CN101571090B - 柴油机喷油规律的测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柴油机喷油规律的测量装置及其测量方法，装置包括压力容器、喷油器、油泵、光电编码器、高压接头、压力传感器、电荷放大器、DSP数据采集系统、温度传感器、安全阀、进油截止阀、压力表截止阀、压力表、体积调节柱塞、背压截止阀、集油器和数据处理与显示系统；所述的方法通过采集压力容器的温度、压力和油泵的转角信号，利用Soave公式得出测量规律；本发明利用背压截止阀进行背压调节，精确控制压力容器内的初始压力，准确模拟喷油器喷射的环境背压，体积调节柱塞可以调节压力容器的体积；本发明消除了柱塞位移法中可能出现的一次喷油过程中前后两次相邻喷射之间的测量干涉，保证了喷油规律测量的精度。

Description

柴油机喷油规律的测量装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种柴油机喷油规律的测量装置及其测量方法，属于发动机领域。

背景技术

越来越严厉的排放法规对柴油机的NOX以及碳烟排放水平提出了更加严格的要求，而理想的喷油规律能同时减少柴油机NOX以及碳烟排放，是实现燃油系统、燃烧室以及气道结构三者匹配的关键因素之一，是影响发动机燃烧性能以及排放性能的重要因素之一。在柴油机CFD的多维计算中也需要喷油规律来预测发动机的喷雾特性，对发动机的燃烧性能预测影响较大。故准确获得柴油机喷油器的喷油规律对于发动机开发至关重要。

喷油规律的测量中有Bosch长管法，其适合中小型柴油机喷油规律的间接测量法。采用一套长管装置用测量细长管内压力随时间的变化来测量喷油规律的。在Bosch长管法中，长管长度要足够长，且截面保持一定，这样喷油的压力波不受管截面突变和细长管端反射波的影响，保证喷油速率测定精度。由于在测量时不可能实现喷油时刻所对应的实际背压和实验条件苛刻，测量得到的结果也是不太理想。另外还有利用柱塞位移方法来测量喷油规律，其基本原理是向柱塞油缸内喷油，随着喷油的进行，柱塞移动。通过检测柱塞移动的位置变化来反映喷入油缸中的燃油体积。柱塞位移法中采用弹簧模拟背压环境以及复位，弹簧的阻尼特性导致柱塞位移的振荡使得柱塞位移振荡甚至出现负值，故喷油规律出现振荡甚至负值，这种现象在喷油快结束时刻表现得更加明显。在高压共轨中可能出现多次喷射，如果两次喷射间隔较小，柱塞位移法测量的后次喷射结果受到前次喷射振荡影响非常明显，故测量精度下降明显。另外，以柱塞位移法为原理的测量喷油规律的单次喷射测量系统价格昂贵。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种测量柴油机喷油规律的测量装置及其方法，其可以准确简便地测量出柴油机的喷油规律，为发动机开发、性能预测以及性能优化提供必须的参数。

一种柴油机喷油规律测量装置，包括压力容器、喷油器、油泵、光电编码器、高压接头、压力传感器、电荷放大器、DSP数据采集系统、温度传感器、安全阀、进油截止阀、压力表截止阀、压力表、体积调节柱塞、背压截止阀、集油器和数据处理与显示系统；

压力容器为平顶高压圆柱容器，压力容器的顶端镶嵌喷油器，喷油器的一端连接压力容器中空内部，另一端连接油泵，油泵的凸轮轴上连接光电编码器，电编码器的另一端连接DSP数据采集系统，压力容器的顶端开有三个的通孔，侧壁和底部分别开有一个通孔，压力传感器通过螺纹固定在顶端的一个通孔中，压力传感器的一端通过电荷放大器连接到DSP数据采集系统；所述压力容器的顶端另外的两个通孔连接高压接头，高压接头分别连接安全阀、进油截止阀，所述的安全阀另一端连接集油器，所述的进油截止阀连接进油口；压力容器侧壁的高压接头通过压力表截止阀连接压力表，底部的高压接头通过背压截止阀连接集油器，所述的集油器收集安全阀和背压截止阀放出的燃油；

温度传感器镶嵌于压力容器侧壁上，一端接触压力容器的中空内部，另一端连接DSP数据采集系统，体积调节柱塞同时也安装在压力容器的侧壁上；所述的体积调节柱塞通过调节压力容器的体积改变压力容器对喷油过程的响应特性，使得测量装置能测量不同喷油量的喷油器的喷油规律；

所述的DSP数据采集系统将采集到的压力传感器测量的压力信号、温度传感器测量的温度信号、光电编码器测量的油泵的转角信号传送给数据处理与显示系统，数据处理与显示系统对采集得到的压力、温度信号进行平滑处理，根据测量得到的喷油器整个喷油过程中压力容器内的压力、温度信号以及油泵的转角信号，得到整个喷油过程中的喷油规律。

一种应用于所述的柴油机喷油规律测量装置的测量方法，包括以下步骤：

步骤一：组装柴油机喷油规律测量装置，向压力容器内低压充油；

步骤二：释放压力容器中的空气；

步骤三：向压力容器中进行高压加油；

步骤四：压力容器进行背压调节；

步骤五：DSP数据采集系统采集压力信号、温度信号、转角信号，并将其传送给数据处理与显示系统；

步骤六：根据Soave公式得到喷油过程的喷油规律；

步骤七：获得喷油规律。

本发明的优点在于：

(1)利用背压截止阀进行背压调节，能够精确控制压力容器内的初始压力，准确地模拟喷油器喷射的环境背压；

(2)消除了柱塞位移法中可能出现的一次喷油过程中前后两次相邻喷射之间的测量干涉，保证了喷油规律测量的精度；

(3)利用体积调节柱塞调节压力容器的体积，改变测量中压力对喷油过程响应的敏感性，使得本发明能适用于宽广泛范围流量的喷油器喷油规律测量，本发明的测量装置简单而易于维护。

附图说明

图1是本发明柴油机喷油规律的测量装置的结构示意图；

图2是本应用于柴油机喷油规律测量装置的测量方法流程图。

图中：

1-高压压力容器     2-喷油器                3-油泵              4-光电编码器

5-高压接头管       6-压力传感器            7-电荷放大器

8-DSP数据采集系统                          9-温度传感器        10-安全阀

11-进油截止阀      12-压力表截止阀         13-压力表           14-体积调节柱塞

15-背压截止阀                              16-集油器

17-数据处理与显示系统                      18-通孔             19-进油口

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种柴油机喷油规律测量装置，如图1所示，包括压力容器1、喷油器2、油泵3、光电编码器4、高压接头5、压力传感器6、电荷放大器7、DSP数据采集系统8、温度传感器9、安全阀10、进油截止阀11、压力表截止阀12、压力表13、体积调节柱塞14、背压截止阀15、集油器16和数据处理与显示系统17；

压力容器1为平顶高压圆柱容器，内部盛放燃油，且充当测量容器，压力容器1的顶端有喷油器2，喷油器2的一端连接压力容器1中空内部，另一端连接油泵3，油泵3将燃油加压并输送至喷油器2，通过喷油器2喷入压力容器1中，油泵3的凸轮轴上连接光电编码器4，电编码器4的另一端连接DSP数据采集系统8，光电编码器4测量油泵3的转角信号，并将油泵3的转角信号传送给DSP数据采集系统8，压力容器1的顶端开有三个通孔18，压力传感器6通过螺纹固定在一个通孔18中，压力传感器6用来测量喷油过程中压力容器1中的压力，压力传感器6的一端通过电荷放大器7连接到DSP数据采集系统8，压力传感器6测量的压力变化电信号经过电荷放大器7的放大，传送给DSP数据采集系统8；

压力容器1另外两个通孔18安装两个高压接头5，高压接头5分别连接安全阀10、进油截止阀11，所述的安全阀10另一端连接集油器16，当压力容器1内的燃油压力超过最高压力值，安全阀10打开，将压力容器1中的燃油输送给集油器16，使得压力容器1内的压力不会超过其能够承受的最高压力值，保障压力容器1的安全，所述的进油截止阀11连接进油口19，在测量燃油机喷油规律前，通过进油口19向压力容器1中填满燃油，所述的燃油底油，用于模拟喷油器工作时候的背压环境。

温度传感器9镶嵌于压力容器1侧壁，一端接触压力容器1的中空内部，另一端连接DSP数据采集系统8，温度传感器9用于测量压力容器1内的温度并将温度信号传送给DSP数据采集系统8，体积调节柱塞14安装在压力容器1的侧壁，所述的体积调节柱塞14通过调节压力容器1的体积改变压力容器1对喷油过程的响应特性，使得测量装置能测量不同喷油量的喷油器2的喷油规律；压力容器1的侧壁和底部分别开有通孔18，通孔18连接高压接头5，所述侧壁的高压接头5通过压力表截止阀12连接压力表13，压力表13用于显示压力容器1内部的压力，压力表截止阀12用于控制压力表13的开启，底端的高压接头5通过背压截止阀15连接集油器16，通过调节背压截止阀15能够释放部分压力容器1内部的燃油到集油器16中，从而调节压力容器1的压力至喷油规律测量的背压水平，所述的集油器16收集安全阀10和背压截止阀15放出的压力容器1中的燃油；

DSP数据采集系统8将采集到的压力传感器6测量的压力信号、温度传感器9测量的温度信号、光电编码器4测量的油泵3的转角信号传送给数据处理与显示系统17，数据处理与显示系统17对采集得到的压力、温度信号进行平滑处理，根据测量得到的喷油器2整个喷油过程中压力容器1内的压力、温度信号以及油泵3的转角信号，得到整个喷油过程中的喷油规律。

一种应用于所述的柴油机喷油规律测量装置的测量方法，流程如图2所示，包括以下步骤：

步骤一：组装柴油机喷油规律测量装置，向压力容器1内低压充油；

组装柴油机喷油规律测量装置，打开进油截止阀11，通过进油口19向压力容器1进行低压充油，至燃油充满整个压力容器1，关闭进油截止阀11；

所述的从进油口向压力容器1填充的燃油作为柴油机喷油规律测量装置的环境背压模拟底油；

步骤二：释放压力容器1中的空气；

启动油泵3，燃油通过喷油器2喷入压力容器1内，通过压力表13观测压力容器1内的压力，当压力升高，打开进油截止阀11，释放部分燃油，持续5～10秒，关闭油泵3并关闭进油截止阀11；喷油和释放燃油的过程保证压力容器1内没有空气；

步骤三：向压力容器1中进行高压加油；

启动油泵3使得喷油器2将燃油喷入到压力容器1中，监测压力表13的测量显示，使压力容器1内部压力高于预先设定的背压值后，关闭油泵3。

步骤四：压力容器1进行背压调节；

缓慢开启背压截止阀15使得压力容器1内部燃油释放至集油器16中，监测压力表13的测量显示，直至压力容器1内部压力与设定的背压值相等，关闭背压截止阀15，测量背压调节过程结束；

步骤五：DSP数据采集系统8采集压力信号、温度信号、转角信号，并将其传送给数据处理与显示系统17；

启动DSP数据采集系统8以及数据处理与显示系统17后，开启油泵3，开始测量喷油规律，光电编码器4测量油泵3凸轮轴转角信号，压力传感器6测量喷油过程中压力容器1的压力信号，温度传感器9测量喷油过程中压力容器1内的温度信号，DSP数据采集系统8采集转角信号、压力变化信号、温度变化信号，并将信号传送给数据处理显示系统17；

步骤六：根据Soave公式得到喷油过程的喷油规律；

Soave公式是描述汽态与液态物质的状态方程，它建立起物质参数(压力、温度与摩尔体积)三者之间的关系，Soave公式如下：

$p=\frac{\mathrm{RT}}{V-b}-\frac{a}{V(V+b)}---\left(1\right)$

式(1)中：p是压力容器内压力，单位为Pa，R为通用气体常数，T为压力容器内温度，单位为K，V为容器内燃油的摩尔体积，单位为m³/mol，a为两个因子的乘积，即

a＝a_c·a(T，ω)                                  (2)

式(2)中：a_c为与燃油临界参数有关的常数，a(T，ω)是温度T与偏心因子ω的函数；

$a_c=0.42748\frac{R^2{T}_c^2}{P_c}---\left(3\right)$

a(T，ω)的表达式为：

a^0.5＝1+(0.48+1.574ω-0.17ω²)(1-T^0.5)           (4)

式(4)：P_c为燃油的临界压力；

式(1)中b为燃油临界参数相关常数：

$b=0.08664\frac{{\mathrm{RT}}_c}{P_c}---\left(5\right)$

式(5)中，T_c为燃油的临界温度，P_c为燃油的临界压力

测量喷油规律具体包括以下步骤：

①提取步骤五中采集时刻为n，油泵凸轮轴转角为

时的压力p_n、温度T_n；查询所用种类燃油的临界温度T_c、临界压力P_c以及偏心因子ω，把T_c、R、P_c代入式(3)得到a_c，将T_n、ω代入式(4)得到a^0.5，再把a^0.5、a_c代入式(2)得到a；将T_c、P_c代入式(5)得到b；最后把p_n、T_n、a、b代入式(1)，得到压力容器1内燃油对应的摩尔体积V_n，根据n时刻压力容器1的体积，得到n时刻的压力容器1的燃油质量m_n；

②设定测量喷油规律油泵凸轮轴转角的步长角度为Δθ，计算步长越小，喷油规律计算精度越高，一般为0.05度，提取步骤五中采集时刻为n+1，油泵凸轮轴转角为

时的压力p_n+1、温度T_n+1，重复步骤①得到n+1时刻的压力容器的燃油质量m_n+1；

③将m_n、m_n+1、Δθ代入式(6)得到n时刻喷油规律；

喷油规律＝(m_n+1-m_n)/Δθ                         (6)

(m_n+1-m_n)/Δθ即为油泵转角

时刻的喷油规律；

④令n＝n+1，

重复所述的步骤①～③至喷油结束，完成一次喷油规律的测量。

步骤七：获得最终的喷油规律；

判断柴油机喷油规律多次测量是否结束，如果测量没有结束，返回步骤四，若测量结束，将多次进行的喷油规律测量的结果进行平均，则得到柴油机喷油器最终的喷油规律。

Claims (3)

1.一种柴油机喷油规律测量装置，其特征在于：包括压力容器、喷油器、油泵、光电编码器、高压接头、压力传感器、电荷放大器、DSP数据采集系统、温度传感器、安全阀、进油截止阀、压力表截止阀、压力表、体积调节柱塞、背压截止阀、集油器和数据处理与显示系统；

压力容器为平顶高压圆柱容器，压力容器的顶端镶嵌喷油器，喷油器的一端连接压力容器中空内部，另一端连接油泵，油泵的凸轮轴上连接光电编码器，光电编码器的另一端连接DSP数据采集系统，压力容器的顶端开有三个的通孔，侧壁和底部分别开有一个通孔，压力传感器通过螺纹固定在顶端的一个通孔中，压力传感器的一端通过电荷放大器连接到DSP数据采集系统；所述压力容器的顶端另外的两个通孔连接高压接头，高压接头分别连接安全阀、进油截止阀，所述的安全阀另一端连接集油器，所述的进油截止阀连接进油口；所述的压力容器侧壁和底部上的通孔均连接高压接头，压力容器侧壁的高压接头通过压力表截止阀连接压力表，底部的高压接头通过背压截止阀连接集油器，所述的集油器收集安全阀和背压截止阀放出的燃油；

温度传感器镶嵌于压力容器侧壁上，一端接触压力容器的中空内部，另一端连接DSP数据采集系统，体积调节柱塞同时也安装在压力容器的侧壁上；

所述的DSP数据采集系统将采集到的压力传感器测量的压力信号、温度传感器测量的温度信号、光电编码器测量的油泵的转角信号传送给数据处理与显示系统，数据处理与显示系统对采集得到的压力、温度信号进行平滑处理，根据测量得到的喷油器整个喷油过程中压力容器内的压力、温度信号以及油泵的转角信号，得到整个喷油过程中的喷油规律。

2.根据权利要求1所述的一种柴油机喷油规律测量装置，其特征在于：所述的体积调节柱塞通过调节压力容器的体积改变压力容器对喷油过程的响应特性，使得测量装置能测量不同喷油量的喷油器的喷油规律。

3.一种应用于权利要求1所述的柴油机喷油规律测量装置的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：组装柴油机喷油规律测量装置，向压力容器内低压充油；

组装柴油机喷油规律测量装置，打开进油截止阀，通过进油口向压力容器进行低压充油，至燃油充满整个压力容器，关闭进油截止阀；

步骤二：释放压力容器中的空气；

启动油泵，燃油通过喷油器喷入压力容器内，通过压力表观测压力容器内的压力，当压力升高，打开进油截止阀，释放部分燃油，持续5～10秒，关闭油泵和进油截止阀；

步骤三：向压力容器中进行高压加油；

启动油泵使得喷油器将燃油喷入到压力容器中，监测压力表的测量显示，使压力容器内部压力高于预先设定的背压值后，关闭油泵；

步骤四：压力容器进行背压调节；

缓慢开启背压截止阀使得压力容器内部燃油释放至集油器中，监测压力表的测量显示，直至压力容器内部压力与设定的背压值相等，关闭背压截止阀；

步骤五：DSP数据采集系统采集压力信号、温度信号、转角信号，并将其传送给数据处理与显示系统；

启动DSP数据采集系统以及数据处理与显示系统，开启油泵，光电编码器测量油泵凸轮轴转角信号，压力传感器测量喷油过程中压力容器的压力信号，温度传感器测量喷油过程中压力容器内的温度信号，DSP数据采集系统采集转角信号、压力信号、温度信号，并将信号传送给数据处理显示系统；

步骤六：根据Soave公式得到喷油过程的喷油规律；

Soave公式如下：

式(1)中：p是压力容器内压力，单位为Pa，R为通用气体常数，T为压力容器内温度，单位为K，V为容器内燃油的摩尔体积，单位为m³/mol，a为两个因子的乘积，即

a＝a_c·a(T，ω)        (2)

式(2)中：a_c为与燃油临界参数有关的常数，a(T，ω)是温度T与偏心因子ω的函数；

a(T，ω)的表达式为：

a^0.5＝1+(0.48+1.574ω-0.17ω²)(1-T^0.5)        (4)

式(3)：P_c为燃油的临界压力；

式(1)中b为燃油临界参数相关常数：

式(5)中，T_c为燃油的临界温度，P_c为燃油的临界压力；

测量喷油规律具体包括以下步骤：

①提取步骤五中采集时刻为n，油泵凸轮轴转角为

时的压力p_n、温度T_n；查询所用种类燃油的临界温度T_c、临界压力P_c以及偏心因子ω，把T_c、R、P_c代入式(3)得到a_c，将T_n、ω代入式(4)得到a^0.5，再把a^0.5、a_c代入式(2)得到a；将T_c、P_c代入式(5)得到b；最后把p_n、T_n、a、b代入式(1)，得到压力容器内燃油对应的摩尔体积V_n，根据n时刻压力容器的体积，得到n时刻的压力容器的燃油质量m_n；

②设定测量喷油规律油泵凸轮轴转角的步长角度为Δθ，提取步骤五中采集时刻为n+1，油泵凸轮轴转角为

时的压力p_n+1、温度T_n+1，重复步骤①得到n+1时刻的压力容器的燃油质量m_n+1；

③将m_n、m_n+1、Δθ代入式(6)得到n时刻喷油规律；

喷油规律＝(m_n+1-m_n)/Δθ        (6)

即为油泵转角

时刻的喷油规律；

④令n＝n+1，

重复所述的步骤①～③至喷油结束，完成一次喷油规律的

测量；

步骤七：获得最终的喷油规律；

判断柴油机喷油规律多次测量是否结束，如果测量没有结束，返回步骤四，若测量结束，将多次进行的喷油规律测量的结果进行平均，得到柴油机喷油器最终的喷油规律。

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