多次噴射噴霧脈寬與控制信號脈寬對應關系研究

趙志帥，徐丹，孫柏剛

(1.北京理工大學機械與車輛學院，北京 100081；2.中國北方發動機研究所(天津)，天津 300400)

多次噴射可以有效提升柴油機排放性和經濟性，在柴油機中得到了廣泛應用[1]。在多次噴射中，噴射脈寬和噴射間隔是兩個關鍵的參數。噴射脈寬直接關系到噴油量，對柴油機的排放性和燃油消耗造成影響。電磁噴油器存在電磁延遲[2]和液力延遲[3]，使得實際噴射脈寬與控制信號脈寬存在差異,從而對柴油機燃燒性能造成影響[4-5]。噴射間隔與各個噴射階段的噴油量存在確定性依賴關系[6]。噴射間隔過小則會導致多次噴射發生燃油融合現象[7-9]，從而導致燃油消耗加劇和顆粒物排放增加[10]。因此，研究多次噴射實際脈寬和控制脈寬之間對應關系，以及多次噴射臨界間隔時間，對于優化柴油機的排放性能和油耗性能將產生積極的影響。

眾多學者對于實際噴射脈寬與控制信號脈寬之間差異進行了大量研究。郭世龍等[11]通過AMESim仿真研究了電控噴油器電磁信號的響應時間。劉楠等[12]利用matlab/simulink對電控噴油器電磁信號和針閥升程信號的差異進行了研究。銀增輝等[13]通過試驗對電磁控制信號和噴油器入口壓力信號的差異進行了研究。上述研究中實際噴射脈寬的確定均是在針閥處或者噴油器入口處間接獲取，而無法直觀地獲取到實際噴射脈寬。噴霧作為供油系統和燃燒系統的結合點，對于供油和燃燒相匹配十分關鍵。實際噴射脈寬指的是燃油開始進入缸內到燃油停止進入缸內之間的時間段。通過噴霧圖像可以清楚直觀地獲取缸內燃油噴射的起始狀態和噴射情況，相較于其他方式，可以更方便準確地獲得實際噴射脈寬。利用可視化試驗裝置對缸內噴霧進行觀測，通過噴霧圖像可以直觀地獲得實際噴射脈寬。將供油系統噴射過程延伸至缸內，可進一步對噴射脈寬和間隔時間的影響因素進行分析。

本研究在超高壓供油平臺上，利用可視化手段進行了單孔噴霧試驗。通過試驗結果分析研究了在超高壓噴射系統不同背景密度情況下多次噴射噴霧脈寬和控制信號脈寬之間的對應關系。

1 試驗設計

1.1 試驗系統

試驗系統由超高壓供油系統與可視化試驗裝置兩部分組成。超高壓供油系統油泵最大工作壓力為250 MPa，電磁噴油器最大工作壓力為300 MPa?？梢暬囼炑b置由定容彈、高速攝像機、光源以及控制系統等部分組成。高速攝相機拍攝速度為200 000 fps，分辨率為256×504像素，光源采用HYXYL Daylight compact 1200型鏑燈，放置于相機通道的對面。圖1示出可視化試驗裝置示意圖。

圖1 可視化試驗裝置示意

1.2 試驗工況的設定

表1所示為噴霧發展特性試驗工況設置。試驗中所有工況均重復進行10次試驗，以減小誤差。

表1 噴霧試驗工況

試驗所用噴油器為單孔噴油器，孔徑為0.148 mm。經試驗測試確定單次噴射單孔噴油量為16.3 mg。多次噴射總噴油量保持16.3 mg恒定，通過改變預噴射油量比例獲得多種工況。

2 試驗結果與分析

2.1 單次噴射控制信號脈寬與噴霧脈寬對應關系

單次噴射噴霧脈寬由噴霧圖像獲得，其獲取方法如圖2所示。在進行噴霧脈寬確定時，將燃油從噴孔噴出的前一張空白圖片定為噴射始點(0 ms)；將噴孔處油束出現明顯斷噴的圖像(圖中2.35 ms圖像)定為噴射終點，即該工況下噴霧脈寬為2.35 ms。單次噴射控制信號脈寬由控制供油系統的電磁閥電流信號獲得。

圖2 噴霧脈寬確定

控制信號脈寬與噴霧脈寬的關系如圖3所示。由圖3可以看出，控制信號脈寬包括了噴油開啟延遲T1和脈寬T2，噴霧脈寬包括了脈寬T2和噴油關閉延遲T3。脈寬延長量可以表達為T3-T1。噴油關閉延遲T3是從控制系統發出電信號到控制閥開始響應直至針閥完全落座所經歷的時間，其中電控信號延遲和控制閥響應延遲是系統本身延遲特性，不隨噴射壓力的改變而改變。

圖3 控制信號脈寬與噴霧脈寬對應關系示意圖

表2示出由噴霧圖像獲得的不同噴射壓力和背景密度下的噴霧脈寬。由表2可以看出，在不同噴射壓力及背景密度工況下，噴霧脈寬始終大于控制信號脈寬，這是由于供油系統在實際工作過程中存在各種延遲造成的，包括電磁延遲、液壓延遲。同時可以發現，相同噴射壓力、不同密度條件下，噴霧脈寬保持恒定，噴霧脈寬相對控制信號脈寬的延長量同樣保持恒定。這是因為，背景密度反映的是噴射背壓，它對噴射過程的影響體現在噴油速率上。噴油速率與噴油器噴孔內外壓差成正比?？紤]噴射壓力最低為200 MPa，而在最高背景密度下的噴射背壓僅為2.4 MPa，密度對噴油速率的影響甚微，因此不同密度條件下，噴霧脈寬保持恒定。從表2還可以看出，噴射壓力增大時，噴霧脈寬相對于控制信號脈寬的延長量減小。這是因為，T3包括從電控信號結束到噴霧完全結束即針閥完全落座的時間。這一時間包括電控信號的延遲與噴油器關閉的延遲，電控信號造成的延遲與噴射壓力無關，噴油器關閉的延遲與針閥處的受力情況有關。在針閥落座時，針閥同時受到來自控制腔方向向下的壓力和蓄壓腔方向向上的壓力?？刂魄坏膲毫ι咚俣入S著噴射壓力的增大而減小，使得針閥更快落座。而蓄壓腔壓力隨著噴射壓力增大而增大，使得針閥下降所需時間增大。二者的共同作用使得控制閥關閉后的針閥落座時間在各個壓力下基本保持不變。因此不同壓力下，噴油關閉延遲T3保持恒定。噴油開啟延遲主要與變形恢復延遲和壓力室充油延遲有關。隨著壓力的升高，針閥變形量越大，變形恢復延遲越大，而壓力室充油延遲隨壓力的升高不斷縮小，在系統壓力超過200 MPa后該延遲恒等于0 ms，因此噴油開啟延遲T1隨壓力的升高而增加。綜合T3和T1隨壓力的變化規律，脈寬延長量隨壓力的升高逐漸減小。

表2 不同噴射壓力及背景密度條件下控制信號脈寬與噴霧脈寬對應關系

2.2 多次噴射控制信號脈寬與噴霧脈寬對應關系

由圖4可知，在200 MPa噴射壓力，60 kg/m3背景密度，0.8 ms預主噴間隔時間工況，不同預噴百分比下噴霧脈寬始終大于控制信號脈寬，這是由前文所述的供油系統的各種噴射延遲造成的。且隨著預噴百分比的增加，脈寬延長量隨之增加，每增加5%的預噴油量，控制信號脈寬平均增加0.072 ms，而噴霧脈寬增加0.1 ms，即每增加5%的預噴油量，噴霧脈寬增量相對控制信號脈寬增量增加0.028 ms,從而使得噴霧脈寬相對控制信號脈寬的延長量隨預噴油量的增加而增加。

圖4 不同預噴百分比下控制信號脈寬與噴霧脈寬對應關系

如圖5所示，脈寬延長量始終是正值，即噴霧脈寬始終大于控制信號脈寬，這是噴油開啟延遲和噴油關閉延遲二者共同作用的結果；隨著預噴油量的增加，脈寬延長量增加，這是由于增加相同噴油量，噴霧脈寬增加量大于控制信號脈寬增加量造成的。相同預噴油量下，隨壓力的升高，脈寬延長量減小，這是因為隨著壓力升高，噴油關閉延遲基本不變，而噴油開啟延遲隨壓力的升高而增大，導致脈寬延長量隨壓力升高而減小。

圖5 不同壓力下脈寬延長量隨預噴百分比變化規律

2.3 控制信號多次噴射間隔與噴霧多次噴射間隔對應關系

前文已經提到過，背景密度對噴油速率的影響很小，可以忽略不計，因此其對噴射間隔也幾乎沒有影響，各背景密度下控制信號與噴霧噴射間隔之間呈現相同規律，因此只選取一個背景密度為例，對該規律進行說明分析。由表3可以看出，在不同壓力、預噴油量及控制信號噴射間隔下，噴霧噴射間隔始終比控制信號噴射間隔小0.1 ms。這是由于供油系統在工作過程中存在延遲，使得控制信號噴射間隔始終大于噴霧噴射間隔。隨壓力和預噴油量的增加，控制信號噴射間隔與噴霧噴射間隔始終保持0.1 ms的差值，這是控制信號到噴油規律信號之間的波動變化規律和噴油規律信號到噴霧圖像信號之間的波動規律綜合作用的效果。

表3 不同預噴百分比下控制信號噴射間隔與噴霧噴射間隔對應關系

2.4 燃油融合臨界間隔時間研究

在探討噴射間隔的設置及變化規律時，必須考慮發生噴射融合的臨界噴射間隔，只有設定的噴射間隔大于融合臨界噴射間隔時，才能實現多次噴射。對臨界噴射間隔的判定上，控制電流設置較小噴射間隔后，首先會在噴油規律曲線上反映出是否融合。但由于噴射延遲的存在，燃油噴霧是否已經發生了融合，仍需要通過噴霧圖像進行驗證。

在進行超高壓供油系統多次噴射噴油規律測試時發現，在各個壓力下，當預主噴射間隔為0.4 ms時，噴油規律曲線中預噴噴油與主噴噴油規律曲線恰好相連。以220 MPa為例，如圖6所示，當預主噴間隔小于0.4 ms時，預噴結束和主噴開始的噴油規律曲線重合在一起，兩次噴射融合為一次噴射。當預主噴間隔大于0.4 ms時，兩次噴射的噴油規律曲線出現明顯的斷開。

圖6 220 MPa，噴射間隔0.4 ms時的噴油規律

為了確定噴霧發生融合的臨界噴射間隔，對相同壓力和相同噴射間隔下的噴霧圖像進行分析。由圖7可以看出，在0.2 ms時預噴射結束，到0.5 ms時主噴射開始，預噴燃油油束和主噴燃油油束并沒有融合在一起，即0.4 ms預主噴間隔下，噴油規律曲線出現噴射融合現象，噴霧圖像油束并未出現噴射融合現象，0.4 ms并不是真正的噴射融合臨界噴射間隔。為了確定此工況下的真實融合臨界噴射間隔，繼續減小預主噴噴射間隔，觀察噴霧圖像油束發展過程。

圖7 220 MPa，0.4 ms 預主噴噴射間隔下多次噴射噴霧發展過程

圖8示出相同噴射壓力、相同預噴油量下，預主噴噴射間隔為0.3 ms時多次噴射噴霧發展過程。

圖8 220 MPa，0.3 ms 預主噴噴射間隔下多次噴射噴霧發展過程

由圖8可以看出，本應該在0.2 ms結束的預噴射，并沒有出現斷噴現象，之后的油束一直為連續油束，說明預噴油束與主噴油束已經融合在一起，無法區分，0.3 ms即為該工況下的融合臨界噴射間隔。

3 結論

a) 單次噴射條件下，噴霧脈寬始終大于控制信號脈寬，二者的差值隨著噴射壓力增大而減小，與背景氣體密度無關；

b) 預噴+主噴條件下，噴霧脈寬依舊始終大于控制信號脈寬；當預噴油量不變時，隨著噴射壓力的增大，噴霧脈寬與控制信號脈寬之間的差值隨之減?。辉趪娚鋲毫Σ蛔兊那闆r下，隨著預噴油量的增加，脈寬差值逐漸增大；上述規律在不同背景密度和預主噴間隔下始終成立，因此在控制信號設定時，可以不考慮背景密度與噴射間隔的影響；

c) 不同壓力、預噴油量及控制信號噴射間隔下，噴霧噴射間隔始終比控制信號噴射間隔小0.1 ms；當噴油規律曲線中預主噴射發生融合時，噴霧中預主噴油束并沒有發生融合，即真實融合的臨界噴射間隔需要由實際噴霧進行確定。