本發(fā)明涉及發(fā)動機燃燒分析、故障診斷以及反饋控制領域，具體涉及一種脈動式燃油噴射系統(tǒng)噴油器針閥位移曲線預測方法。

背景技術：

脈動式燃油噴射系統(tǒng)對發(fā)動機改造較小，具有噴油量和噴油正時靈活可控的工作特性，能夠實現(xiàn)超過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)生泄露的問題較高壓共軌燃油系統(tǒng)而言優(yōu)勢明顯。另外，其系統(tǒng)性能可靠和壽命高。因此，脈動式燃油噴射系統(tǒng)在中、重型柴油機上得到較廣泛的應用。

目前，關于脈動式燃油噴射系統(tǒng)的技術研究主要集中在脈動式燃油噴射系統(tǒng)總體結構及密封結構的設計、電控單元的設計、結構參數(shù)的優(yōu)化、控制策略的優(yōu)化、壓力波動原因分析、噴油量循環(huán)波動原因分析以及由控制閥所引起的“空化”問題等方面。尚沒有相關科學及技術文獻給出脈動式燃油噴射系統(tǒng)中噴油器針閥的運動與燃油壓力波動之間的對應關系。當燃油噴射系統(tǒng)正常工作時，噴油器針閥的打開和關閉動作均會引起高壓燃油的壓力波動。本發(fā)明通過對針閥的運動及燃油壓力波動特點的詳細分析，能夠在燃油壓力曲線上確定與針閥各動作相對應的燃油壓力特征點，從而實現(xiàn)針閥位移曲線的預測，有利于技術人員對發(fā)動機進行燃燒分析、故障診斷以及反饋控制。

技術實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明提供了一種脈動式燃油噴射系統(tǒng)噴油器針閥位移曲線預測方法，根據(jù)噴油器針閥的運動特點和燃油壓力曲線上的壓力波動特點，確定針閥打開和關閉的相位，進而通過對壓力波的延遲計算得到針閥的位移曲線，實現(xiàn)對發(fā)動機進行燃燒分析、故障診斷以及反饋控制的目的。

一種脈動式燃油噴射系統(tǒng)噴油器針閥位移曲線預測方法，具體過程為：

步驟一：測試脈動式燃油噴射系統(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始打開時、針閥x％打開時、針閥y％關閉時及完全關閉時的燃油壓力特征點，x％等于當針閥處有效流通面積與噴孔總面積相等時的針閥位移與針閥最大升程之比，x％與y％之和為1；

步驟三：計算針閥在各燃油壓力特征點的壓力波傳播的延遲相位；

步驟四：根據(jù)所述延遲時間計算針閥開始打開時、針閥打開處有效流通面積與噴孔總面積相等時、針閥關閉處有效流通面積與噴孔總面積相等時及完全關閉時的相位，利用各相位預測針閥的位移曲線。

進一步地，所述針閥開始打開時的燃油壓力特征點為燃油壓力變化率開始大幅下降的起點。

進一步地，所述針閥x％打開時的燃油壓力特征點為燃油壓力曲線升高階段內壓力波的波谷點。

進一步地，所述針閥y％關閉時的燃油壓力特征點為燃油壓力曲線下降階段內壓力波的波谷點。

進一步地，所述完全關閉時的燃油壓力特征點為燃油壓力曲線下降階段內壓力波的波峰點。

有益效果：

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

2、本發(fā)明提出的脈動式燃油噴射系統(tǒng)噴油器針閥位移曲線預測方法，工作原理簡單，可以快速得到針閥的位移曲線，方便對發(fā)動機進行燃燒分析、故障診斷以及反饋控制。

附圖說明

圖1為電控單體泵試驗系統(tǒng)示意圖；

圖2為針閥位移曲線預測流程圖；

圖3為凸輪轉速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為不同針閥關閉響應時間下的針閥位移和燃油壓力曲線；

圖7為針閥位移曲線預測值與試驗值的對比圖。

其中，1-油箱，2-濾網，3-輸油泵，4-一級粗濾，5-二級粗濾，6-調壓閥，7-油壓表，8-一級細濾，9-二級細濾，10-單向閥，11-針閥，12-電控單體泵，13-瞬態(tài)壓力傳感器，14-機械噴油器，15-數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，16-高壓油管，17-efs單次測量儀，18-efs采集單元，19-凸輪軸，20-試驗臺控制系統(tǒng)。

具體實施方式

下面結合附圖并舉實施例，對本發(fā)明進行詳細描述。

噴油器針閥的運動狀態(tài)主要包括常閉和常開兩個穩(wěn)態(tài)以及打開和關閉兩個瞬態(tài)。針閥處于常閉、常開時，其位移分別為0和最大升程，所以關鍵是要確定針閥打開和關閉兩個瞬態(tài)所對應的相位和位移。由于針閥打開和關閉所用的時間極短，所以可以假設打開和關閉都是一個勻速過程。此外，針閥的最大升程是已知的，可由生產廠家提供。因此，只需在確定針閥開始打開、x％打開、y％關閉和完全關閉時的相位之后，再通過壓力波的延遲計算，即可完整的預測出針閥的位移曲線，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系有關，x％與y％的和為1。具體預測步驟如下：

步驟一：試驗測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式燃油噴射系統(tǒng)試驗臺或發(fā)動機試驗臺架上，通過瞬態(tài)壓力傳感器和凸輪轉角傳感器共同測得。

步驟二：在燃油壓力曲線上確定針閥開始打開時、針閥x％打開時、針閥y％關閉時及完全關閉時的燃油壓力特征點，x％等于當針閥處有效流通面積與噴孔總面積相等時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始打開時的燃油壓力特征點。通過不同噴油器彈簧預緊力條件下燃油壓力曲線的對比分析，當針閥開始打開時，會產生膨脹波，使原本持續(xù)升高的燃油壓力變化率開始大幅下降，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始大幅下降的起點作為針閥開始打開時的燃油壓力特征點。

(2)在燃油壓力曲線上確定針閥x％打開時的燃油壓力特征點。通過不同針閥最大升程條件下的燃油壓力曲線的對比分析，隨著針閥逐漸打開，膨脹波逐漸變大，燃油壓力逐漸降低，當針閥處有效流通面積與噴孔總面積相等時，燃油壓力重新開始升高，所以確定燃油壓力曲線升高階段內壓力波的波谷點作為針閥x％打開時的燃油壓力特征點。其中，x％等于當針閥處有效流通面積與噴孔總面積相等時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％關閉時的燃油壓力特征點。通過不同針閥關閉響應時間條件下的燃油壓力曲線的對比分析，當針閥位移開始大于針閥處有效流通面積與噴孔總面積相等時的位移時，產生壓縮波，從而使燃油壓力升高，所以確定燃油壓力曲線下降階段內壓力波的波谷點作為針閥y％關閉時的燃油壓力特征點。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閉時的燃油壓力特征點。通過不同針閥關閉響應時間條件下的燃油壓力曲線的對比分析，當針閥完全關閉時，壓縮波達到最大，隨后燃油壓力在燃油噴射系統(tǒng)卸油過程的作用下繼續(xù)降低，所以確定燃油壓力曲線下降階段內壓力波的波峰點作為針閥完全關閉時的燃油壓力特征點。

其中，步驟二詳細闡述了確定針閥4個開閉動作所對應的燃油壓力特征點的具體分析方法，在實際應用中，不需要進行以上具體分析，可直接利用步驟二中的結論來確定相應的燃油壓力特征點，且燃油壓力特征點的確定無先后順序。

步驟三：計算壓力波傳播的延遲相位。由于燃油的可壓縮性，針閥口處產生的壓力波傳播到壓力傳感器的測點位置需要一定的延遲相位。此延遲相位的計算公式為：其中延遲相位δφ的單位為°cam；n為凸輪軸轉速，單位為r/min；l為針閥與燃油壓力測點的距離，單位為m；i＝1、2、3、4，分別代表開始打開、x％打開、y％關閉和完全關閉；vi為各燃油壓力特征點壓力波的傳播速度，與燃油壓力有關，可通過試驗手段測得。

步驟四：計算針閥各運動點的相位。計算公式為：δφsi＝φfi-δφi，其中φsi為針閥各運動點的相位，單位為°cam；φfi為各燃油壓力特征點的相位，單位為°cam。

假設針閥打開和關閉都是一個勻速過程，且其最大升程已知，即可通過上述步驟預測出針閥的位移曲線，達到對發(fā)動機進行燃燒分析、故障診斷以及反饋控制。

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

步驟一：在如圖1所示的試驗系統(tǒng)上測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標注出針閥各運動點的燃油壓力特征點，具體的標注方法結合以下步驟進行舉例。

步驟二：(1)在燃油壓力曲線上確定針閥開始打開時的燃油壓力特征點。圖4為不同噴油器彈簧預緊力下的針閥位移和燃油壓力曲線。從圖4可知，當針閥開始打開時，會產生膨脹波，使原本持續(xù)升高的燃油壓力變化率開始大幅下降，所以確定燃油壓力變化率開始大幅下降的起點作為針閥開始打開時的燃油壓力特征點，其相位如圖3所示，φf1為4.8°cam。

(2)在燃油壓力曲線上確定針閥x％打開時的燃油壓力特征點。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，膨脹波逐漸變大，燃油壓力逐漸降低，當針閥處有效流通面積與噴孔總面積相等時，燃油壓力重新開始升高，所以確定燃油壓力曲線升高階段內壓力波的波谷點作為針閥x％打開時的燃油壓力特征點。其中，x％等于當針閥處有效流通面積與噴孔總面積相等時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％打開時的燃油壓力特征點的相位如圖3所示，φf2為6.4°cam。

(3)在燃油壓力曲線上確定針閥y％關閉時的燃油壓力特征點。圖6為不同針閥關閉響應時間下的針閥位移和燃油壓力曲線。從圖6可知，當針閥位移開始大于針閥處有效流通面積與噴孔總面積相等時的位移時，產生壓縮波，從而使燃油壓力升高，所以確定燃油壓力曲線下降階段內壓力波的波谷點作為針閥y％關閉時的燃油壓力特征點。其中，x％與y％之和為1，所以y％＝53.5％。則針閥53.5％關閉時的燃油壓力特征點的相位如圖3所示，φf3為21.2℃am。

(4)在燃油壓力曲線上確定針閥完全關閉時的燃油壓力特征點。從圖6可知，當針閥完全關閉時，壓縮波達到最大，隨后燃油壓力在單體泵卸油過程的作用下繼續(xù)降低，所以確定燃油壓力曲線下降階段內壓力波的波峰點作為針閥完全關閉時的燃油壓力特征點，其相位如圖3所示，φf4為22.3°cam。

其中，當實際操作步驟二時，不需要進行以上具體分析，可直接利用步驟二中的結論來確定相應的燃油壓力特征點及其相位，且燃油壓力特征點的確定無先后順序。

步驟三：計算壓力波傳播的延遲相位。延遲相位的計算公式為：在試驗過程中，n為1250r/min；l為0.5m；vi可以通過試驗測得，在計算精度要求不高時，可以看作為定值，這里取1500m/s。則δφi的計算結果均約為2.5°cam。

步驟四：計算針閥各運動點的相位。計算公式為：δφsi＝φfi-δφi。經計算，φs1＝2.3°cam，φs2＝3.9°cam，φs3＝18.7°cam，φs4＝19.8°cam。

由此得到了四個點的坐標，即(2.3,0)、(3.9,0.2)、(18.7,0.2)、(19.8、0)，分別對應圖7實線上的四個點，假設針閥打開和關閉都是一個勻速過程，且其最大升程已知，為0.43mm，即可預測出針閥的位移曲線。圖7為針閥位移曲線預測值與試驗值的對比圖。從圖7可知，預測的位移曲線和試驗測得的位移曲線雖然在某些細節(jié)存在一些差異，但從整體上看兩條曲線基本一致。

由以上實例可以看出，本發(fā)明提供了一種脈動式燃油噴射系統(tǒng)噴油針閥位移預測方法，根據(jù)噴油器針閥的運動特點和燃油壓力曲線上的壓力波動特點，能夠在無需位移傳感器的條件下，確定針閥打開和關閉的相位，進而通過對壓力波的延遲計算得到針閥的位移曲線，實現(xiàn)對發(fā)動機進行燃燒分析、故障診斷以及反饋控制的目的。

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