基于黎曼波的高压共轨系统喷油量精确预测模型基础问题研究

How to precisely control the fuel injection mass is the key problem to be solved for modern diesel engines to cope with the stress from the energy and the environment. The control technology based on the model provides the platform for the closed loop control of the fuel injection mass, but now the method and the corresponding prediction model is not available. So this project presents the mathematical physics method to calculate the fuel injection mass based on the pressure signal inside the fuel system. The method simplified the injection process to two typical characteristics, the spread of the wave and the transformation process from the pressure signal to the fuel injection mass. First, define the pressure waves in the common rail, pipe and the injector as microwave and the finite-amplitude disturbance-wave, respectively. Replace the state parameters of the pressure wave with Riemann invariant to simplify the characteristic line equations of the point. And grasp the evaluation law of the pressure wave, which is generated in the injection process and spread upstream by studying the mechanism of the spread of the wave. Then, explore the decoupling method of the superposed pressure waves and realize the transform from the pressure signal upstream to the pressure signal at the nozzle by the optimization calculation at the measuring point. Finally, establish the equation between the pressure signal and the mass flow rate based on the Riemann wave characteristics and realize the precise prediction of the fuel injection mass per cycle.

实现燃油喷射量的精确控制是现代柴油机在应对能源和环境双重压力下急需要解决的关键技术问题。而基于模型的控制技术为喷油量的闭环控制提供了平台，但目前缺少实现方法和相应的预测模型。因此，课题提出基于燃油系统压力波信息来求解喷油量的数学物理方法，以压力波为研究对象，将喷油过程简化为压力波的传播和压力波与喷油量的转换两个典型特征。首先，将油轨及油管内压力波和喷油器内压力波分别定义为微波和有限振幅小扰动波，提出通过黎曼不变量来替代压力波的状态参数值，简化质点状态特征线方程。并通过研究压力波的传播机理，掌握燃油喷射在油嘴处产生的压力波动向上游传播过程中的演化规律。其次，探索对压力波反射与叠加问题的解耦方法，并通过对测点位置进行寻优计算，实现基于上游压力波信息对喷嘴处压力波特征的准确反演计算。最后，基于黎曼波特征，通过喷嘴处燃油流速变化率来建立压力波动率与质量流率的求解方程，实现对每循环喷油量的准确预测。

高压共轨系统是目前实现船用柴油机节能减排最先进的核心技术之一，燃油喷射量的精确控制是高压共轨系统亟待解决的瓶颈问题。本项目建立高压共轨燃油系统一维仿真模型，以不同工况下的喷油量及压力波动的实验数据对仿真模型进行了标定。应用时域和频域分析方法研究了单次燃油喷射条件下的压力波动机理及传播演化特性，建立了燃油系统压力波动数据库。揭示了高压共轨燃油系统在管路内流动过程中的压力波动机理，掌握了压力波动幅值、波动周期、压力波传播速度等参数随喷射脉宽、轨压变化的影响规律，分析了燃油系统结构参数对压力波动的影响。根据燃油系统内不同喷射阶段的压力波动特征，提出了基于黎曼波理论的喷油量预测方法，建立了长、短脉宽喷射条件下的燃油喷射预测模型，掌握了长短脉宽判定方法、不同喷射条件下声速的修正方法以及针阀开启前干扰波的修正方法，实现了单次燃油喷射条件下基于燃油压力波动特征的喷油量预测。进一步地开展了多次喷射模式下压力波动特性分析，掌握了预主喷时，主喷开始后的压力波动规律，以单次喷射下的压力波动信号演化特征为基础，应用黎曼波理论简化系统特征矩阵，对燃油多次喷射条件下的复杂压力波动信息进行了解析研究，掌握了基于频率分量的压力波动信息解耦方法，实现燃油小油量、短喷射间隔多次喷射条件下压力波动信号的准确识别。最终实现了不同工况下，基于燃油压力波动信息的喷油量准确预测。通过研究发表学术论文论文15篇，其中SCI收录９篇、EI收录３篇；申请发明专利16项，其中已授权6项；登记软件著作权4项；获中国专利银奖1项；参加国内会议4次、国际会议2次。本项目完成对燃油系统喷油量闭环控制提供了新的思维方法，对高压共轨系统的完善具有重要理论意义和价值。