直噴汽油機噴油器驅動系統的設計和噴霧試驗

于秀敏，楊 松，趙立峰，董 偉，張文超，孫 平，何 玲

(吉林大學，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130022)

前言

汽油缸內直噴技術在提高汽油發動機經濟性和降低有害物質排放方面有很大的優勢，是當今國內外汽油發動機研究的重要領域。改善發動機的經濟性和排放性關鍵在于優化和控制發動機的燃燒過程。缸內直噴汽油機燃油由于存在燃油霧化時間短、與空氣混合不充分等問題，其噴霧射流的霧化、蒸發和與缸內新鮮空氣的混合情況將直接影響發動機的燃燒過程［1－3］。噴霧特性對改善直噴汽油機的經濟性、動力性和排放特性有重要意義。

文獻［4］～文獻［6］中對單孔渦旋式噴油器的噴霧特性進行了研究，建立了噴油器噴霧貫穿距離經驗公式和噴油器油束模型。文獻［7］～文獻［8］中研究了缸內直噴汽油機燃燒系統混合氣形成規律，并提出了相應的控制策略。文獻［9］～文獻［10］中對多孔型噴油器噴霧射流的初期破碎、破碎、蒸發和射流形成過程做了深入研究。

缸內直噴發動機噴油器驅動系統的研究還比較少，精確控制噴油定時、驅動電流和燃油噴射量難度較大。本文中設計了以L9707芯片為基礎的電流驅動型噴油器控制系統，利用噴射系統對多孔GDI噴油器驅動控制系統進行了測試和驗證。研究了典型工況下的噴霧特性，分析了噴霧錐角、噴霧貫穿距、燃油分布形態和噴霧發展過程。

1 噴霧測試系統

試驗所用的噴油器為GDI多孔噴油器，該噴油器具有渦旋室，均布6孔，噴孔直徑0.18mm、噴射錐角 50°。

噴油器噴霧測試系統由上位機、噴油器控制模塊、噴油器驅動模塊、噴油器、高速攝像機、定容積容器、高壓燃油罐和高壓控制氣瓶等組成，其結構示意圖見圖1。上位機通過串口通信將噴油器開啟時間、峰值電流保持時間和相鄰噴射時間間隔等的控制參數發送給噴油器控制器，控制器依據上位機發送的的噴油控制信號，產生噴油器驅動控制信號(PWM信號)和高速攝像機圖像采集觸發信號(TTL信號)。噴油器驅動電路驅動噴油器開啟并將高壓燃油噴入可視化定容積容器內。采樣頻率10 000幀/s，分辨率512×512bit。高壓燃油由高壓氮氣驅動，壓力范圍0～15MPa;定容積容器內為N2和CO2混合氣，背壓可調，最大壓力1.0MPa。

2 噴油器控制系統硬件方案設計

噴油器控制系統總體技術方案須實現:對噴油器驅動電流的控制;能精確控制噴油時刻和噴油量;具備通信和調試功能。噴油器控制方案包括:(1)具有電壓轉化和電源保護功能的電源管理模塊;(2)實現上位機、控制器和驅動芯片間通信的通信模塊;(3)產生噴油控制信號的噴油器控制模塊;(4)產生Peak_Hold電流的噴油器驅動模塊。

2.1 噴油器主控系統

噴油器主控系統包括:電源管理模塊、通信模塊和主控芯片最小系統模塊。采用了基于MAX232芯片的RS-232串口通信方式，實現上位機和噴油器控制系統之間的通信，可以實時修改噴油器控制參數。主控系統采用MC9S12XDP512型單片機，芯片系統資源豐富，能實現復雜的算法，具有多個獨立的通信模塊，支持背景調試模式，方便對噴油器控制參數和運行狀態的檢測和更新。

2.2 噴油器驅動系統

采用L9707芯片作為驅動芯片，實現對驅動電流(Peak-Hold Current)各段電流的大小和持續時間的控制。該驅動系統可以同時驅動3組6個噴油器工作，并且提供了過流保護、短接高邊驅動檢測、開路檢測和保護等功能。此外，芯片具有SPI通信接口，能實現多種驅動電流模式和錯誤診斷。

噴油驅動芯片內部結構包括:(1)DC/DC升壓模塊，具有Boost升壓電路，可提供高電壓最大電壓值為70V，通過電阻REIN1和REIN2可調節電壓大小;(2)高邊預驅動模塊，包括3路VHU預驅動模塊和3路VHB預驅動模塊;(3)6路低邊驅動模塊、SPI通信模塊和邏輯控制模塊。芯片具有串行通信SPI接口，具有3種電流驅動模式:Hold模式;Peak-Hold模式;PEAK-Hold1-Hold2模式。不同驅動電流模式下，噴油驅動控制信號和控制效果見表1。

表1 L9707控制真值表

驅動電流波形由控制系統和驅動芯片設定，INJPI和INJI為輸入控制信號。當INJPI和INJl同時置高時，開啟VHU預驅動，峰值電流閾值(Peak Current Threshold)可由外接電阻Rpu和Rpd設定;INJI信號置高時開啟VHB預驅動，通過斬波控制保持電流，保持電流水平可由外接電阻設定(Hold1段電流由Rh1u和 Rh1d設定;Hold2段電流由 Rh2u和 Rh2d設定)。

3 噴油器控制系統軟件方案設計

噴油器控制系統軟件設計須實現:噴油器驅動電流模式的設置;噴油器開啟時刻和開啟持續時間的精確控制;噴油器控制器、上位機和噴油驅動芯片之間的通信等功能。設計的噴油器軟件控制方案包括了控制器初始化、控制器通信、噴油器控制參數更新和噴油控制等函數，各函數的功能如表2所示。

表2 控制系統函數

噴油器驅動系統控制程序運行流程:程序首先定義控制系統的控制參數，并對其進行初始化，然后對控制器的輸出端口和通信模塊寄存器進行初始化，確定輸出信號的類型和噴油器驅動電流模式。當噴油器控制器接收到上位機發送的噴油器控制參數(包括噴油器開啟信號、噴油持續時間和峰值電流持續時間)后，使能相應控制模塊，產生噴油控制信號控制噴油器開啟和關閉。

4 典型工況下噴霧特性測試

在噴油器噴射壓力 8與 6MPa、噴射背壓0.1MPa、噴射脈寬6ms和峰值電流持續時間1.5ms典型工況下，研究了多孔式缸內直噴汽油機噴油器噴霧射流定容噴霧發展過程。

噴霧參數定義:噴霧錐角為不考慮噴霧射流外圍的湍流褶皺時，與燃油外圍相切的兩條直線間的夾角;噴霧貫穿距離為從噴嘴出口至射流發展頂端的距離。

圖2為不同噴射壓力下的噴霧過程，時間為1～8ms。噴霧射流噴入容器內后迅速向下發展，并有橫向擴散。由于射流和空氣的卷吸作用，從3ms開始在射流外圍形成明顯褶皺，在5ms時明顯形成渦旋結構。射流發展初期噴霧錐角較大，噴霧穩定后噴霧錐角略有減小，但整體變化不大。初期貫穿距離增長迅速，3ms時達到58mm;后期貫穿距離隨時間幾乎呈線性增長趨勢。噴霧射流發展到最大貫穿距離2/3(60mm)左右后，由于噴霧射流外圍燃油在與空氣相互作用后，液滴動量減小，燃油分布形態基本保持不變。噴射結束之后，噴霧繼續向下發展，但速度很慢。

圖3顯示了兩個典型噴射壓力下噴霧錐角的變化情況。當噴射壓力為6MPa時，噴霧穩定后(3ms)噴霧錐角約為32°;噴射壓力8MPa時，噴霧錐角為36°。在典型噴射壓力下，噴射壓力較大時噴霧錐角也略有增大。噴霧錐角主要受噴油器結構影響，多孔式噴油器的整體噴霧錐角主要受噴孔布置角度的影響，受單孔噴霧射流影響較小。噴油壓力提高時，單孔噴霧錐角增大，整體噴霧錐角會略微增加，但增加幅度較小［11］。

圖4顯示了噴霧貫穿距離隨時間的變化關系。噴霧貫穿距離發展過程分為兩個階段:初期發展階段和主要發展階段。以噴射壓力為8MPa為例，初期發展階段，噴霧貫穿距離增大速度較快，1.5ms時，貫穿距離增加至 50mm，平均增長速率約為33.3m/s;主要發展階段噴霧貫穿距離增加速度變緩，增加速率約為7.8m/s。初期階段的噴霧遠端射流速度較快，遠端燃油液滴動量較大，噴霧射流迅速向下發展，噴霧貫穿距離增加較快;隨著噴霧遠端燃油和空氣間的動量交換和相互作用，噴霧遠端燃油液滴運動速度變慢，遠端燃油液滴動量與環境阻力幾乎平衡，燃油貫穿距離增長速度緩慢［4］。

典型工況下，噴油結束(6ms)時，噴射壓力6MPa下的噴霧貫穿距離為72.6mm，噴射壓力8MPa下的噴霧貫穿距離為78.5mm，最大噴霧貫穿距離增加了4.9mm。噴射壓力對多孔噴油器貫穿距離的影響較小，噴射壓力從6增加至8MPa，噴霧貫穿距離增加了4.9mm。對多孔型噴油器，由于噴孔直徑較小，當噴射壓力升高時，噴孔對噴霧射流的節流作用加強且噴霧發展初期介質氣體對噴霧射流的阻礙作用也會增強，噴霧貫穿距離隨噴射壓力增加的幅度較小。

5 結論

GDI發動機對噴油器的瞬態響應特性要求較高，須精確控制噴油器驅動電流。本文中設計了噴油器驅動系統，在典型工況下對噴油器驅動系統進行了驗證，并對噴霧射流發展過程進行了研究，結論如下。

(1)基于驅動電流控制的噴油器控制系統，可以實現噴射定時和噴射量的精確控制，噴油器響應迅速、工作可靠。Peak_Hold模式可實現噴油器驅動電流波形的準確控制以及峰值電流(Peak Current)、Hold1段保持電流和Hold2段保持電流的有效控制。

(2)多孔型噴油器在典型工況下，噴霧射流錐角隨時間先增大后減小，噴霧射流穩定后噴霧錐角基本保持不變。隨著噴射壓力的增大，整體噴霧錐角略有增加。噴霧貫穿距離發展明顯分為初期發展階段和主要階段。初期階段，噴霧貫穿距離隨時間迅速增大;主要階段，射流貫穿距離隨時間線性增加。典型工況下，多孔型噴油器噴霧貫穿距離受噴射壓力影響較小，噴射壓力增加時噴霧貫穿距離也隨之增加，但增加幅度較小。

［1］ Zhao F，Lai M，Harrington D L．A Review of Mixture Preparation and Combustion Control Strategies for Spark-Ignited Direct-Injection Gasoline Engines［C］．SAE Paper 970627．

［2］ Tomoda T，Sasakl S，Sawada D，et al．Development of Direct Injection Gasoline Engine-Study of Stratified Mixture Formation［C］．SAE Paper 970539．

［3］ Fraidl G K，Piok W F，Wirth M．Gasoline Direct Injection:Actual Trends and Future Strategies for Injection and Combustion Systems［C］．SAE Paper 960465．

［4］ 李波，李云清，王德福．GDI發動機噴霧特性的數值模擬擬合實驗研究［J］．內燃機學報，2012，30(1):9 －15．

［5］ 高劍，蔣德明，廖世勇，等．缸內直噴汽油機高壓渦旋噴油器的油束模型［J］．西安交通大學學報，2003，37(9):898 －902．

［6］ 高劍，蔣德明，廖世勇，等．一種改進的直噴汽油機渦旋噴油器的油束模型［J］．內燃機學報，2003，21(5):289 －22．

［7］ 王建昕，王燕軍，雷小呼，等．兩段噴射GDI發動機分層混合氣控制策略研究［J］．汽車工程，2005，27(3):285 －288．

［8］ 王燕軍，王建昕，帥石金．兩段噴射直噴式汽油機燃燒系統的混合氣形成規律［J］．清華大學學報(自然科學版)，2005，45(8):1149－1152．

［9］ Zigan L，Schmitz I，Wensing M，et al．Effect of Fuel Properties on Primary Breakup and Spray Formation Studies at Gasoline 3-hole Nozzle［C］//ILASS-Eu-rope 2010，23rd Annual Conference on Liquid Atomization and Spray System．Brno:Czech Republic，2010:1－5．

［10］ Zigan L，Schimitz I，Wensing M，et al．Effect of Fuel Properties on Spray Breakup and Evaporation Studied for a Multihole Direct Injection Spark Ignition Injector［J］．Energy ＆ Fuels，2010，24(8):4341－4350．

［11］ 蔚慶國，王艷華，等．缸內直噴汽油機多孔噴油器噴霧特性實驗研究［J］．車用發動機，2012，5(16):71 －76．