智能噴油器
——大型發動機噴油技術數字化

【德】 E.RAUER M.ROTTER M.WILLMANN C.SENGHAAS

0 前言

自1997年誕生第1款電控共軌噴油系統以來[1]，在減排措施的推動下，噴油系統壓力在2014年逐步從120 MPa提高到250 MPa[2]。由于壓力較高，某些部件已達到了疲勞強度極限，同時磨損導致部件無法達到正常的使用壽命。現代噴油系統采用多次噴射技術來降低壓力上升梯度(預噴)和碳煙排放(后噴)。該技術同減少碳氫(HC)排放的盲孔優化設計一樣，屬于最先進的技術。另一項仍然存在的挑戰是在噴油部件的整個使用壽命期間，確保其滿足排放要求。因此，嚴格的邊界條件對材料、設計和制造精度提出了很高的要求。此外，現代噴油系統通常需要電子漂移補償，從而通過傳感器監控噴油過程并根據需要重新調節。

未來能源轉型將成為最大的挑戰之一，能源轉型后將減少發動機排放對環境的影響。過剩的、可再生的電能可轉換為燃料，然后再次應用于大型發動機，尤其是用于移動設備。目前，多種燃料都在備選方案之中，如二甲醚，甲醛二甲醚及甲醇等。性質與柴油相近的燃料與現階段的噴油系統一起使用對噴油部件的液壓設計及摩擦系統提出了挑戰[3-4]。

單一的、未混合的燃料或者規格明顯有限的燃料可以通過測試程序和耐久性試驗進行驗證，而燃料混合物的驗證是1項更高要求的工作。由生物柴油的混合經驗可知，許多燃料混合物的驗證與混合比沒有明顯的關系，因而難以控制。

未來需要通過電子系統監控燃油噴射或燃燒。一方面能夠充分利用變化較大的燃料特性實現燃燒的熱力學優化；另一方面可及時檢測到意外的噴射行為甚至發動機故障。

在比較燃油噴射系統時，產品成本通常是最重要的考慮因素之一。通常在計算時不會同時評估采購成本和運行成本。噴油器的漂移現象是決定運行成本的關鍵因素。主動狀態監控可使燃油消耗穩定并延長更換間隔，從而充分延長噴油部件的使用壽命，同時保護發動機免受噴油器缺陷(如由燃料污染引起)的影響。

隨著高度網絡化的架構在工業設備中的應用，組件可與其使用環境進行交互。系統的若干組件可以相互交換數據和信息，從而使子系統、總系統或上級系統得到優化。在大型發動機應用領域，發動機部件集成已逐漸應用在遠程監控系統中，由此為操作安全性、服務和后勤等方面帶來了額外的益處[5]。

2 智能噴油器

噴嘴附近的壓力傳感器可用于監測噴油器功能，并將其狀態傳送給外界。針對噴油過程的控制回路可以監測噴油開始與結束，從而使噴油持續期保持穩定，并對磨損作出響應。目前，為了實現漂移補償，在中央電子系統中處理傳感器信號，并將結果傳送給發動機電控單元，以調節噴射參數。

作為1種全新的高度集成的方法，智能噴油器的信號調節和處理組件位于噴油器上端或靠近噴油器部位(圖1)。噴油器螺線管高頻制動引起的信號干擾和惡劣的環境條件(如溫度和振動等)會影響壓力信號，在電子設計過程中應將其考慮在內。通常，噴油器需要電子元件檢驗哪些附加功能可以通過數字化來實現。目前可實現的基本功能包括漂移補償、狀態監控、組件的數字識別及負荷記錄器。

圖1 集成本地智能技術的噴油器

3 針閥力控制

通過噴嘴上方所獲取的信息，對液壓、機械或電磁組件進行校對通常無法完全實現。如果噴油系統的目標是提供穩定的最小噴油量，如在雙燃料系統中采用相同的噴油器提供起動噴油量和全負荷噴油量，則有必要對噴嘴附近區域的噴油量和壓力情況進行測量分析。

通過對測量方法和空間布置進行系統分析，證明測量閥座接觸和噴嘴針閥上方的控制室壓力具有一定實用價值。考慮到將針閥座設計為電氣開關所帶來的技術挑戰及測量控制室壓力具有附加功能潛力，決定采用被Woodward L’Orange公司稱為“針閥力控制(NFC)”的新技術。

4 結構

由于傳感器安裝在空間狹小的區域，并且承受著來自執行器、輔助閥，以及各種入口和出口施加的高機械應力，因此測量噴嘴針閥上方的控制室壓力比較困難。在初始方法中，從控制室至部件外壁正下方有1個盲孔。盲孔區域采用應變計，從而將傳感器功能集成到噴油器組件中(圖2)。所有應變計元件的原型都是在此基礎上設計的。這種采用粘合應變計的技術現已成為Woodward L’Orange公司在實驗室和單缸試驗機上采用的最先進技術之一。應變計目前尚未達到可投入制造的階段，其主要原因是采用薄膜技術的應變計結構和噴油器液壓部件的邊界條件具有顯著差異。

圖2 用在針閥上方的應變計元件

出于上述原因，Woodward L’Orange公司正在與合作伙伴共同開發高度集成的壓力傳感器，并可應用于Woodward L’Orange公司的所有噴油器。圖3示出安裝在最緊湊的噴油器系列產品上的傳感器，其外部尺寸符合商業傳感元件的要求。通常，傳感元件安裝在1個大型外殼中，并配有放大器和插接件。當采用NFC技術時，這些傳感元件集成在1個非常緊湊的密封殼體內。根據信號特征表明，傳感器小型化可能導致的體積下降現象且不會影響信號評估。

圖3 高度集成的壓力傳感器

5 信號曲線

圖4示出了在噴嘴針閥上方的控制室中所測得的典型壓力信號曲線。當螺線管出現激勵時，噴油器的輔助閥開啟，控制室中的壓力下降且針閥沒有移動；當壓力超過將針閥保持在密封座中的力時，針閥開始移出閥座并進行燃油噴射。該階段的壓力曲線取決于控制室的流入與流出以及針閥的開啟速度。當針閥到達其上止點時，控制室內的壓力下降到由入口和出口之間的比率所確定的壓力水平。當螺線管激勵過程結束時，輔助閥關閉，控制室內的壓力迅速上升且針閥不會移動。當針閥向其閥座移動并達到閥座時，控制室內的壓力再次急劇上升，此時噴油過程結束(圖4)。

圖4 噴嘴針閥上方的控制室中的壓力曲線

由該信號曲線可以看出，即使噴油量非常小，壓力幅度也幾乎相當于系統壓力的50%，因此信噪比良好。如果只需要檢測噴油過程的開始和結束，那么僅需要識別信號中明確顯示的最小值，其余信號曲線信息包括節流閥橫截面、針閥速度和輔助閥特性等，將用于第2開發階段。

6 算法與結果

根據所需精度，選擇以50～100 kHz的采樣率采集信號。通過對輸入信號進行多次過濾和推導的算法，識別出2個特征極值并確定其相對于激勵開始時的位置。該算法適用于不同的液壓結構，且在運行時非常穩定。在任何系統壓力下，噴油開始和結束時檢測到的散射區均小于22 μs。圖5示出了噴油過程開始后激勵持續時間的標準偏差。當前的實驗室設備還無法檢測到哪部分散射是由噴油器引起的。目前，可以測量的最小量低于全負荷噴油量的1%，且驗證率超過98%。因此，該方法實際上可用于瞬態過程的逐次校正。

圖5 計算噴油開始的標準偏差，每次在恒定的激勵時間和不同的系統壓力下進行50次噴射

通過具有相應算法的穩健傳感器技術進行連續且詳細的噴油器監測。通過這種方式實現完整信號的高頻記錄，以便在將來采用更復雜的程序時，可以從信號曲線中獲得上述附加信息。

7 智能噴油器的基本功能

通過漂移補償來矯正由老化引起的噴油器噴射性能變化。將漂移補償功能參數(強度和時間進展)作為有效值輸入狀態檢測模型。為了實現漂移補償和噴油器平衡，將復雜的模型儲存在電子設備中。首先根據工況點監測噴油開始和持續時間并使其保持恒定。然后通過改變激勵時間來補償額外的偏差。除了平衡噴油器，補償流量中由生產造成的公差之外，還需要基于模型考慮無法直接測量的老化現象，如噴嘴流量變化。

圖6比較了約1 000 h運行時間后的未校正的噴油器與校正后的噴油器。部分噴油器超出了公差限制范圍。圖6示出了所考慮噴油器的包絡線。噴油量在激勵時間內處于恒定壓力作用下。結果表明，在校正情況下，全負荷工況下的噴油器散射現象改善了80%。優化散射可使壽命期間的排放值和油耗值穩定，并且延長噴油器的使用壽命。

圖6 1 000 h運行時間后的噴油量曲線散射

狀態監控與漂移補償密切相關，它可以推斷噴油器的機械狀態并預測部件的壽命終止。這是基于狀態維護的先決條件。

通過負荷記錄器記錄在部件磨損中起重要作用的負荷循環。將合適的形式將噴射次數、相應的壓力和噴油量輸入上述磨損模型中。與關鍵部件的疲勞強度模型相結合，負荷記錄器可用于避免自發故障風險，并使昂貴的部件得到充分使用，并在再制造過程中實現回收利用。此外，實際操作中獲得的信息可用于產品開發。在通常情況下，從現場返回的零部件缺乏詳細的運行數據，這增加了精確評估和模型構建的難度。通過訪問負荷記錄器，可將來自各種應用的大量數據整合到連續建模過程中，并延長維護間隔，還可通過長期觀測，提高相關部件的耐久性。

另1項基本功能是組件的數字識別。它簡化了組件的現場處理，可以自動檢查正確的部件編號，簡化交換過程的存檔，并防止劣質剽竊。電子識別取代了容易出錯的過程，其中打印的部件編號、校正數據和其他信息等以光學代碼的形式進行記錄并傳輸到控制單元中。

整個系統的開發階段通過數據云實現設備的聯網，所有功能都可實現計算并得以存儲，供需要時使用。

現代微控制器能經濟高效地執行信號轉換和評估，因此這些功能也可在噴油器上實現本地應用。在實施完全聯網之前采用該方案，以便為原始設備和改造設備提供服務。

8 結語

本文介紹了智能噴油器的基本功能，并用于下一代噴油器的第1開發階段。如果這些功能得以實現，并且可與其他發動機部件、發動機操作系統，以及數據云實現聯網，由此可開發出許多其他的功能(圖7)。

將燃燒室壓力指示和噴油器監測結合在一起，可以改進熱力學分析和發動機診斷，或者簡化非常規燃料的使用。狀態診斷可以改善零部件市場的銷售和物流流程，還可以通過不同的方式應用狀態診斷，如將其用于識別燃料過濾裝置中的缺陷(當多噴油器加速磨損時)，或者在系統安裝之后顯示出各個噴油器的磨損狀態，還可檢測再制造是否經過授權。智能噴油器為各個燃油噴射組件的數字化奠定了基礎，推動噴油技術進入下一個發展階段。

圖7 智能噴油器集成系統