基于汽油直接喷射系统共轨压力信号的诊断方案

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

在汽油直接喷射领域，电磁式喷油器以其低廉的成本而被广泛采用。Vitesco技术公司针对这种喷油器开发出了基于共轨压力信号的诊断方案，并通过该方案改善了喷油量，从而将其用作为开发工具。关键词：汽油机;直接喷射;共轨燃油系统

0 前言

在燃油耗和排放标准进一步加严的背景下，研究人员对喷油系统的燃油计量精度提出了全新的要求。发动机的原始排放和废气后处理的有害物转化取决于内燃机气缸中的过量空气系数λ。研究人员通常采用发动机与三元催化转化器之间的宽带λ传感器来对进气量进行调节，并在发动机中对空气与喷油量的比例进行调整[1]。除了使各个气缸中的空气质量实现均匀分配之外，发动机还需要通过喷油系统来更精确地计算喷油量（图1）。

在通常情况下，研究人员可通过控制电压和电流来确定喷油阀开关的时刻，并可通过调整各个喷油器的电控持续时间来补偿液压开启持续时间所产生的差异[2]，但此类方法并未考虑到喷嘴流量引起的偏差。喷嘴如因制造误差或其他原因在使用寿命期内产生了积炭，喷嘴流量也会相应发生变化[3]。为了实现良好的喷油量精度，研究人员除了需要考虑液压开启持续时间外，还应对喷嘴流量的差异进行诊断和补偿。

研究人员需要诊断的参数主要是喷油量及其与共轨压力干扰之间的物理关系。研究人员借助于本文介绍的信号处理方法，通过共轨压力信号来确定压力干扰和液压固有频率，从而在宽广的压力和温度边界条件下，获得喷油量间的相互关系。随后，研究人员可通过应用喷油阀线性工作过程来对喷油器流量进行诊断。

具有较高分辨率的共轨压力传感器使全新标定工具的应用成为可能。研究人员以某个用于加热催化转化器的典型运行工况点为例，针对燃烧稳定性，以及发动机运转平稳性与喷油量的关系开展了重点研究。循环精度的分辨率能确保可燃混合气实现充分燃烧，并据此对缸内压力进行优化。

1 压力差测量原理

在高压喷油系统中，由共轨、油管和喷油器形成的容积起到压力储存器的作用，并可通过高压燃油泵提供高压燃油。根据工作原理，供油过程与喷油过程在时间上可实现独立运作，共轨喷油系统以此对喷油始点和喷油次数等参数进行灵活调节。假定某次喷油过程在时间上不与油泵的供油过程和其他喷油器的喷油过程同时开展，那么喷油量mf与出现在容积V中的正压力降的关系可用式（1）来表示。

式中，Δp为容积V中的正压力降;c2为喷嘴横截面积。喷油阀能以无泄漏的状态进行工作，喷入气缸的总油量就会导致压力的降低。一方面，整个系统的可压缩性主要取决于燃油的可压缩性，因此，高压共轨、高压油管和喷油器都必须具有足够高的刚性，而且必须要尽可能降低气体所占的容积份额。部分研究人员认为，高压容积为单相状态，在整个燃油系统中的压力处于恒定状态;另一方面，安装在热气缸盖中的喷油器与外置的共轨之间存在一定的温度梯度[4]。这种测量原理被用于HAD和Mexus 2.0等压力指示器中，以此显示出喷入的燃油所引起的压力升高值[5]。

2 从压力信号到喷油量

为了使该类测量原理用于燃油系统，研究人员只需要提供用于压力调节的信号。为了确定音速的数值大小，研究人员在试验台上使用了超声传感器及基于特性曲线场得出的测量方法，该方法可用于测量介质温度。同时，研究人员通过该方法确定了由泵供油和喷射所引起的驻波，并由此检测到固有频率，其受管路几何形状影响且正比于压力，因此所有与几何学有关的量值都能综合在1个系统特有的可标定常数中，如式（2）所示。

式中，ksys为可标定常数，Δp为容积V中的正压力降;f为固有频率。

图2示出了在共轨压力为35 MPa时，3种不同单次喷射质量的共轨压力曲线。为了确定压力降的数值大小，研究人员将压力信号分成喷射前与喷射后共2个区域，各自包括了由压力波动叠加而成的压力平台。为了确认压力平台的高度，研究人员借助核心密封性的评估方案，将此類信号转变成概率密封性函数[6]，其中应用了1个具有0.05 MPa带宽的三角形核心。研究人员通过确定分布函数的最大值，就能将各个压力平台的高度及其压力降设定为平台差值。与简单的平均值计算方法不同，该方法更为可靠。

此外，研究人员借助于快速傅里叶变换，通过压力信号就能在可标定的频率窗口中检测到液压系统的固有频率，并尽可能使其不出现额外的干扰频率。在压力增加且温度降低的情况下，所确定的固有频率类似于声波，并会出现升高现象。

通过式（2），研究人员可确定工作过程中所喷射出的燃油量，同时在温度可调节的系统试验台上进行的测量证实了这种方法的效果（图3）。每个点相当于1次喷射过程，而共轨压力、温度和喷射持续时间则处于持续变化的状态。基准喷油量可通过Akribis喷油量指示器进行测算，但对不同喷油系统和整个数据记录而言，常数ksys是唯一确定的值。

3 喷油器流量的诊断

研究人员通过压力降来识别喷油器间的相对流量差，从而在其使用寿命内对其予以校正。正如试验研究所表明的那样，研究人员可通过量产压力传感器以16 kHz的扫描探测过程来对其进行诊断。

在用于描绘电控持续时间ti的特性曲线场中，取决于压力的喷油器流量在线性工作范围内处于持续升高的状态。为对其进行比对，研究人员需要观察压力降与电控持续时间。图4示出了系统中的1个喷油器在不同压力等级下的特性曲线场，图中用压力降替代喷油量。研究人员通过对几个由电控持续时间和压力降组成的数值进行回归计算，以此查明各个喷油器特性曲线的斜率。该数值与喷油量Qp密切相关。在诊断持续时间内，研究人员必须保持边界条件的成立，尤其应使平均压力水平处于恒定不变的状态。

为了在液压试验台上模拟喷油器之间的流量偏差，研究人员需要在喷油系统中配装4个具有不同流量的喷油阀。这4个喷油器的静态流量在7.5～9.5 g/s之间。该数值是研究人员在共轨压力为10 MPa和试验介质温度为20 ℃的情况下通过测量代用燃料n-庚烷测得的。正如图5所示，a为修正系数，R为常数，Qp值可用于确定压力等级，并与流量成一定比例。研究人员在此基础上通过调整发动机电控系统中的电控持续时间进行补偿，同样也可借助于喷油量指示器确定基准喷油量Qref。

4 喷油量检测

研究人员通过扩展发动机试验台上的指示系统，采用具有高分辨率的共轨压力传感器，得到了另1种应用可能性。只要采用合适的喷油定时，研究人员就能按循环分辨发动机燃烧状况与喷油量的关系，并对排量为2.0 L的4缸涡轮增压发动机的4个处于低负荷及低转速工况下的运行工况点进行测量。

如图6所示，研究人员绘制出了某个气缸在每100个循环条件下的喷油量和平均指示压力，每个运行工况点均以化学计量比运行，但是为了使喷油量能显示出明显的变化，研究人员通过λ调节器来对其进行触发。

3个负荷较高的运行工况点呈现出正常的燃烧状况，此时负荷的变动与气缸中的喷油量有关，而且在过量空气系数较浓时可识别出最大功率，但是在负荷大幅降低时会出现停缸现象，这会导致发动机运转不稳定。相关分析表明，由于负荷变动会面临混合气较为稀薄的情况，此时针对流量补偿的必要性就变得较为重要。研究人员通过改善喷油量精度，可防止个别气缸以超化学计量比的状态运行，以此避免停缸现象的发生。

5 结语

类似于测量技术中用于提高喷油系统压力的方法，在喷油过程中所产生的压力降通常被用于诊断所需的喷油量，本文介绍了其原理和相应的信号处理方法。研究人员充分利用了该方法，用于识别难以发现的流量差异现象，同时将其用于压力传感器的压力调节过程，并通过提高量产传感器的压力和时间分辨率来改善诊断精度。在开发和标定过程中，研究人员采用该方法对缸内工作过程进行研究，并通过循环精度确定所需要的喷油量，且无须采用昂贵的测量设备。

[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 译自 MTZ，2020，81（10）

伍赛特 编辑

（收稿时间：2020-11-15）