一种基于喷油器入口压力波的喷油器喷嘴流量系数的在线计算方法

1.本发明属于喷油器喷嘴流量系数在线测量领域，具体涉及一种基于喷油器入口压力波的喷油器喷嘴流量系数的在线计算方法。


背景技术：

2.流量系数作为喷油嘴的最关键参数之一，直接影响到燃油的喷雾及排放特性。喷嘴的瞬态流量系数可以有效的反应喷嘴内实际发生的动态变化。在发动机实际运行过程中对喷孔流量系数进行实时测量，可以为控制系统中喷油器的故障诊断、健康评估以及变工况下喷油量的控制过程提供实时有效的反馈参数。
3.当前，喷嘴流量系数的评估通常通过理论估算或实验测量来进行。理论估算的方法由于难以估算发动机实际运行过程中的复杂空化、压力波动情况，导致准确度较低。此外，理论估算的方法只能计算单次喷射的平均流量系数而无法实现喷射过程中的瞬态测量。实验测量所需要的时间和设备成本太高，且现有的测量流量系数的装置的被测量均与喷出的燃油相关，需要在喷嘴外布置测量装置，燃油无法直喷到缸内，只能在实验台上进行而无法在发动机实际过程中应用，因此无法为喷油器的故障诊断、健康评估提供准确的依据。
4.随着燃油系统的不断发展，高压共轨燃油系统中的压力波动信号中蕴含大量信息，成为国内外学者研究燃油系统喷射特性的热点之一，然而发动机实际运行过程中的压力波动与燃油喷射特性的关系仍然未被研究透彻。许多基于压力波动的喷嘴流量系数的研究中将喷射过程产生的压力波动与非喷射过程产生的压力波动一起直接用于计算，导致算法的精度不够高。
5.国内外很少有喷嘴流量系数在线测量研究的方法，流量系数在线测量的研究也遇到了瓶颈。因此本发明基于黎曼不变量理论将燃油系统内部复杂的压力变化过程简化为黎曼波的演化以及传递过程，对非喷射过程产生的压力波动进行解耦，提出了喷油过程中喷油器入口压力与流量系数的数学模型。


技术实现要素：

6.本发明提供一种基于喷油器入口压力波的喷油器喷嘴流量系数的在线计算方法，在于克服运用现有的实验方法测量喷嘴流量系数的成本高，须直接加装在喷嘴外无法实现缸外测量以及现有的基于入口压力计算燃油喷射量及流量系数的算法未排除非喷射过程引起的压力波动的影响，造成模型精度不足等问题。
7.本发明通过以下技术方案实现：
8.一种基于喷油器入口压力波的喷油器喷嘴流量系数的在线计算方法，所述在线计算方法包括以下步骤：
9.步骤1：在喷油器的高压油管处安装压力传感器，并用数据采集卡采集喷油器入口
压力；
10.步骤2：对步骤1采集的入口压力进行求导得到压力变化率曲线；
11.步骤3：对步骤1采集到的入口压力进行二阶求导，得到二阶导数曲线；
12.步骤4：将步骤2压力变化率曲线上的特征点和步骤3入口压力的二阶导数相结合判断左行膨胀波w1、w2，右行压缩波w3到达测量点的特征时刻t1、t2、t3；
13.步骤5：利用黎曼不变量理论与伯努利方程根据喷油器入口压力得到流量系数。
14.步骤6：根据步骤4得到的二阶导数曲线上的特征点判断w3是否到达压力测量点，若未达到压力测试点则进行步骤7，若达到压力测试点则进行步骤8；
15.步骤7：根据步骤4所得到的特征点及步骤5得到的入口压力与流量系数的关系，只需对左行膨胀波w1产生的压力波p
w1
进行解耦；
16.步骤8：根据步骤4所得到的特征点及步骤5得到的入口压力与流量系数的关系，除了对左行膨胀波w1产生的压力波p
w1
进行解耦，还需要对右行压缩波w3产生的压力波p
w3
进行解耦；
17.进一步的，所述步骤2具体为在压力变化率曲线上寻找入射波的波谷或波峰对应反射波的波峰或波谷，即得δt；结合压力波的传播路径，得压力波传播的声速a：
[0018][0019]
式中，l为压力测量点到油轨端的距离。
[0020]
进一步的，所述步骤4的t1为压力二阶导数曲线第一个由0变负的点；
[0021]
t2为t1后压力二阶导数曲线的第一个极值点；
[0022]
t3为t2后压力的二阶导数有持续的波峰波谷位于0上的第一个由0变正的零点。
[0023]
进一步的，所述步骤5具体为根据黎曼不变理论，声速方程和守恒方程，得到偏微分方程组；根据双曲型偏微分方程理论，将偏微分方程组化简为常微分特征线方程；在一维管流动中，根据黎曼波不变理论，得到质量流量变化率dg与压力变化率dp的直接关系如下：
[0024][0025]
结合流量系数的定义与伯努利方程得到基于喷油器入口压力波的流量系数方程如下：
[0026][0027]
式中，p
test
为测试入口压力，cd为流量系数，ρ为燃油密度，a
geo
为喷嘴的总面积，a为高压油管的截面面积，pb为喷油器背压，a为燃油声速。
[0028]
进一步的，所述步骤7具体为利用基于喷油器入口压力波的流量系数方程，
[0029][0030]
式中，dp
w1
的计算方法如下：
[0031][0032]
式中，a1为高压油进入控制室的入口面积，a2为控制室向空气压的出口面积，q
cin
为进入控制室的燃油流量，q
cout
为流出控制室的燃油流量，p
inj
为进入控制室的入口压力，p0为大气压，pc为控制室内的压力，vc为控制室的体积，b为燃油的弹性模量，p
inj0
为测试点的初始压力。
[0033]
进一步的，所述步骤8具体为利用基于喷油器入口压力波的流量系数方程：
[0034][0035]
式中，根据黎曼不变量理论以及压力波的全负反射理论，dp
w3
的计算方法如下：
[0036][0037]
式中，v为燃油流速。
[0038]
本发明的有益效果是：
[0039]
本发明可以在喷嘴设计阶段起到指导作用，并在实际运行中为喷油器的故障检测和健康评估提供重要依据，降低了实验装置的复杂程度，提高了流量系数测量的准确性，可广泛应用到工业界。
[0040]
相比于理论估算的方式，本发明所述方式不仅考虑到喷油器本身结构参数对流量系数的影响，而且能够根据实时的入口压力预测喷油器喷油嘴瞬态流量系数。
[0041]
相比于现有的流量系数测量实验装置，本发明不需要破坏发动机喷油器及燃烧室的整体结构，只需在高压油管上加装一个轨压传感器，设备简单，且可以实现缸外测量，测量瞬态流量系数的成本大大降低且突破了只能在实验台测量的条件制约。
[0042]
相比于现有的通过入口压力波动信息计算流量系数的方式，本发明基于压力波的全负反射理论，用压力变化率导数上的特征点对不同喷射压力下的燃油声速进行了校正，提高了算法的精度。
[0043]
相比于现有的通过入口压力波动信息计算流量系数的方式，本发明基于黎曼不变量理论，对入口压力波中非燃油喷射产生的压力波动分量w1,w3进行了解耦，进一步提高了算法的精度。
附图说明
[0044]
图1是本发明的方法流程图。
[0045]
图2是本发明的喷嘴流量系数在线测试装置模型图。
[0046]
图3是本发明的燃油声速校正图。
[0047]
图4是本发明的压力波到达测量点图，其中，(a)为本发明的w3解耦过程图，(b)为本发明的w3解耦后效果图。
具体实施方式
[0048]
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。
[0049]
一种基于喷油器入口压力波的喷油器喷嘴流量系数的在线计算方法，所述在线计算方法包括以下步骤：
[0050]
步骤1：在喷油器的高压油管处安装压力传感器，并用数据采集卡采集喷油器入口压力；
[0051]
步骤2：对步骤1采集的入口压力进行求导得到压力变化率曲线；
[0052]
步骤3：对步骤1采集到的入口压力进行二阶求导，得到二阶导数曲线；
[0053]
步骤4：将步骤2压力变化率曲线上的特征点和步骤3入口压力的二阶导数相结合判断左行膨胀波w1、w2，右行压缩波w3到达测量点的特征时刻t1、t2、t3；
[0054]
步骤5：利用黎曼不变量理论与伯努利方程根据喷油器入口压力得到流量系数；
[0055]
步骤6：根据步骤4得到的二阶导数曲线上的特征点判断w3是否到达压力测量点，若未达到压力测试点则进行步骤7，若达到压力测试点则进行步骤8；
[0056]
步骤7：根据步骤4所得到的特征点及步骤5得到的入口压力与流量系数的关系，只需对左行膨胀波w1产生的压力波p
w1
进行解耦；由于左行压缩波w1是控制室泄压产生的，此时针阀未开，故w1不由喷射过程引起，对w1进行解耦，用步骤2得到的入口压力波变化率dp
inj
减去dp
w1
。
[0057]
步骤8：根据步骤4所得到的特征点及步骤5得到的入口压力与流量系数的关系，除了对左行膨胀波w1产生的压力波p
w1
进行解耦，还需要对右行压缩波w3产生的压力波p
w3
进行解耦。
[0058]
进一步的，所述步骤2具体为由于左端封闭，将高压共轨端看做等压反射端，入射波所引起的测量点处的压力变化经过δt时间后，其反射波对测量点处的压力的作用大小相同，方向相反；因此，在压力变化率曲线上寻找入射波的波谷或波峰对应反射波的波峰或波谷，即得δt；结合压力波的传播路径，得压力波传播的声速a：
[0059][0060]
式中，l为压力测量点到油轨端的距离(单位：m)。
[0061]
进一步的，所述步骤4的t1为压力二阶导数曲线第一个由0变负的点；
[0062]
t2为t1后压力二阶导数曲线的第一个极值点；
[0063]
t3为t2后压力的二阶导数有持续的波峰波谷位于0上的第一个由0变正的零点。
[0064]
进一步的，所述步骤5具体为根据黎曼不变理论，将高压共轨端看做等压反射端，将燃油系统内的压力波动视为一维非定常管流，忽略摩擦力以及流体的粘性影响，声速方程和守恒方程，得到偏微分方程组：
[0065][0066]
式中，p为入口压力(单位：mpa)，u为燃油流速(单位：m/s)，a为燃油声速(单位：m/s)；
[0067]
根据双曲型偏微分方程理论，将偏微分方程组化简为常微分特征线方程：
[0068][0069][0070]
在一维管流动中，若压力波的传播方向与管流方向一致，则压力波在特征线γr上，若压力波的传播方向与管流方向相反，则压力波在特征线γ
l
上；根据黎曼波不变理论，特征线γr与特征线γ
l
上的黎曼不变量drr与dr
l
都为0；得到质量流量变化率dg与压力变化率dp的直接关系如下：
[0071][0072]
结合流量系数的定义与伯努利方程得到基于喷油器入口压力波的流量系数方程如下：
[0073][0074]
式中，p
test
为测试入口压力(单位：mpa)，cd为流量系数，ρ为燃油密度(单位：g/mm3)，a
geo
为喷嘴的总面积(单位：mm2)，a为高压油管的截面面积(单位：mm2),pb为喷油器背压(单位：mpa)，a为燃油声速(单位：m/s)。
[0075]
进一步的，所述步骤7具体为利用基于喷油器入口压力波的流量系数方程，
[0076][0077]
式中，dp
w1
的计算方法如下：
[0078][0079]
式中，a1为高压油进入控制室的入口面积(单位：mm2)，a2为控制室向空气压的出口面积(单位：mm2)，q
cin
为进入控制室的燃油流量(单位：mm3)，q
cout
为流出控制室的燃油流量(单位：mm3)，p
inj
为进入控制室的入口压力(单位：mpa)，p0为大气压(单位：mpa)，pc为控制室内的压力(单位：mpa)，vc为控制室的体积(单位：mm3)，b为燃油的弹性模量，p
inj0
为测试点的初始压力(单位：mpa)。
[0080]
进一步的，所述步骤8具体为利用基于喷油器入口压力波的流量系数方程：
[0081][0082]
式中，根据黎曼不变量理论以及压力波的全负反射理论，dp
w3
的计算方法如下：
[0083][0084]
式中，v为燃油流速(单位m/s)。
[0085]
w3解耦过程以及解耦后的波形图如图4所示。