一种适用于柴油机燃油系统多次喷射策略的喷油规律在线测量方法及其在线测量方法

本发明属于柴油机燃油系统测试及控制领域，具体涉及一种适用于柴油机燃油系统多次喷射策略的喷油规律在线测量方法及其在线测量方法。

背景技术：

随着能源危机和环境问题的日益严峻，柴油机逐渐向着智能，绿色，高效的方向发展。柴油机的燃烧品质由燃油喷射过程及油气混合程度共同决定，是典型的扩散燃烧。因此nox和碳烟排放之间存在一种此消彼长的关系。目前先进的控制策略和新的燃烧理念大都致力于在提高柴油机动力性与经济性的同时实现二者折中排。

多次喷射策略可以促进缸内燃油与空气的混合，实现缸内放热规律的主动调节进而优化燃烧，是提升发动机性能的重要手段。其中先导喷射是最为常用的多次喷射方式。先导燃油燃烧放热提高了缸内温度，喷射过程形成较强的缸内气流扰动，为主喷的燃烧反应提供较好的热氛围，缩短了主喷燃油的滞燃期，降低燃烧压力及温度，实现nox和pm的折中排放控制。

多次喷射的喷油正时直接决定主喷燃烧前的缸内温度。理想情况下，采用多次喷射方式，柴油机的颗粒物排放会明显降低，特别是优化了先导喷射与主喷之间的喷油正时与间隔时间，使前一次喷入的燃油燃烧时形成的颗粒物不与主喷燃油混合，保证主喷燃油进入温度足够高的区域，既可以促进燃烧又能减低主喷颗粒物的排放。但是如果主喷燃油燃烧前温度过高，则主喷滞燃期缩短，预混合燃烧比例减小，颗粒物排放将会增加。如果主喷燃油燃烧前温度过低，主喷预混燃烧比例增加，虽然降低了颗粒物排放水平，但是将会导致最大压力升高率的增加，柴油机工作过程相对粗暴。因此为了解决良好的排放水平与低燃烧噪声之间的矛盾关系，需要精确控制喷油器实际喷油正确时间。

同时，对于高压共轨系统，先导喷射引起的燃油系统内压力波动将会影响主喷的针阀运动，进而导致主喷过程的喷油规律发生畸变，影响燃油喷雾在缸内的时空发展情况，使得燃烧过程及污染物排放水平难以达到预计效果。另外，先导喷射引起的强烈燃油压力波动现象将会导致主喷过程的喷油压力偏离预定值，实际喷油量与标定map存在偏差，传统的喷油量开环控制策略无法实现燃料注入量的精确控制。

因此多次喷射过程中，燃油喷射过程的精确控制是亟待解决的瓶颈性问题，而实现燃油喷射过程精确控制的前提是实现喷油规律的准确感知与实时反馈。

技术实现要素：

本发明提供一种适用于柴油机燃油系统多次喷射策略的喷油规律在线测量方法及其在线测量方法，针对多次喷射过程中喷油量波动以及喷油规律畸变的问题，并且避免了喷油器复杂的线下标定过程。

本发明通过以下技术方案实现：

一种适用于柴油机燃油系统多次喷射策略的喷油规律在线测量系统，所述在线测量系统包括喷油器1、压力传感器2、数据采集卡3、进油支管4、公共油管5、柴油泵6、柴油箱7、数据收集器8、电荷放大器9、冲击力传感器10、冲击力传感器支架11和上位机12；

所述喷油器1的进油口通过进油支管4与公共油管5的一端相连接，所述公共油管5的另一端通过柴油泵6与柴油箱7相连接；

所述喷油器1的出油口与冲击力传感器10相连接，所述冲击力传感器10放置在冲击力传感器支架11上；

所述喷油器1的进油口设置压力传感器2，所述压力传感器2与电荷放大器9的第一入接口相连接，所述喷油器1的电气阀门与电荷放大器9的第二接口相连接，所述压力传感器2与电荷放大器9的第三接口相连接；

所述电荷放大器9与数据采集卡3相连接，所述数据采集卡3分别与数据收集器8和上位机12相连接。

一种适用于柴油机燃油系统多次喷射策略的喷油规律在线测量系统的在线测量方法，所述在线测量方法包括以下步骤：

步骤1：通过在线测量系统采集喷油器进油口的水锤压力信号；

步骤2：基于步骤1的水锤压力信号结合压力波反射原理计算燃油声速；

步骤3：基于步骤2的燃油声速结合液电模拟方法对预喷水锤压力震荡进行模拟，获取预喷水锤震荡的模拟信号；

步骤4：基于步骤3的预喷水锤压力震荡模拟信号，对步骤1的测得的水锤压力信号进行解耦，获取由主喷过程产生的燃油压力波动信号；

步骤5：基于步骤4的燃油压力波动信号进行喷油规律的计算，实现喷油规律在线测量。

进一步的，所述步骤2具体为，将油轨处视为等压反射端，根据式(1)得出在油轨处反射的水锤压力波为膨胀波，

其中ph为水锤压力波经过测量点时引起相应的升高压力值；a为当前燃油声速；ρ为燃油密度；vh为燃油流动速度；vh'为反射波的速；ph‘为水锤压力波经过测量点处引起相应的降低的压力值，p为油轨端燃油压力；v为油轨端燃油速度；

当前燃油声速a的实时直接测量通过下式(2)实现

其中l为液感；δt为实测水锤压力波入射波与反射波经过测量点的时间差。

进一步的，所述步骤3具体为，由于柴油机燃油系统中包括容性元压力部件、感性元压力部件和阻性元压力部件；

所述容性元压力部件进出容腔的燃油质量与压力变化的关系通过式(3)描述，

其中g为质量流量；v为容腔体积；t为时间；

由式(3)可知液容c为

所述感性元液压部件为一维非定常流动，感性元内压力和流量的变化的关系通过式(5)描述，

其中a为油管内径；

由式(5)可知液感l为

其中l为管道长度；

所述水锤压力震荡的液阻r大小

其中μ为动力粘度；q为管道内径；

根据液电模拟方法与基尔霍夫第二定律得出

令

其中c1为油轨的液容，l1为高压油管的液感，r1、r2分别为高压油管和喷油器输油管内耗散作用产生的液阻；l2为喷油器内部喷孔输油管液感，c2为控制腔的液容,uc为液压电容两端的电压；

由式(8)可知振荡方程为

其中ω为中间参数；为中间参数；δ为中间参数；

由式(9)可得如下燃油系统水锤压力振荡p(t)的方程

其中ω为中间参数；为中间参数；δ为中间参数；php为起振压力；

将主喷过程的水锤压力振荡信号按照式(11)进行运算后获取预喷水锤振荡的模拟信号；

其中thp为预喷水锤震荡起点；thm为主喷水锤震荡起点；ptest为传感器实测压力；t为计算时间，thp＜t＜thm。

进一步的，所述步骤4解耦燃油压力波具体为，由于燃油系统内压力波以dp形式传播，因此根据式(12)的压力波叠加及解耦理论得出主喷引起的压力波动dpm，

dpm＝dpp-dpp+m(12)

其中dpp+m为合成压力变化，即传感器实测压力信号的导数；

由于主喷的水锤振荡能在一个采集循环中拾取到，喷油规律能在一个发动机工作循环内计算完成，由式(12)得到式(13)

进一步的，所述步骤5喷油规律的计算具体为，喷油结束时刻早于反射波w3回到测量点处的时刻，通过式(14)对喷油规律进行计算，

其中pw1为球阀开启产生的膨胀波，ptest为传感器实测压力，a为油管内径，a为当前燃油声速。

进一步的，所述步骤5喷油规律的计算具体为，当反射波w3在喷射过程中回到测量点处，但是针阀在喷射过程中没有运动到最大限位处，喷油规律通过式(15)进行计算

其中，a为油管内径，a为当前燃油声速，ptest为传感器实测压力，pw1为球阀开启产生的膨胀波，pw3为油轨处的反射波。

进一步的，所述步骤5喷油规律的计算具体为，当针阀在喷射过程中达到最大限位处，喷油规律通过下式(16)进行计算：

其中a为油管内径，a为当前燃油声速，ptest为传感器实测压力，pw1为球阀开启产生的膨胀波，pw3为油轨处的反射波，t0为喷油器激励电流起始时刻，t1为针阀到达最大限位时刻，t2为针阀开始落座时刻，t3为喷油结束时刻。

本发明的有益效果是：

本发明基于喷油器进油口压力信号开发适用于多次喷射策略的喷油规律在线计算方法。

本发明由于传感器置于喷油器进油口处，传感器所在环境相对温和，延长了传感器的使用时间。

本发明根据预喷燃油压力波动的特点提出一种燃油系统内水锤震荡的模拟算法，实现了多次喷射过程中喷油规律的精确计算。

附图说明

图1本发明的方法流程图。

图2本发明燃油系统的电路模化示意图。

图3本发明的实验装置结构示意图。

图4本发明的不同喷射条件下喷油器进油口处燃油压力波动信号示意图，其中(a)喷射压力120mpa、喷射脉宽0.5ms条件下喷油器进油口处燃油压力波动信号示意图，(b)喷射压力120mpa、喷射脉宽1ms条件下喷油器进油口处燃油压力波动信号示意图，(c)喷射压力120mpa、喷射脉宽3ms条件下喷油器进油口处燃油压力波动信号示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图3所示，一种适用于柴油机燃油系统多次喷射策略的喷油规律在线测量系统，所述步骤1的实验装置包括喷油器1、压力传感器2、数据采集卡3、进油支管4、公共油管5、柴油泵6、柴油箱7、数据收集器8、电荷放大器9、冲击力传感器10、冲击力传感器支架11和上位机12；

所述喷油器1的进油口通过进油支管4与公共油管5的一端相连接，所述公共油管5的另一端通过柴油泵6与柴油箱7相连接；

所述喷油器1的出油口与冲击力传感器10相连接，所述冲击力传感器10放置在冲击力传感器支架11上，

所述喷油器1的进油口设置压力传感器2，所述压力传感器2还与电荷放大器9的第一接口相连接，所述喷油器1的电气阀门与电荷放大器9的第二接口相连接，所述压力传感器2与电荷放大器9的第三接口相连接；

所述电荷放大器9与数据采集卡3相连接，所述数据采集卡3分别与数据收集器8和上位机12相连接。

如图1所示，一种适用于柴油机燃油系统多次喷射策略的喷油规律在线测量系统的在线测量方法，所述喷油规律在线测量方法包括以下步骤：

步骤1：通过在线测量系统采集喷油器进油口的水锤压力信号；

步骤2：基于步骤1的水锤压力信号结合压力波反射原理计算燃油声速；

步骤3：基于步骤2的燃油声速结合液电模拟方法对预喷水锤压力震荡进行模拟，获取预喷水锤震荡的模拟信号；

步骤4：基于步骤3的预喷水锤压力震荡模拟信号，对步骤1的测得的水锤压力信号进行解耦，获取由主喷过程产生的燃油压力波动信号；

步骤5：基于步骤4的燃油压力波动信号进行喷油规律的计算，实现喷油规律在线测量。

进一步的，所述步骤2具体为，由于燃油系统结构紧凑，有限的油管长度会使压力波在油轨处发生反射。反射波回到测量点处与喷油产生的压力波相互叠加，决定了测量点处燃油压力的变化。喷油末期，针阀迅速落座产生强烈的水锤压力激增。水锤压力波表现为向油轨传递的压缩波，并在喷油结束后沿着油管方向产生欠阻尼的压力波振荡现象。根据压力波反射原理，将油轨处视为等压反射端，根据式(1)得出在油轨处反射的水锤压力波为膨胀波，

如图3所示，喷嘴处产生的水锤压力波向油轨处传递，其中ph为水锤压力波经过测量点时引起相应的升高压力值；a为当前燃油声速；ρ为燃油密度；vh为燃油流动速度；vh'为反射波的速；ph‘为水锤压力波经过测量点处引起相应的降低的压力值，p为油轨端燃油压力；v为油轨端燃油速度；

由于柴油机燃油喷射过程中高压油管内的压力波是典型的微波，可以认为水锤压力波在油管中以声速传播。因此可以通过实测水锤压力波入射波与反射波经过测量点的时间差△t通过下式对燃油声速进行计算，燃油声速a的实时直接测量通过下式(2)实现

其中l为液感；δt为实测水锤压力波入射波与反射波经过测量点的时间差。

如图3所示，在预喷+主喷的喷射策略中，喷油器同一循环内相邻两次喷射的时间间隔很短，预喷引起的水锤压力波动现象是导致主喷喷油规律发生畸变的主要原因。因此需要研究预喷引起的水锤振荡现象并对其进行解耦。燃油系统的水锤振荡过程属于典型的有阻尼振荡过程，通过液电模化法可以更好的理解水锤压力波在高压油管的传递及演化过程。进一步的，所述步骤3具体为，由于柴油机燃油系统中包括容性元、感性元和阻性元；其中容性元主要包括油轨和盛油槽，感性元主要包括高压油管和喷油器内的输油管，阻性元主要为燃油流动过程中产生的摩擦阻力；

所述容性元压力部件进出容腔的燃油质量与压力变化的关系通过式(3)描述，

其中g为质量流量；v为容腔体积；t为时间；

由式(3)可知液容c为

所述感性元液压部件为一维非定常流动，感性元内压力和流量的变化的关系通过式(5)描述，

其中a为油管内径；

由式(5)可知液感l为

其中l为管道长度；

由于燃油流动过程中与管壁存在摩擦等能量耗散现象，因此水锤压力振荡过程是典型的欠阻尼振荡过程，所述水锤压力震荡的液阻r大小

其中μ为动力粘度；q为管道内径；

根据液电模拟方法(原理)与基尔霍夫第二定律得出

令

根据液电模拟原理可以将燃油系统模拟为如图所示的rlc振荡电路形式，如图1所示：

其中c1为油轨的液容，l1为高压油管的液感，r1、r2分别为高压油管和喷油器输油管内耗散作用产生的液阻；l2为喷油器内部喷孔输油管液感，c2为控制腔的液容,uc为液压电容两端的电压；

由式(8)可知振荡方程为

其中ω为中间参数；为中间参数；δ为中间参数；

由式(9)可得如下燃油系统水锤压力振荡p(t)的方程

其中ω为中间参数；为中间参数；δ为中间参数；php为起振压力；

因此可以看出燃油系统的水锤压力振荡形式仅与起振压力及燃油系统结构有关，欠阻尼振荡的衰减系数仅与燃油系统的结构有关。

将主喷过程的水锤压力振荡信号按照式(11)进行运算后获取预喷水锤振荡的模拟信号；

其中thp为预喷水锤震荡起点；thm为主喷水锤震荡起点；ptest为传感器实测压力；t为计算时间，thp＜t＜thm。

进一步的，所述步骤4解耦燃油压力波具体为，由于柴油机高压共轨系统内的压力波属于微波，各列压力波在管路内均以声速传播，可以忽略不同微波同向追赶相遇的情况。而对于相向传递的压力波，当各列压力波相遇后，仍各自继续以单波的形式向前行进而不影响各自压力波的性质。合成波仅反应瞬间有状态合成，因此测量点处测得的压力变化是主喷射过程压力波动及预喷水锤压力波振荡共同作用的结果；由于燃油系统内压力波以dp形式传播，因此根据式(12)的压力波叠加及解耦理论得出主喷引起的压力波动dpm，

dpm＝dpp-dpp+m(12)

其中dpp+m为合成压力变化，即传感器实测压力信号的导数；

由于主喷的水锤振荡能在一个采集循环中拾取到，喷油规律能在一个发动机工作循环内计算完成，由式(12)得到式(13)

在一个喷射循环中包含着和两段水锤压力波，预喷引起的水锤振荡淹没在主喷的压力波动之中同时影响着主喷的喷油过程。主喷的水锤振荡发生在喷油循环结束之后，此时高压油管内不再有新的波源产生，属于相对纯净的振荡过程。

利用主喷末期针阀关闭产生的水锤压力振荡可以很好的模拟预喷产生的水锤压力振荡。因此利用下式对压力信号进行预处理即可计算主喷喷油规律。由于主喷和预喷发生在同一喷射循环中，具有相同的喷射环境，可以避免由于油泵实验台与发动机实际运行条件下环境差异引起的喷油器喷油特性的区别，增加了系统的鲁棒性。同时由于主喷的水锤振荡仍然可以在一个采集循环中拾取到，喷油规律可以在一个发动机工作循环内计算完成，保证了算法的实时性。

进一步的，所述步骤5喷油规律的计算具体为，当喷油脉宽很短时如图4(a)所示，喷油结束时刻早于反射波w3回到测量点处的时刻，通过式(14)对喷油规律进行计算，

其中pw1为球阀开启产生的膨胀波，ptest为传感器实测压力，a为油管内径，a为当前燃油声速。

进一步的，所述步骤5喷油规律的计算具体为，当反射波w3在喷射过程中回到测量点处，如图4(b)所示，但是针阀在喷射过程中没有运动到最大限位处，喷油规律通过式(15)进行计算

其中，a为油管内径，a为当前燃油声速，ptest为传感器实测压力，pw1为球阀开启产生的膨胀波，pw3为油轨处的反射波。

进一步的，所述步骤5喷油规律的计算具体为，当针阀在喷射过程中达到最大限位处，如图4(c)所示，喷油规律通过下式(16)进行计算：

其中a为油管内径，a为当前燃油声速，ptest为传感器实测压力，pw1为球阀开启产生的膨胀波，pw3为油轨处的反射波，t0为喷油器激励电流起始时刻，t1为针阀到达最大限位时刻，t2为针阀开始落座时刻，t3为喷油结束时刻。