發動機噴油器積碳形成模擬裝置的開發*

宋承艷王　莉李萬眾周建偉韓　欣（-天津農學院工程技術學院　天津　300380　-天津大學機械工程學院）

發動機噴油器積碳形成模擬裝置的開發*

宋承艷1王莉1李萬眾2周建偉2韓欣2（1-天津農學院工程技術學院天津3003802-天津大學機械工程學院）

摘要：基于缸內直噴汽油機噴油器積碳的生成機理，開發了一套噴油器積碳形成模擬實驗裝置及控制系統。該裝置主要由基于MAX6675和熱電偶設計的噴油器頭部加熱控制模塊、基于驅動電流進行噴射定時和噴射量控制的噴油器控制模塊和噴霧箱等組成。在發動機臺架和積碳形成模擬裝置上進行了噴油器積碳對比試驗，兩種方式下得到的噴油器積碳成分分析對比表明，發動機噴油器積碳形成模擬系統可以較好地模擬噴油器在發動機內的實際工作情況。

關鍵詞：缸內直噴汽油機噴油器積碳模擬裝置

引言

汽油機缸內直噴技術由于能顯著改善燃油經濟性，滿足未來更嚴格的排放標準，已經成為車用汽油機的一個重要發展方向。缸內直噴汽油機（GDI）的各種優良性能主要源自于它能直接對發動機缸內空燃比進行精確的控制，這就要求直噴汽油機必須擁有一套能夠精確控制的燃油供給系統。噴油器作為供油系統的終端和執行者，是直噴汽油機最關鍵的零部件，噴油器性能的好壞直接影響燃油的霧化質量，從而影響發動機的性能和排放。然而，由于積碳造成的噴油器結構參數的變化卻時刻影響著燃油的噴霧形狀和霧化程度，從而影響GDI汽油機的使用性能[1～3]。

GDI發動機噴油器積碳現象在發動機運行很短時間后即可形成，并且與運行時間并不呈線性關系[4，5]。為了研究噴油器積碳的形成機理及過程，需要定量研究發動機運行過程中各種因素對積碳的影響。由于噴油器安裝在發動機上，精確控制影響積碳的各種因素難度較大，導致在發動機上觀測積碳的形成過程非常困難。本文開發了一套噴油器積碳形成模擬實驗裝置及控制系統，并進行了噴油器積碳實驗，證明了在實驗室尺度下研究噴油器積碳問題的可行性。

1　系統總體方案設計

噴油器積碳形成模擬實驗裝置及控制系統由上位機、噴油器控制模塊、噴油器驅動模塊、噴油器頭部溫度控制模塊、噴油器、噴霧箱、高壓燃油罐和介質氣瓶等組成，其結構示意圖見圖1。其中噴油器控制模塊、噴油器驅動模塊、噴油器頭部溫度控制模塊集成于下位機控制器，噴油器放置在壓力可控的噴霧箱內，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）。噴油器驅動電路驅動噴油器開啟并將高壓燃油噴入噴霧箱內。噴油器的前端安裝有可以進行20～250℃范圍加熱的加熱套，加熱套上裝有加熱絲作為發熱元件，采用K型熱電偶進行溫度采集，加熱套外部有石棉材料起保溫作用，上位機會通過串口通信將噴油器頭部加熱溫度設定值送給控制器，由控制器對噴油器頭部溫度進行閉環控制。高壓燃油由高壓氮氣驅動，壓力范圍0～15 MPa；噴霧箱內為N2和CO2混合氣，背壓可調，最大壓力1.0 MPa。

圖1　噴油器積碳形成模擬實驗裝置及控制系統示意圖

2　控制系統硬件方案設計

控制系統下位機采用MSP430F2112單片機為主控芯片[6]，下位機的功能模塊包括噴油器頭部加熱控制、噴油控制和通信模塊等。其中通信模塊采用了基于MAX232芯片的RS-232串口通信方式，實現上位機和噴油器控制器之間的通信，可以實時修改控制參數。

2.1噴油器頭部加熱控制

噴油器頭部加熱控制模塊測量控制接口如圖2所示，加熱套的溫度控制范圍為20~250℃，傳感器采用K型熱電偶，熱電偶測量電路選用MAX6675。MAX6675是美國MAXIM公司生產的帶有冷端溫度補償、線性校正、熱電偶斷線檢測等功能的K型熱電偶測量轉換電路，其輸出為12位二進制數字量[7]。MAX6675將熱電偶輸出的mV信號直接轉換成數字信號送給單片機MSP430F2112，冷端溫度補償問題由MAX6675自行解決。單片機通過串行口與上位機通訊，發送測量數據，接收溫度給定值，并將溫度測量值與給定值比較分析，送出控制信號，經三極管放大后控制繼電器進行加熱工作，使加熱套的溫度=能夠穩定在給定點附近。

2.2噴油控制

噴油控制模塊的驅動電路采用雙電源雙邊驅動單段保持的PWM（PulseWidth Modulation，脈沖寬度調制）波控制驅動方式，圖3所示為噴油器控制接口及驅動電路原理圖。其中：O1、O2為光電耦合器4N25，起隔離作用；Q3、Q4為場效應管IRFH58N20，在電路中起到高速開關作用；M1、M2為肖特基二極管MUR1660CT，在電路中起隔離作用，防止噴油器電磁線圈斷電瞬間過高的感應電動勢損壞驅動電路。IR2101是高低端驅動芯片，其作用是接收控制器發出的驅動指令并控制場效應管的高速通斷[8]。

當驅動電路上電后，+12V電源通過肖特基二極管MUR1660CT接通到驅動電路輸出端，Q3的通斷決定整個驅動電路是否工作，此時Q3未導通。在噴油器開啟階段，ECU輸出的高電平信號被光耦O1、O2同時接收，O1的輸出通過IR2101導通Q4、O2的輸出導通Q3。升壓電路輸出的+65V高電壓由于Q4導通驅動噴油器，+12V電壓暫時不參與驅動；在保持階段，ECU輸出低電平給O1使Q4關斷，輸出PWM波信號給O2，正12V電壓在PWM的控制下使Q3按PWM波形通斷，Q3關斷期間噴油器電磁線圈電流通過電阻R40和二極管D5形成放電回路，將保持階段的電流控制在一定水平；在關閉階段，ECU同時發出低電平信號給O1、O2，場效應管Q3、Q4均不導通，噴油器斷電，電磁閥迅速關閉。

圖2　噴油器頭部加熱控制模塊測量控制接口

圖3　噴油器控制接口及驅動電路

3　控制系統軟件方案設計

控制系統軟件設計須實現：噴油器頭部加熱套溫度采集處理，加熱套溫度控制，噴油器開啟時刻和開啟持續時間的控制，噴射頻率及實驗持續時長的定時控制，控制器、上位機和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、加熱套控制參數更新和加熱控制、噴油器控制參數更新和噴油控制等功能模塊，下位機運行流程圖如圖4所示。

圖4 下位機控制器軟件運行流程

控制器輸出的控制時序為：當接收到溫度設定和噴射頻率及實驗持續時長設定后，首先對加熱套溫度進行控制，溫度達標后上傳當前溫度和噴油數據。然后根據接收到的噴射頻率設置噴射持續時間、兩次噴射間隔，根據實驗持續時長設置噴射次數；每次噴射時，要同時置位高電壓信號和PWM信號，使噴油器快速開啟。開啟階段完成后，復位高電壓信號，輸出PWM信號使噴油器工作在保持階段。噴霧完成后復位PWM信號，每次噴射完成后，要檢查當前溫度并上傳，間隔時間到后進行下一次噴射，設置的噴射次數完成后返回并上傳數據。

4　噴油器積碳實驗

在一臺實驗室搭建的2L 4缸增壓直噴帶EGR汽油機臺架上開展噴油器積碳實測，該實驗機具有開放式ECU，雙VVT系統，能夠實現對噴油壓力、噴油脈寬、點火提前角以及EGR率、增壓比等的控制，以商用97#汽油為實驗用油，使發動機低速大負荷連續運行8 h，噴油器積碳明顯。表1是對該噴油器積碳的成分分析。

在發動機噴油器積碳形成模擬系統上進行對比實驗，采用上面實驗中的同款噴油器，將加熱套的溫度設定在20~220℃，對應發動機臺架實驗工況點的轉速和負荷設置噴油模式，連續運行8 h，噴油器也存在明顯積碳。表2是對該噴油器積碳的成分分析。

表1　形成于實際發動機上的噴油器積碳成分分析

表2　形成于模擬裝置上的噴油器積碳成分分析

所用檢測儀器為島津能量色散X射線光譜儀（Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy，型號為島津EDX-LE）。該儀器能夠借助分析試樣發出的元素特征X射線波長和強度實現對波長的測定，從而得出試樣所含的元素，根據強度測定元素的相對含量。

從表1、2的對比分析來看，兩種方式形成的噴油器積碳成分比例非常接近，發動機噴油器積碳形成模擬系統可以較好地模擬噴油器在發動機內的實際工作情況。

5　結論

針對GDI發動機噴油器積碳問題的研究需求，本文中設計了噴油器積碳形成模擬裝置，在典型工況下進行了噴油器積碳實驗，結論如下：

1）基于MAX6675設計的噴油器頭部加熱控制模塊測量控制結構簡單，控制方便，能夠達到實驗對噴油器頭部加熱溫度的控制要求。

2）基于驅動電流控制的噴油器控制模塊，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，采用單片機進行噴射次數控制，能夠方便地進行噴油器積碳形成模擬實驗，節省試驗工作量。

3）對實車老化和采用積碳形成模擬裝置形成的噴油器積碳成分分析對比表明，兩種情況下生成的積碳成分相近，發動機噴油器積碳形成模擬系統可以較好地模擬噴油器在發動機內的實際工作情況。

參考文獻

1Ronny Lindgren，Mikael Skogsberg，H?kan Sandquist，et al.The influenceof injector depositsonmixture formation in a DISCSIengine[C].SAEPaper2003-01-1771

2Arndt Joedicke，Jens Krueger-Venus，Peter Bohr，et al. Understanding theeffectofDISIinjector depositson vehicle performance[C].SAEPaper2012-01-0391

3Heder Fernandes，Leonardo C.Braga，Ana Rosa Martins，etal.Fuel sulfate content influence in the formation of inorganicscomponentsdepositsin theengine injectorswith technologies of gasoline direct injection[C].SAEPaper 2012-36-0314

4William Imoehl，Luca Gestri，Marco Maragliulo，et al.A DOEapproach toengine deposit testingused tooptimize the design ofagasoline direct injector seatand orifice[C].SAE Paper2012-01-1642

5Von Bacho P.，Sofianek J.，Galante-Fox J，et al.Engine test for accelerated fuel deposit formation on injectors used in gasoline direct injection engines[C].SAE Paper 2009-01-1495

6洪利，章揚，李世寶.MSP430單片機原理與應用實例詳解[M].北京：北京航空航天大學出版社，2010

7虞致國，徐健健.MAX6675的原理及應用[J].國外電子元器件，2002（12）：41～43

8蔣林，肖偉，珍瑪曲宗，等.基于IR2101最大功率跟蹤逆變器的設計與實現[J].電子設計工程，2010，18（11）：27～29

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中圖分類號：TK413.8+4

文獻標識碼：A

文章編號：2095-8234（2015）02-0045-04

收稿日期：（2015-02-09）

基金項目：天津市大學生創新創業訓練計劃項目，項目號：201410061148。

作者簡介：宋承艷（1990-），女，大學本科，主要研究方向為測控技術與儀器。

通訊作者：王莉（1976-），女，副教授，博士，主要研究方向為發動機燃燒與控制。

Developmentof an Engine Injector Deposits Formation Simulating Apparatus

Song Chengyan1，W ang Li1，LiWanzhong2，Zhou Jianwei2，Han Xin2
1-SchoolofEngineering Technology，Tianjin AgriculturalUniversity（Tianjin，300380，China）
2-School ofMechanical Engineering，Tianjin University

Abstract：Based on themechanism of injector deposits formation in a direct injection gasoline engine,a device to simulate the injector deposits formation environmentand its control system were developed.The apparatus ismainly composed ofa MAX6675 and thermocouple based injector tip heating controlmodule，a driving current based injection timing and counting controlmodule and an injecting box.The contrast injector deposits formation experimentswere carried out on an engine and the injector deposits formation apparatus.The composition analysis of the injector deposits derived from the twomethods shows that the injector deposits formation simulatingapparatus can simulate the in-cylinderenvironment reasonably.

Keywords：directinjection gasolineengine，injector，deposit，simulating apparatus