基于多物理场耦合的高压共轨系统动态喷射性能稳定性的理论研究

The high pressure common rail fuel injection system is one of the nuclear sophisticated technologies for energy savings and pollutant reductions used in modern marine diesel engine. The stability of dynamic injection characteristics is the key problem for equipping marine diesel engine with high pressure common rail fuel injection system. However, the influence law and generation mechanism of coupling effect between electric, magnetic, mechanical and hydraulic on the stability of dynamic injection characteristics in the fuel injection system hasn't been studied as yet. The project takes the issue into consideration and plans to establish a dynamic injection characteristics test bench and develop a numerical model coupled by multi-physics fields based on the high pressure common rail fuel injection system. The project aims to obtain response surface of the dynamic injection characteristics and correlation matrix between multi-physics fields and dynamic injection characteristics by correlation analyzing the coupling effect on dynamic injection characteristics, then reveals the influence laws of the coupling effect between multi-physics fields on the stability of dynamic injection characteristic. On the basis of above research, the project will obtain time series of the inputs matrix,outputs matrix and system matrix in the whole operating conditions, reveal the system information corresponding to the multi-physics fields respectively through analyzing the numerical model of the high pressure common rail fuel injection system by linear method. Then the study will acquire block decoupling method of multi-physics fields which takes dynamic injection characteristics as outputs, establish decoupling parameters database of multi-physics fields which determine the stability of dynamic injection characteristics and propose control strategy for the stablility of dynamic injection characteristics. The achievements of this project have important theoretical significance for developing of coupling and decoupling between multi-physics fields and will provide new thinking and reference method for perfecting and developing of the high pressure common rail fuel injection system.

高压共轨系统是现代船用柴油机节能减排的最先进核心技术之一，动态喷射性能稳定性是决定其成功匹配柴油机的关键。而目前系统的电、磁、机、液耦合对动态喷射性能稳定性的影响规律和产生机理尚不清楚，本项目拟以此为研究对象，设计高压共轨系统动态喷射试验装置，建立多物理场耦合的数值模型。采用相关性分析方法得出动态喷射性能响应面、多物理场与动态喷射特性的相关性矩阵，揭示多物理场耦合对动态喷射性能稳定性的影响机理。在此基础上，通过对高压共轨系统的数值模型进行线性化分析，得出全工况输入、输出、系统矩阵的时间序列，揭示多物理场分别对应的系统信息,得出以动态喷射性能为输出的多物理场分块解耦方法，建立决定动态喷射性能稳定性的多物理场解耦参数数据库，提出动态喷射性能稳定性的控制方法。本课题完成将对高压共轨系统的完善和发展提供新的思维和方法参考，对多物理场耦合与解耦发展有重要的学术价值。

高压共轨喷油系统通过对喷油压力、喷油量的柔性控制，能进一步改善柴油机的性能，是柴油机电控喷油技术的前沿研究方向。本项目建立了高压共轨燃油系统多物理场耦合的数值仿真模型，完善了高压共轨系统动态喷射性能试验装置。分析了VCV阀调节特性和循环供油量速度特性，采用频域分析方法对高压油泵供油的频域耦合特性进行研究，揭示了VCV阀工作频率对供油特性的影响规律；研究了高压油泵各关键部件参数对循环供油量的影响规律，得到了多物理场耦合对动态供油性能稳定性的影响机理。利用相关性分析方法揭示了无交互作用下参数一次因子以及交互作用下参数之间二次因子与循环喷油量相关性的变化规律，揭示了多物理场耦合对动态喷油性能稳定性的影响机理。在此基础上，通过对高压共轨系统进行线性化，得到了全工况输入、输出、系统矩阵的时间序列，并对喷油过程中系统状态矩阵秩进行了分析，揭示了多物理场分别对应的系统信息；通过系统状态矩阵的特征值分布规律，分析了高压共轨系统喷油过程中的稳定性及其影响因素，建立了决定动态喷射性能稳定性的多物理场解耦参数数据库。采用软件始点检测方法和硬件电路始点检测方法，设计了用于检测高速电磁阀驱动电流拐点的逻辑电路；通过瞬时始点与平均始点间滤波方法研究，得出了用于动态喷射性能稳定性控制的有效始点；建立了高压共轨系统动态喷射性能的始点反馈闭环控制方法，实现了对系统动态喷射性能稳定性的闭环控制。通过研究发表学术论文40篇，其中SCI收录12篇、EI收录18篇；申请发明专利71项，其中已授权20项；登记软件著作权3项。参加国内会议4次，国际会议9次，并作分组报告。本项目完成将对高压共轨系统的完善和发展提供新的思维和方法参考，对多物理场耦合与解耦发展具有重要的学术价值。