CN109357644A - 非接触式针阀升程测量方法 - Google Patents

Abstract

一种非接触式针阀升程测量方法。目前针阀升程的测量主要采用、电感电容、霍尔元件和光纤测量方法，采用接触式测量针阀升程存在安装困难，工作环境恶劣，采用光学法需要开设可视化视窗，难度较大。本发明是利用超声波测量喷油器工作过程中针阀和针阀座之间的油膜厚度，计算得到针阀升程，该方法包括如下步骤：首先是将超声波换能器安装在喷油器底端上，换能器端面与针阀锥面之间距离5‑12mm，同时保持换能器端面与针阀锥面之间平行，超声波换能器利用循环水进行冷却，利用微调机构对焦距进行调整；通过多路复用开关控制，实现一个测量通道分时采集多个超声波换能器数据，完成对多喷油器的针阀升程进行测量。本发明用于非接触式针阀升程测量方法。

Description

非接触式针阀升程测量方法

技术领域：

本发明涉及非接触测量领域，具体涉及一种非接触式针阀升程测量方法。

背景技术：

目前针阀升程的测量主要采用、电感电容、霍尔元件和光纤测量方法，然而，但采用接触式测量方法测量针阀升程时存在安装困难，工作环境恶劣，以及破坏测试环境等问题，而采用光学法则需要开设可视化视窗，难度较大。

针阀升程是研究柴油机供油系统的一个极其重要的参数，柴油机的经济性、动力性和排放指标与喷油器偶件的设计参数有直接的关系，针阀升程合适与否会影响柴油机的性能及喷油器的使用寿命，针阀升程过小则引起针阀密封面锥面处的节流损失增加，压力降增大，造成喷油器雾化不良和过载，如果针阀升程过大，会增加喷油器弹簧的压缩量，使应力加大，造成弹簧过早疲劳损坏；同时，会增加支撑面和锥形座面的冲击负荷，引起磨损加速、寿命缩短，针阀升程的精确测量对柴油机工作过程的模拟仿真、性能改善、状态检测等方面具有重要意义，针阀运动反应了喷油系统的供油特性，是计算供油规律、分析供油过程的基础，随着电子控制技术的发展，有更多的控制系统采用针阀升程信号作为实际供油的反馈控制信号。

近些年，采用声学法测量微间隙得到广泛应用，尽管具有温度和压力的影响，但是不需要改变测试环境，具有工程实用价值，例如，1973年Tattersall H G.通过超声脉冲法进行粘结测试，若嵌入介质I内的介质Ⅱ与I相比是薄层，则介质Ⅱ可由轻质弹簧替换，1985年Jong-Ryul Park等主要研究介质厚度、超声波频率和介质声阻抗对超声波脉冲回波方法测量液体膜厚度的影响，2004年R. S. Dwyer-Joyce和B.W. Drinkwater等分别对油膜厚度进行测量，分析不同理论测量方法适用的润滑油膜厚度范围，并设计了用于静态和动态油膜层的测量装置，因此，在此背景下，申请人具体设计了利用针阀升程超声波测量方法的技术方案。

发明内容：

本发明的目的是提供一种非接触式针阀升程测量方法，能够实现喷油器工作过程中针阀升程的非接触式测量方法，也适用于其他，如电磁阀等具有柱塞副的设备在工作过程中柱塞位移间隙的测量。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种非接触式针阀升程测量方法，其特征是：利用超声波测量喷油器工作过程中针阀和针阀座之间的油膜厚度，从而计算得到针阀升程，该方法包括如下步骤：首先是将超声波换能器安装在喷油器底端上，换能器端面与针阀锥面之间距离5-12mm，同时保持换能器端面与针阀锥面之间平行，超声波换能器采用水浸式聚焦型，超声波换能器利用循环水进行冷却，利用微调机构对焦距进行调整；通过多路复用开关控制，实现一个测量通道分时采集多个超声波换能器数据，完成对多喷油器的针阀升程进行测量；利用发动机的曲轴转角位置传感器，计算得到喷油器的针阀开启时刻，控制相应换能器激发超声波，并对反射波的数据进行测量。

所述的非接触式针阀升程测量方法，所述的方法其组成包括：喷油器、测量系统，所述的喷油器包括针阀座，所述的针阀座内部中间位置安装有针阀，所述的针阀座底部侧面打磨成一个平面，所述的平面上通过高温密封胶与水槽底部粘接，所述的水槽顶部具有密封盖，所述的密封盖上安装有微调机构，所述的微调机构具有微调螺母，所述的水槽内安装有超声波换能器，所述的超声波换能器通过螺纹安装在水槽的密封盖上，利用微调螺母调整轴向位置，并调整超声波换能器的焦距，冷却水出口高于超声波换能器的水平高度，使水耦合器始终淹没超声波换能器，所述的微调机构两侧分别安装有进水口、出水口，所述的进水口与所述的出水口分别插入到冷却水中，所述的冷却水安装在所述的水槽内。

所述的非接触式针阀升程测量方法，所述的测量系统包括显示及控制器，所述的显示及控制器分别与位置传感器、数据采集器、脉冲发生/接收器、多路复用开关连接，所述的位置传感器与曲轴连接，所述的数据采集器分别与压力传感器、温度传感器、所述的脉冲发生/接收器连接，所述的脉冲发生/接收器与信号放大器连接，所述的信号放大器连接所述的多路复用开关，所述的多路复用开关连接一组超声波换能器，所述的温度传感器与所述的压力传感器依次连接在所述的针阀座侧面。

有益效果：

1.本发明的优势在于利用等效弹簧模型或谐振模型，通过超声波测量喷油器针阀与针阀座之间的油膜厚度，从而得到针阀升程，该方法采用非接触式测量，不会破坏喷油器的工作环境，更加真实的反应喷油器工作过程针阀升程动态变化规律；同时，从传感器安装考虑，本方法不需要破环喷油器，因此不存在传感器安装泄露和密封问题，更重要的是，安装和测量更加简便。

本发明可以包括多个超声波换能器，这些超声波换能器通过一个多路复用开关，实现一个测量通道可以完成对喷油器多个位置角度进行的测量，然后计算得到一个平均值。

本发明的超声波换能器采用水浸式，利用循环水对换能器进行冷却，或者采用延迟块防止超声波换能器与喷油器表面的直接高温接触。

本发明的超声波换能器安装机构具有轴向微调功能，用于调整超声波换能器的焦距，使得焦点位于柱塞副的接触面上，并采用微调螺母进行锁定。

本发明的测量系统包括一个曲轴转角位置传感器，用于计算得到理论喷油器针阀的运动时刻，实现对相应换能器激发超声波，并进行数据测量。

附图说明：

附图1是本发明的结构示意图。

附图2是本发明的测量系统结构示意图。

附图3是本发明的针阀升程计算示意图。

其中：针阀座1、针阀2、冷却水3、水槽4、超声波换能器5、进水口6、微调螺母7、出水口8、压力传感器9、温度传感器10、曲轴11、位置传感器12、显示及控制器13、数据采集器14、脉冲发生/接收器15、信号放大器16、多路复用开关17、喷油器18。

具体实施方式：

实施例1：

一种非接触式针阀升程测量方法，其特征是：利用超声波测量喷油器工作过程中针阀和针阀座之间的油膜厚度，从而计算得到针阀升程，该方法包括如下步骤：首先是将超声波换能器安装在喷油器底端上，换能器端面与针阀锥面之间距离5-12mm，同时保持换能器端面与针阀锥面之间平行，超声波换能器采用水浸式聚焦型，超声波换能器利用循环水进行冷却，利用微调机构对焦距进行调整；通过多路复用开关控制，实现一个测量通道分时采集多个超声波换能器数据，完成对多喷油器的针阀升程进行测量；利用发动机的曲轴转角位置传感器，计算得到喷油器的针阀开启时刻，控制相应换能器激发超声波，并对反射波的数据进行测量。

实施例2：

根据实施例1所述的非接触式针阀升程测量方法，所述的方法其组成包括：喷油器18、测量系统，所述的喷油器包括针阀座1，所述的针阀座内部中间位置安装有针阀2，所述的针阀座底部侧面打磨成一个平面，所述的平面上通过高温密封胶与水槽4底部粘接，所述的水槽顶部具有密封盖，所述的密封盖上安装有微调机构，所述的微调机构具有微调螺母7，所述的水槽内安装有超声波换能器5，所述的超声波换能器通过螺纹安装在水槽的密封盖上，利用微调螺母调整轴向位置，并调整超声波换能器的焦距，冷却水3出口高于超声波换能器的水平高度，使水耦合器始终淹没超声波换能器，所述的微调机构两侧分别安装有进水口6、出水口8，所述的进水口与所述的出水口分别插入到冷却水3中，所述的冷却水安装在所述的水槽内。

实施例3：

根据实施例1或2所述的非接触式针阀升程测量方法，所述的测量系统包括显示及控制器13，所述的显示及控制器分别与位置传感器12、数据采集器14、脉冲发生/接收器15、多路复用开关17连接，所述的位置传感器与曲轴11连接，所述的数据采集器分别与压力传感器9、温度传感器10、所述的脉冲发生/接收器连接，所述的脉冲发生/接收器与信号放大器16连接，所述的信号放大器连接所述的多路复用开关，所述的多路复用开关连接一组超声波换能器5，所述的温度传感器与所述的压力传感器依次连接在所述的针阀座侧面。

实施例4：

根据实施例1或2或3所述的非接触式针阀升程测量方法，本方法的原理基于超声波等效弹簧模型或谐振模型，即两层介质之间的油膜厚度与入射超声波的反射系数有关，而在喷油器工作过程中，针阀升程的变化会导致针阀与针阀座之间的油膜厚度变化，通过测量该油膜的厚度，即可间接计算出针阀升程；

该方法的结构包括显示及控制器、数据采集器、脉冲发生/接收器、信号放大器、换能器、温度传感器、压力传感器等部件，显示及控制器控制脉冲发生/接收器，换能器产生并获得超声波信号，通过信号放大器、脉冲发生/接收器、数据采集器进入显示及控制器，数据计算后得针阀升程大小，温度传感器和压力传感器获得喷油器内燃油的压力和温度数据，对计算后得到针阀升程大小进行数据修正；

结合附图1，本方法的结构组成主要包括针阀、针阀座、水、水槽、超声波换能器、进水口、微调螺母、出水口；将针阀座表面加工打磨一个平面，然后将水槽平放在此表面上，由于水槽的没有底面，它和针阀座表面之间形成密封容积，为了防止水槽与圆柱孔之间的泄露，在它们之间涂高温密封胶；

水槽中通过进水口和出水口流入循环的冷却水，冷却水出口高于超声波换能器的水平高度，保证水耦合器始终淹没超声波换能器，这让可以保证超声波换能器和针阀座表面之间有水耦合，防止空气的声波反射；同时，循环水还可以实现换能器的降温；超声波换能器通过螺纹安装在水槽的密封盖上，并利用微调螺母调整轴向位置，调整换能器的焦距，使得焦点位于柱塞副的接触面上，并锁定微调螺母。

结合附图2，本方法测量系统包括显示及控制器、数据采集器、脉冲发生/接收器、信号放大器、多路复用开关、换能器、温度传感器、压力传感器和位置传感器等部件；其中多路复用开关实现多个换能器的激发和数据采集，温度传感器和压力传感器用于修正计算的柱塞副间隙，位置传感器用于计算喷油器开启的时刻，以激发超声波换能器；显示及控制器用于针阀升程的计算和修正，控制多路复用开关，激发相应喷油器的换能器等功能；

本方法在实际应用中，利用温度和压力传感器得到喷油器内燃油的实时温度和压力，当需要采集某个喷油器的针阀的升程时，利用曲轴位置传感器计算个该喷油器的针阀的开启时刻，当该位置处有相应的换能器时，显示及控制器发出指令，使对应的多路复用开关合并，该换能器可以工作；同时，显示及控制器再次发出激发脉冲发生/接收器指令，脉冲发生/接收器发出脉冲信号，经过多路复用开关激发换能器，换能器产生超声波，聚焦后射入针阀和针阀座间的油膜，超声波反射信号被换能器接收，经过多路复用开关、信号放大器被脉冲发生/接收器接收，在经过信号采集到显示及控制器，该反射超声波信号经过滤波和FFT变换，变成频域信号，对于超声波反射前后的幅值，计算出反射系数，然后利用等效弹簧模型或谐振模型，计算出油膜厚度，即可以间接计算出针阀升程；

通过设计在不同喷油器圆周位置布置多个换能器，可以得到喷油器工作过程中不同圆周位置的油膜间隙的变化分布，然后计算出平均油膜间隙厚度，最后可以计算出平均针阀升程；

当油膜的厚度远小于超声波的波长时，采用等效弹簧模型计算油膜厚度；当油膜的厚度与超声波的波长相近时，采用谐振模型计算油膜厚度；

温度和压力对燃油的密度和声速有影响，不同的温度和压力下，燃油的密度和声速不同，因此，利用温度和压力传感器对燃油的密度和声速进行修正，可以计算出相对精确的油膜厚度数值。

结合附图3，说明本方法的测量系统计算方法，利用超声波等效弹簧模型或谐振模型计算出针阀和针阀座之间的燃油厚度P，A是针阀锥面的半角，然后利用公式：

H=P/sinA

可以计算出针阀升程H。

Claims (3)

1.一种非接触式针阀升程测量方法，其特征是：利用超声波测量喷油器工作过程中针阀和针阀座之间的油膜厚度，从而计算得到针阀升程，该方法包括如下步骤：首先是将超声波换能器安装在喷油器底端上，换能器端面与针阀锥面之间距离5-12mm，同时保持换能器端面与针阀锥面之间平行，超声波换能器采用水浸式聚焦型，超声波换能器利用循环水进行冷却，利用微调机构对焦距进行调整；通过多路复用开关控制，实现一个测量通道分时采集多个超声波换能器数据，完成对多喷油器的针阀升程进行测量；利用发动机的曲轴转角位置传感器，计算得到喷油器的针阀开启时刻，控制相应换能器激发超声波，并对反射波的数据进行测量。

2.根据权利要求1所述的非接触式针阀升程测量方法，其特征是：所述的方法其组成包括：喷油器、测量系统，所述的喷油器包括针阀座，所述的针阀座内部中间位置安装有针阀，所述的针阀座底部侧面打磨成一个平面，所述的平面上通过高温密封胶与水槽底部粘接，所述的水槽顶部具有密封盖，所述的密封盖上安装有微调机构，所述的微调机构具有微调螺母，所述的水槽内安装有超声波换能器，所述的超声波换能器通过螺纹安装在水槽的密封盖上，利用微调螺母调整轴向位置，并调整超声波换能器的焦距，冷却水出口高于超声波换能器的水平高度，使水耦合器始终淹没超声波换能器，所述的微调机构两侧分别安装有进水口、出水口，所述的进水口与所述的出水口分别插入到冷却水中，所述的冷却水安装在所述的水槽内。

3.根据权利要求1或2所述的非接触式针阀升程测量方法，其特征是：所述的测量系统包括显示及控制器，所述的显示及控制器分别与位置传感器、数据采集器、脉冲发生/接收器、多路复用开关连接，所述的位置传感器与曲轴连接，所述的数据采集器分别与压力传感器、温度传感器、所述的脉冲发生/接收器连接，所述的脉冲发生/接收器与信号放大器连接，所述的信号放大器连接所述的多路复用开关，所述的多路复用开关连接一组超声波换能器，所述的温度传感器与所述的压力传感器依次连接在所述的针阀座侧面。