本發(fā)明涉及發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒分析、故障診斷以及反饋控制領(lǐng)域，具體涉及一種脈動(dòng)式燃油噴射系統(tǒng)噴油器針閥位移曲線預(yù)測(cè)方法。

背景技術(shù)：

脈動(dòng)式燃油噴射系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)改造較小，具有噴油量和噴油正時(shí)靈活可控的工作特性，能夠?qū)崿F(xiàn)超過(guò)200mpa的噴油壓力，加上高壓油管短且連接接頭少，燃油系統(tǒng)管路發(fā)生泄露的問(wèn)題較高壓共軌燃油系統(tǒng)而言?xún)?yōu)勢(shì)明顯。另外，其系統(tǒng)性能可靠和壽命高。因此，脈動(dòng)式燃油噴射系統(tǒng)在中、重型柴油機(jī)上得到較廣泛的應(yīng)用。

目前，關(guān)于脈動(dòng)式燃油噴射系統(tǒng)的技術(shù)研究主要集中在脈動(dòng)式燃油噴射系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、電控單元的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化、控制策略的優(yōu)化、壓力波動(dòng)原因分析、噴油量循環(huán)波動(dòng)原因分析以及由控制閥所引起的“空化”問(wèn)題等方面。尚沒(méi)有相關(guān)科學(xué)及技術(shù)文獻(xiàn)給出脈動(dòng)式燃油噴射系統(tǒng)中噴油器針閥的運(yùn)動(dòng)與燃油壓力波動(dòng)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。當(dāng)燃油噴射系統(tǒng)正常工作時(shí)，噴油器針閥的打開(kāi)和關(guān)閉動(dòng)作均會(huì)引起高壓燃油的壓力波動(dòng)。本發(fā)明通過(guò)對(duì)針閥的運(yùn)動(dòng)及燃油壓力波動(dòng)特點(diǎn)的詳細(xì)分析，能夠在燃油壓力曲線上確定與針閥各動(dòng)作相對(duì)應(yīng)的燃油壓力特征點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)針閥位移曲線的預(yù)測(cè)，有利于技術(shù)人員對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行燃燒分析、故障診斷以及反饋控制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明提供了一種脈動(dòng)式燃油噴射系統(tǒng)噴油器針閥位移曲線預(yù)測(cè)方法，根據(jù)噴油器針閥的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)和燃油壓力曲線上的壓力波動(dòng)特點(diǎn)，確定針閥打開(kāi)和關(guān)閉的相位，進(jìn)而通過(guò)對(duì)壓力波的延遲計(jì)算得到針閥的位移曲線，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行燃燒分析、故障診斷以及反饋控制的目的。

一種脈動(dòng)式燃油噴射系統(tǒng)噴油器針閥位移曲線預(yù)測(cè)方法，具體過(guò)程為：

步驟一：測(cè)試脈動(dòng)式燃油噴射系統(tǒng)噴油器針閥的燃油壓力曲線；

步驟二：在燃油壓力曲線上確定針閥開(kāi)始打開(kāi)時(shí)、針閥x％打開(kāi)時(shí)、針閥y％關(guān)閉時(shí)及完全關(guān)閉時(shí)的燃油壓力特征點(diǎn)，x％等于當(dāng)針閥處有效流通面積與噴孔總面積相等時(shí)的針閥位移與針閥最大升程之比，x％與y％之和為1；

步驟三：計(jì)算針閥在各燃油壓力特征點(diǎn)的壓力波傳播的延遲相位；

步驟四：根據(jù)所述延遲時(shí)間計(jì)算針閥開(kāi)始打開(kāi)時(shí)、針閥打開(kāi)處有效流通面積與噴孔總面積相等時(shí)、針閥關(guān)閉處有效流通面積與噴孔總面積相等時(shí)及完全關(guān)閉時(shí)的相位，利用各相位預(yù)測(cè)針閥的位移曲線。

進(jìn)一步地，所述針閥開(kāi)始打開(kāi)時(shí)的燃油壓力特征點(diǎn)為燃油壓力變化率開(kāi)始大幅下降的起點(diǎn)。

進(jìn)一步地，所述針閥x％打開(kāi)時(shí)的燃油壓力特征點(diǎn)為燃油壓力曲線升高階段內(nèi)壓力波的波谷點(diǎn)。

進(jìn)一步地，所述針閥y％關(guān)閉時(shí)的燃油壓力特征點(diǎn)為燃油壓力曲線下降階段內(nèi)壓力波的波谷點(diǎn)。

進(jìn)一步地，所述完全關(guān)閉時(shí)的燃油壓力特征點(diǎn)為燃油壓力曲線下降階段內(nèi)壓力波的波峰點(diǎn)。

有益效果：

1、本發(fā)明提出的脈動(dòng)式燃油噴射系統(tǒng)噴油器針閥位移曲線預(yù)測(cè)方法，可以代替針閥位移傳感器，解決位移傳感器安裝困難、成本高等問(wèn)題。

2、本發(fā)明提出的脈動(dòng)式燃油噴射系統(tǒng)噴油器針閥位移曲線預(yù)測(cè)方法，工作原理簡(jiǎn)單，可以快速得到針閥的位移曲線，方便對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行燃燒分析、故障診斷以及反饋控制。

附圖說(shuō)明

圖1為電控單體泵試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖；

圖2為針閥位移曲線預(yù)測(cè)流程圖；

圖3為凸輪轉(zhuǎn)速1250r/min、噴油持續(xù)期15°cam工況下的燃油壓力曲線；

圖4為不同噴油器彈簧預(yù)緊力下的針閥位移、燃油壓力曲線和燃油壓力變化率曲線；

圖5為不同針閥最大升程下的針閥位移和燃油壓力曲線；

圖6為不同針閥關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間下的針閥位移和燃油壓力曲線；

圖7為針閥位移曲線預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值的對(duì)比圖。

其中，1-油箱，2-濾網(wǎng)，3-輸油泵，4-一級(jí)粗濾，5-二級(jí)粗濾，6-調(diào)壓閥，7-油壓表，8-一級(jí)細(xì)濾，9-二級(jí)細(xì)濾，10-單向閥，11-針閥，12-電控單體泵，13-瞬態(tài)壓力傳感器，14-機(jī)械噴油器，15-數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，16-高壓油管，17-efs單次測(cè)量?jī)x，18-efs采集單元，19-凸輪軸，20-試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖并舉實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。

噴油器針閥的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)主要包括常閉和常開(kāi)兩個(gè)穩(wěn)態(tài)以及打開(kāi)和關(guān)閉兩個(gè)瞬態(tài)。針閥處于常閉、常開(kāi)時(shí)，其位移分別為0和最大升程，所以關(guān)鍵是要確定針閥打開(kāi)和關(guān)閉兩個(gè)瞬態(tài)所對(duì)應(yīng)的相位和位移。由于針閥打開(kāi)和關(guān)閉所用的時(shí)間極短，所以可以假設(shè)打開(kāi)和關(guān)閉都是一個(gè)勻速過(guò)程。此外，針閥的最大升程是已知的，可由生產(chǎn)廠家提供。因此，只需在確定針閥開(kāi)始打開(kāi)、x％打開(kāi)、y％關(guān)閉和完全關(guān)閉時(shí)的相位之后，再通過(guò)壓力波的延遲計(jì)算，即可完整的預(yù)測(cè)出針閥的位移曲線，其中x、y與針閥處燃油有效流通面積和噴孔總面積的相互關(guān)系有關(guān)，x％與y％的和為1。具體預(yù)測(cè)步驟如下：

步驟一：試驗(yàn)測(cè)得一組某一工況下的燃油壓力曲線。燃油壓力曲線可以在脈動(dòng)式燃油噴射系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)或發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架上，通過(guò)瞬態(tài)壓力傳感器和凸輪轉(zhuǎn)角傳感器共同測(cè)得。

步驟二：在燃油壓力曲線上確定針閥開(kāi)始打開(kāi)時(shí)、針閥x％打開(kāi)時(shí)、針閥y％關(guān)閉時(shí)及完全關(guān)閉時(shí)的燃油壓力特征點(diǎn)，x％等于當(dāng)針閥處有效流通面積與噴孔總面積相等時(shí)的針閥位移與針閥最大升程之比，x％與y％之和為1；

(1)在燃油壓力曲線上確定針閥開(kāi)始打開(kāi)時(shí)的燃油壓力特征點(diǎn)。通過(guò)不同噴油器彈簧預(yù)緊力條件下燃油壓力曲線的對(duì)比分析，當(dāng)針閥開(kāi)始打開(kāi)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生膨脹波，使原本持續(xù)升高的燃油壓力變化率開(kāi)始大幅下降，此處燃油壓力變化率的斜率大，所以確定燃油壓力變化率開(kāi)始大幅下降的起點(diǎn)作為針閥開(kāi)始打開(kāi)時(shí)的燃油壓力特征點(diǎn)。

(2)在燃油壓力曲線上確定針閥x％打開(kāi)時(shí)的燃油壓力特征點(diǎn)。通過(guò)不同針閥最大升程條件下的燃油壓力曲線的對(duì)比分析，隨著針閥逐漸打開(kāi)，膨脹波逐漸變大，燃油壓力逐漸降低，當(dāng)針閥處有效流通面積與噴孔總面積相等時(shí)，燃油壓力重新開(kāi)始升高，所以確定燃油壓力曲線升高階段內(nèi)壓力波的波谷點(diǎn)作為針閥x％打開(kāi)時(shí)的燃油壓力特征點(diǎn)。其中，x％等于當(dāng)針閥處有效流通面積與噴孔總面積相等時(shí)的針閥位移與針閥最大升程之比。

(3)在燃油壓力曲線上確定針閥y％關(guān)閉時(shí)的燃油壓力特征點(diǎn)。通過(guò)不同針閥關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間條件下的燃油壓力曲線的對(duì)比分析，當(dāng)針閥位移開(kāi)始大于針閥處有效流通面積與噴孔總面積相等時(shí)的位移時(shí)，產(chǎn)生壓縮波，從而使燃油壓力升高，所以確定燃油壓力曲線下降階段內(nèi)壓力波的波谷點(diǎn)作為針閥y％關(guān)閉時(shí)的燃油壓力特征點(diǎn)。其中，x％與y％之和為1。

(4)在燃油壓力曲線上確定針閥完全關(guān)閉時(shí)的燃油壓力特征點(diǎn)。通過(guò)不同針閥關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間條件下的燃油壓力曲線的對(duì)比分析，當(dāng)針閥完全關(guān)閉時(shí)，壓縮波達(dá)到最大，隨后燃油壓力在燃油噴射系統(tǒng)卸油過(guò)程的作用下繼續(xù)降低，所以確定燃油壓力曲線下降階段內(nèi)壓力波的波峰點(diǎn)作為針閥完全關(guān)閉時(shí)的燃油壓力特征點(diǎn)。

其中，步驟二詳細(xì)闡述了確定針閥4個(gè)開(kāi)閉動(dòng)作所對(duì)應(yīng)的燃油壓力特征點(diǎn)的具體分析方法，在實(shí)際應(yīng)用中，不需要進(jìn)行以上具體分析，可直接利用步驟二中的結(jié)論來(lái)確定相應(yīng)的燃油壓力特征點(diǎn)，且燃油壓力特征點(diǎn)的確定無(wú)先后順序。

步驟三：計(jì)算壓力波傳播的延遲相位。由于燃油的可壓縮性，針閥口處產(chǎn)生的壓力波傳播到壓力傳感器的測(cè)點(diǎn)位置需要一定的延遲相位。此延遲相位的計(jì)算公式為：其中延遲相位δφ的單位為°cam；n為凸輪軸轉(zhuǎn)速，單位為r/min；l為針閥與燃油壓力測(cè)點(diǎn)的距離，單位為m；i＝1、2、3、4，分別代表開(kāi)始打開(kāi)、x％打開(kāi)、y％關(guān)閉和完全關(guān)閉；vi為各燃油壓力特征點(diǎn)壓力波的傳播速度，與燃油壓力有關(guān)，可通過(guò)試驗(yàn)手段測(cè)得。

步驟四：計(jì)算針閥各運(yùn)動(dòng)點(diǎn)的相位。計(jì)算公式為：δφsi＝φf(shuō)i-δφi，其中φsi為針閥各運(yùn)動(dòng)點(diǎn)的相位，單位為°cam；φf(shuō)i為各燃油壓力特征點(diǎn)的相位，單位為°cam。

假設(shè)針閥打開(kāi)和關(guān)閉都是一個(gè)勻速過(guò)程，且其最大升程已知，即可通過(guò)上述步驟預(yù)測(cè)出針閥的位移曲線，達(dá)到對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行燃燒分析、故障診斷以及反饋控制。

以脈動(dòng)式燃油噴射系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的電控單體泵系統(tǒng)進(jìn)行舉例說(shuō)明。圖1為本發(fā)明所使用的一種電控單體泵試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖，用于得到燃油壓力曲線。已知噴油器共8個(gè)噴孔，每個(gè)噴孔直徑為0.27mm，針閥最大升程為0.43mm，所以當(dāng)針閥處有效流通面積與噴孔總面積相等時(shí)，此時(shí)針閥位移為0.2mm。圖2為針閥位移曲線預(yù)測(cè)流程圖，本實(shí)施例以凸輪轉(zhuǎn)速1250r/min、噴油持續(xù)期15°cam的工況為例進(jìn)行針閥位移曲線的預(yù)測(cè)，具體實(shí)施步驟如下：

步驟一：在如圖1所示的試驗(yàn)系統(tǒng)上測(cè)得一組以上工況下的燃油壓力曲線，如圖3所示。在圖3的燃油壓力曲線上已經(jīng)標(biāo)注出針閥各運(yùn)動(dòng)點(diǎn)的燃油壓力特征點(diǎn)，具體的標(biāo)注方法結(jié)合以下步驟進(jìn)行舉例。

步驟二：(1)在燃油壓力曲線上確定針閥開(kāi)始打開(kāi)時(shí)的燃油壓力特征點(diǎn)。圖4為不同噴油器彈簧預(yù)緊力下的針閥位移和燃油壓力曲線。從圖4可知，當(dāng)針閥開(kāi)始打開(kāi)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生膨脹波，使原本持續(xù)升高的燃油壓力變化率開(kāi)始大幅下降，所以確定燃油壓力變化率開(kāi)始大幅下降的起點(diǎn)作為針閥開(kāi)始打開(kāi)時(shí)的燃油壓力特征點(diǎn)，其相位如圖3所示，φf(shuō)1為4.8°cam。

(2)在燃油壓力曲線上確定針閥x％打開(kāi)時(shí)的燃油壓力特征點(diǎn)。圖5為不同針閥最大升程下的針閥位移和燃油壓力曲線。從圖5可知，隨著針閥逐漸打開(kāi)，膨脹波逐漸變大，燃油壓力逐漸降低，當(dāng)針閥處有效流通面積與噴孔總面積相等時(shí)，燃油壓力重新開(kāi)始升高，所以確定燃油壓力曲線升高階段內(nèi)壓力波的波谷點(diǎn)作為針閥x％打開(kāi)時(shí)的燃油壓力特征點(diǎn)。其中，x％等于當(dāng)針閥處有效流通面積與噴孔總面積相等時(shí)的針閥位移與針閥最大升程之比，本例中x％＝0.2/0.43＝46.5％。則針閥46.5％打開(kāi)時(shí)的燃油壓力特征點(diǎn)的相位如圖3所示，φf(shuō)2為6.4°cam。

(3)在燃油壓力曲線上確定針閥y％關(guān)閉時(shí)的燃油壓力特征點(diǎn)。圖6為不同針閥關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間下的針閥位移和燃油壓力曲線。從圖6可知，當(dāng)針閥位移開(kāi)始大于針閥處有效流通面積與噴孔總面積相等時(shí)的位移時(shí)，產(chǎn)生壓縮波，從而使燃油壓力升高，所以確定燃油壓力曲線下降階段內(nèi)壓力波的波谷點(diǎn)作為針閥y％關(guān)閉時(shí)的燃油壓力特征點(diǎn)。其中，x％與y％之和為1，所以y％＝53.5％。則針閥53.5％關(guān)閉時(shí)的燃油壓力特征點(diǎn)的相位如圖3所示，φf(shuō)3為21.2℃am。

(4)在燃油壓力曲線上確定針閥完全關(guān)閉時(shí)的燃油壓力特征點(diǎn)。從圖6可知，當(dāng)針閥完全關(guān)閉時(shí)，壓縮波達(dá)到最大，隨后燃油壓力在單體泵卸油過(guò)程的作用下繼續(xù)降低，所以確定燃油壓力曲線下降階段內(nèi)壓力波的波峰點(diǎn)作為針閥完全關(guān)閉時(shí)的燃油壓力特征點(diǎn)，其相位如圖3所示，φf(shuō)4為22.3°cam。

其中，當(dāng)實(shí)際操作步驟二時(shí)，不需要進(jìn)行以上具體分析，可直接利用步驟二中的結(jié)論來(lái)確定相應(yīng)的燃油壓力特征點(diǎn)及其相位，且燃油壓力特征點(diǎn)的確定無(wú)先后順序。

步驟三：計(jì)算壓力波傳播的延遲相位。延遲相位的計(jì)算公式為：在試驗(yàn)過(guò)程中，n為1250r/min；l為0.5m；vi可以通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得，在計(jì)算精度要求不高時(shí)，可以看作為定值，這里取1500m/s。則δφi的計(jì)算結(jié)果均約為2.5°cam。

步驟四：計(jì)算針閥各運(yùn)動(dòng)點(diǎn)的相位。計(jì)算公式為：δφsi＝φf(shuō)i-δφi。經(jīng)計(jì)算，φs1＝2.3°cam，φs2＝3.9°cam，φs3＝18.7°cam，φs4＝19.8°cam。

由此得到了四個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，即(2.3,0)、(3.9,0.2)、(18.7,0.2)、(19.8、0)，分別對(duì)應(yīng)圖7實(shí)線上的四個(gè)點(diǎn)，假設(shè)針閥打開(kāi)和關(guān)閉都是一個(gè)勻速過(guò)程，且其最大升程已知，為0.43mm，即可預(yù)測(cè)出針閥的位移曲線。圖7為針閥位移曲線預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值的對(duì)比圖。從圖7可知，預(yù)測(cè)的位移曲線和試驗(yàn)測(cè)得的位移曲線雖然在某些細(xì)節(jié)存在一些差異，但從整體上看兩條曲線基本一致。

由以上實(shí)例可以看出，本發(fā)明提供了一種脈動(dòng)式燃油噴射系統(tǒng)噴油針閥位移預(yù)測(cè)方法，根據(jù)噴油器針閥的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)和燃油壓力曲線上的壓力波動(dòng)特點(diǎn)，能夠在無(wú)需位移傳感器的條件下，確定針閥打開(kāi)和關(guān)閉的相位，進(jìn)而通過(guò)對(duì)壓力波的延遲計(jì)算得到針閥的位移曲線，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行燃燒分析、故障診斷以及反饋控制的目的。

綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。