一种脉动式燃油喷射系统喷油器针阀位移曲线预测方法与流程

本发明涉及发动机燃烧分析、故障诊断以及反馈控制领域，具体涉及一种脉动式燃油喷射系统喷油器针阀位移曲线预测方法。

背景技术：

脉动式燃油喷射系统对发动机改造较小，具有喷油量和喷油正时灵活可控的工作特性，能够实现超过200mpa的喷油压力，加上高压油管短且连接接头少，燃油系统管路发生泄露的问题较高压共轨燃油系统而言优势明显。另外，其系统性能可靠和寿命高。因此，脉动式燃油喷射系统在中、重型柴油机上得到较广泛的应用。

目前，关于脉动式燃油喷射系统的技术研究主要集中在脉动式燃油喷射系统总体结构及密封结构的设计、电控单元的设计、结构参数的优化、控制策略的优化、压力波动原因分析、喷油量循环波动原因分析以及由控制阀所引起的“空化”问题等方面。尚没有相关科学及技术文献给出脉动式燃油喷射系统中喷油器针阀的运动与燃油压力波动之间的对应关系。当燃油喷射系统正常工作时，喷油器针阀的打开和关闭动作均会引起高压燃油的压力波动。本发明通过对针阀的运动及燃油压力波动特点的详细分析，能够在燃油压力曲线上确定与针阀各动作相对应的燃油压力特征点，从而实现针阀位移曲线的预测，有利于技术人员对发动机进行燃烧分析、故障诊断以及反馈控制。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种脉动式燃油喷射系统喷油器针阀位移曲线预测方法，根据喷油器针阀的运动特点和燃油压力曲线上的压力波动特点，确定针阀打开和关闭的相位，进而通过对压力波的延迟计算得到针阀的位移曲线，实现对发动机进行燃烧分析、故障诊断以及反馈控制的目的。

一种脉动式燃油喷射系统喷油器针阀位移曲线预测方法，具体过程为：

步骤一：测试脉动式燃油喷射系统喷油器针阀的燃油压力曲线；

步骤二：在燃油压力曲线上确定针阀开始打开时、针阀x％打开时、针阀y％关闭时及完全关闭时的燃油压力特征点，x％等于当针阀处有效流通面积与喷孔总面积相等时的针阀位移与针阀最大升程之比，x％与y％之和为1；

步骤三：计算针阀在各燃油压力特征点的压力波传播的延迟相位；

步骤四：根据所述延迟时间计算针阀开始打开时、针阀打开处有效流通面积与喷孔总面积相等时、针阀关闭处有效流通面积与喷孔总面积相等时及完全关闭时的相位，利用各相位预测针阀的位移曲线。

进一步地，所述针阀开始打开时的燃油压力特征点为燃油压力变化率开始大幅下降的起点。

进一步地，所述针阀x％打开时的燃油压力特征点为燃油压力曲线升高阶段内压力波的波谷点。

进一步地，所述针阀y％关闭时的燃油压力特征点为燃油压力曲线下降阶段内压力波的波谷点。

进一步地，所述完全关闭时的燃油压力特征点为燃油压力曲线下降阶段内压力波的波峰点。

有益效果：

1、本发明提出的脉动式燃油喷射系统喷油器针阀位移曲线预测方法，可以代替针阀位移传感器，解决位移传感器安装困难、成本高等问题。

2、本发明提出的脉动式燃油喷射系统喷油器针阀位移曲线预测方法，工作原理简单，可以快速得到针阀的位移曲线，方便对发动机进行燃烧分析、故障诊断以及反馈控制。

附图说明

图1为电控单体泵试验系统示意图；

图2为针阀位移曲线预测流程图；

图3为凸轮转速1250r/min、喷油持续期15°cam工况下的燃油压力曲线；

图4为不同喷油器弹簧预紧力下的针阀位移、燃油压力曲线和燃油压力变化率曲线；

图5为不同针阀最大升程下的针阀位移和燃油压力曲线；

图6为不同针阀关闭响应时间下的针阀位移和燃油压力曲线；

图7为针阀位移曲线预测值与试验值的对比图。

其中，1-油箱，2-滤网，3-输油泵，4-一级粗滤，5-二级粗滤，6-调压阀，7-油压表，8-一级细滤，9-二级细滤，10-单向阀，11-针阀，12-电控单体泵，13-瞬态压力传感器，14-机械喷油器，15-数据采集系统，16-高压油管，17-efs单次测量仪，18-efs采集单元，19-凸轮轴，20-试验台控制系统。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

喷油器针阀的运动状态主要包括常闭和常开两个稳态以及打开和关闭两个瞬态。针阀处于常闭、常开时，其位移分别为0和最大升程，所以关键是要确定针阀打开和关闭两个瞬态所对应的相位和位移。由于针阀打开和关闭所用的时间极短，所以可以假设打开和关闭都是一个匀速过程。此外，针阀的最大升程是已知的，可由生产厂家提供。因此，只需在确定针阀开始打开、x％打开、y％关闭和完全关闭时的相位之后，再通过压力波的延迟计算，即可完整的预测出针阀的位移曲线，其中x、y与针阀处燃油有效流通面积和喷孔总面积的相互关系有关，x％与y％的和为1。具体预测步骤如下：

步骤一：试验测得一组某一工况下的燃油压力曲线。燃油压力曲线可以在脉动式燃油喷射系统试验台或发动机试验台架上，通过瞬态压力传感器和凸轮转角传感器共同测得。

步骤二：在燃油压力曲线上确定针阀开始打开时、针阀x％打开时、针阀y％关闭时及完全关闭时的燃油压力特征点，x％等于当针阀处有效流通面积与喷孔总面积相等时的针阀位移与针阀最大升程之比，x％与y％之和为1；

(1)在燃油压力曲线上确定针阀开始打开时的燃油压力特征点。通过不同喷油器弹簧预紧力条件下燃油压力曲线的对比分析，当针阀开始打开时，会产生膨胀波，使原本持续升高的燃油压力变化率开始大幅下降，此处燃油压力变化率的斜率大，所以确定燃油压力变化率开始大幅下降的起点作为针阀开始打开时的燃油压力特征点。

(2)在燃油压力曲线上确定针阀x％打开时的燃油压力特征点。通过不同针阀最大升程条件下的燃油压力曲线的对比分析，随着针阀逐渐打开，膨胀波逐渐变大，燃油压力逐渐降低，当针阀处有效流通面积与喷孔总面积相等时，燃油压力重新开始升高，所以确定燃油压力曲线升高阶段内压力波的波谷点作为针阀x％打开时的燃油压力特征点。其中，x％等于当针阀处有效流通面积与喷孔总面积相等时的针阀位移与针阀最大升程之比。

(3)在燃油压力曲线上确定针阀y％关闭时的燃油压力特征点。通过不同针阀关闭响应时间条件下的燃油压力曲线的对比分析，当针阀位移开始大于针阀处有效流通面积与喷孔总面积相等时的位移时，产生压缩波，从而使燃油压力升高，所以确定燃油压力曲线下降阶段内压力波的波谷点作为针阀y％关闭时的燃油压力特征点。其中，x％与y％之和为1。

(4)在燃油压力曲线上确定针阀完全关闭时的燃油压力特征点。通过不同针阀关闭响应时间条件下的燃油压力曲线的对比分析，当针阀完全关闭时，压缩波达到最大，随后燃油压力在燃油喷射系统卸油过程的作用下继续降低，所以确定燃油压力曲线下降阶段内压力波的波峰点作为针阀完全关闭时的燃油压力特征点。

其中，步骤二详细阐述了确定针阀4个开闭动作所对应的燃油压力特征点的具体分析方法，在实际应用中，不需要进行以上具体分析，可直接利用步骤二中的结论来确定相应的燃油压力特征点，且燃油压力特征点的确定无先后顺序。

步骤三：计算压力波传播的延迟相位。由于燃油的可压缩性，针阀口处产生的压力波传播到压力传感器的测点位置需要一定的延迟相位。此延迟相位的计算公式为：其中延迟相位δφ的单位为°cam；n为凸轮轴转速，单位为r/min；l为针阀与燃油压力测点的距离，单位为m；i＝1、2、3、4，分别代表开始打开、x％打开、y％关闭和完全关闭；vi为各燃油压力特征点压力波的传播速度，与燃油压力有关，可通过试验手段测得。

步骤四：计算针阀各运动点的相位。计算公式为：δφsi＝φfi-δφi，其中φsi为针阀各运动点的相位，单位为°cam；φfi为各燃油压力特征点的相位，单位为°cam。

假设针阀打开和关闭都是一个匀速过程，且其最大升程已知，即可通过上述步骤预测出针阀的位移曲线，达到对发动机进行燃烧分析、故障诊断以及反馈控制。

以脉动式燃油喷射系统中应用最为广泛的电控单体泵系统进行举例说明。图1为本发明所使用的一种电控单体泵试验系统示意图，用于得到燃油压力曲线。已知喷油器共8个喷孔，每个喷孔直径为0.27mm，针阀最大升程为0.43mm，所以当针阀处有效流通面积与喷孔总面积相等时，此时针阀位移为0.2mm。图2为针阀位移曲线预测流程图，本实施例以凸轮转速1250r/min、喷油持续期15°cam的工况为例进行针阀位移曲线的预测，具体实施步骤如下：

步骤一：在如图1所示的试验系统上测得一组以上工况下的燃油压力曲线，如图3所示。在图3的燃油压力曲线上已经标注出针阀各运动点的燃油压力特征点，具体的标注方法结合以下步骤进行举例。

步骤二：(1)在燃油压力曲线上确定针阀开始打开时的燃油压力特征点。图4为不同喷油器弹簧预紧力下的针阀位移和燃油压力曲线。从图4可知，当针阀开始打开时，会产生膨胀波，使原本持续升高的燃油压力变化率开始大幅下降，所以确定燃油压力变化率开始大幅下降的起点作为针阀开始打开时的燃油压力特征点，其相位如图3所示，φf1为4.8°cam。

(2)在燃油压力曲线上确定针阀x％打开时的燃油压力特征点。图5为不同针阀最大升程下的针阀位移和燃油压力曲线。从图5可知，随着针阀逐渐打开，膨胀波逐渐变大，燃油压力逐渐降低，当针阀处有效流通面积与喷孔总面积相等时，燃油压力重新开始升高，所以确定燃油压力曲线升高阶段内压力波的波谷点作为针阀x％打开时的燃油压力特征点。其中，x％等于当针阀处有效流通面积与喷孔总面积相等时的针阀位移与针阀最大升程之比，本例中x％＝0.2/0.43＝46.5％。则针阀46.5％打开时的燃油压力特征点的相位如图3所示，φf2为6.4°cam。

(3)在燃油压力曲线上确定针阀y％关闭时的燃油压力特征点。图6为不同针阀关闭响应时间下的针阀位移和燃油压力曲线。从图6可知，当针阀位移开始大于针阀处有效流通面积与喷孔总面积相等时的位移时，产生压缩波，从而使燃油压力升高，所以确定燃油压力曲线下降阶段内压力波的波谷点作为针阀y％关闭时的燃油压力特征点。其中，x％与y％之和为1，所以y％＝53.5％。则针阀53.5％关闭时的燃油压力特征点的相位如图3所示，φf3为21.2℃am。

(4)在燃油压力曲线上确定针阀完全关闭时的燃油压力特征点。从图6可知，当针阀完全关闭时，压缩波达到最大，随后燃油压力在单体泵卸油过程的作用下继续降低，所以确定燃油压力曲线下降阶段内压力波的波峰点作为针阀完全关闭时的燃油压力特征点，其相位如图3所示，φf4为22.3°cam。

其中，当实际操作步骤二时，不需要进行以上具体分析，可直接利用步骤二中的结论来确定相应的燃油压力特征点及其相位，且燃油压力特征点的确定无先后顺序。

步骤三：计算压力波传播的延迟相位。延迟相位的计算公式为：在试验过程中，n为1250r/min；l为0.5m；vi可以通过试验测得，在计算精度要求不高时，可以看作为定值，这里取1500m/s。则δφi的计算结果均约为2.5°cam。

步骤四：计算针阀各运动点的相位。计算公式为：δφsi＝φfi-δφi。经计算，φs1＝2.3°cam，φs2＝3.9°cam，φs3＝18.7°cam，φs4＝19.8°cam。

由此得到了四个点的坐标，即(2.3,0)、(3.9,0.2)、(18.7,0.2)、(19.8、0)，分别对应图7实线上的四个点，假设针阀打开和关闭都是一个匀速过程，且其最大升程已知，为0.43mm，即可预测出针阀的位移曲线。图7为针阀位移曲线预测值与试验值的对比图。从图7可知，预测的位移曲线和试验测得的位移曲线虽然在某些细节存在一些差异，但从整体上看两条曲线基本一致。

由以上实例可以看出，本发明提供了一种脉动式燃油喷射系统喷油针阀位移预测方法，根据喷油器针阀的运动特点和燃油压力曲线上的压力波动特点，能够在无需位移传感器的条件下，确定针阀打开和关闭的相位，进而通过对压力波的延迟计算得到针阀的位移曲线，实现对发动机进行燃烧分析、故障诊断以及反馈控制的目的。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。