基于汽油直接噴射系統共軌壓力信號的診斷方案

【德】A.WIELAND E.ACHLEITNER A.LYUBAR E.SCHLCKER

在汽油直接噴射領域，電磁式噴油器以其低廉的成本而被廣泛采用。Vitesco技術公司針對這種噴油器開發出了基于共軌壓力信號的診斷方案，并通過該方案改善了噴油量，從而將其用作為開發工具。關鍵詞：汽油機;直接噴射;共軌燃油系統

0 前言

在燃油耗和排放標準進一步加嚴的背景下，研究人員對噴油系統的燃油計量精度提出了全新的要求。發動機的原始排放和廢氣后處理的有害物轉化取決于內燃機氣缸中的過量空氣系數λ。研究人員通常采用發動機與三元催化轉化器之間的寬帶λ傳感器來對進氣量進行調節，并在發動機中對空氣與噴油量的比例進行調整[1]。除了使各個氣缸中的空氣質量實現均勻分配之外，發動機還需要通過噴油系統來更精確地計算噴油量（圖1）。

在通常情況下，研究人員可通過控制電壓和電流來確定噴油閥開關的時刻，并可通過調整各個噴油器的電控持續時間來補償液壓開啟持續時間所產生的差異[2]，但此類方法并未考慮到噴嘴流量引起的偏差。噴嘴如因制造誤差或其他原因在使用壽命期內產生了積炭，噴嘴流量也會相應發生變化[3]。為了實現良好的噴油量精度，研究人員除了需要考慮液壓開啟持續時間外，還應對噴嘴流量的差異進行診斷和補償。

研究人員需要診斷的參數主要是噴油量及其與共軌壓力干擾之間的物理關系。研究人員借助于本文介紹的信號處理方法，通過共軌壓力信號來確定壓力干擾和液壓固有頻率，從而在寬廣的壓力和溫度邊界條件下，獲得噴油量間的相互關系。隨后，研究人員可通過應用噴油閥線性工作過程來對噴油器流量進行診斷。

具有較高分辨率的共軌壓力傳感器使全新標定工具的應用成為可能。研究人員以某個用于加熱催化轉化器的典型運行工況點為例，針對燃燒穩定性，以及發動機運轉平穩性與噴油量的關系開展了重點研究。循環精度的分辨率能確保可燃混合氣實現充分燃燒，并據此對缸內壓力進行優化。

1 壓力差測量原理

在高壓噴油系統中，由共軌、油管和噴油器形成的容積起到壓力儲存器的作用，并可通過高壓燃油泵提供高壓燃油。根據工作原理，供油過程與噴油過程在時間上可實現獨立運作，共軌噴油系統以此對噴油始點和噴油次數等參數進行靈活調節。假定某次噴油過程在時間上不與油泵的供油過程和其他噴油器的噴油過程同時開展，那么噴油量mf與出現在容積V中的正壓力降的關系可用式（1）來表示。

式中，Δp為容積V中的正壓力降;c2為噴嘴橫截面積。噴油閥能以無泄漏的狀態進行工作，噴入氣缸的總油量就會導致壓力的降低。一方面，整個系統的可壓縮性主要取決于燃油的可壓縮性，因此，高壓共軌、高壓油管和噴油器都必須具有足夠高的剛性，而且必須要盡可能降低氣體所占的容積份額。部分研究人員認為，高壓容積為單相狀態，在整個燃油系統中的壓力處于恒定狀態;另一方面，安裝在熱氣缸蓋中的噴油器與外置的共軌之間存在一定的溫度梯度[4]。這種測量原理被用于HAD和Mexus 2.0等壓力指示器中，以此顯示出噴入的燃油所引起的壓力升高值[5]。

2 從壓力信號到噴油量

為了使該類測量原理用于燃油系統，研究人員只需要提供用于壓力調節的信號。為了確定音速的數值大小，研究人員在試驗臺上使用了超聲傳感器及基于特性曲線場得出的測量方法，該方法可用于測量介質溫度。同時，研究人員通過該方法確定了由泵供油和噴射所引起的駐波，并由此檢測到固有頻率，其受管路幾何形狀影響且正比于壓力，因此所有與幾何學有關的量值都能綜合在1個系統特有的可標定常數中，如式（2）所示。

式中，ksys為可標定常數，Δp為容積V中的正壓力降;f為固有頻率。

圖2示出了在共軌壓力為35 MPa時，3種不同單次噴射質量的共軌壓力曲線。為了確定壓力降的數值大小，研究人員將壓力信號分成噴射前與噴射后共2個區域，各自包括了由壓力波動疊加而成的壓力平臺。為了確認壓力平臺的高度，研究人員借助核心密封性的評估方案，將此類信號轉變成概率密封性函數[6]，其中應用了1個具有0.05 MPa帶寬的三角形核心。研究人員通過確定分布函數的最大值，就能將各個壓力平臺的高度及其壓力降設定為平臺差值。與簡單的平均值計算方法不同，該方法更為可靠。

此外，研究人員借助于快速傅里葉變換，通過壓力信號就能在可標定的頻率窗口中檢測到液壓系統的固有頻率，并盡可能使其不出現額外的干擾頻率。在壓力增加且溫度降低的情況下，所確定的固有頻率類似于聲波，并會出現升高現象。

通過式（2），研究人員可確定工作過程中所噴射出的燃油量，同時在溫度可調節的系統試驗臺上進行的測量證實了這種方法的效果（圖3）。每個點相當于1次噴射過程，而共軌壓力、溫度和噴射持續時間則處于持續變化的狀態。基準噴油量可通過Akribis噴油量指示器進行測算，但對不同噴油系統和整個數據記錄而言，常數ksys是唯一確定的值。

3 噴油器流量的診斷

研究人員通過壓力降來識別噴油器間的相對流量差，從而在其使用壽命內對其予以校正。正如試驗研究所表明的那樣，研究人員可通過量產壓力傳感器以16 kHz的掃描探測過程來對其進行診斷。

在用于描繪電控持續時間ti的特性曲線場中，取決于壓力的噴油器流量在線性工作范圍內處于持續升高的狀態。為對其進行比對，研究人員需要觀察壓力降與電控持續時間。圖4示出了系統中的1個噴油器在不同壓力等級下的特性曲線場，圖中用壓力降替代噴油量。研究人員通過對幾個由電控持續時間和壓力降組成的數值進行回歸計算，以此查明各個噴油器特性曲線的斜率。該數值與噴油量Qp密切相關。在診斷持續時間內，研究人員必須保持邊界條件的成立，尤其應使平均壓力水平處于恒定不變的狀態。

為了在液壓試驗臺上模擬噴油器之間的流量偏差，研究人員需要在噴油系統中配裝4個具有不同流量的噴油閥。這4個噴油器的靜態流量在7.5～9.5 g/s之間。該數值是研究人員在共軌壓力為10 MPa和試驗介質溫度為20 ℃的情況下通過測量代用燃料n-庚烷測得的。正如圖5所示，a為修正系數，R為常數，Qp值可用于確定壓力等級，并與流量成一定比例。研究人員在此基礎上通過調整發動機電控系統中的電控持續時間進行補償，同樣也可借助于噴油量指示器確定基準噴油量Qref。

4 噴油量檢測

研究人員通過擴展發動機試驗臺上的指示系統，采用具有高分辨率的共軌壓力傳感器，得到了另1種應用可能性。只要采用合適的噴油定時，研究人員就能按循環分辨發動機燃燒狀況與噴油量的關系，并對排量為2.0 L的4缸渦輪增壓發動機的4個處于低負荷及低轉速工況下的運行工況點進行測量。

如圖6所示，研究人員繪制出了某個氣缸在每100個循環條件下的噴油量和平均指示壓力，每個運行工況點均以化學計量比運行，但是為了使噴油量能顯示出明顯的變化，研究人員通過λ調節器來對其進行觸發。

3個負荷較高的運行工況點呈現出正常的燃燒狀況，此時負荷的變動與氣缸中的噴油量有關，而且在過量空氣系數較濃時可識別出最大功率，但是在負荷大幅降低時會出現停缸現象，這會導致發動機運轉不穩定。相關分析表明，由于負荷變動會面臨混合氣較為稀薄的情況，此時針對流量補償的必要性就變得較為重要。研究人員通過改善噴油量精度，可防止個別氣缸以超化學計量比的狀態運行，以此避免停缸現象的發生。

5 結語

類似于測量技術中用于提高噴油系統壓力的方法，在噴油過程中所產生的壓力降通常被用于診斷所需的噴油量，本文介紹了其原理和相應的信號處理方法。研究人員充分利用了該方法，用于識別難以發現的流量差異現象，同時將其用于壓力傳感器的壓力調節過程，并通過提高量產傳感器的壓力和時間分辨率來改善診斷精度。在開發和標定過程中，研究人員采用該方法對缸內工作過程進行研究，并通過循環精度確定所需要的噴油量，且無須采用昂貴的測量設備。

[1]BASSHUYSEN R，SCHFER F. Handbuch verbrennungsmotor-abgasemissionen[C].Springer Vieweg， Wiesbaden， 2017.

[2]ZHANG H，ACHLEITNER E，JOVOVIC D，u.a. Herausforderungen an die benzindirekteinspritzsysteme zur einhaltung der EU6c abgasgrenzwerte[C].Tagung Diesel und Benzindrekteinspritzung 2014， Springer Vieweg， 2015.

[3]IMOEHL W，GESTRI L，MARAGLIULO M，et al.DOE approach to engine deposit testing used to optimize the design of a gasoline direct injector seat and orifice[J]. SAE International Journal of Fuels and Lubricants，2012（5）：1078-1095.

[4]KRMER M.Einfluss motorischer randbedingungen auf die spraycharakteristik bei direkteinspritzenden ottoverfahren[C]. Berichte zur Thermodynamik und Verfahrenstechnik， Shaker Verlag， 2016.

[5]ZEUCH W.Neue verfahren zur messung des einspritzgesetzes und der einspritzregelmβigkeit von diesel-einspritzpumpen[J]. MTZ，1961，22（9）：344-349.

[6]ROSENBLATT M.Remarks on some nonparametric estimates of a density function[C].The Annals of Mathematical Statistics， 1956.

范明強 譯自 MTZ，2020，81（10）

伍賽特 編輯

（收稿時間：2020-11-15）