多次喷射喷雾脉宽与控制信号脉宽对应关系研究

赵志帅，徐丹，孙柏刚

(1.北京理工大学机械与车辆学院，北京 100081；2.中国北方发动机研究所(天津)，天津 300400)

多次喷射可以有效提升柴油机排放性和经济性，在柴油机中得到了广泛应用[1]。在多次喷射中，喷射脉宽和喷射间隔是两个关键的参数。喷射脉宽直接关系到喷油量，对柴油机的排放性和燃油消耗造成影响。电磁喷油器存在电磁延迟[2]和液力延迟[3]，使得实际喷射脉宽与控制信号脉宽存在差异,从而对柴油机燃烧性能造成影响[4-5]。喷射间隔与各个喷射阶段的喷油量存在确定性依赖关系[6]。喷射间隔过小则会导致多次喷射发生燃油融合现象[7-9]，从而导致燃油消耗加剧和颗粒物排放增加[10]。因此，研究多次喷射实际脉宽和控制脉宽之间对应关系，以及多次喷射临界间隔时间，对于优化柴油机的排放性能和油耗性能将产生积极的影响。

众多学者对于实际喷射脉宽与控制信号脉宽之间差异进行了大量研究。郭世龙等[11]通过AMESim仿真研究了电控喷油器电磁信号的响应时间。刘楠等[12]利用matlab/simulink对电控喷油器电磁信号和针阀升程信号的差异进行了研究。银增辉等[13]通过试验对电磁控制信号和喷油器入口压力信号的差异进行了研究。上述研究中实际喷射脉宽的确定均是在针阀处或者喷油器入口处间接获取，而无法直观地获取到实际喷射脉宽。喷雾作为供油系统和燃烧系统的结合点，对于供油和燃烧相匹配十分关键。实际喷射脉宽指的是燃油开始进入缸内到燃油停止进入缸内之间的时间段。通过喷雾图像可以清楚直观地获取缸内燃油喷射的起始状态和喷射情况，相较于其他方式，可以更方便准确地获得实际喷射脉宽。利用可视化试验装置对缸内喷雾进行观测，通过喷雾图像可以直观地获得实际喷射脉宽。将供油系统喷射过程延伸至缸内，可进一步对喷射脉宽和间隔时间的影响因素进行分析。

本研究在超高压供油平台上，利用可视化手段进行了单孔喷雾试验。通过试验结果分析研究了在超高压喷射系统不同背景密度情况下多次喷射喷雾脉宽和控制信号脉宽之间的对应关系。

1 试验设计

1.1 试验系统

试验系统由超高压供油系统与可视化试验装置两部分组成。超高压供油系统油泵最大工作压力为250 MPa，电磁喷油器最大工作压力为300 MPa。可视化试验装置由定容弹、高速摄像机、光源以及控制系统等部分组成。高速摄相机拍摄速度为200 000 fps，分辨率为256×504像素，光源采用HYXYL Daylight compact 1200型镝灯，放置于相机通道的对面。图1示出可视化试验装置示意图。

图1 可视化试验装置示意

1.2 试验工况的设定

表1所示为喷雾发展特性试验工况设置。试验中所有工况均重复进行10次试验，以减小误差。

表1 喷雾试验工况

试验所用喷油器为单孔喷油器，孔径为0.148 mm。经试验测试确定单次喷射单孔喷油量为16.3 mg。多次喷射总喷油量保持16.3 mg恒定，通过改变预喷射油量比例获得多种工况。

2 试验结果与分析

2.1 单次喷射控制信号脉宽与喷雾脉宽对应关系

单次喷射喷雾脉宽由喷雾图像获得，其获取方法如图2所示。在进行喷雾脉宽确定时，将燃油从喷孔喷出的前一张空白图片定为喷射始点(0 ms)；将喷孔处油束出现明显断喷的图像(图中2.35 ms图像)定为喷射终点，即该工况下喷雾脉宽为2.35 ms。单次喷射控制信号脉宽由控制供油系统的电磁阀电流信号获得。

图2 喷雾脉宽确定

控制信号脉宽与喷雾脉宽的关系如图3所示。由图3可以看出，控制信号脉宽包括了喷油开启延迟T1和脉宽T2，喷雾脉宽包括了脉宽T2和喷油关闭延迟T3。脉宽延长量可以表达为T3-T1。喷油关闭延迟T3是从控制系统发出电信号到控制阀开始响应直至针阀完全落座所经历的时间，其中电控信号延迟和控制阀响应延迟是系统本身延迟特性，不随喷射压力的改变而改变。

图3 控制信号脉宽与喷雾脉宽对应关系示意图

表2示出由喷雾图像获得的不同喷射压力和背景密度下的喷雾脉宽。由表2可以看出，在不同喷射压力及背景密度工况下，喷雾脉宽始终大于控制信号脉宽，这是由于供油系统在实际工作过程中存在各种延迟造成的，包括电磁延迟、液压延迟。同时可以发现，相同喷射压力、不同密度条件下，喷雾脉宽保持恒定，喷雾脉宽相对控制信号脉宽的延长量同样保持恒定。这是因为，背景密度反映的是喷射背压，它对喷射过程的影响体现在喷油速率上。喷油速率与喷油器喷孔内外压差成正比。考虑喷射压力最低为200 MPa，而在最高背景密度下的喷射背压仅为2.4 MPa，密度对喷油速率的影响甚微，因此不同密度条件下，喷雾脉宽保持恒定。从表2还可以看出，喷射压力增大时，喷雾脉宽相对于控制信号脉宽的延长量减小。这是因为，T3包括从电控信号结束到喷雾完全结束即针阀完全落座的时间。这一时间包括电控信号的延迟与喷油器关闭的延迟，电控信号造成的延迟与喷射压力无关，喷油器关闭的延迟与针阀处的受力情况有关。在针阀落座时，针阀同时受到来自控制腔方向向下的压力和蓄压腔方向向上的压力。控制腔的压力升高速度随着喷射压力的增大而减小，使得针阀更快落座。而蓄压腔压力随着喷射压力增大而增大，使得针阀下降所需时间增大。二者的共同作用使得控制阀关闭后的针阀落座时间在各个压力下基本保持不变。因此不同压力下，喷油关闭延迟T3保持恒定。喷油开启延迟主要与变形恢复延迟和压力室充油延迟有关。随着压力的升高，针阀变形量越大，变形恢复延迟越大，而压力室充油延迟随压力的升高不断缩小，在系统压力超过200 MPa后该延迟恒等于0 ms，因此喷油开启延迟T1随压力的升高而增加。综合T3和T1随压力的变化规律，脉宽延长量随压力的升高逐渐减小。

表2 不同喷射压力及背景密度条件下控制信号脉宽与喷雾脉宽对应关系

2.2 多次喷射控制信号脉宽与喷雾脉宽对应关系

由图4可知，在200 MPa喷射压力，60 kg/m3背景密度，0.8 ms预主喷间隔时间工况，不同预喷百分比下喷雾脉宽始终大于控制信号脉宽，这是由前文所述的供油系统的各种喷射延迟造成的。且随着预喷百分比的增加，脉宽延长量随之增加，每增加5%的预喷油量，控制信号脉宽平均增加0.072 ms，而喷雾脉宽增加0.1 ms，即每增加5%的预喷油量，喷雾脉宽增量相对控制信号脉宽增量增加0.028 ms,从而使得喷雾脉宽相对控制信号脉宽的延长量随预喷油量的增加而增加。

图4 不同预喷百分比下控制信号脉宽与喷雾脉宽对应关系

如图5所示，脉宽延长量始终是正值，即喷雾脉宽始终大于控制信号脉宽，这是喷油开启延迟和喷油关闭延迟二者共同作用的结果；随着预喷油量的增加，脉宽延长量增加，这是由于增加相同喷油量，喷雾脉宽增加量大于控制信号脉宽增加量造成的。相同预喷油量下，随压力的升高，脉宽延长量减小，这是因为随着压力升高，喷油关闭延迟基本不变，而喷油开启延迟随压力的升高而增大，导致脉宽延长量随压力升高而减小。

图5 不同压力下脉宽延长量随预喷百分比变化规律

2.3 控制信号多次喷射间隔与喷雾多次喷射间隔对应关系

前文已经提到过，背景密度对喷油速率的影响很小，可以忽略不计，因此其对喷射间隔也几乎没有影响，各背景密度下控制信号与喷雾喷射间隔之间呈现相同规律，因此只选取一个背景密度为例，对该规律进行说明分析。由表3可以看出，在不同压力、预喷油量及控制信号喷射间隔下，喷雾喷射间隔始终比控制信号喷射间隔小0.1 ms。这是由于供油系统在工作过程中存在延迟，使得控制信号喷射间隔始终大于喷雾喷射间隔。随压力和预喷油量的增加，控制信号喷射间隔与喷雾喷射间隔始终保持0.1 ms的差值，这是控制信号到喷油规律信号之间的波动变化规律和喷油规律信号到喷雾图像信号之间的波动规律综合作用的效果。

表3 不同预喷百分比下控制信号喷射间隔与喷雾喷射间隔对应关系

2.4 燃油融合临界间隔时间研究

在探讨喷射间隔的设置及变化规律时，必须考虑发生喷射融合的临界喷射间隔，只有设定的喷射间隔大于融合临界喷射间隔时，才能实现多次喷射。对临界喷射间隔的判定上，控制电流设置较小喷射间隔后，首先会在喷油规律曲线上反映出是否融合。但由于喷射延迟的存在，燃油喷雾是否已经发生了融合，仍需要通过喷雾图像进行验证。

在进行超高压供油系统多次喷射喷油规律测试时发现，在各个压力下，当预主喷射间隔为0.4 ms时，喷油规律曲线中预喷喷油与主喷喷油规律曲线恰好相连。以220 MPa为例，如图6所示，当预主喷间隔小于0.4 ms时，预喷结束和主喷开始的喷油规律曲线重合在一起，两次喷射融合为一次喷射。当预主喷间隔大于0.4 ms时，两次喷射的喷油规律曲线出现明显的断开。

图6 220 MPa，喷射间隔0.4 ms时的喷油规律

为了确定喷雾发生融合的临界喷射间隔，对相同压力和相同喷射间隔下的喷雾图像进行分析。由图7可以看出，在0.2 ms时预喷射结束，到0.5 ms时主喷射开始，预喷燃油油束和主喷燃油油束并没有融合在一起，即0.4 ms预主喷间隔下，喷油规律曲线出现喷射融合现象，喷雾图像油束并未出现喷射融合现象，0.4 ms并不是真正的喷射融合临界喷射间隔。为了确定此工况下的真实融合临界喷射间隔，继续减小预主喷喷射间隔，观察喷雾图像油束发展过程。

图7 220 MPa，0.4 ms 预主喷喷射间隔下多次喷射喷雾发展过程

图8示出相同喷射压力、相同预喷油量下，预主喷喷射间隔为0.3 ms时多次喷射喷雾发展过程。

图8 220 MPa，0.3 ms 预主喷喷射间隔下多次喷射喷雾发展过程

由图8可以看出，本应该在0.2 ms结束的预喷射，并没有出现断喷现象，之后的油束一直为连续油束，说明预喷油束与主喷油束已经融合在一起，无法区分，0.3 ms即为该工况下的融合临界喷射间隔。

3 结论

a) 单次喷射条件下，喷雾脉宽始终大于控制信号脉宽，二者的差值随着喷射压力增大而减小，与背景气体密度无关；

b) 预喷+主喷条件下，喷雾脉宽依旧始终大于控制信号脉宽；当预喷油量不变时，随着喷射压力的增大，喷雾脉宽与控制信号脉宽之间的差值随之减小；在喷射压力不变的情况下，随着预喷油量的增加，脉宽差值逐渐增大；上述规律在不同背景密度和预主喷间隔下始终成立，因此在控制信号设定时，可以不考虑背景密度与喷射间隔的影响；

c) 不同压力、预喷油量及控制信号喷射间隔下，喷雾喷射间隔始终比控制信号喷射间隔小0.1 ms；当喷油规律曲线中预主喷射发生融合时，喷雾中预主喷油束并没有发生融合，即真实融合的临界喷射间隔需要由实际喷雾进行确定。