直喷汽油机喷油器驱动系统的设计和喷雾试验

于秀敏，杨 松，赵立峰，董 伟，张文超，孙 平，何 玲

(吉林大学，汽车仿真与控制国家重点实验室，长春 130022)

前言

汽油缸内直喷技术在提高汽油发动机经济性和降低有害物质排放方面有很大的优势，是当今国内外汽油发动机研究的重要领域。改善发动机的经济性和排放性关键在于优化和控制发动机的燃烧过程。缸内直喷汽油机燃油由于存在燃油雾化时间短、与空气混合不充分等问题，其喷雾射流的雾化、蒸发和与缸内新鲜空气的混合情况将直接影响发动机的燃烧过程［1－3］。喷雾特性对改善直喷汽油机的经济性、动力性和排放特性有重要意义。

文献［4］～文献［6］中对单孔涡旋式喷油器的喷雾特性进行了研究，建立了喷油器喷雾贯穿距离经验公式和喷油器油束模型。文献［7］～文献［8］中研究了缸内直喷汽油机燃烧系统混合气形成规律，并提出了相应的控制策略。文献［9］～文献［10］中对多孔型喷油器喷雾射流的初期破碎、破碎、蒸发和射流形成过程做了深入研究。

缸内直喷发动机喷油器驱动系统的研究还比较少，精确控制喷油定时、驱动电流和燃油喷射量难度较大。本文中设计了以L9707芯片为基础的电流驱动型喷油器控制系统，利用喷射系统对多孔GDI喷油器驱动控制系统进行了测试和验证。研究了典型工况下的喷雾特性，分析了喷雾锥角、喷雾贯穿距、燃油分布形态和喷雾发展过程。

1 喷雾测试系统

试验所用的喷油器为GDI多孔喷油器，该喷油器具有涡旋室，均布6孔，喷孔直径0.18mm、喷射锥角 50°。

喷油器喷雾测试系统由上位机、喷油器控制模块、喷油器驱动模块、喷油器、高速摄像机、定容积容器、高压燃油罐和高压控制气瓶等组成，其结构示意图见图1。上位机通过串口通信将喷油器开启时间、峰值电流保持时间和相邻喷射时间间隔等的控制参数发送给喷油器控制器，控制器依据上位机发送的的喷油控制信号，产生喷油器驱动控制信号(PWM信号)和高速摄像机图像采集触发信号(TTL信号)。喷油器驱动电路驱动喷油器开启并将高压燃油喷入可视化定容积容器内。采样频率10 000帧/s，分辨率512×512bit。高压燃油由高压氮气驱动，压力范围0～15MPa;定容积容器内为N2和CO2混合气，背压可调，最大压力1.0MPa。

2 喷油器控制系统硬件方案设计

喷油器控制系统总体技术方案须实现:对喷油器驱动电流的控制;能精确控制喷油时刻和喷油量;具备通信和调试功能。喷油器控制方案包括:(1)具有电压转化和电源保护功能的电源管理模块;(2)实现上位机、控制器和驱动芯片间通信的通信模块;(3)产生喷油控制信号的喷油器控制模块;(4)产生Peak_Hold电流的喷油器驱动模块。

2.1 喷油器主控系统

喷油器主控系统包括:电源管理模块、通信模块和主控芯片最小系统模块。采用了基于MAX232芯片的RS-232串口通信方式，实现上位机和喷油器控制系统之间的通信，可以实时修改喷油器控制参数。主控系统采用MC9S12XDP512型单片机，芯片系统资源丰富，能实现复杂的算法，具有多个独立的通信模块，支持背景调试模式，方便对喷油器控制参数和运行状态的检测和更新。

2.2 喷油器驱动系统

采用L9707芯片作为驱动芯片，实现对驱动电流(Peak-Hold Current)各段电流的大小和持续时间的控制。该驱动系统可以同时驱动3组6个喷油器工作，并且提供了过流保护、短接高边驱动检测、开路检测和保护等功能。此外，芯片具有SPI通信接口，能实现多种驱动电流模式和错误诊断。

喷油驱动芯片内部结构包括:(1)DC/DC升压模块，具有Boost升压电路，可提供高电压最大电压值为70V，通过电阻REIN1和REIN2可调节电压大小;(2)高边预驱动模块，包括3路VHU预驱动模块和3路VHB预驱动模块;(3)6路低边驱动模块、SPI通信模块和逻辑控制模块。芯片具有串行通信SPI接口，具有3种电流驱动模式:Hold模式;Peak-Hold模式;PEAK-Hold1-Hold2模式。不同驱动电流模式下，喷油驱动控制信号和控制效果见表1。

表1 L9707控制真值表

驱动电流波形由控制系统和驱动芯片设定，INJPI和INJI为输入控制信号。当INJPI和INJl同时置高时，开启VHU预驱动，峰值电流阈值(Peak Current Threshold)可由外接电阻Rpu和Rpd设定;INJI信号置高时开启VHB预驱动，通过斩波控制保持电流，保持电流水平可由外接电阻设定(Hold1段电流由Rh1u和 Rh1d设定;Hold2段电流由 Rh2u和 Rh2d设定)。

3 喷油器控制系统软件方案设计

喷油器控制系统软件设计须实现:喷油器驱动电流模式的设置;喷油器开启时刻和开启持续时间的精确控制;喷油器控制器、上位机和喷油驱动芯片之间的通信等功能。设计的喷油器软件控制方案包括了控制器初始化、控制器通信、喷油器控制参数更新和喷油控制等函数，各函数的功能如表2所示。

表2 控制系统函数

喷油器驱动系统控制程序运行流程:程序首先定义控制系统的控制参数，并对其进行初始化，然后对控制器的输出端口和通信模块寄存器进行初始化，确定输出信号的类型和喷油器驱动电流模式。当喷油器控制器接收到上位机发送的喷油器控制参数(包括喷油器开启信号、喷油持续时间和峰值电流持续时间)后，使能相应控制模块，产生喷油控制信号控制喷油器开启和关闭。

4 典型工况下喷雾特性测试

在喷油器喷射压力 8与 6MPa、喷射背压0.1MPa、喷射脉宽6ms和峰值电流持续时间1.5ms典型工况下，研究了多孔式缸内直喷汽油机喷油器喷雾射流定容喷雾发展过程。

喷雾参数定义:喷雾锥角为不考虑喷雾射流外围的湍流褶皱时，与燃油外围相切的两条直线间的夹角;喷雾贯穿距离为从喷嘴出口至射流发展顶端的距离。

图2为不同喷射压力下的喷雾过程，时间为1～8ms。喷雾射流喷入容器内后迅速向下发展，并有横向扩散。由于射流和空气的卷吸作用，从3ms开始在射流外围形成明显褶皱，在5ms时明显形成涡旋结构。射流发展初期喷雾锥角较大，喷雾稳定后喷雾锥角略有减小，但整体变化不大。初期贯穿距离增长迅速，3ms时达到58mm;后期贯穿距离随时间几乎呈线性增长趋势。喷雾射流发展到最大贯穿距离2/3(60mm)左右后，由于喷雾射流外围燃油在与空气相互作用后，液滴动量减小，燃油分布形态基本保持不变。喷射结束之后，喷雾继续向下发展，但速度很慢。

图3显示了两个典型喷射压力下喷雾锥角的变化情况。当喷射压力为6MPa时，喷雾稳定后(3ms)喷雾锥角约为32°;喷射压力8MPa时，喷雾锥角为36°。在典型喷射压力下，喷射压力较大时喷雾锥角也略有增大。喷雾锥角主要受喷油器结构影响，多孔式喷油器的整体喷雾锥角主要受喷孔布置角度的影响，受单孔喷雾射流影响较小。喷油压力提高时，单孔喷雾锥角增大，整体喷雾锥角会略微增加，但增加幅度较小［11］。

图4显示了喷雾贯穿距离随时间的变化关系。喷雾贯穿距离发展过程分为两个阶段:初期发展阶段和主要发展阶段。以喷射压力为8MPa为例，初期发展阶段，喷雾贯穿距离增大速度较快，1.5ms时，贯穿距离增加至 50mm，平均增长速率约为33.3m/s;主要发展阶段喷雾贯穿距离增加速度变缓，增加速率约为7.8m/s。初期阶段的喷雾远端射流速度较快，远端燃油液滴动量较大，喷雾射流迅速向下发展，喷雾贯穿距离增加较快;随着喷雾远端燃油和空气间的动量交换和相互作用，喷雾远端燃油液滴运动速度变慢，远端燃油液滴动量与环境阻力几乎平衡，燃油贯穿距离增长速度缓慢［4］。

典型工况下，喷油结束(6ms)时，喷射压力6MPa下的喷雾贯穿距离为72.6mm，喷射压力8MPa下的喷雾贯穿距离为78.5mm，最大喷雾贯穿距离增加了4.9mm。喷射压力对多孔喷油器贯穿距离的影响较小，喷射压力从6增加至8MPa，喷雾贯穿距离增加了4.9mm。对多孔型喷油器，由于喷孔直径较小，当喷射压力升高时，喷孔对喷雾射流的节流作用加强且喷雾发展初期介质气体对喷雾射流的阻碍作用也会增强，喷雾贯穿距离随喷射压力增加的幅度较小。

5 结论

GDI发动机对喷油器的瞬态响应特性要求较高，须精确控制喷油器驱动电流。本文中设计了喷油器驱动系统，在典型工况下对喷油器驱动系统进行了验证，并对喷雾射流发展过程进行了研究，结论如下。

(1)基于驱动电流控制的喷油器控制系统，可以实现喷射定时和喷射量的精确控制，喷油器响应迅速、工作可靠。Peak_Hold模式可实现喷油器驱动电流波形的准确控制以及峰值电流(Peak Current)、Hold1段保持电流和Hold2段保持电流的有效控制。

(2)多孔型喷油器在典型工况下，喷雾射流锥角随时间先增大后减小，喷雾射流稳定后喷雾锥角基本保持不变。随着喷射压力的增大，整体喷雾锥角略有增加。喷雾贯穿距离发展明显分为初期发展阶段和主要阶段。初期阶段，喷雾贯穿距离随时间迅速增大;主要阶段，射流贯穿距离随时间线性增加。典型工况下，多孔型喷油器喷雾贯穿距离受喷射压力影响较小，喷射压力增加时喷雾贯穿距离也随之增加，但增加幅度较小。

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