1. 概述
为积极响应并全面落实加快推动“双碳”战略的部署要求，提升航空重油发动机的动力性能、燃油经济性并降低排放，已成为当前航空发动机领域备受瞩目的关键议题[1]。
电控喷油器作为发动机燃油喷射系统的核心部件，其性能优劣直接影响着发动机的整体表现，因而成为众多学者深入研究的焦点[2]。回顾过往研究，在高压电控喷油器方面成果颇丰。文献[3]提出基于ARM Cortex-M4内核单片机及LabVIEW软件的检测系统，能够高效自动地检测电控喷油器的流量特性与动态响应，为高压电控喷油器的性能评估提供了有效手段。文献[4]针对缸内直喷技术，采用Peak & Hold电流驱动模型，并基于ACS755XCB-050集成芯片设计电流反馈控制驱动电路，实现了对电磁阀动作的精准驱动以及喷油量的有效控制，在高压环境下提升了喷油控制的精度。文献[5]聚焦直喷汽油机高压喷油器，借助Multisim仿真软件结合发动机运行工况优化升压电路参数，使驱动电路能够产生Peak & Hold驱动电流波形，且驱动电流可在200 μs内从0 A迅速提升至峰值电流16 A，显著提高了高压喷油器的响应速度。文献[6]同样针对缸内直喷技术，运用典型Peak & Hold电流模型设计节能型释能回路，不仅使喷油器在关闭后能快速泄流，还通过电流反馈技术实现了喷油器短路、断路诊断功能，进一步增强了高压电控喷油器系统的可靠性与稳定性。
然而，上述研究主要集中于高压电控喷油器领域。对于低压电控喷油器，相关研究相对较少且多侧重于喷雾特性，电控技术方面的探索较为匮乏[7]-[9]。文献[10]虽针对低压电控喷油器分析了喷油脉冲作用下衔铁组件的运动历程以及线圈电流的变化规律，证实了衔铁组件运动过程中特征位置出现时刻与线圈电流突变时刻的一致性，但未能深入涉及低压电控喷油器在复杂工况下的驱动控制策略。重油通过喷油器在混合腔中与空气充分混合后，再经直喷喷嘴进入气缸，这种混合方式使混合气得到充分雾化，极易点燃，从而有效提升了燃油经济性并降低了排放[11]。但与传统的“高压直喷”相比，夹气直喷在驱动控制上面临着一系列独特且严峻的挑战。
其一，双阀门时序协同问题。夹气直喷系统通常包含进气阀门和喷油阀门，这两个阀门的动作时序需要高度精准协同。进气阀门需在恰当的时刻开启，以确保足够的空气进入混合腔与重油混合；而喷油阀门则要根据进气量和发动机工况，精确控制喷油时刻和喷油量。若时序配合不当，可能导致混合气比例失调，要么空气过多使燃油无法充分燃烧，降低发动机动力；要么燃油过多造成燃烧不充分，增加排放和油耗。传统的“高压直喷”系统一般只有一个喷油阀门，不存在如此复杂的双阀门时序协同问题，因此夹气直喷在驱动控制上对时序精度的要求更高，实现难度更大。
其二，低压大流量下的电流特性问题。夹气直喷工作在低压环境下，但需要实现大流量的燃油喷射，这对驱动电路的电流特性提出了特殊要求。在低压条件下，要驱动喷油器实现大流量喷射，需要提供足够大的电流以产生强大的电磁力来克服喷油器的开启阻力。
鉴于夹气直喷技术在航空重油发动机领域的广阔应用前景以及其在驱动控制上面临的上述挑战，本研究具有显著的必要性和重要贡献。本文旨在设计航空重油夹气直喷驱动系统，通过深入研究双阀门时序协同控制策略和低压大流量下的电流特性优化方法，解决夹气直喷驱动控制中的关键问题。并借助半物理仿真实验、流量特性测试实验及夹气直喷喷雾实验，对所设计的驱动模块进行全面测试与验证，为航空重油发动机夹气直喷技术的实际应用提供理论支持和技术保障，推动航空发动机技术向更加高效、环保的方向发展。
2. 夹气直喷驱动系统整体设计
夹气直喷驱动系统设计主要涉及硬件和软件。硬件部分主要包括上位机、控制器、喷油及直喷驱动电路、夹气喷射喷嘴等。根据控制精度和实时性要求对控制器进行选型，基于夹气直喷技术原理并结合电磁阀驱动响应特性，设计驱动电路。软件设计包括夹气直喷喷射参数控制软件及驱动程序，运用控制器的PIT及中断模块，结合喷油、预混、直喷时序要求编写驱动控制程序；并基于LabVIEW开发夹气直喷喷射参数控制软件。本文设计的夹气直喷驱动系统如图1所示，上位机软件通过串口通信实现对控制器实时控制，控制器执行驱动程序作用于各驱动电路实现对喷油喷嘴及直喷喷嘴电磁阀的控制，最终设计的夹气直喷驱动系统可实时、准确、可靠地控制夹气直喷喷射系统。
Figure 1. Overall design of the air-injection direct injection drive system
图1. 夹气直喷驱动系统整体设计图
3. 硬件设计
夹气直喷驱动系统硬件设计对象主要包括驱动电路及控制器。在进行硬件设计之前，首先要了解夹气直喷系统喷射总成的特点，然后掌握电磁阀驱动响应特性，最后在此基础上分别对喷油电磁阀和直喷电磁阀进行驱动时序和驱动电路设计，以及控制器的选型。
3.1. 夹气直喷系统喷射总成介绍
夹气直喷喷射系统主要由喷油器、混合腔、直喷喷嘴、进气口、进油口组成。此喷油系统由广西银翼动力科技有限公司设计提供。夹气直喷喷射系统由油路和气路构成，空气通过压缩机后获得稳定的压力进入到混合腔，航空重油经输油泵将从油箱输送到油轨中，采用油压阀保持燃油压力。喷油器将具有稳定压力的重油喷入混合腔中与具有稳定压力的空气预混合后，混合气再通过直喷喷嘴促进空气与液体相互作用，使得燃油膨胀、分裂成细小液滴，混合气得到充分雾化如图2所示[12] [13]。
结构示意图
Figure 2. Structural diagram of air-entrained direct injection system
图2. 夹气直喷喷射系统结构示意图
3.2. 电磁阀驱动响应特性分析
夹气直喷技术实现的关键是控制喷油及直喷电磁阀快速开启和关闭，使电磁阀具备高速通断能力[14]。根据夹气直喷驱动系统响应特性，电压驱动型电路的驱动电流应具有如图3所示电流变化特性。
Figure 3. Voltage drive current change curve
图3. 电压驱动电流变化曲线图
电磁阀响应特性可根据驱动电流变化分为四个部分。开启阶段(OB段)，电磁阀组件迅速上升，工作气隙变小，因电感作用使电流微变，直到触及铁芯的底部。完全开启(BD段)，当电磁阀达到最大升程时，线圈电流从IB逐渐增大到最大IC，并持续到控制信号变化(D点)。关闭阶段(DF段)当控制信号变为低电平时(D点)，因电感作用使电流缓慢下降，气隙磁通也由稳定值开始下降，当下降到所产生的电磁吸力不足以克服弹簧力等作用力时(E点)，衔铁及钢球组件将准备复位。在衔铁复位运动阶段(EF段)，由于电感的变化使线圈中的电流稍有微小增加，最终下降为零[15]。
结合上述电磁阀驱动响应特性和该夹气直喷喷射系统特点，设计的驱动电流需满足以下要求：驱动电流总体变化趋势应同上述一致；驱动电流与控制信号具有对应关系：喷油信号从低电平变为高电平时，电磁阀开始动作电流开始升高，当喷油信号从高电平变化为低电平的同时针阀开始闭合电流开始下降[16] [17]；在12 V电压下，要使电磁阀快速开启并保持在开启状态，开启时间及保持电流值需满足的要求如表1所示。
Table 1. Required values of each solenoid valve control parameter
表1. 各电磁阀控制参数要求值
控制参数 |
开启时间TOC |
保持电流ICD |
喷油电磁阀 |
≤1.3 ms |
0.8~1 A |
直喷电磁阀 |
≤1.4 ms |
2.4~2.8 A |
3.3. 电磁阀驱动电路原理分析
本文所使用的单缸航空煤油夹气喷射系统中的直喷喷嘴驱动电路结构如图4所示，采用高低电源分时驱动方式，其中+12 V为蓄电池电压，V_BOOST为升压电路BUCK-BOOST电路转换后的电源。单个直喷喷嘴驱动由高端驱动模块和电流采样电路模块组成，由于不存在选缸信号，因此本文舍弃了低端驱动模块的设计。采用双电源驱动电磁阀的优点在于，在电磁阀打开初期，由升压电路V_BOOST电源供电，这是因为电磁阀开启时内部通过的电流较小，电磁阀处于不完全开启的状态，因此需要较高的电压快速拉升电磁阀内部通过的电流，使电磁阀迅速开启，缩短电磁阀的响应时间。而直喷喷嘴电磁阀是感性元件两端会产生与蓄电池电压反向的瞬时高压，为防止电路损坏，需要并联一个泄流二极管，在直喷喷嘴电磁阀两端形成局部回路，从而将内存的电能转化为热量散发出去。
Figure 4. Direct injection nozzle drive circuit design principle
图4. 直喷喷嘴驱动电路设计原理
直喷喷嘴的工作过程如下，首先，由驱动程序发出PWM信号控制MOSFET的导通。初期，Q1和Q2打开，使直喷喷嘴同时接到+12 V和V_BOOST电源，当直喷喷嘴流过电流达到峰值后，断开Q1，此时由蓄电池电源维持电流，单个工作周期结束后，断开Q2，直喷喷嘴停止工作。PWM控制信号和工作电流如图5所示。
Figure 5. Schematic diagram of direct injection nozzle working current
图5. 直喷喷嘴工作电流示意图
3.4. 驱动电路设计
根据夹气直喷技术原理驱动电路设计主要分为两部分，其一是喷油驱动电路，其二是直喷驱动电路作用于直喷电磁阀。根据表1对夹气直喷电磁阀驱动电流要求：喷油驱动保持电流介于0.8~1 A，电磁阀电阻为12 Ω，因此设置电源电压为12 V即可。直喷驱动保持电流介于2.3~2.8 A，由于直喷喷嘴为低电阻型电磁阀，其阻值为1.8 Ω，因此可以设计为电流驱动型。
由于喷油驱动电路设计较为标准单一，本文不再阐述。本文对直喷电磁阀驱动电路设计原理进行详细介绍：图6为直喷喷嘴V_BOOST高端自举驱动电路原理图设计，采用英飞凌公司的IR2110STRPBF芯片进行设计。其中，传入HIN引脚的PWM信号控制MOS管Q1，传入LIN引脚的PWM信号控制MOS管Q2，高电平有效。当Q2导通，Q1截止时，12 V电源经过二极管D2给电容C22充电，同时D2能够将Q1源极与电源断开，对电源起保护作用；当Q1导通，Q2截止时，由于芯片内部VB和HO引脚短接，从而将C22直接并联在MOS管Q1的栅极和源极间，利用电容两端电压不能突变的原理，将12 V电压自举，从而使Q1稳定导通。12 V高端自举驱动电路原理图设计与V_BOOST高端自举驱动电路原理图设计原理相似，具体不再描述。
Figure 6. Direct injection solenoid valve drive circuit
图6. 直喷电磁阀驱动电路
3.5. 控制器的选型
电控喷油器喷射时间控制在毫秒级之间，因此所选控制器需具备非常高的实时性及精确性[18]。控制器是整个夹气直喷驱动硬件设计的核心，针对夹气直喷驱动控制的性能要求选用了一款型号为MC9S12XS128单片机，由Freescale公司推出的S12XS系列单片机中的一款增强型16位单片机，采用CPU12XV2内核，可运行在40 MHZ总线频率以上，在汽车电子、工业控制等领域应用广泛。所应用到控制器相关功能模块包括：锁相环模块(PLL)、中断系统、周期性定时器模块(PIT)、串行通信模块(SCI)等。
4. 软件设计
夹气直喷驱动系统软件设计主要包括驱动程序、夹气直喷喷射参数控制软件等。根据夹气直喷技术特点，首先对喷射时序进行设计；并基于所选MC9S12XS128控制器设计驱动控制程序；基于LabVIEW开发了夹气直喷驱动程序，通过串口通信实现对控制器进行实时控制。
4.1. 时序设计
根据夹气直喷喷油器的工作原理，通过控制喷油脉宽及直喷脉宽确定喷油量及喷气量，控制直喷针阀开启时刻确定夹气直喷喷射正时，控制喷油与直喷间隙时间实现对混合气预混时间的控制。
图7为完成一次夹气直喷喷射控制时序图。重油经夹气直喷喷嘴形成喷雾的过程中，首先通过喷油器喷入预混腔，此时需先对喷油电磁阀输入高电平，喷油脉宽T1决定喷油嘴开启时长；当固定压力的重油与空气喷入预混腔后，将进行预混合，T2决定重油与空气在混合腔内的预混时间；混合T2时间后将直喷喷嘴打开，此时通过控制器输出脉宽T3，即决定直喷喷嘴开启时长[19]。在直喷喷嘴开启的同时触发高速摄像机，T4与T3的脉宽一致，使其对夹气直喷喷射整个过程进行捕捉。
Figure 7. Timing diagram of each control signal of air injection
图7. 夹气喷射各控制信号时序图
4.2. 驱动程序设计
设置锁相环(PLL)总线频率为32 M，设置I/O口PORTB中的0、1、2口分别输出喷油器控制信号、直喷喷嘴控制信号及高速摄像机触发信号。周期性定时器(PIT)对超时周期进行设置，从而触发中断。程序设计主要采用主程序及中断程序结构模式，主程序流程如图8所示。
5. 实验验证
通过实验对所设计的夹气直喷驱动系统进行验证，半物理仿真实验采集控制时序信号验证设计的驱动程序及上位机控制软件的可行性。测试各电磁阀两端的驱动电流、电压变化验证驱动电路设计的可靠性。半物理仿真实验初步确定设计的驱动系统可行性后，搭建夹气直喷喷射台架，通过进一步的流量特性及喷雾实验验证夹气直喷驱动系统的可行性。
Figure 8. Air injection injector main program flow chart
图8. 夹气喷射喷油器主程序流程图
5.1. 半物理仿真实验
利用半物理仿真实验对设计的夹气直喷电磁阀驱动系统进行相关测试，验证所设计的驱动程序、驱动电路及上位机软件控制效果及实时性[20]。主要由夹气直喷喷油器、喷油及直喷驱动电路、控制器、夹气直喷喷射控制上位机、高速摄像机、示波器、电流卡钳、电源等组成。
将驱动控制程序烧写至控制器，上位机设置喷油及直喷脉宽为4 ms，间隙为1 ms，多次喷射，通过串口发送给控制器，运行控制程序后向各驱动电路输出对应的控制信号，从而触发喷油电磁阀、直喷电磁阀和高速摄像机。可调电源提供12 V电压。
航空发动机通常工作转速在2000~6000 r/min，该工况下对应喷油脉宽介于2~5 ms，因此分别测试2 ms、3 ms、4 ms、5 ms喷油脉宽下的驱动电流如图9，喷油驱动保持电流在0.85~0.87 A之间，介于喷油驱动电流要求值0.8~1 A范围内，可使喷油电磁阀正常开闭。
Figure 9. Changes in driving current under different injection pulse widths
图9. 不同喷油脉宽下驱动电流相关变化
当航空发动机工作转速介于2000~6000 r/min范围时，该工况下对应直喷脉宽介于2~5 ms，因此测试2 ms直喷脉宽下的驱动电流，直喷电磁阀也具有相似的驱动响应特性，直喷驱动保持电流介于2.4 A左右，理论情况下电压为12 V，导线电阻约1.6 Ω，直喷喷油器内阻1.8 Ω，串联电阻1.2 Ω，因此直喷保持电流约为2.4 A，介于要求驱动电流值2.3~2.8 A，可使直喷喷油器正常驱动(图10)。
Figure 10. Changes in driving current injection pulse widths
图10. 直喷脉宽下驱动电流相关变化
5.2. 夹气直喷系统喷射实验
通过搭建夹气直喷实验平台测量不同喷油脉宽下的喷油量及捕捉不同油压下的夹气直喷喷雾形态变化，从而进一步验证夹气直喷驱动控制系统。如图11为实验平台主要由控制器、驱动电路、夹气直喷喷雾控制上位机、高速摄像机、定容弹、空气及燃油压力调节阀、气瓶、油压及气压表、夹气喷射喷嘴、高精度电子天平组成。
1-夹气直喷喷嘴，2-定容弹，3-高速摄像机，4-喷雾捕捉图形，5-电子天平，6-气瓶，7-减压阀，8-航空煤油，9-油压阀，10-油压表，11-气压阀，12-气压表，13-夹气喷射直喷控制上位机
Figure 11. Schematic diagram of the air entrainment direct injection experimental platform
图11. 夹气直喷实验平台示意图
5.2.1. 不同喷油脉宽下流量特性测试
喷油量稳定是电控喷油器主要性能要求之一，即在正常控制脉宽变化中，喷油流量与喷油脉宽成规律的线性变化[21] [22]。因此需对夹气直喷喷射流量特性进行定量研究。本实验采用称重法，使用精度为0.01 mg的电子天平进行测量，将每组工况分别进行三次实验，取平均值作为单次喷射的流量质量[23]。保持燃油压力稳定，直喷脉宽2 ms、油气间隙2 ms、喷射次数10次；在此条件下分别测试喷油脉宽2 ms、4 ms、6 ms、8 ms下的喷油量，如图12为夹气喷油嘴流量特性曲线，设置5%的误差带，将曲线进行拟合后可表示为q = 0.813x − 0.5 (q为喷油量、x为喷油脉宽)，喷油量随着喷油脉宽的增大而增大；单次喷油流量与喷油脉宽呈线性变化，因此所设计的喷油器驱动控制满足流量特性一般规律。
Figure 12. Changes in injection quantity under different injection pulse widths
图12. 不同喷油脉宽下喷油量变化
5.2.2. 不同压力下夹气直喷喷雾实验
设置相关控制参数：喷油脉宽4 ms、油气间隙2 ms、直喷脉宽2 ms，通过高速摄像机捕捉不同油压下的喷雾变化，采用MATLAB对捕捉到的喷雾图像进行去背景、图像处理、提取后得到喷雾变化图13 [24]。根据喷雾变化规律验证夹气直喷驱动控制在不同油压下的可行性。实验以直喷喷嘴开启时刻为零时刻，同时因为直喷脉宽为2 ms，因此仅对2 ms内的喷雾图像进行捕捉。从喷雾整体变化来看，不同油压下喷雾形态变化趋势大致相同，呈现出“梭状”形态，但喷雾发展进程存在一定的差异。
Figure 13. Spray patterns at different times under different oil pressures
图13. 不同油压下不同时刻的喷雾形态
通过进一步边界计算后得到喷雾宏观特性参数，本次实验仅用于验证夹气喷射驱动系统，因此仅对喷雾贯穿距离进行分析。据文献[25]表明喷雾发展过程分为两阶段，第一阶段由燃油自身特性决定喷雾的发展，第二阶段则主要受到压力的影响，当喷油压力越大时，喷雾形成的初始动力将越大，因此在相同的阻力下，喷雾贯穿距离也越大。如图14所示，以0.4 ms作为两个阶段的时间界限：第一阶段喷雾贯穿距离在不同压力下变化保持一致；第二阶段在不同的油压下，喷雾贯穿距离开始随油压的增大而明显增大，对应增加了约10 mm，两阶段的喷雾发展变化符合上述变化规律。
Figure 14. Changes in injection quantity under different injection pulse widths
图14. 不同喷油脉宽下喷油量变化
6. 结论
本文根据夹气直喷技术原理结合电磁阀驱动响应特效，自行设计了夹气直喷喷射系统驱动电路，利用MC9S12XS128单片机器开发了相应的驱动程序和控制软件，实现对夹气直喷喷射系统的实时精确控制。得出的主要结论如下：
1) 采用IR2101驱动芯片、MOS管等元器件完成了夹气直喷驱动系统电路设计，在12 V电压下，喷油针阀可在1.28 ms内完全开启，保持电流约为0.84 A；直喷针阀可在1.31 ms内开启，保持电流约为2.64 A，硬件电路在驱动信号的作用下可使电磁阀迅速开闭，满足电磁阀驱动响应特性。
2) 基于LabVIEW开发平台和单片机的PIT及中断模块，进行夹气直喷喷射参数控制软件及驱动程序的开发，该软件可以实时调节喷油及直喷脉宽、喷射次数等参数，经测试夹气直喷驱动系统运行稳定，可实现了对喷油电磁阀和直喷电磁阀时序的精确控制。
3) 经实验验证：据流量特性实验表明，喷油脉宽与喷油量呈线性变化关系；喷雾试验对不同油压下的喷雾变化进行捕捉，以0.4 ms为时间界限，分为两个变化阶段：喷雾贯穿距离在第一阶段变化相近；在第二阶段随油压的增大，喷雾贯穿距离也明显增大；两个阶段喷雾贯穿距离符合一般规律。
NOTES
*通讯作者。