技术领域
[0001] 本
发明属于燃油喷雾诊断领域，具体涉及一种基于Zeuch压磁法的喷油速率测量系统及方法。
背景技术
[0002] 高
能量密度的
液体燃料(
汽油、
煤油等)是
汽车发动机以及航空发动机的主要燃料，喷雾过程是液相燃料与气体相互作用并
破碎成液滴的过程，燃
油雾化
质量的好坏对于形成高效低污染的燃烧过程有着至关重要的影响。发动机在不同工况条件下对于燃油的需求量以及需求速率不同，因此准确测量在不同条件下
喷油器的喷油速率曲线对于优化燃烧过程有着重要的指导作用，同时喷油速率曲线是发动机计算模拟的重要初始条件。
[0003] 间接测量法将瞬时喷油量转
化成压
力、位移等其他电
信号来获取喷油速率，它具有响应速度快、测量误差小等优势。位移法、博世长管法以及Zeuch压磁法三种方法被广泛用于采集喷油速率曲线。位移法将燃油撞击
柱塞表面产生的
惯性力换算成相应比例的喷油量，进而推断出喷油速率曲线。但此测量方法对高速运动下的柱塞套与柱塞之间的配合要求很高并且设备维护
费用高。博世长管法利用
燃油压力波的传播速度来表征喷油速率，操作简便，但是对管道长度要求较高并测量
精度相对较低。
发明内容
[0004] 鉴于以上所提到的现有喷油速率测量仪中存在的
缺陷，本发明提出了一种基于Zeuch压磁法原理的喷油速率测量系统及方法，用以采集实际燃油喷射过程中完整的喷油速率曲线，该系统针对包含有预喷射、主喷射以及后喷射的多次喷射过程具有良好的响应效果。
[0005] 本发明采用如下技术方案来实现：
[0006] 一种基于Zeuch压磁法的喷油速率测量系统，包括第一油箱、第一滤清器、电动燃油
泵、高压共轨、喷油器、压力表、第一球
阀、手动泵、第二滤清器、第二油箱、针阀、第二
球阀、压力
传感器、电荷
放大器、示波器、信号发生器以及上位机；其中，
[0007] 喷油速率测量仪包括喷油器适配压
块、测量仪上端盖和测量仪主体，测量仪主体具有一端开口的中空腔体，其开口端端面上由内至外依次设置喷油器适配压块和测量仪上端盖，喷油器设置在喷油器适配压块的中心处，
压力传感器设置在测量仪主体
侧壁上并与中空腔体连通；
[0008] 第一油箱的出油口通过第一滤清器连通至电动燃油泵的进油口，电动燃油泵的出油口分为两路，一路连通至第一油箱的回油口，另一路连通至高压共轨的进油口，高压共轨的出油口连通至喷油器的进油口；
[0009] 第二油箱的出油口依次通过第二滤清器、手动泵、第一球阀和压力表连通至测量仪主体的进油口，测量仪主体的出油口依次通过第二球阀和针阀连通至第二油箱的回油口；
[0010] 压力传感器的输出端通过电荷放大器连接至示波器的输入端，示波器的输出端连接至上位机的输入端，上位机的输出端连接至信号发生器的输入端，信号发生器的输出端连接至分别连接至电动燃油泵、高压共轨和喷油器的控制端。
[0011] 本发明进一步的改进在于，第一油箱和第二油箱均呈封闭长方体。
[0012] 本发明进一步的改进在于，第一滤清器采用精滤型柴油
滤芯。
[0013] 本发明进一步的改进在于，第二滤清器采用金属滤网型滤芯。
[0014] 本发明进一步的改进在于，电动燃油泵采用三相异步
电机驱动。
[0015] 本发明进一步的改进在于，手动泵采用旋转式柱塞手动泵。
[0016] 本发明进一步的改进在于，测量仪上端盖与测量仪主体之间还设置有紫
铜垫片和氟
橡胶O型圈。
[0017] 一种基于Zeuch压磁法的喷油速率测量方法，该方法基于上述一种基于Zeuch压磁法的喷油速率测量系统，包括以下步骤：
[0018] 第一步，完成测量仪容积V的标定过程，具体步骤如下：将测量仪整体装配完整，关闭第二球阀以及针阀，开启第一球阀，利用手动泵将容腔内泵满燃油；然后关闭第一球阀、开启第二球阀以及针阀，测量从容器中泄露的燃油量；将测量仪拆卸开来，利用医用
注射器吸取容腔内未排出的燃油和管道内残留的燃油，计入上述泄露的燃油总量；重复以上过程，取实际燃油总量的算术平均值作为测量仪容积V；
[0019] 第二步，设定喷射压力下单次喷油量的标定过程，首先将喷油器加载至实验设定的喷油压力，在设定喷油压力下用内部嵌有
脱脂棉花的量筒收集至少100次重复喷油的总喷油量，利用高精度
电子天平测量换算得到单次喷射过程的喷油量ΔV以及密度ρ；
[0020] 第三步，装配好测量仪主体，连接附属管路并启动容腔加压模块，利用手动泵将燃油由第二油箱经过第二滤清器、第一球阀泵入测量仪主体，待压力表的示数高于当地
大气压之后，此时测量仪主体内部已充满待测燃油，关闭第一球阀，打开第二球阀以及针阀，容腔内残留空气会率先排出容腔，继续给容腔反复进行上述加压泄压操作，直至容腔内部空气完全排尽，最后利用手动泵将容腔内燃油加载至预设压力；
[0021] 第四步，进行燃油喷射操作，具体步骤为启动喷油器加压模块，通过调节电动燃油泵
比例阀的占空比控制进入柱塞腔的燃油量，使得高压共轨内燃油压力稳定在预设压力附近，并关闭第一球阀和第二球阀，检查容腔背压是否加载至设定压力，检查喷油器压力是否加载至设定压力，上述压力均不超过压力设定值的±1％，根据预设的喷射条件由信号发生器传输驱动信号至喷油器完成燃油喷射操作；
[0022] 第五步，捕获容腔内压力信号曲线，采集压力
电信号之前，给电荷放大器设定采集参数，压力传感器基于
压电效应产生微弱的
电流信号传输至电荷放大器，经过比例放大、低频滤波以及电流
电压转化操作被示波器以电压信号的形式捕获并显示在示波器屏幕上，信号采集过程中将信号发生器传递给喷油器的驱动信号作为触发信号，以电压信号的上升沿为信号起始端采集电压信号
波形；
[0023] 第六步，电压信号波形的后处理步骤，调节示波器的设定参数将电压信号波形完整地显示在示波器上，根据脉宽的初始设定值来初步判断曲线波形是否正确，如果出现实际脉宽明显偏大或偏小的情况，将该工况下实验重复一次以便确认；待电压曲线检查无误之后，将曲线数据通过传输介质输送至上位机，对曲线利用上位机内置的自行编写调试的Savitzky-Golay卷积平滑
算法和一阶微分求导算法对曲线进行平滑滤波操作和一阶求导操作，分别获得后处理校正过的电压波形和电压导数波形；
[0024] 第七步，实际体积
弹性模量EV的标定过程，首先将第五步经过滤波和求导处理的电压波形依据电荷放大器的放大倍数，电流电压转换系数以及压电式压力传感器的灵敏度系数还原成实际容腔内的压力曲线波形，依据第一步测量的容器容积V，第二步测量的相同喷射压力下单次喷油量ΔV，以及从实际容腔内压力曲线上测出的上升幅度ΔP，将其以上三个参数代入公式(1)，便获得相同环境下现场实时监测的体积弹性模量数值EV；
[0025]
[0026] 第八步，实际喷油速率ΔV/Δt的标定过程，首先将第五步获得的电压导数波形依据电荷放大器的放大倍数，电流电压转换系数以及压力传感器的灵敏度系数还原成实际容腔内的压力曲线导数波形ΔP/Δt，依据第一步测量的容器容积V，第六步标定的实际体积弹性模量EV，将压力曲线导数ΔP/Δt代入公式(2)便获得实际喷油速率ΔV/Δt；若以质量流形式ΔM/Δt表示的实际喷油速率，将以体积流形式ΔV/Δt表示的压力曲线乘以第二步标定出的燃油密度ρ即可；
[0027]
[0028] 第九步，单次喷射后泄压加压操作以及仪器维护方法，待单次喷射实验完成后打开第二球阀及针阀排空容腔内多余液体，排出液体后关闭第二球阀及针阀，打开第一球阀并再次用手动泵将容腔内压力加载至初始压力以备下一次喷射。
[0029] 与
现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
[0030] 本发明详细阐述了一种能够准确测量不同工况下燃油喷油速率曲线的测试系统，并设计加工了喷油速率测量仪，该测量仪具有可重复性高，体积小，方便携带等特点，并且在使用过程中噪声小、抗震性能良好。
[0031] 本发明的喷油器部分设计有适配器，可以根据实际待测喷油器结构来设计加工适配器外形尺寸以及密封方式。由于不需要大幅度改变测量仪的主体结构，可以节约成本，并且保证容腔容积不随喷油器改变而变化。
[0032] 本发明的测量系统供油部分(喷油器加压模块以及容腔加压模块)均在油泵入口前加装燃油滤清装置，保证了在进入测量仪前燃油的清洁度，可以防止油嘴堵塞，延长设备使用寿命。
[0033] 本发明测试系统中的管道阀
门连接均采用卡套式连接和锥面密封方式，提高管路连接的可靠性，有利于零部件的拆卸与更换。测量仪和管路材料选用316不锈
钢，可以适用于弱
腐蚀的酸
碱性
流体。
[0034] 本发明设计针对第一油箱有专门的
冷却水回路，由于电动燃油泵内柱塞高频压缩燃油致使燃油
温度升高，冷却水回路可以将第一油箱内燃油维持在恒定温度，从而减小燃油温升对喷油速率测量的影响。
[0035] 本发明后处理模块中采用Savitzky-Golay卷积平滑算法对压力曲线进行平滑滤波处理，可以消除实验过程中测量系统的非周期振荡。
[0036] 本发明后处理模块利用可变步长一阶微分求导算法对压力曲线处理获得压力曲线变化率，可以根据具体工况如脉宽，喷油间隔等参数来调整步长优化压力变化率曲线。
[0037] 本发明的体积弹性模量EV的标定过程采用实际工况下燃油喷油量结合容器实际容积的方式，利用不可压缩流体特性实时准确标定，消除测量环境及燃油种类对标定结果的影响。
附图说明
[0038] 图1为本发明喷油速率测量系统的结构示意图。
[0039] 图2为本发明喷油速率测量仪装配爆炸图。
[0040] 附图标记说明：1-第一油箱，2-第一滤清器，3-电动燃油泵，4-高压共轨，5-喷油器，6-喷油器适配压块，7-测量仪上端盖，8-压力表，9-第一球阀，10-手动泵，11-第二滤清器，12-第二油箱，13-针阀，14-第二球阀，15-测量仪主体，16-压力传感器，17-电荷放大器，18-示波器，19-信号发生器，20-上位机。
具体实施方式
[0041] 下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
[0042] 如图1和图2所示，本发明提供一种基于Zeuch压磁法原理的喷油速率测量系统，用于准确测量在不同工况下的喷油速率曲线，并对多次喷射过程的不同阶段具有良好的响应效果。该系统涵盖了喷油器喷油过程的产生、容腔内由于喷油而引起的压力电信号的采集、压力电信号的放大以及电压电流的转化过程、采用后处理方法对压力电信号进行滤波以及微分操作、以及根据实验系统参数对压力电信号进行标定还原成喷油信号的完整试验流程。
[0043] 本发明主要功能模块包括喷油速率测量仪、喷油器加压模块、容腔加压模块、泄压保护模块、压力信号采集模块以及信号后处理模块。其中喷油速率测量仪是整套测量系统主体部分，喷油过程由安装在测量仪顶部的喷油器5触发，并由与容腔连通的压力传感器16将容腔内压力
波动传递至压力信号采集模块；喷油器加压模块采用高压共轨4电喷系统并配合
负反馈调节机制向喷油器5供给稳定油压；容腔加压模块由旋转柱塞式手动泵10与阀门管路构成，用以向测试容腔内供给额定初始压力；泄压保护模块由第二球阀14和高精度针阀13构成，可以将容腔内压力信号调整至额定初始压力用于开展重复性实验；压力信号采集模块采用压电式压力传感器16将容腔内微小的压力变化按传感器灵敏度系数等比例转化成电容器
载荷电流，通过电荷放大器17进行线性比例放大并转换成电压信号；信号后处理模块由示波器18以及下位机PC组成，对来自示波器18记录的电压-时间曲线在下位机20上进行Savitzky-Golay滤波并对时间采用可变步长一阶微分求导可以获得重复性高、可靠性好的压力曲线波形，进而标定实验装置可以将压力曲线波形还原成对应的喷油速率曲线。
[0044] 本发明通
过喷油器向一个充满燃油的密闭刚性容器中喷入燃油，根据燃油的不可压缩原理可以推出容器内压力上升和喷入燃油量之间成正比关系，进而通过压力传感器获得压力变化曲线，就可以获得喷油量以及喷油速率。假设密闭刚性容器容积为V，喷入燃油体积为ΔV，燃油体积弹性模量为EV，密闭容器内压力上升幅值为ΔP，则各个物理量之间的数量关系可以用下列公式来表征：
[0045]
[0046] 式中的负号表示当容积减小时会导致压力的上升，通过测量压力上升幅值ΔP，结合实际容腔容积V、以及实验工况下燃油体积弹性模量EV可以获得喷油量ΔV。
[0047] 由于实验所测试的燃油通常来说以汽油、
煤油以及柴油等
烃类混合物为主，不同产地来源以及加工工艺均会对以上燃油混合物的物理化学性质带来不可预测的影响。实际燃油体积弹性模量EV作为其基本物理性质受到燃油种类、压力、温度、含气量等多种因素的影响，故较难通过查验物性表或委托专业测量机构提前测量准确的燃油体积弹性模量数值。本发明采用在相同环境下现场实时监测的方式来捕获准确的体积弹性模量数值，可以同时达到减小系统误差，降低实验成本的目的。
[0048] 要想获得喷油系统的喷油速率需要对(1)式左右两边对时间求一阶导数获得下式：
[0049]
[0050] 上述表达式中dV/dt就是所需测量的喷油速率，获得容器内燃油压力升高率dP/dt、燃油体积弹性模量EV以及密闭容器容积V便可由式(2)获得喷油速率。
[0051] 具体来说，本发明包括以下部件：第一油箱1、第一滤清器2、电动燃油泵3、高压共轨4、喷油器5、喷油器适配压块6、测量仪上端盖7、压力表8、第一球阀9、手动泵10、第二滤清器11、第二油箱12、针阀13、第二球阀14、测量仪主体15、压力传感器16、电荷放大器17、示波器18、信号发生器19以及上位机20。
[0052] 本发明中第一油箱1和第二油箱12分别为实验流体储备箱，用于向实验系统提供充足稳定的测试燃料，两种油箱由于适用范围相近可以交叉使用。油箱采取全封闭的结构，因此辅以相应的加压
液化措施可适用于如二甲醚、二乙醚等挥发性较强的液体。
[0053] 本发明采用两种不同类型的滤清器，第一滤清器2选用柴油滤芯用于喷油器加压模块，该滤芯能保证测量系统在工作过程中喷油嘴不会出现堵塞现象并方便更换；第二滤清器11采用金属滤网型滤芯用于容腔加压模块，可以提高泵油效率并重复利用。
[0054] 本发明采用不同供油方式分别对喷油器加压模块和容腔加压模块进行加压操作。喷油器加压模块利用负反馈PID控制策略控制电动燃油泵3的占空比使高压共轨4内燃油压力稳定在预设压力附近；容腔加压模块利用旋转式柱塞手动泵10加载测量仪主体15内的容腔背压，较慢的泵油速率有利于保持容腔内稳定的初始压力，避免容腔内较大的压力波动。
[0055] 本发明的测量主体部分是喷油速率测量仪，由喷油器适配压块6、测量仪上端盖7以及测量仪主体15组成。其中喷油器适配压块6可以根据实际所测试喷油器的外形尺寸进行设计加工；测量仪主体15上端面加工有环状槽，测量仪上端盖7利用氟橡胶O型圈与测量仪主体15构成可靠的填料密封。测量仪主体15底座固定在实验标准光学平台之上，降低系统振动对压力曲线的干扰。压力传感器16、压力表8以及第二球阀14均匀安装在测量仪主体15的四个不同方位。
[0056] 本发明的压力信号采集模块由压电式压力传感器16、电荷放大器17、示波器18、信号发生器19组成。其中信号发生器19为喷油器加压模块的控制中枢，负责给电动燃油泵3、高压共轨4以及喷油器5输出
控制信号，并根据共轨内压力的实时负反馈信号调节电动燃油泵的泵油
频率进而保持共轨内压力的稳定。喷油器5的喷油过程由内部的励磁线圈、
衔铁及其内部针阀共同完成。来自信号发生器19的喷油信号使励磁线圈通电并带有
磁性，吸引衔铁并带动其内部针阀向远离喷孔方向移动，此时喷油器内部高压燃油便藉由喷孔快速喷出。示波器18接受来自压电式压力传感器16输出的压力信号曲线，经过电荷放大器17将电荷信号按合适比例放大并转化成电压信号。
[0057] 本发明的信号后处理模块由示波器18以及上位机20组成。来自电荷放大器17的电压信号被示波器18捕获，按照合适的
采样频率对电压信号进行数模转化，最终以文本的形式进行存储并通过存储介质传递至上位机20。上位机20内置有基于Savitzky-Golay卷积平滑算法自行编写调试的可执行
软件，可以对压力曲线进行平滑滤波操作，提高波形的平滑性，降低噪音的干扰。上位机内置有基于一阶微分求导算法自行编写调试的可执行软件，可以选取合适的微分步长，对滤波之后的压力曲线进行微分求导操作，获得压力曲线的一阶微分信号。
[0058] 本发明提供的一种基于Zeuch压磁法原理的喷油速率测量方法，包括以下内容：
[0059] 本发明实验的第一步是完成测量仪容积V的标定过程，具体步骤如下：将测量仪整体装配完整，关闭第二球阀14以及针阀13，开启第一球阀9，利用手动泵10将容腔内泵满燃油。然后关闭第一球阀9、开启第二球阀14以及针阀13，测量从容器中泄露的燃油量。将测量仪拆卸开来，利用医用注射器吸取容腔内未排出的燃油和管道内残留的燃油，计入上述泄露的燃油总量。重复以上过程10次，取实际燃油总量的算术平均值作为测量仪容积V；
[0060] 本发明实验的第二步是设定喷射压力下单次喷油量的标定过程，首先需将喷油器5加载至实验设定的喷油压力，在设定喷油压力下用内部嵌有脱脂棉花的量筒收集至少100次重复喷油的总喷油量，利用高精度电子天平(最高精度0.1mg)测量换算得到单次喷射过程的喷油量ΔV以及密度ρ。
[0061] 本发明实验的第三步是装配好测量仪主体15，连接附属管路并启动容腔加压模块，利用旋转式柱塞手动泵10将燃油由第二油箱12经过第二滤清器11、第一球阀9泵入测量仪主体15。待压力表8的示数高于当地大气压之后，此时测量仪主体内部已充满待测燃油，关闭第一球阀9，打开第二球阀14以及针阀13，容腔内残留空气会率先排出容腔。继续给容腔反复进行上述加压泄压操作，直至容腔内部空气完全排尽，最后利用手动泵将容腔内燃油加载至预设压力。
[0062] 本发明实验的第四步是进行燃油喷射操作，具体步骤为启动喷油器加压模块，通过调节电动燃油泵3比例阀的占空比控制进入柱塞腔的燃油量，使得高压共轨4内燃油压力稳定在预设压力附近，并关闭第一球阀9和第二球阀14。检查容腔背压是否加载至设定压力，检查喷油器压力是否加载至设定压力，上述压力均不应当超过压力设定值的±1％。根据预设的喷射条件(如喷油脉宽、多次喷射间隔)由信号发生器17传输驱动信号至喷油器5完成燃油喷射操作。每次喷射过程结束之后，油泵的负反馈调节机制会在极短的时间内自动增加进入高压共轨的燃油量以维持预设压力。实验过程中由于电动柱塞泵泵油能力强，燃油发热量较大，因此第一油箱1配备有冷却水回路来消除柱塞压缩燃油引起的温度升高对燃油物性的影响。
[0063] 本发明实验的第五步是捕获容腔内压力信号曲线。采集压力电信号之前，需给电荷放大器17设定合适的采集参数(如电荷放大器的量程、灵敏度系数、带通频率以及放大倍数等)。压电式传感器基于压电效应产生微弱的电流信号传输至电荷放大器17，经过比例放大、低频滤波以及电流电压转化等操作被示波器18以电压信号的形式捕获并显示在示波器屏幕上。信号采集过程中将信号发生器19传递给喷油器5的驱动信号作为触发信号，以电压信号的上升沿为信号起始端采集电压信号波形。
[0064] 本发明实验的第六步为电压信号波形的后处理步骤。调节示波器18的设定参数将电压信号波形完整地显示在示波器上，根据脉宽的初始设定值来初步判断曲线波形是否正确，如果出现实际脉宽明显偏大或偏小的情况，需要将该工况下实验重复一次以便确认。待电压曲线检查无误之后，将曲线数据通过传输介质输送至上位机20，对曲线利用上位机20内置的自行编写调试的Savitzky-Golay卷积平滑算法和一阶微分求导算法对曲线进行平滑滤波操作和一阶求导操作，分别获得后处理校正过的电压波形和电压导数波形。
[0065] 本发明实验的第七步为实际体积弹性模量EV的标定过程。首先将第五步经过滤波和求导处理的电压波形依据电荷放大器17的放大倍数，电流电压转换系数以及压电式压力传感器16的灵敏度系数等参数还原成实际容腔内的压力曲线波形。依据第一步测量的容器容积V，第二步测量的相同喷射压力下单次喷油量ΔV，以及从实际容腔内压力曲线上测出的上升幅度ΔP，将其以上三个参数代入公式(1)，便可获得相同环境下现场实时监测的体积弹性模量数值EV。
[0066] 本发明实验的第八步为实际喷油速率ΔV/Δt的标定过程。首先将第五步获得的电压导数波形依据电荷放大器17的放大倍数，电流电压转换系数以及压电式压力传感器16的灵敏度系数等参数还原成实际容腔内的压力曲线导数波形ΔP/Δt。依据第一步测量的容器容积V，第六步标定的实际体积弹性模量EV，将压力曲线导数ΔP/Δt代入公式(2)便可获得实际喷油速率ΔV/Δt。如果需要以质量流形式ΔM/Δt表示的实际喷油速率，只需要将以体积流形式ΔV/Δt表示的压力曲线乘以第二步标定出的燃油密度ρ即可。
[0067] 本发明实验的第九步为单次喷射后泄压加压操作以及仪器维护方法。待单次喷射实验完成后需打开第二球阀14及针阀13排空容腔内多余液体，排出液体后需关闭第二球阀14及针阀13，打开第一球阀9并再次用手动泵10将容腔内压力加载至初始压力以备下一次喷射。当所有实验操作完成之后，需将测量仪装配体拆卸开来，然后用丙
酮或
乙醇等
有机溶剂润湿并清洗容腔内壁面以及连接管路，并利用氮气流
加速丙酮等
有机溶剂的挥发过程。
