在整機上評價噴油器的新方法

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1 對現代柴油機共軌噴油系統的要求

盡管當前動力總成的發展趨向于更廣泛的電氣化和更高效的廢氣后處理，但是未來高壓燃油噴射仍將起著重要的作用，其主要原因在于廢氣排放法規越來越嚴格，法規中對有害物和CO2排放的限值對現代驅動方案提出了新要求。除了驅動方案的創新之外，發動機原始排放需盡量降低，這也是所有的汽車制造商關注的焦點。其中，燃油噴射系統特別是噴油器作為發動機控制缸內燃燒的重要環節，起著非常重要的作用，而且在發動機的創新方案中決定發動機的性能，并對實現高要求的開發目標(表1)起到關鍵作用。

表1 噴油系統對發動機參數的影響

2 噴油器的穩定性檢驗

現代共軌噴油器的性能特點需在專門的部件試驗臺上進行檢驗，檢驗的方法很大程度上是標準化的，并能提供具有重復性和說服力的檢驗結果，據此能評估其用于發動機和達到廢氣排放等級的能力。而與此相比，對噴油器的抗老化性能和穩定性進行客觀公正的檢驗卻要困難得多,因為根據發動機機型和汽車車型的不同,在發動機運轉時噴油器經受的負荷和行駛功率差異很大，再加之外界條件的強烈變化,其相互作用的變化是極其復雜的,并且諸如氣候環境、車隊使用和各種不同的用戶狀況等因素都難以評估。在這方面，燃油是一個特殊的調整因素，它長時間對發動機的運行性能起著作用，通常難以根據相關的燃油標準來確定噴油部件。開發目標就是以快速有效的方式將這些復雜的因素用某些參數轉化成盡可能簡單和有代表性的試驗程序，為實現這個目標，可采用各種不同的方式方法。在試驗研究中和配件供應商進行溝通協商，為了實現試驗中特定的現象就要使用部件試驗臺，例如目前對噴油器內部涂層的研究。當然，由此獲得的所有結果必須緊接著在整機上予以驗證,因為只有在發動機上驗證才能表明噴油器性能的優劣(表2)。為了進行檢驗，汽車制造商、零部件制造商和研究機構已在短時間內合作或自主開發了各種不同的試驗方法，以便能在發動機上以合理的成本和貼合實際狀況的條件進行噴油器穩定性試驗。標準化試驗方法有助于節省成本和確保耐久效果，因而具有良好的可接受度。但是，遺憾的是，標準化試驗方法不能使發動機技術始終保持快速的發展狀態，因為很少以過時的技術為基礎來建立標準。因此，汽車制造商在已制造的發動機上直接進行噴油器穩定性試驗始終是不可缺少的，因此試驗技術與發動機自身的試驗工作應相匹配發展。

表2 發動機上噴嘴積炭的影響因素(按照影響程度分類)

3 噴油器的集成

實際中存在的難題就是將所要進行試驗的噴油器集成到基準發動機上。因為幾乎所有的噴油系統制造商都是以整個系統的形式將噴油器投放市場的，這是以對整個系統性能的高要求為基礎的，只有通過完整的開發及硬件與控制邏輯彼此之間完美的協調才能可靠地確保在整個使用壽命期內達到這些要求。與此相對應，不僅包括噴油系統內所有的液力部件(例如燃油泵、共軌)，而且由配件供應商提供的電控單元(ECU)連同所附屬的軟件，都必須與新的噴油器一起集成到發動機上，因此這就需要在發動機上將傳感器和執行器進行匹配，并將所有對廢氣排放和功率有重大影響的功能和特性曲線場的標定整合成一套完整的發動機系統。

4 檢驗噴油器穩定性的新方法

為此，現代汽車公司歐洲技術中心(HMETC)開發了一種快速和低成本的替代方法，在相對較少的費用下將新的噴油器可靠地裝配到現有的發動機上，只須通過結構型式設計使其形狀和尺寸能安裝到現有的氣缸蓋中。

在這種情況下，噴油系統的其余部分和ECU連同發動機控制邏輯都可以保持不變。此時待試驗的噴油器僅僅是在機械上被集成，與現有氣缸蓋的匹配不會出現特殊的問題。出于通用性的原因，所有制造商產品的主要尺寸都是相同的，并通過可變的長度尺寸和連接方式提供了很大的適應靈活性。接入到發動機現有的噴油液壓管路中同樣也并不復雜，而高壓管路和其余的接頭則都在公司內部的試制車間進行制作，這樣就能有效地節省時間。

發動機電控單元本身無需改變，噴油器的控制始終由相同的特性曲線場和輸出端實現。僅需在發動機電控單元與噴油器之間的電纜接頭中新加入一個專用接口，作為驅動工作單元，并利用從發動機電控單元傳來的脈沖作為觸發信號同步產生和輸出合適的控制電流，用于新的噴油器。圖1示出了信號的轉換，圖2示出了發動機上重要的結構組件，其中噴油器控制模塊(Vemac公司)成為新方法中的核心部分，它是由HMETC與高等院校和專門開發控制軟件及硬件的專業公司共同合作開發并進行試驗的，這種控制器不僅能在部件試驗臺和整機上，既可在穩態運行中也可在瞬態運行中控制電磁閥或壓電式噴油器可靠地運行。可提供標準波形并用作電流波形。另外，還有可自由編程的輸出級供標定者使用，不僅可在試驗臺上進行脫機試驗，而且也可在運行的發動機上在線采用合適簡單的方式調整或重新確定電流波形。現在有一種標準的控制邏輯可用于壓電執行器試驗，能在電壓、電流或能量之間選擇合適的參量作為導向變量(圖3)。

圖1 信號轉換示意圖

圖2 所包含的結構組件

圖3 電流波形

5 試驗的實施

因為每一種型式的噴油器都具有各自的噴油量特性和響應滯緩現象，因此發動機電控單元中相應特性曲線場的標定必須進行調整,但這并非是在發動機試驗臺上,通常是在共軌試驗臺上進行的。其優點一方面是減少了發動機運轉時間從而降低了費用，HMETC長期以來不僅在共軌試驗臺上測試噴油器，同時還能擴展試驗過程，附加進行上述特性曲線場的標定，并采用自動運行，不會增加成本。在發動機試驗臺架上進行檢驗時，通常噴油起始點和噴射間隔的標定數據精度非常高，但根據測量方法和邊界條件的不同，噴油器的偏差則高達6%，但是其中大部分屬于系統特性方面的問題，能夠在數據準備中通過采用相應的修正系數特性曲線場穩定地予以補償。在采取這些措施后，所有使用經試驗過的噴油器的發動機功率都處于預先規定的誤差范圍以內，而且在發動機試驗臺架上不會產生其他的標定費用。但是，應注意到邊界條件，新噴油器和原噴油器必須呈現相似或幾乎相同的液壓流量值，這樣才能確保相似性原理。

6 在預開發和量產開發方面的優勢

對于量產開發，可能要對新噴油器的穩定性進行快速和簡單的試驗，而這一過程在預開發中的作用則更為重要。在發動機初期開發階段，由于能供使用的試驗載體數量較少并受使用壽命的限制，此時進行噴油部件的穩定性試驗是較難實現的，但量產發動機可采用該方式進行試驗。鑒于此類情況，噴油器穩定性試驗可以更早地開展，可使得量產之前的開發階段的時間表變得更加寬松，從而節省寶貴的開發時間。或者如果有必要從原穩定性試驗中取得經驗，那么就可采用經改進的硬件實施另一種試驗步驟。

7 在噴孔積炭方面的實際應用

HMETC在柴油機噴油器噴孔積炭研究中(圖4)首次應用了新方法，可使不同制造商的噴油器能在一臺特定的基礎發動機上進行短期試驗。

圖4 噴孔中積炭的形成

研究的目的是為了在系統壓力越來越高時，可采用越來越小的噴孔直徑，這是轎車柴油機噴油系統的發展趨勢(圖5)。HMETC認為借助于模擬計算雖然能使起相反作用的參數相互協調，且無法為預測發動機工作中的狀況提供有力的依據，因此決定通過噴油器穩定性試驗來研究此課題。從早期的試驗研究就已得知，不同制造商的噴油嘴方案在其積炭改善方面有很大的差異。目前可通過噴孔直徑的變化來研究不同制造商噴油嘴設計對其抗積炭性能的影響，其中在發動機上使用了4家系統供應商所提供的新的噴油器方案。在試驗中通過輸入特性曲線場數據可大大縮短在發動機試驗臺架上的準備時間。在采用小噴孔直徑的噴油器方案情況下，必須根據由此減小的液壓流量，再對噴油起始點稍作標定，以便補償滯后的燃燒過程。總的來說，通過這種試驗可獲得可靠的測量數據，并通過數據分析就可得到明確的結論(圖6)。

圖5 噴孔設計趨勢

圖6 不同噴油器方案的積炭趨勢

8 加深分析和更多的技術儲備

除此之外，試驗測量技術與發動機臺架試驗測量數據相結合，能夠加深對兩者之間關系的認識，從而獲得更多的技術儲備。此外，雖然在發動機試驗臺架上能快速形成具有重復性和代表性的噴油嘴積炭情況，但無法予以正確地定量。在此期間，新型噴油器方案受積炭限制，會使噴油量減小，若是不受外界影響的固有特性，則僅通過其特殊的液力機械設計就能予以補償，同時降低的噴油速率可通過噴油持續時間予以彌補，從而使發動機扭矩和功率可以幾乎保持不變，不過可能會間接地影響到燃燒持續時間延長的問題。但是，在發動機試驗臺架上通常難以識別噴油嘴積炭，特別是無法給出其與扭矩和功率波動的比例關系。因此，為了正確地描述噴油嘴積炭，采用在部件試驗臺上測量噴油速率的附加措施是絕對有必要的。由于采用了新方法將噴油器快速集成到發動機上，現代汽車公司已大大縮短了新噴油器方案穩定性試驗的實施時間，在今后預開發和量產開發中將利用這些優點，以節省總的開發時間和成本，同時進一步改善產品品質。