趙志勇 靳峰 鄧剛 孫曉飛 劉海霞

摘要：為了實現(xiàn)對柴油噴油器油量的精確化、高效化控制，現(xiàn)針對該噴油器流量特性的影響因素，現(xiàn)設(shè)計一款用于測量柴油噴油器流量特性的試驗系統(tǒng)。然后，以“柴油噴油器”為試驗對象，在不同出口壓力脈沖下，對柴油噴油器的循環(huán)噴油量進(jìn)行測量，并借MATLAH多項式，對動態(tài)流量特性曲線進(jìn)行擬合，并精確地計算出該噴油器所對應(yīng)的動態(tài)流量范圍，接著，在不同出口壓力下，對相應(yīng)的動態(tài)流量特性和靜態(tài)流量特性進(jìn)行科學(xué)測量，從而分析出出口壓力對柴油噴油器流量特性的影響規(guī)律，以實現(xiàn)對該噴油器噴油量的科學(xué)控制。

Abstract： In order to realize the accurate and efficient control of fuel quantity of diesel injector， an experimental system for measuring the flow characteristics of diesel injector is designed according to the influencing factors of the flow characteristics of the injector. Then， taking the "diesel injector" as the test object， the circulating fuel injection quantity of the diesel injector is measured under different outlet pressure pulses， the dynamic flow characteristic curve is fitted by matlah polynomial， and the corresponding dynamic flow range of the injector is accurately calculated. Then， under different outlet pressures， The corresponding dynamic flow characteristics and static flow characteristics are measured scientifically， so as to analyze the influence law of outlet pressure on the flow characteristics of diesel injector， so as to realize the scientific control of fuel injection quantity of the injector.

關(guān)鍵詞：出口壓力;電控噴油器;柴油機

Key words： outlet pressure;electronically controlled fuel injector;diesel engine

中圖分類號：TK421+.43? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）24-0048-03

0? 引言

噴油器作為柴油機電控制燃油噴射系統(tǒng)的重要組成部分，其流量特性以及運行性能是否合理，對發(fā)動機的排放性能產(chǎn)生了直接性的影響，為此，通過設(shè)計和應(yīng)用用于測量柴油噴油器流量特性的試驗系統(tǒng)，并在不同出口壓力下，分別精確測量相應(yīng)的動態(tài)流量特性和靜態(tài)流量特性，從而快速找出出口壓力對柴油噴油器流量特性的影響規(guī)律，為后期科學(xué)調(diào)節(jié)和控制柴油噴油器的噴油量提供重要的依據(jù)和參考。

1? 試驗系統(tǒng)構(gòu)建

1.1 總體設(shè)計方案

本文所設(shè)計的用于測量柴油噴油器流量特性的試驗系統(tǒng)主要包含以下兩大功能模塊，一個是靜態(tài)流量測量功能，另一個是動態(tài)流量測試功能。該試驗系統(tǒng)主要包含以下四個子系統(tǒng)：①油路系統(tǒng)。油路系統(tǒng)主要包含油箱、進(jìn)油共軌、流量計等組成部分，主要用于向柴油噴油器提供相應(yīng)的噴射介質(zhì)[1]。其中，油箱在具體的運用中，主要借助油泵，向增壓罐內(nèi)注入一定量的噴射介質(zhì)，然后，借助噴射介質(zhì)，向進(jìn)油共軌內(nèi)壓入相應(yīng)的高壓氣體。

②氣路系統(tǒng)。氣路系統(tǒng)主要是由氣壓表、啟動單向閥和可變行程氣壓缸等部分組成，主要用于對系統(tǒng)干燥性能測試以及噴油介質(zhì)的注入。氣泵通過借助氣體壓縮功能，可以科學(xué)調(diào)節(jié)和控制電氣比例，從而實現(xiàn)對增壓罐內(nèi)氣體壓力的實時監(jiān)測和控制，以達(dá)到間接性調(diào)節(jié)和控制噴射介質(zhì)的目的。此外，通過利用氣壓表，可以將氣體通入到柴油噴油器內(nèi)，為進(jìn)一步提高柴油噴油器的干燥效果打下堅實的基礎(chǔ)。

③電控系統(tǒng)。電控系統(tǒng)主要是由以下幾個部分組成，分別是PLC、噴油器驅(qū)動系統(tǒng)、壓力傳感器、通電磁閥和脈沖計數(shù)器。該子系統(tǒng)主要用于對整個試驗系統(tǒng)運行狀態(tài)的實時控制以及相關(guān)數(shù)據(jù)的全面采集。通過將PLC、壓力傳感器和電磁比例閥進(jìn)行充分結(jié)合[2]，可以形成系統(tǒng)、完整的閉環(huán)控制裝置，通過利用該裝置，可以實現(xiàn)對出口壓力的科學(xué)調(diào)節(jié)和控制。此外，脈沖計數(shù)器主要用于對流量計所測量的脈沖個數(shù)的采集和存儲，通過將其安全、可靠地傳輸于上位機，然后，采用相關(guān)運算方式，精確地計算出最終的流量值?？傊瑖娪推黩?qū)動系統(tǒng)在控制和調(diào)整柴油噴油器工運行狀態(tài)方面發(fā)揮出重要作用[3]。

④軟件系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)主要是由以下幾個部分組成，分別是上位機、PLC。通過利用噴油器驅(qū)動系統(tǒng)，可以采用過RS232通信方式，完成對該試驗系統(tǒng)人機交互界面的設(shè)計和開發(fā)，為用戶帶來良好的使用體驗?？傊?，針對該試驗系統(tǒng)的開發(fā)技術(shù)和運行流程，設(shè)計出如圖1所示的噴油器流量特性在線測試系統(tǒng)測控方案。

1.2 系統(tǒng)方案工作原理

系統(tǒng)方案在實際工作期間，主要涉及到了以下兩種組成部分，一個是機械部分，另一個是控制部分，為了更好地認(rèn)識和理解系統(tǒng)方案的工作原理，現(xiàn)對這兩個組成部分進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1.2.1 機械部分

通過借助電動燃油泵，向增壓罐內(nèi)通入一定量的測試介質(zhì)，便于后期試驗工作的有效開展，同時，還要利用壓氣體，向增壓罐內(nèi)注入一定量的測試液[4]，然后，利用油液分離器，對其進(jìn)行分離處理，在此基礎(chǔ)上，通過使用流量計，對最終的處理結(jié)果進(jìn)行測量和整理，為后期試驗結(jié)果的優(yōu)化提供重要的依據(jù)和參考。另外，還要利用柴油噴油器噴出功能，借助回油軌，將測試介質(zhì)通入到指定的油箱內(nèi)。此外，為了降低系統(tǒng)運行壓力，確保系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、可靠、安全地運行，技術(shù)人員需要將借助電氣比例閥，PLC和壓力傳感器進(jìn)行有效組合，時期結(jié)合為統(tǒng)一的穩(wěn)壓模塊，經(jīng)過試驗充分證明了在整個測試期間，通過將柴油噴油器的出口壓力波動范圍設(shè)置在-0.2～0.2kPa之間，可以實現(xiàn)對出口壓力波動幅度的有效控制和緩解。

1.2.2 控制部分

通過利用上位機，可以將串口、噴油器驅(qū)動系統(tǒng)以及流量計進(jìn)行有效地連接，使其結(jié)合為統(tǒng)一的整體，在此基礎(chǔ)上，借助相應(yīng)的功能模塊，將模量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器于壓力傳感器進(jìn)行有效連接，在此基礎(chǔ)上，采用串聯(lián)的方式，使得液位傳感器和干燥裝置科學(xué)相連。同時，在測定流量期間，主要借助流量計，根據(jù)所輸出的脈沖信號，對計數(shù)電路機進(jìn)行拖動處理，以實現(xiàn)對數(shù)碼參數(shù)設(shè)置相關(guān)信息的采集和整理，便于其他人員的查看和調(diào)用。此外，還要借助上位機的相關(guān)功能，對相應(yīng)的數(shù)字量進(jìn)行識別、記錄和匯總，然后，利用流量計，將單位介質(zhì)體積所對應(yīng)的流量進(jìn)行實時采集和整理，為后期全面地記錄和統(tǒng)計流量計所傳輸?shù)碾娒}沖數(shù)量提供重要的依據(jù)和參考。

2  試驗方案設(shè)計

2.1 動態(tài)流量測試方案

動態(tài)流量主要是指柴油噴油器在所設(shè)定的噴油脈寬下，所使用的燃油量，為了繪制出完整、系統(tǒng)的動態(tài)流量特性曲線，技術(shù)人員在對柴油噴油器進(jìn)行測試期間，要科學(xué)調(diào)節(jié)和控制該噴油器的分辨率，然后，在所設(shè)置的分辨率范圍內(nèi)，將噴油脈寬增量設(shè)置為0.2ms，以確保該噴油器流量測量結(jié)果的精確性和真實性。此外，在試驗期間，需要將測試周期設(shè)置為10ms，然后選用PLC控制單元，并將其工作電壓和驅(qū)動電壓分別設(shè)置為24V、12V，另外，還要將柴油噴油器出口處的油壓設(shè)置在299.9～300.1kPa，具體測試方案內(nèi)容如下：①將噴油脈寬和噴射次數(shù)分別設(shè)置為5ms、500次，以確保預(yù)噴射工作落實到位。②當(dāng)噴油脈寬達(dá)到10ms時，不同的脈寬范圍，所對應(yīng)的增量也存在一定的差異，例如：當(dāng)寬為0～2ms時，增量為0.2ms;當(dāng)寬為2～10ms增量為2ms。同時，各個采樣點所對應(yīng)的噴射次數(shù)達(dá)到了1000次。③當(dāng)驅(qū)動電壓為12V時，將出口壓力依次設(shè)置為200kPa、250kPa、350kPa和400kPa。

2.2 靜態(tài)流量測試方案

靜態(tài)流量測試方案內(nèi)容為：首先，將靜態(tài)流量特性測試周期和脈寬分別設(shè)置為9ms、5ms，然后，采用驅(qū)動電壓的方式，將預(yù)噴射次數(shù)設(shè)置為999次，并將噴油器的開啟狀態(tài)維持在10s以上，對相應(yīng)的脈沖數(shù)量進(jìn)行讀取，按照這種方式，完成對噴油量的精確測試。然后，在不同的出口壓力下設(shè)置5組不同的試驗，然后，計算相應(yīng)的平均值。

3? 試驗數(shù)據(jù)處理及分析

3.1 正常噴油脈寬線性分析

300kPa條件下的動態(tài)流量曲線中當(dāng)噴油脈寬范圍在2～10ms時，柴油噴油器所對應(yīng)的噴油量呈現(xiàn)出明顯的正相關(guān)關(guān)系，完全符合柴油噴油器使用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求。

此外，在這一噴油脈寬范圍內(nèi)，技術(shù)人員要采用最小二乘法，對線性關(guān)系進(jìn)行擬合處理，從而得出如圖2所示的動態(tài)流量特性擬合直線，該擬合直線方程為：

y=0.0033x-0.0026（1）

式（1）中y和x兩個變量分別代表循環(huán)噴油器和噴油脈寬，同時，兩者的單位分別是mL、ms。

在此基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步提高試驗數(shù)據(jù)的精確性和真實性，技術(shù)人員要采用最小二乘法，對流量值進(jìn)行精確計算，然后，將最終的計算結(jié)果與實際測量流量值進(jìn)行對比和分析，從而求解出柴油噴油器所對應(yīng)的動態(tài)流量線性偏差。此外，為了科學(xué)地調(diào)節(jié)和控制特定脈沖所對應(yīng)的寬度以及噴射周期，需要根據(jù)最終統(tǒng)計的柴油噴油器動態(tài)流量計算結(jié)果，對實際流量值進(jìn)行測量，然后，技術(shù)人員要嚴(yán)格按照柴油噴油器動態(tài)流量統(tǒng)計相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求，精確地計算出動態(tài)流量線性偏差實驗結(jié)果。

動態(tài)流量線性偏差實驗結(jié)果如圖3所示，從圖3中可以看出，該曲線通過將流量偏差設(shè)置為5%，然后，將qmax（實際流量的最大值）與qmin（實際流量的最小值）進(jìn)行作商比值后，計算出流量偏差所對應(yīng)的真實數(shù)值，然后，將柴油噴油器科學(xué)設(shè)置在相應(yīng)的脈沖位置處，然后，將qmax（實際流量的最大值）與qmin（實際流量的最小值）分別物質(zhì)為最大動態(tài)流量和最小動態(tài)流量，在此基礎(chǔ)上，針對動態(tài)流量所對應(yīng)的變化范圍，推導(dǎo)出計算動態(tài)流量范圍的計算式，該計算式為：

DFR=qmax/qmin（2）

通過利用式（2）計算后，發(fā)現(xiàn)當(dāng)出口壓力為300kPa時，動態(tài)流量達(dá)到了3.40。

3.2 出口壓力對動態(tài)流量的影響

通過對出口壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，并繪制出如圖4所示的不同出口壓力下的動態(tài)流量曲線，從圖4中可以看出，當(dāng)出口壓力不斷增加時，單位時間內(nèi)柴油噴油器所提供的噴油量呈現(xiàn)出不斷上升的趨勢，當(dāng)噴油脈寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過5ms時，噴油量的增加幅度會越來越明顯。

為了更好地對比在不同出口壓力下對應(yīng)的動態(tài)流量變化范圍，技術(shù)人員要采用最小二乘法，對該曲線圖進(jìn)行擬合處理，從而得出不同出口壓力下的動態(tài)流量特性擬合直線。

當(dāng)出口壓力不斷上升時，其擬合直線所對應(yīng)的斜率呈現(xiàn)出不斷上升的趨勢，也就是說柴油噴油器所對應(yīng)的噴油速率不斷上升。不同出口壓力下的動態(tài)流量相關(guān)參數(shù)變化如表1所示。通過上述分析內(nèi)容，不難發(fā)現(xiàn)當(dāng)出口壓力不斷上升時，單位時間內(nèi)柴油噴油器所提供的噴油量呈現(xiàn)出不斷上升的趨勢，通過分析和對比在不同出口壓力所對應(yīng)的動態(tài)流量范圍，不難發(fā)現(xiàn)當(dāng)出口壓力達(dá)到了300kPa時，柴油噴油器所對應(yīng)的動態(tài)流量變化幅度較大，當(dāng)出口壓力超過300kPa時，柴油噴油器所對應(yīng)的動態(tài)流量變化幅度趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

3.3 噴油壓力對靜態(tài)流量的影響

靜態(tài)流量主要是指當(dāng)柴油噴油器處于全開放狀態(tài)時，燃油量隨著時間的不斷推移所對應(yīng)的變化狀態(tài)。與動態(tài)流量特性擬合直線相比，兩者的斜率完全相同。此外，通過運用流體力學(xué)相關(guān)知識，可以借助柴油噴油器，精確地計算出各個柴油噴油器所對應(yīng)的噴油量，噴油器的計算公式為：Gf=unFn·gdf（pf-pb）d1（3）

式（3）中的Gf、un、Fn、g、df、pf、pb、d1分別代表單次噴油量、噴油器的流量系數(shù)、噴油嘴的面積、重力加速度、燃料密度、燃料壓力、進(jìn)氣壓力和針閥打開時間。

式（3）充分展示了出口壓力與噴油量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，技術(shù)人員通過根據(jù)這一數(shù)據(jù)關(guān)系，可以全面地分析和研究不同出口壓力下柴油噴油器靜態(tài)流量變化情況。在整個實驗中，在不同出口壓力下，通過開展相應(yīng)的噴油測試試驗，并采用最小二乘法，繪制出不同噴油出口壓力下的靜態(tài)流量，該曲線與動態(tài)流量特性擬合直線的斜率完全相同。

4? 結(jié)束語

綜上所述，通過本次試驗，得到以下結(jié)論：

①對于出口壓力而言，其對柴油噴油器流量特性的影響規(guī)律如下：當(dāng)出口壓力不斷增加時，單位時間內(nèi)所釋放的噴油量呈現(xiàn)出不斷上升的趨勢。

②在不同出口壓力下，動態(tài)流量曲線形態(tài)波動范圍較小，并沒有出現(xiàn)明顯的正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)出口壓力超過300kPa時，動態(tài)流量曲線變化趨勢區(qū)域穩(wěn)定。

③為了進(jìn)一步提高柴油噴油器的運行性能，相關(guān)作業(yè)人員必須要加強對出口壓力的科學(xué)控制，一旦出口壓力過小，會對噴油器在單位時間內(nèi)所產(chǎn)生的噴油量嚴(yán)重不足。當(dāng)ECU在實際的運行期間，為了最大限度地提高柴油噴油器的出口壓力，需要將出口壓力設(shè)置為300kPa，這是由于只有當(dāng)出口壓力達(dá)到300kPa時，柴油噴油器所對應(yīng)的動態(tài)流量變化幅度比較明顯，從而更好地滿足柴油發(fā)動機的運行需求。

④在不同出口壓力下，柴油噴油器靜態(tài)流量波動范圍較大，并出現(xiàn)明顯的正相關(guān)關(guān)系。

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