油器流量的變動.上述方法證明根據噴油器嘴端的瞬態壓力能有效診斷出噴油過程，但必須在噴油器附件加裝瞬態壓力傳感器.

目前，高壓共軌燃油系統標配是在油軌上裝有一個壓力傳感器用于軌壓閉環控制.李丕茂等[13]分析了高壓共軌系統軌壓波動對噴油的影響，探究了不同噴油脈寬下軌壓對噴油量波動幅度的影響規律.Herfatmanesh 等[14]發現在多次噴射中，預噴引起的軌壓波動影響后續噴射及噴油總量.胡建功[15]通過發動機臺架試驗發現瞬態軌壓變動與噴油量有關.因此，油軌壓力和噴油量之間也是耦合在一起，可利用現有軌壓傳感器來識別噴油量.筆者理論上分析了高壓共軌噴油器噴油引起的軌壓波動的影響因素，在油泵試驗臺上開展試驗，分析了不同初始軌壓和噴射模式下，軌壓波動與油量的關系，提出基于軌壓下降量相同來保證多缸噴油量一致的控制方法.

1 噴油引起的軌壓變動理論分析

油軌中高壓燃油壓力的波動主要由油泵泵油和噴油器噴油導致.文獻[16]研究表明，油泵泵油主要受油泵轉速影響，屬于低頻脈動，而噴油可引起高頻壓力脈動，泵油與噴油引起的壓力變動存在頻率域差異，可明顯區分，筆者著重分析噴油引起的壓力波動.

圖1 為高壓共軌燃油系統結構示意.噴油引起軌壓變動主要表現在噴油引起的高壓燃油彈性變動以及針閥脈動引起的壓力波震蕩.高壓油軌內容積相對于高壓油管大很多，壓力波震蕩主要發生在油管中，因而可用集總參數模型將高壓油軌簡化，軌端壓力傳感器壓力等效為高壓油管和油軌連接點B 的壓力pB，該點燃油流速為uB.高壓油管則采用一維管路方法，假設噴油器與高壓油管連接點為A，該點壓力為pA，該點燃油流速為uA.噴油器出口壓力為pr，高壓油管內的壓力波速為uC.由于噴油引起的軌端壓力變動時間很短，可忽略燃油系統的溫度變化.

圖1 高壓共軌燃油系統結構示意Fig.1 Structural diagram of high pressure common rail fuel system

1.1 燃油噴射流量變化引起的燃油彈性變動

噴油開始，噴孔出口處燃油流速隨針閥開啟不斷增大，直至噴油器完全打開，這個過程中燃油流出噴孔的速度 uinj如公式(1)所示.

式中：μ為流量系數；pA為噴射壓力；pr為出口壓力；0A 表示噴孔的截面積；ρ為燃油密度.假設噴油器有n 個噴孔，故燃油噴射的流量為

對于高壓油管中的燃油流速uA關系式為

式中：A1為高壓油管的截面積.

聯立式(1)～(3)，則噴射過程中燃油在高壓油管內的流速 uA為

根據高壓燃油彈性基本性質，有

式中：V 為共軌容積；B 為燃油彈性系數.

整理式(1)～(5)得到由流速變化造成的軌壓為

1.2 噴油針閥運動引起的壓力波

高壓共軌噴油器的噴油是通過電磁閥控制針閥運動，針閥的啟閉運動導致A 斷面燃油流速將突變，在高壓油管內產生水擊效應，形成壓力波.該壓力將從A 向B 傳播并再次反射向A 傳播，周期性來回傳播，并且能量波動減弱逐漸消失.波動速度[17]為

式中：E 為管壁材料的彈性系數；D 為管徑；δ為管壁厚度；uc為波速(燃油聲速).

噴油器打開或關閉時，由于壓強增量的作用，將引起流速的變化.計算公式[14]為

式中：γ為流體的容重；g 為流體的重力加速度；u0為開啟或關閉噴油器針閥前高壓油管中的穩定燃油流速.由于壓力波將會引起燃油波動發生延時，因而將會導致軌壓變化過程和噴油過程不同步.

1.3 噴油引起的軌壓變動

由噴油引起軌壓變化可以表達為

噴油導致的軌壓下降過程主要是由于噴射流速決定，由于水擊壓力波的存在以及燃油流速的彈性變化，軌壓變化過程與噴油過程存在不一致性.為了方便試驗討論，定義5 個變量參數來進行軌壓下降過程的研究，分別為初始軌壓(噴油開始時軌端的初始壓力)、軌壓下降時間(由噴油引起的軌端壓力下降時間)、穩定軌壓(噴油完成，軌端壓力不再下降的穩定軌端壓力)、軌壓降(由噴油引起的軌端壓力下降值)以及噴油脈寬(噴油器的噴油時長).

圖2 為噴油引起的軌壓變化，用以進一步分析軌壓下降的歷程.

圖2 噴油引起的軌壓變化示意Fig.2 Schematic diagram of rail pressure change caused by injection

2 數據采樣與處理

采用高壓共軌燃油系統油軌上配置的軌壓傳感器獲得噴油引起的軌壓變化.為了完整獲得噴油引起的軌壓變動信息，軌壓采樣周期應小于該噴射周期，試驗設定采樣周期為0.1 ms，即10 kHz 采樣頻率.采用TMS320f2812 的單片機，對軌壓數據進行采集，采用小波分析對軌壓數據進行處理和降噪，處理數據流程如圖3 所示.

圖3 小波分析數據處理流程Fig.3 Flow chart of wavelet analysis and data processing

圖4 為處理前、后的軌壓對比.首先進入小波處理過程，選擇syn 小波并確定小波分析層數.將軌壓信號數據放入數組，數組數滿后初始化分解次數，對數組內的數據進行小波分解、計算高頻系數及其閾值，最后用硬閾值系數對高頻系數進行處理，分解次數加一，分解次數達到設定的分析次數N 后進行N層小波重構，得到處理后的軌壓信號數據放入新的數組.

圖4 小波分析處理前、后的軌壓對比Fig.4 Comparison of rail pressure before and after wavelet analysis

3 試驗結果與分析

3.1 試驗設備

通過燃油試驗臺架開展高壓共軌試驗，使用的燃油為國Ⅳ柴油.表1 為測試設備，對應試驗裝置如圖5 所示.

表1 試驗設備統計Tab.1 Statistical table of experimental equipment

圖5 試驗裝置示意Fig.5 Schematic diagram of experimental device

3.2 噴射模式對軌壓降的影響

在軌壓為80 MPa、加電時間為2 ms 條件下開展表2 所示的試驗測試.圖6 為使用Ⅱ號噴油器進行不同噴射模式試驗的軌壓變化對比，圖7 為統計的不同噴油脈寬組合噴油產生的軌壓降數值及下降時間對比.其中軌壓降是噴油后穩定軌壓減去噴油前的穩定軌壓.由圖7 可見，不同噴射模式總加電時間一致時，噴油產生的軌壓降和下降時間大致相同，對于多次噴射不同脈寬組合軌壓變化大致相同，不受多次噴射中間隔時間的影響.

表2 試驗工況Tab.2 Test condition table

圖6 不同噴射模式下的軌壓變化Fig.6 Variation of rail pressure under different injection modes

圖7 不同噴射模式下的軌壓降變化與下降時間對比Fig.7 Comparison of rail pressure drop and descent time under different injection modes

3.3 不同初始軌壓影響

由于確定噴油脈寬后單次與多次噴射規律一致，所以選擇單次噴射進行后續試驗.圖8 為噴油脈寬都為1 ms、均采用Ⅰ號噴油器在不同初始軌壓下進行數據處理后的軌壓試驗結果.圖9 為不同初始軌壓下軌壓下降時間和軌壓降總量.

圖8 噴油脈寬為1 ms時不同初始軌壓下的軌壓降變化Fig.8 Rail pressure drop of 1 ms injection pulse width with different initial rail pressure

由圖8 和圖9 可知，進行處理后隨著初始軌壓升高，軌壓降也單調增加.這是因為初始軌壓越高，相同噴嘴流通能力條件下流速越大，噴油量變化越大，導致相同噴油脈寬的噴油量越多，軌壓降也越大.試驗中，噴油脈寬為1 ms，但實際下降過程為2 ms，這說明由于噴油壓力波的作用，軌壓下降歷程時間大于噴油脈寬時間.

圖9 噴油脈寬為1 ms 時不同初始軌壓下的軌壓降總量和軌壓下降時間變化Fig.9 Variation of rail pressure drop and rail pressure drop time with different initial rail pressure and 1 ms injection pulse width

3.4 噴油脈寬的影響

選擇Ⅰ號噴油器在初始軌壓為100 MPa，進行不同噴油脈寬的試驗，軌壓變化如圖10 所示.相對應的軌壓降和軌壓下降時間如圖11 所示.

圖10 初始軌壓為100 MPa時不同噴油脈寬下的軌壓降變化Fig.10 Rail pressure changes with different injection pulse width at 100 MPa initial rail pressure

圖11 初始軌壓為100 MPa時不同噴油脈寬下的軌壓降總量和軌壓下降時間變化Fig.11 Variation of rail pressure drop and rail pressure drop time under different injection pulse width of 100 MPa initial rail pressure

由圖10 和圖11 可以看出，進行數據處理后隨著噴油脈寬增加，軌壓降總量和軌壓下降時間均呈線性增加.這說明軌壓下降延時與噴油脈寬無關.隨著噴油脈寬延長，軌壓降也增加，這是因為噴油脈寬越長，噴油量越多，軌壓下降總量增加.

3.5 不同噴孔狀態下的噴油試驗驗證

選擇Ⅰ、Ⅱ兩種不同型號的噴油器及噴油脈寬為1 ms 時開展不同初始軌壓的試驗，結果如圖12 和圖13 所示.由圖12、圖13 可知，進行數據處理后隨著初始軌壓升高，軌壓降增加，這是由于軌壓升高導致燃油流速增大，使得噴油量增加、壓降變大.Ⅱ號噴油器的軌壓降大于Ⅰ號噴油器軌壓降，這是由于噴油速率大的噴油器噴孔面積大，流量系數大，因而噴油流量大，相同噴油脈寬時噴油量大，所以噴油速率大的噴油器軌壓下降量大于噴油速率小的噴油器.

圖12 噴油脈寬為1 ms 時不同初始軌壓和噴油器下的軌壓降變化Fig.12 Rail pressure changes of different injectors with different initial rail pressure under 1 ms injection pulse width

圖13 噴油脈寬為1 ms 時不同初始軌壓和噴油器下的軌壓降和軌壓降斜率變化Fig.13 Variation of rail pressure drop and rail pressure drop slope of different injectors with different initial rail pressure under 1 ms injection pulse width

4 多缸噴油量一致控制算法與驗證

上述結果表明，噴油速率和軌壓下降歷程緊密相關，在軌壓相同時，噴油總量和軌壓下降總量一一對應.因此，可采用以軌壓下降總量相同為目標，調整噴油時間來實現多缸柴油機噴油一致的目的.

圖14 為多缸(數量為n)柴油機一致性控制方法流程.由于高壓力、長噴油脈寬的條件下噴油量和軌壓下降總量的關系越明顯，同時考慮到轉速越低，對應的各缸之間干擾越小，因此，該流程也給出了進入該算法的條件，即系統運行時間是否到達設置時間tset，運行工況是否到達條件，即軌壓到達設定值pset，噴油脈寬達到Tset，達到條件進入修正算法.計算第i缸的修正系數Ki時初始值為1，計算N 缸平均軌壓降與第i 缸的實際軌壓降的比值為實際的修正系數賦值給Ki，與ECU 設定的噴油脈寬相乘得到實際噴油脈寬，實現多缸油量一致.

圖14 多缸一致性控制方法流程示意Fig.14 Flow chart of multi cylinder consistency control method

選擇兩支Ⅰ號和一支Ⅱ號噴油器，兩種噴油器噴油流量不同，用Ⅱ號噴油器模擬多缸柴油機中發生噴孔變動的噴油器進行初始軌壓為100 MPa 的噴油試驗.設置算法觸發最大噴油脈寬為 2 ms、軌壓為100 MPa，分別統計噴油脈寬相等和保持軌壓降相等兩種條件下的噴油量如表3 和表4 所示.

表3 初始軌壓為100 MPa和噴油脈寬為2 ms時軌壓降及噴油量Tab.3 Statistical table of rail pressure drop and fuel injection quantity under 100 MPa initial rail pressure with 2 ms injection pulse width

表4 初始軌壓為100 MPa和噴油脈寬為3 ms軌壓降及噴油量Tab.4 Statistical table of rail pressure drop and fuel injection quantity under 100 MPa initial rail pressure with 3 ms injection pulse width

試驗結果表明，當采用相同的噴油脈寬，由于兩種噴油器噴油流量系數不同，相同的噴油脈寬內產生的噴油量明顯不同，采用以軌壓降總量相等的修正噴油脈寬后，大流通能力的噴油器縮短了噴油脈寬，在允許測量誤差(5%)的條件下，達到3 支噴油器循環油量基本一致，證明該方法可達到保證多缸柴油機噴油一致的目的.

5 結論

(1) 噴油會引起油軌軌壓變化，針對現有軌壓傳感器，采用10 kHz 的采樣頻率結合小波分析的處理方法，可以有效獲得噴油導致的軌壓變動過程，驗證噴油引起的軌壓變動規律；軌壓下降速率和噴油流量單調正相關，噴油引起的軌壓下降總量與噴油量總量也呈正相關，且與多次噴射無關.

(2) 根據理論分析與試驗驗證所得到的噴油量-軌壓降的變動規律，提出了以軌壓降一致為目標，通過調整噴油脈寬來修正循環油量的多缸柴油機噴油一致性控制方法，開展試驗證實對于存在噴油偏差(15%的判斷依據)的噴油器，通過修改噴油系數調整噴油脈寬，可在誤差允許范圍內(5%內)，實現多缸噴油達到一致.