柴油机喷油量的测量

柴油机高压共轨系统喷油量和喷油规律测量方法概述张彬,刘建新,杜慧勇,王站成(河南科技大学车辆与动力工程学院,河南洛阳471003)摘要:对目前几种常用的测量柴油机高压共轨系统喷油量和喷油规律的方法、原理和装置进行了介绍与分析。关键词:柴油机;高压共轨;喷油规律;喷油量中图分类号:TK421+.42;U464.136文献标识码:A文章编号:1006-0006(2009)02-0006-02SummarizeofMeasurementofFuelInjectionQuantityandFuelDeliveryLawforHigh2pressureCommonRailInjectionSystemZHANGBin,LIUJian2xin,DUHui2yong,WANGZhan2cheng(Vehicle&MotivePowerEngineeringCollege,HenanUniversityofScience&Technology,Luoyang471003,China)Abstract:Severalmethodsandtheoriesandequipmentsformeasuringfuelinjectionquantityandrulesincommonuse,areanalysedandevaluatedinthispaper.Keywords:Dieselengine;High2pressurecommonrailinjectionsystem;Fueldeliverylaw;Fuelinjectionquantity电控高压共轨喷油系统是当前提高柴油机性能、减少其有害排放物最有效的技术手段之一,已广泛应用在现代高效、低排放的柴油机上。随着全球范围内能源问题的日益突出和国内欧Ⅲ、欧Ⅳ排放法规的逐步实施,柴油机电控高压共轨喷油系统也将在我国得到越来越广泛的应用。高压共轨喷油方式可以在高喷射压力下进行并形成由预喷射、主喷射和后喷射等组成的多段喷射。预喷射可缩短主喷射的着火延迟时间,能减少燃烧噪音和NOx的排放量。预喷射量对柴油机NOx排放及燃油消耗有重要影响[1]。燃油消耗随预喷射量的增加呈上升趋势,但不存在线性关系。而对于NOx排放,当预喷射量由少增多时,NOx的排放是先减少然后又升高,即对于发动机的某个工况存在一个最佳预喷射量。柴油机燃烧过程的质量在很大程度上取决于喷油规律[2],根据柴油机不同工况选择不同形式的喷油规律(先缓后急型和先急后缓型)曲线和喷射策略,可以在改善柴油机动力性和经济性的同时,在降低排放、振动和噪声等之间获得最佳折中。为使电控高压共轨喷油系统能提供发动机所需的喷油量和喷油规律,就必须具备相应的测试手段以进行每循环预喷油量、主喷油量和喷油规律等参数的精确测量,本文就相关测量方法与测试装置介绍如下。1喷油量的测量方法和原理目前柴油机喷油量的常用测量方法有容积法、位移法和Zeuch法。1.1容积法该法工作原理是将喷出的燃油通过稳压装置聚集在一个有确定容积的容器内,通过测量充满该容积所经历的喷油次数计算出每循环的平均喷油量。该方法的优点是传感器结构和检测电路简单,电路抗干扰能力强,测量方便等。其缺点是:只能测量平均喷油量,无法测取每循环的单次喷油量;测量精度较低,通过增大测量容积虽可提高测量精度,但会使工作效率降低;检测电路与燃油之间的玻璃板易受测量油液污染,光电流量传感器容易产生错误信号,导致测量设备不能正常工作;脉冲式喷油所引起的油面波动容易引起测量数据不准确等。1.2Zeuch法其工作原理[3]是当燃油喷入充满燃油的刚体密封容器内时,利用压力与喷油量成比例上升的原理测量喷油量。向容积为V0的密封容器内喷射体积为V的燃油时,燃油的体积弹性系数为k,容器内的压力上升Δp如式(1)所示。Δp=kVV0(1)在测量预喷射油量时,因喷油量相对于密封刚体容器的容积来说显得非常小,所引起的压力变化就很小,则容易使压力传感器的信噪比过小,以致于噪声淹没测量信号而无法进行测量。为了获得最大的压力变化(约为30MPa),针对不同喷射量应采用不同的刚体容积,其可分为50,100,150和200cm34种情况,依次对应的最大喷射量为100,200,300和400mm3/循环。图1为日本小野公司生产的FJ-0600A型喷油量传感器的工作示意图[4]。在喷射量检测部分,除喷油器外,还装有在定容容器中测定喷射时容器内压力上升的压电式压力传感器、用于测定燃油温度的温度传感器、为排出所喷射燃油的燃油排出阀。在喷射量检测部分的排出阀下游安装了容积式流量计(FP-213),从而可测量喷射量的累计值。比较从喷射量检测部分得到的每次喷射量的累计值和与其对应的流量计输出结果,可以对喷射量检测部分所得出的喷射量的绝对值进行校正。该方法的特点是:对刚性体的密封性要求高;要求高速排出阀具有很高的响应能力,否则将影响下一次喷油量的测量;测量量程大(0～300mm3/升程);高精度的多段喷油量测量(读数值的±0.5%);最高可测量到10段喷射;连续测量每次喷射(0.6～50Hz)。1.3位移法其工作原理是将待测燃油喷进一个带有柱塞的缸体内,缸体的开闭由一个电磁阀控制,缸体中柱塞与一个高精度的电子位移测量系统相连。在燃油压力下柱塞产生移动,喷油量通过测量柱塞的位移和柱塞的横截面积从而计算出来。柱塞与柱塞套筒之间的滑动部分如果泄露会使测量精度降低,若过度减小滑动部分之间的间隙则会导致滑动油膜破裂而使滑动部分卡死而不能正常工作。为解决这个问题,在实际应用中可采用膜片或者膜盒来代替柱塞。由于膜片或者膜盒的壁厚很薄,惯性可以做的非常小,并且不是滑动运动,而是采用弹性变形实现体积-位移的转换,所以内部泄露为零。图2为日本小野公司生产的FJ-030型喷油量传感器工作原理图[4],它采用体积-位移转换的方式,测量出喷射前和喷射后膜盒的位置。喷射后的燃油通过高速电磁阀排出以准备下一次喷射。在膜盒的另一侧充入高压气体形成背压,以模拟发动机的气缸压力。图2FJ-030型喷油量传感器Fig.2SensorforFJ-030FuelInjectionQuantity该方法的特点是:柱塞加工精度高,柱塞与柱塞套筒配合间隙要求高,即密封性好,但加工难度大;测量精确,最小可检测到0.6mm3;测量范围广,0～600mm3;分辨率高,在测量范围为0～99.9mm3时,可达到0.02mm3/次喷射。2喷油规律的测量方法和原理目前柴油机喷油规律的常用测量方法有以下3种。2.1Bosch长管法Bosch长管法是目前国内外应用较多、设备制作简单而又较为精确的一种测量喷油规律的方法。喷油器喷油进入Bosch细长管内,喷油速率dVb/dt与一元压力波p(t)的关系为dVbdt=F1cρfp(t)(2)式中,F为细长管截面积;c为声速;ρf为燃油密度。在测量过程中,式(2)中c,ρf和F的变化量很小,可以近似为恒量,即dVb/dt与p(t)成正比关系,通过单次喷油量来对p(t)进行标定后,就可以得出喷油规律。其工作原理是,被测喷油系统的喷油率通过压力传感器转换为电压量传输给控制仪,并通过温度传感器传输给控制仪的数据对电压量补偿修正后,予以测录。利用其他测量设备所测得的单次喷油量对修正后的电压量进行标定,从而得到单次喷射的喷油规律。该方法的特点是:可迅速而准确的直接测出单次喷射的喷油规律波形,无须任何计算,可将表征喷射过程的各种参数与喷油规律波形同时测录下来,便于分析比较,这是其它测量方法所不及的;管式喷油规律仪结构简单,成本低廉,制作方便,使用可靠;测试曲线平滑,测量精确;对压力波形的标定还需要另外的测量设备进行单次喷油量的测量。2.2Zeuch法在Zeuch法中,由于非接触式的位移传感器具有精度高、良好的微分线性特性等,可通过式(1)对时间取微分得到式(3)。由式(3)可知,喷射速率dV/dt与压力变化率dp/dt成正比。dVdt=V0kdpdt(3)在式(1)对时间取微分时,需要注意的是由于微分是描述一个函数在一点处的斜率,因此微分对函数的形状在小范围内的改变很敏感。在实际测量中,由于干扰信号对Δp的影响,即Δp函数曲线会产生一些微小的变化,这样就容易产生相邻点斜率的大幅改变,导致出现错误的测量数据。为消除干扰信号的影响,在进行式(1)对时间微分前,必须对Δp曲线进行光顺处理(最小二乘曲线拟合或者三次样条拟合),然后对所得到的多项式再进行微分。2.3位移法在位移法中,由柱塞速率对时间取微分也可得到喷油规律,图3为利用法国EFS公司的EMI2瞬时喷油量测量仪[5]所测量的喷油规律曲线示意图。由图3可知,实测喷油规律曲线产生的波动现象,易导致所测量的数据失真。这是由该方法中的弹簧质量系统在测量过程中产生的振动所引起的。但是对这种振动过程加以阻尼是不行的,因为确定燃油喷射过程喷油规律和喷油量的先决条件是测量系统的动态性能。为了解决由于弹簧质量系统的惯性而使实际喷油规律曲线产生振动的现象,应采用壁厚很薄、刚性强度大和材质轻的空心柱塞,因为柱塞质量小,惯性及振动就小,对喷油规律曲线的测试影响便小。图3位移法所测量的喷油规律曲线示意图Fig.3DrawingofFuelDeliveryLawwithDisplacementMethod3复合式(同时测量喷油规律和喷油量)测量装置图4[6]为德国IAV公司生产的喷射分析仪的主要测量部分,其中测量喷油规律部分采用Bosch长管法的原理,测量喷油量部分(活塞)采用位移法的原理。该喷射分析仪综合了上述两方法的优点,将两种检测(喷射规律测定和喷油量测定)功能集成在一个仪器上,活塞顶部空间充入恒压氮气以形成背压,用于模拟发动机的缸内压力。该方法的特点如下:体积小、成本低;在测量单次喷油量的同时,可以对压力传感器测量的压力波形进行标定,得出精确的喷油规律波形;两种检测仪整合在同一紧凑的结构中,环境温度变化一致,可以使得测量精度进一步得到提高;检测精度高,可达到≤±0.2mg/升程;最小测量间隔为30μs;最多可检测到每循环7段喷射;测量范围为0.3～150mg/升程高附着路面跑道根据不同功率段轮式拖拉机加速和制动距离,按试验的最长最宽线路确定该跑道的长度和宽度;该路面技术要求很高,路面附着系数要大于0.8,路面结构为:土基压实+20cm石灰土+15cm二灰碎石+24cmC30水泥混凝土+3cm磨耗层。各结构层厚度误差小于3mm,面层平整度±3mm(3m直尺检测),表面磨耗层厚度大于3cm,误差±5%,跑道承载能力为单轴20t,建设验收3年内,跑道地基下陷率小于0.5%,跑道任何方向的坡度(除弯道外)不大于0.5%。以上技术数据表明,其技术要求比之汽车试验跑道的要求有过之而无不及。由于该路面是整个试验跑道要求最高,所以其施工难度也最大,对材料的选用也最为挑剔;为保证路面的高附着系数,在其它基础层施工完成很好的情况下,磨耗层的材料选用和施工工艺的重要性也更为突出。磨耗层要采用基性岩或超基性岩细石做混凝土骨料,具有很强的抗磨耗性和耐酸碱腐蚀性能,在施工时,磨耗层和下面的混凝土层分两层浇筑,但两层之间的浇筑时间间隔需严格控制,下层混凝土用振动棒+平板振动器振密,磨耗层用平板振动器振密,用铝合金刮尺刮平,使两层间不存在施工缝,另外在磨耗层初凝后终凝前采用特殊的水涮工艺,将基性岩骨料露出0.4～0.5mm。2平滑振动跑道主要测试轮式拖拉机在较为平坦的田间作业时,拖拉机的操纵性、舒适性。因拖拉机在该跑道颠簸行驶,对跑道的破坏性较强,因此对该跑道强度和韧性要求较高。路面结构为:土基压实+20cm石灰土+15cm二灰碎石+24cm钢筋混凝土+钢纤维混凝土块(跑道条)(现浇或预制)。路面参数为:平滑振动跑道长100m,宽2.4m(左跑道)+0.3m(排水沟)+2.4m(右跑道)。跑道条宽度80mm/160mm,厚度80mm,相对于水平基座升高量按《农业轮式拖拉机和田间作业机械驾驶员全身振动的测量》(GB/T10910-2004)执行;跑道条钢纤维含量≥60kg/m3情况下才能