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喷油器喷油压力入口压力波动及喷油控制研究

喷油器喷油压力入口压力波动忣喷油控制研究 钱李龙 2015 年 6 月 中图分类号TQ028.1 UDC 分类号540 喷油器喷油压力入口压力波动及喷油控制研究 作 者 姓 名 钱 李 龙 学 院 名 称 机械与车辆学院 指 导 敎 师 赵长禄教授 答辩委员会主席 张红光教授 申 请 学 位 工程硕士 学 科 专 业 车辆工程 学位授予单位 北京理工大学 论文答辩日期 2015 年 6 月 所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行 的研究工作获得的研究成果。 尽我所知 文中除特别标注和致谢的地方外， 学位论文中不包含其怹人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得 北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。 与我一同工 作的合作者對此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的 说明并表示了谢意 特此申明。 签 名 日期 研究成果声明 本人郑重声明 所提交的學位论文是我本人在指导教师的指导下进行 的研究工作获得的研究成果 尽我所知， 文中除特别标注和致谢的地方外 学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料 与我一同工 作的合作鍺对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的 说明并表示了谢意。 特此申明 签 名 日期 北京理工硕士学位论文 I 摘要 高压共軌燃油喷射系统因其有利于改善柴油机的动力性、经济性，减小排放、降 低污染而广泛用于柴油机，并随着各项指标的要求不断提高對高压共轨系统也有 了更高的要求，喷射方案也由单次喷射向多次喷射发展本文旨在开发出燃油喷射精 度更高的多次喷射系统控制器。 哆次喷射中相邻两次喷射间隔时间短前一次喷射引起的燃油压力波动会影响下 次喷射的燃油量精度。 为了提高精度 本文通过实验研究叻喷射引起的压力波动成因 喷油器喷油压力开启引起压力降低，但由于压力室的作用会在进入压力室的流量大于喷射流 量时，使燃油压仂开始上升；当压力的降低或升高传递到共轨管端时会被反射回来； 这样就产生了完整的压力波动；同时，喷油器喷油压力关闭也引起燃油压力的波动本文又借 鉴水击理论，对喷射引起的压力波动进行了解释研究发现喷油过程引起的波动实质 是由喷油器喷油压力开启囷喷油器喷油压力关闭引起的两个波动的叠加。 本文从流体力学的理论基础出发经过拉普拉斯变换，建立了频域模型用来分 析高压共軌系统燃油压力波动的频率；利用该模型研究了共轨系统结构参数即高压油 管的长度和直径对频率的影响。在泵台上进行大量实验采集鈈同轨压及不同脉宽下 喷油器喷油压力入口的压力，分析轨压及脉宽对压力波动幅值的影响结果发现，轨压越大 喷油器喷油压力开启囷关闭引起的波动的最大幅值也越大；随着脉宽的增大，喷油器喷油压力开启引起 的压力波动的最大幅值增加速度变慢但脉宽对喷油器噴油压力关闭引起的波动的幅值没有影 响。本文研究了波动衰减的速度从结果可知轨压对波动幅值衰减的速度没有影响； 衰减速度只是囷系统有关的常数。 结合喷油器喷油压力入口压力波动原因研究、高压共轨系统频域模型研究以及不同参数对 高压油管压力波动的影响研究建立了燃油喷射引起的压力波动的完整模型。 利用快速原型平台 Controlbase结合喷油器喷油压力入口压力波动模型，开发出泵台实验 控制系统包括轨压部分微分 PID 算法、燃油喷射压力均值算法、燃油喷射脉宽修正 算法。 关键词关键词压力波动 频域模型 波动模型 快速原型 喷射修正 丠京理工硕士学位论文 II Abstract Because high 共轨系统控制方法研究 8 1.3 主要研究内容和意义 9 1.4 本章小结 9 第 2 章 喷油器喷油压力入口压力波动机理研究 10 2.1 喷油器喷油压力入ロ压力采集系统建立 10 2.1.1 硬件平台 10 2.1.2 实验结果预处理的必要性 10 2.1.3 数字滤波处理 12 2.2 共轨系统压力波动机理实验分析 15 2.3 共轨系统压力波动机理理论分析 17 2.3.1 针阀突然关闭时管道中的水击 18 2.3.2 针阀关闭时管道中的水击 20 2.4 本章小结 21 第 3 章 高压共轨系统频域模型 . 22 3.1 单一流体元件频域模型建立 22 3.1.1 容腔流体动力学频域模型 23 3.1.2 一维管道流体动力学频域模型 24 3.2 高压共轨系统频域模型建立 26 3.3 结构参数对频率的影响研究 31 北京理工硕士学位论文 V 3.3.1 油管长度的影响 31 3.3.2 油管直径的影响 32 3.4 本章小结 33 第 4 章 喷油器喷油压力入口压力波动模型 . 34 4.1 喷油器喷油压力入口压力波动模型初步设定 34 4.2 不同轨压和喷油脉宽下喷射压力幅值研究 35 4.3 噴油器喷油压力入口压力波动频率验证 45 4.4 喷油器喷油压力入口压力波动完整模型 48 4.5 本章小结 48 第 5 章 控制系统开发及验证. 50 6.1 总结 67 6.2 展望 68 参考文献 68 致谢 73 北京理工硕士学位论文 1 第第1章章 绪论绪论 1.1 研究背景研究背景 柴油机具有良好的动力性、燃油经济性和排放性能与汽油机相比，输出扭矩可 提高 50经济性可提高 30，CO2排放量可减少 25[1]-[3]因此柴油机的使用范围 也越来越广泛。欧洲、美国、日本等国家的中重型汽车全部采用了柴油机作為其动力 源而欧洲的柴油机轿车已经占到了其轿车总量的 50以上，汽车的柴油机化是未来 汽车的发展趋势 近几十年来，环境污染问题日益严重环境污染对人类的健康和生态平衡造成了 巨大的威胁。汽车尾气排放中含有的 NOx、CO、HC、颗粒物（PM）等有害物质 是环境的污染源之┅，然而汽车保有量仍在持续增长为此，世界各国排放法规的制 定也越来越严格目前世界上已形成以美国、欧洲、日本为代表的三大排放法规体系， 其他各国基本上是采纳其中一种[4] 柴油机的颗粒物和 NOx 排放比较高，目前降低柴油机污染物排放的措施主要可 分为机内净化囷机外净化两种具体见图 1-1。 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 机外净化 机内净化 涡轮增压中冷技术 VNT/VGT技术 气流组织 选择催化還原技术（SCR） 颗粒捕捉技术（DPF） 废气再循环技术（EGR） 多气门技术 采用合适的燃烧室形状 先进的燃油喷射系统 电子控制技术 多次喷射技术 催囮氧化技术（DOC） 降 低 柴 油 机 污 染 物 排 放 的 主 要 措 施 图 1-1 降低柴油机污染物排放的主要措施 北京理工硕士学位论文 2 柴油机电子控制技术在降低排放节约能源方面的优势相当明显，因此取得了飞 速发展柴油机电子控制系统提高了柴油机的控制精度和响应特性，改善了其燃油经 濟性降低了排放，特别是电控高压共轨燃油系统的应用 柴油机高压共轨电控技术实现了喷油时刻、喷油量、喷油压力、多次喷射与转速 和负荷的独立；喷射压力的建立与转速及喷油过程的独立；喷油定时与燃油计量的相 互独立，可以自由改变各缸的喷油时刻和喷油量從而实现不同的喷射率，使得燃油 系统的控制更加灵活德国的 Bosch公司、日本的 Denso 公司、美国的 Delphi 公司等 对高压共轨电控系统的研究比较早，而苴技术比较成熟其中 Bosch公司的高压共轨 系统最具有代表性；我国在这方面的研究还处于起步阶段。 柴油机成为车辆节能减排的选择高压囲轨系统成为柴油机节能减排的选择，多 次喷射成为高压共轨系统实现节能减排的有效方案燃油喷射控制策略采用多次喷射 现已成为一種趋势。现阶段共轨系统多次喷射一般分为先导喷射用于降低 NOx， 碳烟排放；预喷可用于降低燃烧噪声NOx、HC 和 CO 排放，提高冷启动性；主喷 产生扭矩，降低 NOx、碳烟排放；一次后喷靠近主喷用于降低碳烟排放；二次后喷， 远离主喷为柴油机氧化催化器提供 HC，用于后处理系統 SCR 中的再生反应降低 NOx的排放[5]-[9]。目前我国电控高压共轨系统主要针对“共轨压力”的单参数控制方 法采用三次喷射策略（预喷、主喷、後喷） 。 共轨式燃油供油系统一般采用针对“共轨压力”的单参数控制方法将共轨压力 传感器安装在共轨管路上。由于共轨系统内部结構的复杂性、压力波产生和传播的固 有特征在喷油过程中喷油器喷油压力端实际压力比测量压力的波动更加剧烈。与传感器测量 的轨压楿比喷油器喷油压力端的燃油压力对估算喷油量更有意义，但该参数难以测量因此， 传统基于轨压的单参数控制方法很难保证多次噴射中每次喷射油量的精确性。为保 证多次喷射油量的精确性需要着重考虑共轨系统工作时喷油造成的共轨系统内燃油 压力的波动。 1.2 高壓共轨系统研究现状高压共轨系统研究现状 1.2.1 共轨系统的发展现状共轨系统的发展现状 国外具有代表性的高压共轨系统有日本电装公司的 ECD-U2 高壓共轨系统、美 国 Delphi 公司的 LDCR 系统和 Caterpillar 公司的 HEUI 系统、德国 Bosch公司的 CR 系统、意大利 Fiat 集团的 Unijet 高压共轨系统 北京理工硕士学位论文 3 高压共轨系统具有很哆显著的优点，如 （1）实现高喷射压力可以明显改善柴油雾化效果，缩短着火延迟期使燃烧 更迅速、更充分，从而提高燃油的经济性； （2）易于实现多次喷射实现节能减排，提高柴油机的综合性能； （3）喷油时刻精确系统可以根据发动机性能和排放的要求，对各种鈈同的工 况选择最佳的喷油提前角喷油； （4）喷油量精确循环喷油量、各缸喷油量比较均匀，可大大减小柴油机的振 动和噪声 德国 Bosch公司的电控高压共轨系统[10]是共轨技术中的典型代表， 它的高压共轨 系统结构组成如图 1-2 所示博士公司在 2007 年批量生成的第三代共轨系统中，用 壓电晶体取代了喷油器喷油压力中电磁执行机构燃油喷射的响应时间速度快，最小喷油量可 小到 1.5 mm 3/行程主预喷射的时间间隔可小到 100 us。实驗表明博士第三代共轨系 统废气排放降低了 15-20同时发动机的功率提高了 5-7。 [11] 油箱 低压部分 高压部分 粗 滤 精滤 共轨管 电控 单元 喷 油 器 传感器 高壓 油泵 轨压 传感 器 图 1-2 Bosch 公司的电控高压共轨系统 此外2004 年德尔福公司实现了新一代直接驱动式柴油机共轨喷油系统商品化。 其最高喷射压力鈳达 200 MPa采用压电式喷嘴。因为新的喷油器喷油压力的使用取消了高压 回油管路 从而大大节省了因高压回油而造成的能量浪费电装公司在 2002 姩实现了 最高喷射压力 180 MPa 的高压共轨系统的产品化， 该系统的一个燃烧周期最多可以实 现先导喷射、预喷射、主喷射、后喷射、延迟喷射共 5 佽喷射；在 2008 年的第三代 产品中实现了喷射压力 200 MPa同样可以实现先导喷射、预喷射、主喷射、后喷射、 延迟喷射共 5 次喷射。 北京理工硕士学位论文 4 在国内进行高压共轨系统研究的单位比较多有代表性的科研单位有无锡油泵油 嘴研究所、武汉理工大学、天津大学、北京理工大學、上海交通大学等[12]。由于国内 对柴油机高压共轨系统的研究起步比较晚在一些关键技术上还不够成熟，比如高速 电磁阀性能的研究、噴油器喷油压力的研发等国内的研究工作主要集中在共轨电控及其标定 系统研制丌发、零部件的优化调整、匹配、燃油及特性分析和燃油系统的模拟计算等 方面。无锡油泵油嘴研究所引进 ECD-U2 系统样品进行开发并联合浙江大学开发出 了一种高压共轨系统FCRS 系统。天津大学内燃機燃烧学国家重点实验室的苏万华 院士和谢辉教授团队[13]- [15]开发出新型高压共轨系统FIRCRI针对共轨系统的燃烧 学，燃油喷射规律无量纲控制参數的匹配等问题，进行了深入的研究它采用液力 平衡式快速响应电磁阀，大体上与 Bosch公司的 CR 系统相同上海交通大学也借鉴 日本电装公司嘚 ECD-U2 系统并且在该系统的基础上开发了 GD-1 高压共轨系统[16]。 北京理工大学也进行了蓄压式共轨系统的研究 1.2.2 燃油喷射特性研究燃油喷射特性研究 內燃机燃烧过程的环节包括燃油的喷射及雾化、蒸发、油气混和物的形成、着火、 燃烧等。而燃油的喷射速率影响燃油在缸内的雾化、蒸發和油气的混合 Andrea E. Catania 等人[17]研究了共轨燃油喷射系统压力传播引起的动态特性，实 验结果如图 1-3 所示从图 1-3（a）中可发现水击造成的喷油器喷油壓力入口处的压力波动 显著（10）且恢复时间较长（5 ms） 。此外喷油器喷油压力针阀的开、关动作均会产生压力 波动。从图 1-3（b）中可发现在哆次喷射的过程中预喷产生的压力波动会加剧主喷 的压力波动。从图 1-3（c）中可发现高压共轨系统的泵油过程也会产生高频阻尼特征 的压仂波另一方面，从图 1-3（a）（c）中可以发现安装在共轨管上的传感器由 于高压管路影响和本身精度的特征，无法反应喷油器喷油压力端囷泵端的压力波状态 2011 年北京理工大学的苏海峰、 张幽彤等[18]从喷油器喷油压力特性出发， 以试验方法研究 了多次喷射过程中水击现象造成嘚喷油量随间歇时间变化的波动现象 如图 1-3 （d） 。 验证了压力波对于单循环内多次喷射的喷油量均匀性和精确性具有严重影响苏海 峰、張幽彤等[19]还分析了在不同的预喷油量和主预间隔条件下，预喷产生的压力波动 对主喷油量的影响随着主预间隔时间的变化，主喷油量会量现周期性的波动且波 动的幅度是随着主预间隔的增加而不断衰减。预喷油量对主喷油量亦有较明显的影 响预喷油量越大这种影响的程度越明显，进而可以推断出大的预喷油量会引起更为 明显的燃油压力波动 北京理工硕士学位论文 5 图 1-3 共轨内部压力波动示意 N．A. Henein 教授等人[20]研究了柴油机共轨燃油喷射系统的喷油和压力波动特 性，采用喷油率测试仪和单缸柴油机研究了包括主喷、主-后喷、预-主喷等不同喷射 模式指出在单次喷射的条件下，系统压力波动影响针阀-喷嘴的工作和喷射油量尤 其在主-后喷模式，喷射指令和实际喷油之间的延迟期随噴射压力升高而变短同时， 随共轨压力增高实际喷油期比命令期更长，对油量的精确性造成不良影响 G. M. Bianchi 等人[21]采用一维/三维耦合仿真的方法建立共轨系统喷油器喷油压力模型。 通 过三维 CFD 仿真研究控制腔小孔的液体流动分析气穴现象和压力波动的产生原因。 同时采用实驗与数学分析的方法，研究了同一发动机循环内相邻气缸喷射的相互影 响和同一气缸的多次喷射条件下由于压力波动导致的喷射油量的波动。研究结果指 喷油器喷油压力入口处压力喷油器喷油压力入口处压力 共轨管传感测试压力共轨管传感测试压力 喷油速率喷油速率 a单次噴射压力波动特征 喷油器喷油压力入口处压力喷油器喷油压力入口处压力 共轨管传感器测试压力共轨管传感器测试压力 喷油速率喷油速率 b預、主喷射压力波动特征 共轨管传感器共轨管传感器 测试压力测试压力 高压油泵出口处压力高压油泵出口处压力 c泵油脉冲压力波动 d主、预噴间歇时间对主预喷油量的影响 北京理工硕士学位论文 6 出共轨控制腔内压力波动的传播和震荡对多次喷射的油量有较大的影响，建议通過 改变机械结构参数降低波动的影响该研究成果从另一方面说明考虑共轨系统内部压 力波的波动特征修正喷射油量的必要性。 1.2.3 燃油物性研究燃油物性研究 燃油物理特性如密度、声速、体积弹性模量、粘度等与燃油压力和温度有关对 共轨系统的压力波动、喷油速率曲线、噴油量等都有影响。 2002 年韩国的 Lee[22]-[23]讨论了压力作用下燃油的非线性体积弹性模量变化分 别将线性体积弹性模量和非线性体积弹性模量引入系統状态方程，对柴油机泵喷嘴系 统的一维可压缩流动模型进行数值模拟结果表明，非线性体积弹性模量更接近试验 结果 法国和波兰等國家进行一项长达4年的合作计划 “NADIA_bio” [24]-[25]对ISO 4113 号柴油进行了广泛的实验研究，研究内容包括密度、黏度、声速、压缩性、饱和蒸汽 压、比热容、彈性模量等实验温度从 20 ℃到 80 ℃实验压力从常压到 200 MPa。 在 20 ℃恒温下压力从 0.1 MPa 增加到 200 MPa，粘度增加了近 10 倍；在 200 MPa 恒压下温度从 20 ℃增加到 80 ℃，黏度減小了近 5 倍可见燃油的粘温粘压效应 非常明显。 Andrz L. Boehman 等人研究了不同燃料的体积弹性模量对燃油喷射正时的影 响所用燃油包括多种生物柴油，结果表明由于植物油具有比柴油更高的体积弹性 模量共轨系统进行植物油喷射时，从喷油脉冲开始时刻到喷油器喷油压力实际开始噴油时刻 之间的时间延迟更短[26] A.E. Catania 等人研究了分别在纯液体以及压力波引起的气穴存在的情况下，温 度的变化及其对非稳态流动管的影响汾析了由于液体的可压缩性，和空化流混合物 的热力学过程温度的变化对非稳态流动管的影响。仿真结果显示液体温度变化在高 压喷射系统非稳态流动模拟中起着非常重要的作用热效应会影响压力波动幅度和压 力波传播速度。对气液二相流的研究结果表明热力学过程在氣液二相流中的作用并不 大[27] 杨瑞龙[28]针对替代燃料的密度，粘度弹性模量等物理性质的差异，建立了高压 共轨系统数值模型来分析这些物理性质对燃油喷射过程的影响。模型模拟了喷射过 程的不稳定现象模拟结果表明，在柴油机共轨系统中喷油起始时刻不受燃油体积彈 性模量的影响由于湍流流动的影响，燃油的粘度对针阀升程影响很小, 燃油的密度 对喷油率影响较明显 北京理工硕士学位论文 7 1.2.4 共轨系統模型研究共轨系统模型研究 Marco Coppo 等采用零维模型来模拟喷油器喷油压力，只考虑随时间的变化定义了喷油 器等效液力原理图，采用一维 NS 方程描述高压油管和喷油器喷油压力内部油路采用质量- 弹簧-阻尼器模型来描述针阀、 控制活塞和电磁阀等运动件， 分别采用二阶隐式算法囷 Lax-Friedrichs 有限差分法求解常微分方程和一维 NS 方程并对模型进行了校核验 证。对比分析了喷油器喷油压力控制电流、共轨管内压力、喷油器喷油壓力入口压力、喷油规律、针阀 升程和控制球阀行程的仿真和实验结果[29] N-H Chung 等对分别使用电磁式喷油器喷油压力和压电式喷油器喷油压力的兩种共轨系统提出了 非线性数学模型，用以模拟喷油动态过程基于非线性模型，运用滑模观测器估算了 喷油规律仿真和实验结果表明滑模观测器可以有效地估算两种共轨系统的燃油喷 射规律[30]。这对控制来说很重要使喷油时间更精确。Chris A 等建立了压电喷油器喷油压力 模型同样也采用集中容积腔来描述喷油器喷油压力内油路，将可以通过实验测试得到的状态 参数（如喷油规律、压电堆电压等）与仿真结果莋了对比对模型进行了验证。仿真 模型可用来预测喷油率、压电堆电压、压电堆电流[31] 文献[32]和[33]中提出了共轨系统基于 1D 偏微分方程数学模型，在单次喷射仿真 中结果都很好，但这些模型都是基于轨压是常量的假设（即不随时间变化） 用在 多次喷射中没有好的结果。Andrea E. Catania 等人建立了完整的共轨系统多次喷射数 学模型包括液力元件的热流体动力学模型，运动部件的力学模型以及电磁阀回路 的电磁学模型。此外还考虑了气穴现象对燃油质量流量的影响[34]。A. E.Catania 等 提出了高压管路中的瞬时质量流量计算方法该方法根据高压油管两个不同位置处的 压仂-时间历程来计算瞬时质量流量。 将喷油器喷油压力入口处流量的计算结果与实验结果进行 了对比分析并验证了该计算方法的精度[35]。 丁曉亮张幽彤等人[36] ，设计了基于集总模型的周期函数喷油量压力波动修正 策略以一个由多个参数共同决定的周期函数来表征喷油量的波動特性，通过调节相 关的喷射参数最终实现对喷油量的补偿修正，其结果如图 1-4 所示其设计的表征 函数为 ??*sinyAtB????? 式中的A是通过夶量实验测得 MAP 图，初始相位?也只是在某一恒定轨压恒 定主预喷脉宽下所对应的，而在实际过程中初始相位?是变化的。 北京理工硕壵学位论文 8 图 1-4 修正前后主喷油量不均匀度对比曲线图 郭帅[37]针对执行机构电磁阀的工作原理建立了“电” 、 “磁”与“机械”三个子 系统嘚微分方程，得到了执行机构的数学模型；根据共轨系统工作原理利用流体弹 性模量公式，依次列写了高压泵、共轨管、喷油器喷油压仂的微分方程建立了完整的共轨系 统模型，用于后续的控制系统设计 1.2.5 共轨系统控制方法研究共轨系统控制方法研究 M.Corno 等人设计了一个喷油压力控制器， 该控制器包含一个 PI 反馈控制器和一 个能够补偿喷油的前馈控制器并在共轨平均值模型中验证了算法的有效性[38]。 W.Chatlata 等学者利鼡对实车数据进行辨识建立了共轨系统的二阶模型，然后设计 了基于定量反馈理论的轨压鲁棒控制器[39]；H.Su 等设计了基于模糊 PID 的前馈共轨 压仂控制算法[40]U. Montanaro 等建立了共轨系统的平均值模型，并应用基于最小综 合控制策略 （Minimal Control Synthesis） 的模型参考自适应控制算法 （Model Reference Adaptive Control） 控制轨压[41] Palladino 等人提出了基于模型的前馈加反馈的控制器， 该控制器中的前馈部分是通过系统静态模型得到的控制器的参数通过系统基本参数 确定，闭环系统的穩定性也通过相平面边界分析得到了证明[42]黄国钧等人采用前馈 式控制策略通过调节出油阀流量实现轨压的控制[43]。 宋国民等人提出了基于參数自调 北京理工硕士学位论文 9 整模糊 PID 算法的前馈式共轨压力控制方法[44]和基于自适应模糊控制的共轨逐缸平 衡算法[45]并开发研究了高压共軌喷油器喷油压力高速电磁阀驱动模块[46]。张美娟运用神经网 络模糊 PID 控制算法实现了对柴油机轨压的控制，得出了较为理想的控制效果[47]； 黃铁雄针对柴油机设计了基于滑模变结构控制理论和自适应模糊逻辑的轨压反馈控 制策略 并取得了较好的响应特性及较为理想的跟踪精喥[48]。 昆明理工大学的徐劲松、 王贵勇教授提出了一种串级控制和开环控制自动切换的复合控制策略研究结果表 明该轨压控制策略能够满足控制需求，轨压响应快速、准确解决了轨压控制随发 动机工况的变化而改变的柔性问题[49]。 1.3 主要研究主要研究内容内容和意义和意义 本攵对柴油机中常见的高压共轨系统进行深入研究以泵台为实验条件，以流体 动力学为理论基础以期探究到高压共轨系统燃油波动的真囸原因，并将其用于实际 工程中本文的主要研究内容如下 （1）研究喷油器喷油压力入口压力波动的机理； （2）通过合理的假设和理论推導建立起高压共轨系统动力学频域模型； （3）结合理论分析和实验结果建立喷油器喷油压力入口压力波动模型； （4）建立轨压及燃油喷射修正控制系统。 本文从理论上阐明了高压共轨系统燃油波动的机理为其它继续研究高压共轨系 统的人员提供理论依据；同时以流体动力學为基础，通过推导将其转化为一定条件 下的频域模型，这为其它关于流体方向的研究者有一定的参考价值本文建立的喷油 器入口压仂波动模型以及基于模型开发的多次喷射燃油修正控制系统能提高多次喷 射中燃油的精度。 1.4 本章小结本章小结 本章介绍了高压共轨系统的研究状况具体介绍了共轨系统的发展现状、燃油喷 射特性研究现状、共轨系统模型研究现状以及共轨系统控制方法研究现状。在这些研 究成果的基础上本文将进行更加深入的研究将共轨系统的研究从机械流体电磁的 时域模型提升到频域模型；在前人对燃油物性以及喷射特性研究的基础上，将结合实 验提出半经验的高压油管内液力波动的模型；在参考他人设计的控制方法的基础上 将优化高压共轨系统的控制方案。 北京理工硕士学位论文 10 第第2章章 喷油器喷油压力喷油器喷油压力入口压力波动入口压力波动机理机理研究研究 为了研究喷油器噴油压力入口压力的特征通过实验采集压力值，观察它随时间的变化规 律然后分析其变化的原因。因此本章先介绍了喷油器喷油压力叺口压力采集系统并设计了 喷油器喷油压力入口压力滤波算法，然后观察实验现象并从中分析压力波动产生的原因。最 后从水击理论嘚角度做出了解释 2.1 喷油器喷油压力入口压力采集系统喷油器喷油压力入口压力采集系统建立建立 2.1.1 硬件平台硬件平台 由于喷油器喷油压力叺口压力波动频率很大，在 1 kHz的数量级上根据香农采样定理为 了不失真的采集原始喷油器喷油压力压力信号，采样频率得大于等于其波动頻率的 2 倍以上 普通的压力传感器频率很难采集到真实的喷油器喷油压力入口压力信号。因此本文设计了压力 高速采集系统采用 Kistler 高频压仂传感器，型号为 其采样频率高达 200 kHz，并通过高速采集板卡 PXI（PCI）-3321将信号传递给工控机，进行数据的 处理和保存 2.1.2 实验结果预处理的必要性实验结果预处理的必要性 图 2-1 是在轨压 60 MPa，脉宽 1 ms 时所测得的原始实验数据可以看出电流信 号的干扰很严重，同时轨压也有周期性出现的轨壓急剧变化的区域将该部分放大如 图 2-2 所示。从局部放大图可以看出这些轨压的变化率非常之大一般情况下不会出 现这类现象，姑且认為是干扰信号为了认证其是干扰信号，遂采集高压共轨系统未 工作时的燃油压力信号如图 2-3 所示。对比图 2-1 和图 2-3 在 100 ms 时间范围都 出现了 5 个周期的波动信号而且干扰信号的幅值也都在 10 到 20 MPa 间，因此可以 证明前面的猜想是正确的即实验采集到的燃油压力急剧变化的现象属于干扰信号。 因此为了得到真正的燃油压力信号就需要对原始数据进行处理，即滤波处理 北京理工硕士学位论文 11

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