CN111794889A - 可变喷油规律超高压共轨***平台试验台架及试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于柴油机高压喷射技术领域，尤其涉及一种可实现变喷油规律喷射的超高压共轨***平台试验台架及试验方法。本发明的燃油喷射***包括高压油泵、共轨管、增压装置以及喷油器，其中高压油泵、共轨管、增压装置和喷油器顺序连接，增压装置和喷油器设置电磁阀，双控电控单元控制增压装置电磁阀和喷油器电磁阀的相对开启时间，喷油规律测试仪测量喷油器喷射油的各项参数，数据采集***采集压力和喷油规律测试仪信号，数据采集***与计算机连接，计算机与双控电控单元连接。本发明的装置可以开展变喷油规律的超高压共轨***性能试验研究。
Description
技术领域
本发明属于柴油机高压喷射技术领域，尤其涉及一种可实现变喷油规律喷射的超高压共轨***平台试验台架及试验方法。
背景技术
柴油机的经济和排放性能主要由其燃烧过程组织好坏决定，而燃烧过程则与燃油***的喷射特性直接相关，尤其是喷油压力与喷油规律，对喷油压力与喷油规律实施灵活的控制是提高柴油机燃油经济性和降低污染物排放最高效的方式。高压共轨***能够通过对共轨压力的闭环控制，实现喷油压力和转速的独立控制以及供油过程和燃油喷射过程的相互独立，从而根据柴油机运转工况和使用条件等柔性控制喷油压力和喷油规律等，进而实现柴油机经济和排放性能的综合优化控制，因此，高压共轨***已经成为柴油机节能减排发展的前沿技术，更高的喷油压力和更灵活可调的喷油规律则是高压共轨***优化过程中的发展方向和追求目标。
喷油压力提高后，能够改善喷出油束的雾化质量，减小油滴的索特平均直径，促进喷雾微粒化和空气的卷吸作用，有利于均匀可燃混合气的生成，从而有效提高热效率和降低碳烟排放，但同时也会造成NOx排放的增加。因此，为了降低NOx排放量，还需要通过对喷油规律的有效控制来调整预混燃烧的油量，形成更为合理的可燃混合气时间和空间分布等，从而控制燃烧最高温度和压力升高率。与此同时，为实现全工况范围内的优化，喷油规律也不应该是固定不变的，而是随着柴油机转速和负荷的变化相应调整成最佳的曲线形状。
目前，常规的高压共轨***要求在喷射过程内保持喷油压力恒定不变，喷油规律近似于矩形，无法灵活实现喷油规律的改变，尤其是在试验测试阶段，由于相关平台试验台架的缺乏，根本无法在试验中实现喷油规律的灵活调节，这对研究可变喷油规律的超高压共轨***性能带来了很大的影响。
发明内容
本发明的目的在于，克服常规高压共轨***平台试验台架在结构和技术上存在的不足，提供一种能够实现可变喷油规律的超高压共轨***平台试验台架，利用该试验台架可以开展变喷油规律的超高压共轨***性能试验研究。
本发明的技术方案是：超高压共轨***可变喷油规律平台试验台架，包括燃油喷射***、双控电控单元、喷油规律测试仪、压电传感器以及数据采集***，其特征在于：燃油喷射***包括高压油泵、共轨管、增压装置以及喷油器，其中高压油泵、共轨管、增压装置和喷油器顺序连接，增压装置和喷油器设置电磁阀，双控电控单元控制增压装置电磁阀和喷油器电磁阀的相对开启时间，喷油规律测试仪测量喷油器喷射油的各项参数，数据采集***采集压力和喷油规律测试仪信号，数据采集***与计算机连接，计算机与双控电控单元连接。
根据如上所述的超高压共轨***可变喷油规律平台试验台架，其特征在于：增压装置电磁阀和喷油器电磁阀的动作时间小于0.5ms。
根据如上所述的超高压共轨***可变喷油规律平台试验台架，其特征在于：增压装置将油压提高250MPa以上。
根据如上所述的超高压共轨***可变喷油规律平台试验台架，其特征在于：双控电控单元包括微控制器模块、处理模块、驱动模块、电源模块和通讯模块，微控制器模块用于提供工作时钟、下载程序、恢复***工作状态；处理模块用于电阻式传感器、轨压传感器和霍尔传感器输入信号的调理；驱动模块用于驱动控制电磁阀动作；电源模块为整个***供电；通讯模块用于微控制器与电磁阀驱动控制器之间的通讯和双控电控单元与计算机之间的数据传递。
根据如上所述的超高压共轨***可变喷油规律平台试验台架，其特征在于：处理模块包括电阻式传感器信号、电压式传感器信号和脉冲信号处理电路。
本发明还公开了超高压共轨***可变喷油规律的试验方法，其特征在于：燃油喷射***为高压油泵、共轨管、增压装置和喷油器顺序连接，其中增压装置和喷油器输出为电磁阀控制，控制***采集共轨管和增压装置的压力以及油温，喷油规律测试仪测量喷油器喷射油的各项参数，控制***根据要求按照不同的时间顺序控制增压装置和喷油器的电磁阀开启或关闭，试验步骤如下：
步骤一、搭建超高压共轨***可变喷油规律平台试验台架；
步骤二、检查试验台架中油、气、电是否供应正常，并打开计算机端的喷射试验控制***软件；
步骤三、利用喷射试验控制***软件，进行增压参数和喷油参数的调节，得到控制电流信息；
步骤四、将控制电流信号发送至增压装置和喷油器的电磁阀，实现增压装置和喷油器电磁阀的开启和关闭；
步骤五、根据增压装置和喷油器电磁阀的开启和关闭时序，通过喷油器将不同喷油规律的燃油喷出，并利用喷油规律测试仪测出喷油规律，最终将得到的喷油规律，发送至数据采集***。
附图说明
图1为超高压共轨***可变喷油规律平台试验台架原理图。
图2为双控电控单元硬件结构组成图。
图3为驱动电路示意图。
图4为直流升压电路原理图。
图5为喷射规律曲线。
图6主线程部分程序框图。
图7数据接收线程的程序框图。
图8数据显示线程的程序框图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1所示，本发明的一种超高压共轨***可变喷油规律平台试验台架，包括燃油喷射***、双控电控单元、喷油规律测试仪、压电传感器以及数据采集***，燃油喷射***包括高压油泵、共轨管、增压装置以及喷油器。与常规高压共轨***平台试验台架的不同之处在于：该试验台架加装了增压装置和双控电控单元，通过双控电控单元能够分别精确控制增压装置电磁阀和喷油器电磁阀的相对开启时间，进而在试验过程中实现可变喷油规律喷射。本发明的压电传感器采集共轨管和增压装置的压力，数据采集***采集压力和喷油规律测试仪信号，数据采集***与计算机连接，计算机与双控电控单元连接。
以下结合附图对本发明的重要组成部分做详细说明。
1、燃油喷射***
燃油喷射***包括高压油泵、共轨管、增压装置以及喷油器，其中高压油泵由起动电机带动，以便于为共轨管提供燃油，而后燃油基于增压装置的增压作用，通过喷油器喷出，增压装置和喷油器的输出端口分别通过各自的电磁阀控制，电磁阀动作时间最好小于0.5ms，增压装置可以选用海军工程大学自行设计的电控增压器设备(已申请发明专利，专利申请号为CN200910272143.7)，将***根据增压活塞面积比(以下简称增压比)的不同，可以将油压提高到250MPa以上。这样本发明的装置可以通过精确的控制增压装置和喷油器输出端口对应的电磁阀控制喷油时间顺序，从而实现超高压力和可变喷油规律喷射。本发明的燃油喷射***设置两个电磁阀，分别是控制增压装置的电磁阀和控制喷油器的电磁阀，通过开启增压装置电磁阀，可以实现增压，且增压压力的大小由增压装置内的增压比决定，即增压比越大，增压压力越大，同时，通过调整增压装置电磁阀和喷油器电磁阀的控制信号时序，以实现喷油规律的灵活可变，当增压装置电磁阀先动作，喷油器电磁阀后动作，***一开始就喷射高压油，喷油规律呈矩形；当增压装置电磁阀与喷油器电磁阀同时动作，开始时***喷射基压油，同时增压器增压，增压活塞排量大于喷油量，喷射压力逐渐增加，此时喷油规律呈斜坡形；当喷油器电磁阀先动作，增压装置电磁阀后动作，开始时***喷射基压油，当增压器动作后，喷射压力逐渐升高，此时喷油规律呈靴形。
2、双控电控单元
双控电控单元的作用是提供增压装置电磁阀和喷油器电磁阀的驱动电流，以保证曲轴和凸轮轴位置信号、增压控制信号以及喷油控制信号之间的同步，主要由硬件和软件组成。
(1)硬件部分
双控电控单元的硬件结构组成图如图2所示，包含微控制器模块、处理模块、驱动模块、电源模块以及通讯模块等五个模块。
1)微控制器模块
考虑到超高压共轨***的性能需求，选取了32位单片机MPC5634作为微控制器的核心，其主要由时钟、JTAG接口、复位以及电源电路组成，分别用于提供工作时钟、下载程序、恢复***工作状态以及提供能量。
2)处理模块
处理模块包括电阻式传感器信号、电压式传感器信号和脉冲信号处理电路，分别用于电阻式传感器、轨压传感器和霍尔传感器输入信号的调理。
电阻式传感器信号处理电路的具体工作过程为：传感器将检测到的油温等温度信号转换成电阻值，而后经过电阻-电压变换和滤波，传送到微控制器中。电压式传感器信号处理电路的具体工作过程为：传感器接收到压力信号，会造成内部压力膜片上的电压值的改变，之后通过放大和滤波处理，传送到微控制器中。脉冲信号处理电路的具体工作过程为：传感器检测到曲轴和凸轮位置信号后，直接经过光电隔离和整形，传送到微控制器中。
3)驱动模块
由于微控制器的输出信号为弱电信号，不能够直接控制电磁阀，因此需要驱动模块(即驱动电路)。为满足***的可靠性要求，驱动模块采用可基于电流反馈的智能控制技术，使用单片机STM32F051作为控制核心，接收电控单元控制器的信号实施驱动控制。本发明设计的驱动电路如图3所示，其具体工作原理为：DSPI为微控制器模块输出的控制信号，电磁阀的采样电压与比较器(COMP)同相输入端连接，数模转换器(DAC)的输出电压则与COMP反相输入端连接，当驱动电路工作时，通过比较电磁阀的采样电压与DAC的输出电压，由通用输入输出(GPIO)模块能够产生高电压开关控制信号(CH)和低电压开关控制信号(CL)，而后利用开关管驱动电路，将信号分别转换成高电压电磁阀控制信号(KH)和低电压电磁阀控制信号(KL)，以导通高电压开关管(TH)和低电压开关管(TL)；与此同时，利用开关管驱动电路能够将低位开关选通信号(S1-S6)转变成电磁阀选通信号(K1-K6)，以便于调控低位开关管(T1-T6)。当开关管全部导通后，即可向电磁阀线圈加载高电压(VH)和低电压(VL)。
4)电源模块
超高压共轨***双控电控单元中需要用到24V、12V以及5V的电压。其中，24V电压由直流电源提供，12V和5V电压则通过直流电源转换模块获取。与此同时，为了从直流电源中获得80V及以上的电压，以满足电磁阀快速开启的要求，依据BOOST升压技术，设计的直流升压电路原理图如图4所示，其中，L1(电感)、D2(二极管)、C6(电容)以及Q1(开关管)是升压电路的主体部分，为提高输出的可靠性和快速性，该升压电路采用了反馈闭环控制，包括引脚6通过R3(电阻)反馈的电压闭环控制以及电流通过R6(电阻)反馈的电流闭环控制。同时，通过控制CONB可以改变升压电路的工作状态。
5)通讯模块
通讯模块包括串行外设接口(SPI)和通用异步串口(URAT)两种通讯方式。SPI通讯的作用是完成微控制器与电磁阀驱动控制器之间的通讯，URAT通讯的作用是完成双控电控单元与计算机之间的数据传递。
(2)软件部分
依据超高压共轨***试验的要求，双控电控单元的软件***应当包括串口通讯程序、控制脉冲程序以及外部中断程序等，基于keil-C环境编写了微控制器程序，利用该程序可以对采集到的曲轴和凸轮轴信号进行处理，控制电磁阀动作，进而控制增压参数和喷油参数。同时，为实现对超高压共轨***的实时监控，运用LabVIEW软件设计了上位机程序，并开发了相应的喷射试验控制***软件，试验过程中，可以在调控界面上调整增压参数和喷油参数，并通过串口通讯的方式同步改变下位机程序中参数的值。
本发明在设计程序框图时，需要针对USB-CAN适配器设计驱动程序。由于USB-CAN适配器提供了虚拟CAN接口库函数，可在LabVIEW中直接调用。
监控软件的程序框图采用了多线程设计方法，建立三个并行循环：主循环、发送数据循环以及接收数据循环，分别作为主线程、数据接收线程和数据显示线程，三个循环通过队列方式通信。
主线程主要处理人机交互界面，通过事件的方式将控制参数发送到CAN总线上，采用状态机程序结构。程序划分为“Init”、“Wait”、“Run”和“Exit”共4个状态，在“Init”状态完成程序用户参数初始化及对CAN设备的事件注册；在“Wait”状态完成CAN设备参数初始化及设置；在“Run”状态完成燃油喷射控制参数设置和控制命令和数据的发送；在“Exit”状态完成通信队列的注销、CAN设备的关闭。主线程中的控制命令和数据发送部分的程序框图如图6、图7和图8所示。
本发明还公开了一种超高压共轨***可变喷油规律的试验方法，试验装置燃油喷射***为高压油泵、共轨管、增压装置和喷油器顺序连接，其中增压装置和喷油器输出为电磁阀控制，控制***采集共轨管和增压装置的压力以及油温，喷油规律测试仪测量喷油器喷射油的各项参数，控制***根据要求按照不同的时间顺序控制增压装置和喷油器的电磁阀开启或关闭，从而实现灵活的喷油规律，便于不同状态的测试。具体试验步骤如下：
步骤一、将燃油喷射***、双控电控单元、喷油规律测试仪、压电传感器以及数据采集***等仪器设备，按照超高压共轨***可变喷油规律平台试验台架原理图的连接要求，完成试验台架的搭建；
步骤二、检查试验台架中油、气、电是否供应正常，并打开计算机端的喷射试验控制***软件；
步骤三、利用喷射试验控制***软件，进行增压参数和喷油参数的调节，得到控制电流信息；
步骤四、将控制电流信号发送至增压装置和喷油器的电磁阀，实现增压装置和喷油器电磁阀的开启和关闭；
步骤五、根据增压装置和喷油器电磁阀的开启和关闭时序，通过喷油器将不同喷油规律的燃油喷出，并利用喷油规律测试仪测出喷油规律，最终将得到的喷油规律，发送至数据采集***。
本发明的技术效果是：通过超高压共轨***可变喷油规律平台试验台架，通过优化两级电磁阀的动作时序实现了试验过程中的可变喷油规律喷射(如图5所示)，即当增压装置电磁阀先动作，喷油器电磁阀后动作，***一开始就喷射高压油，喷油规律呈矩形；当增压装置电磁阀与喷油器电磁阀同时动作，开始时***喷射基压油，同时增压装置增压，增压活塞排量大于喷油量，喷射压力逐渐增加，此时喷油规律呈斜坡形；当喷油器电磁阀先动作，增压装置电磁阀后动作，开始时***喷射基压油，当增压装置动作后，喷射压力逐渐升高，此时喷油规律呈靴形。本发明通过油压、油温的测量和电磁阀的控制，可通过喷油规律测试仪灵活的测量全工况下各项喷油参数，实现全工况范围内的优化。
Claims (6)
1.超高压共轨***可变喷油规律平台试验台架，包括燃油喷射***、双控电控单元、喷油规律测试仪、压电传感器以及数据采集***，其特征在于：燃油喷射***包括高压油泵、共轨管、增压装置以及喷油器，其中高压油泵、共轨管、增压装置和喷油器顺序连接，增压装置和喷油器设置电磁阀，双控电控单元控制增压装置电磁阀和喷油器电磁阀的相对开启时间，喷油规律测试仪测量喷油器喷射油的各项参数，数据采集***采集压力和喷油规律测试仪信号，数据采集***与计算机连接，计算机与双控电控单元连接。
2.根据权利要求1所述的超高压共轨***可变喷油规律平台试验台架，其特征在于：增压装置电磁阀和喷油器电磁阀的动作时间小于0.5ms。
3.根据权利要求1所述的超高压共轨***可变喷油规律平台试验台架，其特征在于：增压装置将油压提高250MPa以上。
4.根据权利要求1至3任一项所述的超高压共轨***可变喷油规律平台试验台架，其特征在于：双控电控单元包括微控制器模块、处理模块、驱动模块、电源模块和通讯模块，微控制器模块用于提供工作时钟、下载程序、恢复***工作状态；处理模块用于电阻式传感器、轨压传感器和霍尔传感器输入信号的调理；驱动模块用于驱动控制电磁阀动作；电源模块为整个***供电；通讯模块用于微控制器与电磁阀驱动控制器之间的通讯和双控电控单元与计算机之间的数据传递。
5.根据权利要求4所述的超高压共轨***可变喷油规律平台试验台架，其特征在于：处理模块包括电阻式传感器信号、电压式传感器信号和脉冲信号处理电路。
6.超高压共轨***可变喷油规律的试验方法，其特征在于：燃油喷射***为高压油泵、共轨管、增压装置和喷油器顺序连接，其中增压装置和喷油器输出为电磁阀控制，控制***采集共轨管和增压装置的压力以及油温，喷油规律测试仪测量喷油器喷射油的各项参数，控制***根据要求按照不同的时间顺序控制增压装置和喷油器的电磁阀开启或关闭，试验步骤如下：
步骤一、搭建超高压共轨***可变喷油规律平台试验台架；
步骤二、检查试验台架中油、气、电是否供应正常，并打开计算机端的喷射试验控制***软件；
步骤三、利用喷射试验控制***软件，进行增压参数和喷油参数的调节，得到控制电流信息；
步骤四、将控制电流信号发送至增压装置和喷油器的电磁阀，实现增压装置和喷油器电磁阀的开启和关闭；
步骤五、根据增压装置和喷油器电磁阀的开启和关闭时序，通过喷油器将不同喷油规律的燃油喷出，并利用喷油规律测试仪测出喷油规律，最终将得到的喷油规律，发送至数据采集***。
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| CN114992027A (zh) * | 2022-06-07 | 2022-09-02 | 哈尔滨工程大学 | 一种基于LabVIEW的喷油率测试装置的控制***及其方法 |
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2020
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112327079A (zh) * | 2020-10-30 | 2021-02-05 | 广西玉柴机器股份有限公司 | 一种确定柴油机控制器内的喷射硬件性能的方法 |
| CN112327079B (zh) * | 2020-10-30 | 2023-12-15 | 广西玉柴机器股份有限公司 | 一种确定柴油机控制器内的喷射硬件性能的方法 |
| CN114235419A (zh) * | 2021-12-21 | 2022-03-25 | 中国人民解放军海军工程大学 | 一种测试不同喷油压力和规律下柴油机性能的试验装置 |
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