CN103590915A - 一种利用燃油压力实时测算柴油机循环喷油量的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用燃油压力实时测算柴油机循环喷油量的方法和装置，适用于内燃机电控领域。本发明需要在高压油路中加装一套燃油压力检测装置，此装置中的传感器部件可将燃油压力转换为电信号，供电子控制单元中的硬件电路和处理器采集并运算，在处理器进行运算时，使用合适的算法对有效油压区间进行判断，并通过公式计算和试验标定相结合的方法将每次的燃油压力信号转换为循环喷油量。此方法解决了柴油机机械燃油系统无法提供喷油量信号或者难以安装喷油量信号传感器的问题。

Description

一种利用燃油压力实时测算柴油机循环喷油量的方法
技术领域
本发明属于内燃机控制领域，适用于机械式燃油系统柴油机实现喷油量的采集，便于在柴油机上外挂其他需要使用喷油量的电子控制单元（ECU）。 
  
背景技术
现阶段，使用机械式燃油系统的柴油机仍有很大的数量，如果想在其上外挂电子控制系统且电子控制单元需要采集每循环柴油喷油量时，对于某些机型就会出现困难，例如，当需要增加一套双燃料控制系统或者排气后处理（添蓝）控制系统时，必须要实时采集柴油机的油量便于控制，如果无法给出喷油量信号，以上的控制系统都无法实现基本的控制功能。 
目前常用解决方案是在高压油泵的齿条上安装齿条位移传感器，通过测量齿条位移量的大小并通过试验标定得出的MAP来获取实际油量的大小，但是还有很多的柴油机所配备的高压油泵从机械结构上来说是无法安装齿条位移传感器的，所以需要一种通用的能解决以上问题的方案。 
发明内容
本发明根据背景技术的需求，提出一种利用燃油喷射压力计算柴油机单缸每循环喷油量的方法，来提供喷油量信号给电控单元。 
如图1所示，本发明的装置包括燃油压力传感器（1）、燃油压力传感器安装座（2）、油泵油管转接头（3）三个部件。 
以上三个部件组合成燃油压力检测装置（4），如图2所示，油泵油管转接头（3）串联在高压油泵（5）和高压油管（6）之间，燃油可正常流经此部件。燃油压力传感器安装座（2）通过油泵油管转接头（3）并联在高压油路上，并和高压油路联通，燃油压力传感器（1）可在安装座压力腔内感知高压燃油。 
当高压油泵输出的燃油通过高压油管供给喷油器（7）时，会在油路中产生压力波动，燃油压力检测装置（4）中的燃油压力传感器（1）会将此波动转换为电信号，通过压力信号导线（8）传输给相应的ECU（9），由ECU中的处理电路和智能芯片根据采集到燃油压力信号计算喷油量。 
为了研究柴油机高压燃油喷油规律，通常采用试验计算法，即根据测量所得的喷油压力、汽缸压力和针阀升程来确定喷油规律因此也称为压力—升程法，由喷油器的喷孔流量方程知： 
    
Figure 893933DEST_PATH_IMAGE001
    (1)
μA：喷油器有效流通截面（mm2）
p：喷油压力（Pa）
pz：汽缸压力（Pa）
ρ：燃油密度（kg/m3）
 ：瞬时喷油率（mm3/s）
上述算法可在试验室研究中应用，但是要把这一公式用于采集油量做实时控制，从工程应用上几乎没有可能，原因在于实时采集汽缸压力pz的传感器十分昂贵且不具备长期作为产品级配用的可靠性。为此，可将公式(1)进行如下简化：
  (2)
令 
Figure 48336DEST_PATH_IMAGE004
 (3)
得到 
Figure 925025DEST_PATH_IMAGE005
  (4)
q：循环喷油量（g/循环）
由于公式(4)中的pz汽缸压力与喷射压力呈现非线性正比关系，因此可令
 
Figure 747488DEST_PATH_IMAGE006
代入(4)式有
Figure 76838DEST_PATH_IMAGE007
令 
Figure 275738DEST_PATH_IMAGE008
，则有：
  
Figure 944617DEST_PATH_IMAGE009
    (5)
 式(5)中的K是一个随发动机转速n变化的参数,需要特别指出，(5)式成立的定义域为从喷油器针阀开启到关闭这一有效压力区间。
根据以上公式，采用数字积分的方法可实时获取柴油机循环喷油量。具体为：将有效压力区间分成m个区域，对m个区域的压力值平方根进行离散化积分后就得到了本次的循环喷油量的关系，通过测量某一个柴油机转速点的实际循环喷油量qsum，就可以计算出本转速下的线性参数K，所以当参数K已知后本转速下的其他工况点的循环喷油量即可根据以下公式进行计算。 
      (6) 
qsum：循环喷油量（g/循环）
K：参数
m：有效油压区间内的采集次数
 为了实现对燃油压力信号的积分，可通过智能芯片对燃油压力信号进行高频采样，采样周期为微秒级，智能芯片将每一次采样的压力值进行存储、滤波和运算。有效压力区间的判断方法如下：根据动态数据均值分布趋势判断方法，判断当前信号数据是真实油压波形数据或是干扰信号，如果判断为真实油压波形数据，则采集当前信号数据,否则不采集；并根据采集的数据判断有效油压区间起点和终点（喷油特征点），用于有效油压区间积分和计算。
如图3所示，以下是具体步骤： 
1、利用采集前后5个点数据的均值差进行判定。即求Xn至Xn-4，Xn-5至Xn-9两部分数据的均值，根据均值差判断油压波形起点。假设
Figure 253162DEST_PATH_IMAGE011
是前5个点的均值，
Figure 990174DEST_PATH_IMAGE012
是当前5个点的均值，如图3所示，取图中N段平均值 
Figure 513559DEST_PATH_IMAGE012
，图中M段平均值 
Figure 5720DEST_PATH_IMAGE013
，若出现 
Figure 247346DEST_PATH_IMAGE014
)大于判定阈值K1（正数），然后M段和N段整体向右平移一个点继续计算，若连续出现
Figure 584786DEST_PATH_IMAGE014
)大于判定阈值K1（正数），则认为B点为供油起点（油压波形起点），并记录M段的均值，即B点前五个数据均值V。
2、 采集从B点开始的油压波形数据，并计算当前点前五个数据的均值Vn；当出现|Vn-V|小于判定阈值K1（正数），数据整体向右平移一个点继续计算，若连续出现|Vn-V|小于判定阈值K1（正数），则认为油压波形结束（即为E点）。 
3、  从B点开始，若出现(Vn-Vn-1)小于判定阈值K2(负值)，数据整体向右平移一个点继续计算，若连续出现(Vn-Vn-1)小于判定阈值K2(负值)，则认为供油结束(即为G点)。 
4、  B点到G点即认为是有效的油压区间，计算其压力数据的积分和，再连续采集若干组有效油压区间积分和数据，并计算积分和数据的均值。 
  
附图说明
图1为燃油压力检测装置拆分及剖面图：1—燃油压力传感器，2—燃油压力传感器安装座，3—油泵油管转接头。 
图2为高压燃油系统图：4—燃油压力检测装置，5—高压油泵，6—高压油管，7—喷油器，8—压力信号导线，9—ECU。 
图3为油压波形数据判断示意图。 
图4为燃油压力信号采集和处理。 
图5为参数K的测量计算方法流程图。 
  
具体实施方式
如图1所示，燃油压力传感器安装座焊接在油泵油管转接头上，燃油压力传感器和燃油压力传感器安装座使用螺纹连接。 
如图2所示，本发明装置的油泵油管转接头串联安装在高压油泵的任意一缸的高压油管上，两端使用螺纹连接，并使用锥面压紧密封方式防止燃油泄漏。 
当高压油泵产生的高压燃油供给喷油器时，油路中的燃油压力传感器就可以采集到压力信号。 
此压力信号通过导线传送给ECU，接下来如图4的流程图所示，由ECU的硬件电路进行初级滤波后，再由单片机对压力信号进行采样，采样周期范围可设为10~50μs，例如当采样周期设为30μs时，即每30μs读取一次压力信号值。 
燃油压力传感器输出的压力信号并不是以实际的物理量为单位的，而是电压信号，此信号被ECU采集后以电压参数的形式保存在单片机中，而电压参数并不能直接参与计算，所以需要通过MAP插值的方式将电压参数转换成物理量。 
表1 
电压（V） 0.5 4.5
电压参数 102 921
压力值（MPa） 0 100
如表1所示，表征了燃油压力传感器的电压信号对应的燃油压力值，0.5V对应0MPa，4.5V对应100MPa，如果压力信号是介于0.5V和4.5V的电压值时，可通过线性插值算法获得对应的燃油压力。此表格，即前文所说的MAP预存在单片机的FLASH中，供单片机中的程序使用。
 将电压信号转换成压力信号后，需要根据公式 
Figure 228257DEST_PATH_IMAGE015
将压力信号开根号，但是在芯片中进行开根号运算时，计算速度会比较慢，所以在进行压力平方根计算时仍然采用MAP插值算法。 
表2 
 
Figure 563424DEST_PATH_IMAGE016
 如表2所示，以上表格会将0—100的平方根预先计算好，存放在单片机的FLASH中，当需要时可直接通过插值算法得到压力的平方根值。虽然此方法会存在误差，但是误差范围在允许的范围内，所以可以忽略。
一般每次喷油的时长在0—10ms，如果采样周期为30μs的话，每次喷油最多可以得到几百个采样值。这些采样值相互之间需要进行比较和滤波，判断出每个波形的起点和终点，如图3所示，燃油压力信号并不是理想的方波信号，而是在不断变化的曲线，这个信号并不能直观的表征喷油器的开启和关闭时刻，所以需要使用发明内容中提到的动态数据均值分布趋势判断方法来确定真正的喷油区间。此时单片机的控制程序将采样点前后各5个周期的采样值进行比较，如果这些采样值单调递增并且超过一个门限值后即认为正常的压力信号已经到来，可以保存；如果这些采样值单调递减并且低于一个门限值后即认为正常的压力信号已经结束，停止保存；其他不符合条件的信号都剔除，保留正常燃油压力波形。 
并最终根据以下关系式获得本次喷油量qsum。 
Figure 354662DEST_PATH_IMAGE017
首次采集，由于不知道参数K的数值，所以无法计算喷油量。如图5所示，为了测量计算出参数K，需要进行以下步骤： 
1、在某一转速下，设定采样周期为t，采样次数为：
Figure 433477DEST_PATH_IMAGE018
T：有效油压时间（μs）
单片机将每次的采样值做开方后进行累加得到：
Figure 495236DEST_PATH_IMAGE019
2、如果在发动机台架上，使用油耗仪测量喷油量；如果在油泵试验台上，使用量筒测量喷油量；
3、因为柴油机循环的喷油量都比较小，无法精确测量，所以测量n次的循环喷油量qn;
4、此时将n次的循环喷油量qn进行平均，即可得到精确的循环喷油量q：
Figure 266883DEST_PATH_IMAGE020
5、通过以下公式反算K值：
Figure 279838DEST_PATH_IMAGE021
同一转速下参数K的值一旦确定后就不会改变，而当转速发生改变后，K值会发生变化，需要调整转速后按照以上步骤再次测出不同转速下的K值，最终形成如表3所示的一张关于转速的K值MAP，此表的数据预存在单片机的FLASH中，供程序在计算不同转速下的循环喷油量计算使用。
表3 
转速rpm 500 600 700 800 900 1000 1100 1200
K值 K1 K2 K3 K4 K5 K6 K7 K8
同时为了保证喷油量计算的精确度，如表4所示，在单片机的控制程序中设定了一张关于转速（rpm）和燃油压力（MPa）的循环喷油量修正MAP。
表4 
 
Figure 286977DEST_PATH_IMAGE022
通过线性插值算法，得到不同工况的修正值C%，并与循环喷油量相乘获取最终的循环喷油量qf。
Figure 639461DEST_PATH_IMAGE023
。

Claims (1)

1.一种利用燃油压力实时测算柴油机循环喷油量的方法，电子控制单元与安装在柴油机高压油泵至喷油器之间的燃油压力检测装置连接，通过高频采样实时检测喷油压力值，以此作为实时测算柴油机循环喷油量的依据，其特征在于：在有效压力区间内采用油量计算公式                                                
Figure 201310591552X100001DEST_PATH_IMAGE001
将燃油压力转换为循环喷油量，通过试验标定的方法测算参数K的值，其中有效压力区间的判断通过以下方法和步骤实现：
(1)、利用采集前后5个点数据的均值差进行判定：即求Xn至Xn-4，Xn-5至Xn-9两部分数据的均值，根据均值差判断油压波形起点，假设
Figure 78793DEST_PATH_IMAGE002
是前5个点的均值，
Figure 201310591552X100001DEST_PATH_IMAGE003
是当前5个点的均值，如图3所示，取图中N段平均值
Figure 955482DEST_PATH_IMAGE003
，图中M段平均值
Figure 777944DEST_PATH_IMAGE002
，若出现
Figure 44978DEST_PATH_IMAGE004
)大于判定阈值K1，其中，K1为正数；然后M段和N段整体向右平移一个点继续计算，若连续出现
Figure 306195DEST_PATH_IMAGE004
)大于判定阈值K1，其中K1为正数；则认为B点为供油起点，即油压波形起点，并记录M段的均值，即B点前五个数据均值V；
(2)、采集从B点开始的油压波形数据，并计算当前点前五个数据的均值Vn；当出现|Vn-V|<小于判定阈值K1，其中K1为正数，数据整体向右平移一个点继续计算，若连续出现|Vn-V|小于判定阈值K1，其中K1为正数，则认为油压波形结束，即为E点；
(3)、从B点开始，若出现Vn-Vn-1小于判定阈值K2，其中K2为负值，数据整体向右平移一个点继续计算，若连续出现Vn-Vn-1小于判定阈值K2，其中K2为负值，则认为供油结束，即为G点；
(4)、B点到G点即认为是有效的油压区间，计算其压力数据的积分和，再连续采集若干组有效油压区间积分和数据，并计算积分和数据的均值；
其中参数K值通过如下试验标定步骤获取：
(1)、在某一转速下，设定采样周期为t，采样次数为：
Figure 37390DEST_PATH_IMAGE006
T：有效油压时间，单位μs
单片机将每次的采样值做开方后进行累加得到：
Figure 93071DEST_PATH_IMAGE008
(2)、如果在发动机台架上，使用油耗仪测量喷油量；如果在油泵试验台上，使用量筒测量喷油量；
(3)、将所测燃油耗量换算成循环喷油量q
Figure 847400DEST_PATH_IMAGE010
采用公式
Figure 201310591552X100001DEST_PATH_IMAGE011
反算K值。
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