船舶柴油機燃油共軌系統軌壓控制研究

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(大連海事大學 輪機工程學院，遼寧 大連 116026)

共軌燃油系統采用電控方式控制噴油量、噴油定時，操作更靈活、精確，提高了柴油機經濟性和降低了排放污染，在船舶柴油機中使用越來越普及。其中燃油共軌壓力對噴油定時、噴油量有直接的影響。文獻[1]建立穩態軌壓仿真，沒有做動態仿真；文獻[2]建立了船用燃油共軌軌壓動態仿真，但采用的是傳統PID控制；文獻[3]建立了改進的燃油系統軌壓控制策略，但是應用對象是汽車，跟大型船舶共軌燃油系統不完全相同，因此，對船舶柴油機燃油共軌壓力控制的進一步研究很有必要。調節軌壓最簡單的方式是以軌壓為輸入，通過PID算法直接求出供油泵齒條值的大小，它只是反饋控制，屬于滯后操作，由于船舶柴油機機型大，慣性大，只靠反饋滯后操作，難以避免超調，控制效果受到限制。船用燃油共軌系統說明書指出，軌壓是由供油泵的供油量來直接調節，因此在建立燃油共軌系統仿真模型的基礎上，把供油量作為另一個考慮因素，采用前饋加反饋的方法來控制軌壓，最后通過仿真實驗驗證其軌壓控制效果[4]。

1 RT-flex60C燃油共軌系統模型

船用柴油機燃油共軌系統主要由燃油泵、燃油共軌、噴油器、ECU電控單元和各種傳感器等組成。從控制的角度來看，本系統的核心是ECU電控單元，它控制著高壓燃油泵供油量和噴油器電磁閥的開關，從而實現燃油軌壓和噴油脈寬這兩種關鍵控制功能。

以流體力學和牛頓第二定律為理論根據，建立各部件數學模型。為了計算方便，在建模過程中對該系統做如下假設：①進出口的局部損失忽略不計，不考慮系統漏泄；②不考慮摩擦阻力；③伺服軌狀態瞬時達到平衡，且狀態各處相等；④系統液體流動中保持溫度不變，且做不可壓縮非穩態流動。

1.1 噴油系統模型

噴油系統由軌閥、噴射電磁閥、噴油器和噴射控制單元ICU等組成。噴油器系統通過ICU控制，將燃油共軌60～90 MPa燃油以最佳的噴射正時、噴油脈寬噴入燃燒室。噴油量的多少與燃油共軌壓力和噴油有關。其關系為

(1)

式中:Qp——噴油量；

η——噴射常數；

TWV——噴油脈寬；

pg——共軌管壓力。

式(1)中噴油常數η是定值；TWV與負荷有關，在軌壓一定的情況下，負荷越大，噴油脈寬越大。

1.2 燃油軌壓模型

一個確定容器里，液體進入量與因壓力變化引起的液體壓縮量、出容器的液體量之和是等量關系。由此可以分別得到燃油軌各子系統的數學模型，下面是燃油共軌系統數學模型。

(2)

式中:E——彈性模量；

Qb——高壓油泵到燃油軌的供油量;

V——燃油共軌容積。

由文獻[1]知,E=11.92p+1 230，因此彈性模量可以看成只與軌壓有關。

(3)

式中：A——油泵柱塞面積;

ω——凸輪軸轉速;

hz——柱塞行程;

θ——凸輪軸轉過的角度;

柱塞面積A是定值，柱塞運動速度由凸輪運動速度控制，而凸輪運動速度由曲軸控制，也就是由柴油機轉速決定。V是燃油共軌容積，是定值。因此通過式(1)和式(2)可知，燃油軌壓的決定因素是柴油機轉速和噴油量。

同理可以得到其他系統數學模型。

2 軌壓控制方法

圖1為軌壓控制方法原理圖。

圖1 軌壓控制方法

以轉速和噴油量作為前饋輸入量，查表得到實時的理論油門齒條值。在反饋控制中，以軌壓作為輸入量，通過模糊控制，在線實時調整PID控制參數，得到反饋油門齒條量。這樣前饋齒條量越準確，反饋齒條量就會越小，從而實現快速和超調量小的控制效果。

2.1 前饋控制

經前面分析得知，燃油軌壓的決定因素是柴油機轉速和噴油量，因此以這兩個因素為輸入，根據柴油機廠家提供的臺架實驗數據所制作的MAP表，通過插值算法，查表得到實時的理論供油齒條值。

2.2 反饋控制

通過前饋控制能快速得出理論油門齒條量，但是由于智能柴油機共軌系統較為復雜，存在一定的軌壓波動，因此通過模糊控制來微調油門齒條，這樣控制速度快，而且超調量小。

模糊控制采用2×3Mamdani推理系統，2個輸入是e(系統誤差)和ec(誤差變化率)，3個輸出是PID3個控制參數dkp、dki、dkd。共軌壓力的變化要求在0～90 MPa之間，于是e、ec的取值范圍都為[0,90]，大于90時取90。對e、ec量化后得到模糊論域為{0,1,2,3,4,5,6,7,8,9}，即他們的量化因子都為0.1。dkp、dki、dkd論域都取[0 1]。輸入輸出對應的語言變量e、ec和dkp、dki、dkd的語言值都為Z、S、M和B四個模糊子集。Z代表zero(零)，S代表small(小)，M代表medium(中)，B代表 big(大)。

在這個系統中，各變量的隸屬函數為三角隸屬函數。輸出采用最大隸屬度法。這樣PID參數就能夠實現自整定，改善了系統的調節特性。調節可以表示為

Kp=Kp(0)+pkp×dkp

(4)

Ki=Ki(0)+Pki×dki

(5)

Kd=Kd(0)+Pkd×dkd

(6)

式中:Kp(0) 、Ki(0) 、Kd(0)——PID參數的初始化值；

dkp、dki、dkd——控制器PID參數的變化值；

Pkp、Pki、Pkd——dkp、dki、dkd的量化因子。

軌壓的模糊邏輯控制見圖2；輸入輸出的隸屬度函數見圖3、4；控制參數的輸出見圖5。

圖2 共軌壓力FIS

圖3 e和ec隸屬度函數

圖4 Kp、Ki、Kd的隸屬度函數

圖5 控制參數輸出

3 仿真模型

根據RT-flex60C機器結構特點和工作原理，把燃油系統仿真模型劃分為ECU控制單元和燃油共軌系統單元，在數學模型的基礎上，通過Matlab/Simulink仿真軟件建立各系統仿真模型，并對各子系統進行封裝，總仿真模型見圖6。

圖6 共軌燃油系統仿真模型

封裝的ECU模塊見圖7，包括目標軌壓查表模塊、軌壓模糊控制模塊(得到反饋油門齒條值ymfk)、理論油門齒條查表模塊(ymct)、噴油脈寬查表模塊(TWV)；根據柴油機轉速和噴油量查表得到的前饋油門齒條值越準確，反饋油門齒條值越小，軌壓控制就越穩定。

圖7 ECU控制模塊

燃油共軌系統模型見圖8，它包括凸輪、高壓油泵、燃油共軌、汽缸等模塊。燃油共軌壓力計算模塊見圖9。

圖8 燃油共軌系統模塊

圖9 燃油共軌壓力計算模塊

4 仿真實驗與分析

仿真時MATLAB /Simulink 采用 ode4算法，步長為0.003。燃油共軌管與中間儲油器容積分別為0.50 m3和0.25 m3。穩態時柴油機負荷設置為99.9%，轉速為114 r/min；動態時柴油機負荷從50%變到100%，轉速從91變到114 r/min。分別采用傳統PID控制和本文改進后的前饋加反饋模糊PID控制策略做仿真實驗。以下是實驗的結果。

柴油機負荷和轉速變化時，軌壓的動態控制效果對比見圖10。從中可以看出控制方法改進后，軌壓力為60～90 MPa的響應時間減少,壓力跟隨速度加快；傳統PID控制在軌壓轉換時有一定超調量，改進控制后，通過查表得到了精確的預控量，再通過模糊PID控制的優化作用，使反饋控制更精準，因此超調量很小，軌壓波動也減小，這樣非常有利于柴油機的穩定運行[5]。

圖10 動態軌壓仿真曲線

穩態軌壓控制情況見圖11，12。穩態時只有模糊PID反饋控制起作用。從圖11可知，負荷50%、轉速91 r/min時傳統PID控制軌壓波動在1.16 MPa左右，改進后軌壓波動小于0.11 MPa。由圖12可知，負荷越高，軌壓越大，軌壓波動也加大，但是一種收斂性波動；控制方法改進后，軌壓波動小于0.19 MPa,從表1可以看出波動量遠小于5%，滿足實際情況的需求。

圖11 負荷50%、轉速91 r/min時軌壓仿真情況

圖12 負荷100%、轉速114 r/min時軌壓仿真情況

負荷/%轉速/(r·min-1)軌壓值/MPa臺架數據傳統PID控制軌壓波動改進控制軌壓波動50100911146089.991.161.630.110.19

5 結論

仿真實驗表明，改進控制方法后，穩態軌壓、動態軌壓波動都減少，響應時間加快，證明了改進方法的有效性。

[1] 沈蘇海，吳培莉，趙 輝.船舶電控柴油機燃油共軌系統的建模與仿真[J].上海海事大學學報，2013，34(1):36-40.

[2] 王永堅,楊國豪,李斯欽.船用電控柴油機燃油共軌系統與軌壓力仿真[J].中國航海，2013，36(2)：22-27.

[3] 仇 滔，雷 艷，彭 憬，等.高壓共軌燃油系統軌壓控制策略研究[J].內燃機工程，2013，34(2)：83-87.

[4] 陳銘治，郭慧茹，王海燕，等.船用二沖程高壓共軌電控柴油機的運行仿真[J].上海海事大學學報，2013，34(1)：41-44.

[5] 平 濤，徐建新，方文超，等.船用柴油機高壓共軌系統動態特性研究[J].船舶工程,2009,31(3):7-10.