发动机喷油器积碳形成模拟装置的开发*

宋承艳王　莉李万众周建伟韩　欣（-天津农学院工程技术学院　天津　300380　-天津大学机械工程学院）

发动机喷油器积碳形成模拟装置的开发*

宋承艳1王莉1李万众2周建伟2韩欣2（1-天津农学院工程技术学院天津3003802-天津大学机械工程学院）

摘要：基于缸内直喷汽油机喷油器积碳的生成机理，开发了一套喷油器积碳形成模拟实验装置及控制系统。该装置主要由基于MAX6675和热电偶设计的喷油器头部加热控制模块、基于驱动电流进行喷射定时和喷射量控制的喷油器控制模块和喷雾箱等组成。在发动机台架和积碳形成模拟装置上进行了喷油器积碳对比试验，两种方式下得到的喷油器积碳成分分析对比表明，发动机喷油器积碳形成模拟系统可以较好地模拟喷油器在发动机内的实际工作情况。

关键词：缸内直喷汽油机喷油器积碳模拟装置

引言

汽油机缸内直喷技术由于能显著改善燃油经济性，满足未来更严格的排放标准，已经成为车用汽油机的一个重要发展方向。缸内直喷汽油机（GDI）的各种优良性能主要源自于它能直接对发动机缸内空燃比进行精确的控制，这就要求直喷汽油机必须拥有一套能够精确控制的燃油供给系统。喷油器作为供油系统的终端和执行者，是直喷汽油机最关键的零部件，喷油器性能的好坏直接影响燃油的雾化质量，从而影响发动机的性能和排放。然而，由于积碳造成的喷油器结构参数的变化却时刻影响着燃油的喷雾形状和雾化程度，从而影响GDI汽油机的使用性能[1～3]。

GDI发动机喷油器积碳现象在发动机运行很短时间后即可形成，并且与运行时间并不呈线性关系[4，5]。为了研究喷油器积碳的形成机理及过程，需要定量研究发动机运行过程中各种因素对积碳的影响。由于喷油器安装在发动机上，精确控制影响积碳的各种因素难度较大，导致在发动机上观测积碳的形成过程非常困难。本文开发了一套喷油器积碳形成模拟实验装置及控制系统，并进行了喷油器积碳实验，证明了在实验室尺度下研究喷油器积碳问题的可行性。

1　系统总体方案设计

喷油器积碳形成模拟实验装置及控制系统由上位机、喷油器控制模块、喷油器驱动模块、喷油器头部温度控制模块、喷油器、喷雾箱、高压燃油罐和介质气瓶等组成，其结构示意图见图1。其中喷油器控制模块、喷油器驱动模块、喷油器头部温度控制模块集成于下位机控制器，喷油器放置在压力可控的喷雾箱内，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）。喷油器驱动电路驱动喷油器开启并将高压燃油喷入喷雾箱内。喷油器的前端安装有可以进行20～250℃范围加热的加热套，加热套上装有加热丝作为发热元件，采用K型热电偶进行温度采集，加热套外部有石棉材料起保温作用，上位机会通过串口通信将喷油器头部加热温度设定值送给控制器，由控制器对喷油器头部温度进行闭环控制。高压燃油由高压氮气驱动，压力范围0～15 MPa；喷雾箱内为N2和CO2混合气，背压可调，最大压力1.0 MPa。

图1　喷油器积碳形成模拟实验装置及控制系统示意图

2　控制系统硬件方案设计

控制系统下位机采用MSP430F2112单片机为主控芯片[6]，下位机的功能模块包括喷油器头部加热控制、喷油控制和通信模块等。其中通信模块采用了基于MAX232芯片的RS-232串口通信方式，实现上位机和喷油器控制器之间的通信，可以实时修改控制参数。

2.1喷油器头部加热控制

喷油器头部加热控制模块测量控制接口如图2所示，加热套的温度控制范围为20~250℃，传感器采用K型热电偶，热电偶测量电路选用MAX6675。MAX6675是美国MAXIM公司生产的带有冷端温度补偿、线性校正、热电偶断线检测等功能的K型热电偶测量转换电路，其输出为12位二进制数字量[7]。MAX6675将热电偶输出的mV信号直接转换成数字信号送给单片机MSP430F2112，冷端温度补偿问题由MAX6675自行解决。单片机通过串行口与上位机通讯，发送测量数据，接收温度给定值，并将温度测量值与给定值比较分析，送出控制信号，经三极管放大后控制继电器进行加热工作，使加热套的温度=能够稳定在给定点附近。

2.2喷油控制

喷油控制模块的驱动电路采用双电源双边驱动单段保持的PWM（PulseWidth Modulation，脉冲宽度调制）波控制驱动方式，图3所示为喷油器控制接口及驱动电路原理图。其中：O1、O2为光电耦合器4N25，起隔离作用；Q3、Q4为场效应管IRFH58N20，在电路中起到高速开关作用；M1、M2为肖特基二极管MUR1660CT，在电路中起隔离作用，防止喷油器电磁线圈断电瞬间过高的感应电动势损坏驱动电路。IR2101是高低端驱动芯片，其作用是接收控制器发出的驱动指令并控制场效应管的高速通断[8]。

当驱动电路上电后，+12V电源通过肖特基二极管MUR1660CT接通到驱动电路输出端，Q3的通断决定整个驱动电路是否工作，此时Q3未导通。在喷油器开启阶段，ECU输出的高电平信号被光耦O1、O2同时接收，O1的输出通过IR2101导通Q4、O2的输出导通Q3。升压电路输出的+65V高电压由于Q4导通驱动喷油器，+12V电压暂时不参与驱动；在保持阶段，ECU输出低电平给O1使Q4关断，输出PWM波信号给O2，正12V电压在PWM的控制下使Q3按PWM波形通断，Q3关断期间喷油器电磁线圈电流通过电阻R40和二极管D5形成放电回路，将保持阶段的电流控制在一定水平；在关闭阶段，ECU同时发出低电平信号给O1、O2，场效应管Q3、Q4均不导通，喷油器断电，电磁阀迅速关闭。

图2　喷油器头部加热控制模块测量控制接口

图3　喷油器控制接口及驱动电路

3　控制系统软件方案设计

控制系统软件设计须实现：喷油器头部加热套温度采集处理，加热套温度控制，喷油器开启时刻和开启持续时间的控制，喷射频率及实验持续时长的定时控制，控制器、上位机和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、加热套控制参数更新和加热控制、喷油器控制参数更新和喷油控制等功能模块，下位机运行流程图如图4所示。

图4 下位机控制器软件运行流程

控制器输出的控制时序为：当接收到温度设定和喷射频率及实验持续时长设定后，首先对加热套温度进行控制，温度达标后上传当前温度和喷油数据。然后根据接收到的喷射频率设置喷射持续时间、两次喷射间隔，根据实验持续时长设置喷射次数；每次喷射时，要同时置位高电压信号和PWM信号，使喷油器快速开启。开启阶段完成后，复位高电压信号，输出PWM信号使喷油器工作在保持阶段。喷雾完成后复位PWM信号，每次喷射完成后，要检查当前温度并上传，间隔时间到后进行下一次喷射，设置的喷射次数完成后返回并上传数据。

4　喷油器积碳实验

在一台实验室搭建的2L 4缸增压直喷带EGR汽油机台架上开展喷油器积碳实测，该实验机具有开放式ECU，双VVT系统，能够实现对喷油压力、喷油脉宽、点火提前角以及EGR率、增压比等的控制，以商用97#汽油为实验用油，使发动机低速大负荷连续运行8 h，喷油器积碳明显。表1是对该喷油器积碳的成分分析。

在发动机喷油器积碳形成模拟系统上进行对比实验，采用上面实验中的同款喷油器，将加热套的温度设定在20~220℃，对应发动机台架实验工况点的转速和负荷设置喷油模式，连续运行8 h，喷油器也存在明显积碳。表2是对该喷油器积碳的成分分析。

表1　形成于实际发动机上的喷油器积碳成分分析

表2　形成于模拟装置上的喷油器积碳成分分析

所用检测仪器为岛津能量色散X射线光谱仪（Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy，型号为岛津EDX-LE）。该仪器能够借助分析试样发出的元素特征X射线波长和强度实现对波长的测定，从而得出试样所含的元素，根据强度测定元素的相对含量。

从表1、2的对比分析来看，两种方式形成的喷油器积碳成分比例非常接近，发动机喷油器积碳形成模拟系统可以较好地模拟喷油器在发动机内的实际工作情况。

5　结论

针对GDI发动机喷油器积碳问题的研究需求，本文中设计了喷油器积碳形成模拟装置，在典型工况下进行了喷油器积碳实验，结论如下：

1）基于MAX6675设计的喷油器头部加热控制模块测量控制结构简单，控制方便，能够达到实验对喷油器头部加热温度的控制要求。

2）基于驱动电流控制的喷油器控制模块，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，采用单片机进行喷射次数控制，能够方便地进行喷油器积碳形成模拟实验，节省试验工作量。

3）对实车老化和采用积碳形成模拟装置形成的喷油器积碳成分分析对比表明，两种情况下生成的积碳成分相近，发动机喷油器积碳形成模拟系统可以较好地模拟喷油器在发动机内的实际工作情况。

参考文献

1Ronny Lindgren，Mikael Skogsberg，Håkan Sandquist，et al.The influenceof injector depositsonmixture formation in a DISCSIengine[C].SAEPaper2003-01-1771

2Arndt Joedicke，Jens Krueger-Venus，Peter Bohr，et al. Understanding theeffectofDISIinjector depositson vehicle performance[C].SAEPaper2012-01-0391

3Heder Fernandes，Leonardo C.Braga，Ana Rosa Martins，etal.Fuel sulfate content influence in the formation of inorganicscomponentsdepositsin theengine injectorswith technologies of gasoline direct injection[C].SAEPaper 2012-36-0314

4William Imoehl，Luca Gestri，Marco Maragliulo，et al.A DOEapproach toengine deposit testingused tooptimize the design ofagasoline direct injector seatand orifice[C].SAE Paper2012-01-1642

5Von Bacho P.，Sofianek J.，Galante-Fox J，et al.Engine test for accelerated fuel deposit formation on injectors used in gasoline direct injection engines[C].SAE Paper 2009-01-1495

6洪利，章扬，李世宝.MSP430单片机原理与应用实例详解[M].北京：北京航空航天大学出版社，2010

7虞致国，徐健健.MAX6675的原理及应用[J].国外电子元器件，2002（12）：41～43

8蒋林，肖伟，珍玛曲宗，等.基于IR2101最大功率跟踪逆变器的设计与实现[J].电子设计工程，2010，18（11）：27～29

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中图分类号：TK413.8+4

文献标识码：A

文章编号：2095-8234（2015）02-0045-04

收稿日期：（2015-02-09）

基金项目：天津市大学生创新创业训练计划项目，项目号：201410061148。

作者简介：宋承艳（1990-），女，大学本科，主要研究方向为测控技术与仪器。

通讯作者：王莉（1976-），女，副教授，博士，主要研究方向为发动机燃烧与控制。

Developmentof an Engine Injector Deposits Formation Simulating Apparatus

Song Chengyan1，W ang Li1，LiWanzhong2，Zhou Jianwei2，Han Xin2
1-SchoolofEngineering Technology，Tianjin AgriculturalUniversity（Tianjin，300380，China）
2-School ofMechanical Engineering，Tianjin University

Abstract：Based on themechanism of injector deposits formation in a direct injection gasoline engine,a device to simulate the injector deposits formation environmentand its control system were developed.The apparatus ismainly composed ofa MAX6675 and thermocouple based injector tip heating controlmodule，a driving current based injection timing and counting controlmodule and an injecting box.The contrast injector deposits formation experimentswere carried out on an engine and the injector deposits formation apparatus.The composition analysis of the injector deposits derived from the twomethods shows that the injector deposits formation simulatingapparatus can simulate the in-cylinderenvironment reasonably.

Keywords：directinjection gasolineengine，injector，deposit，simulating apparatus