船用柴油機高壓共軌燃油系統仿真研究

屠星星 王俊雄 黃丹清 張和牧

（上海交通大學動力裝置及自動化研究所1） 上海 200030） （中船動力研究院有限公司2） 上海 200129）

0 引 言

隨著AMESim、SimulationX等多學科領域建模、仿真工具的普及，研究人員即便在對物理系統內在數學關系不了解的情況下也能夠方便、快捷地建立面向物理對象的模型，而且建立的模型也較為準確.不過，對于柴油機高壓共軌燃油系統之類結構龐大且復雜的系統，其控制策略往往用MATLAB建立，當研究控制策略時，需要將AMESim或者SimulationX建立的被控系統模型轉換成S函數集成到Matlab與控制策略做閉環仿真，此類仿真速度極慢甚至無法運行［1］.而若是用MATLAB／Simulink建立被控系統的數學模型，然后再與同樣用MATLAB建立的控制策略做閉環仿真，仿真便能更順利地進行.因此對于高壓共軌燃油系統，如果研究目的是建立其控制策略，則用MATLAB／Simulink建立其數學模型十分有必要［2］.

本文以瓦錫蘭RT－flex48柴油機高壓共軌燃油系統為研究對象，用Simulink建立了各部件的模型，考慮了共軌管壓力波傳遞，同時避開了一些繁瑣的計算（如燃油特性參數的實時計算），既適當地簡化了模型，又達到了刻畫實際燃油系統的目的，為控制策略的研究奠定理論基礎.

1 燃油系統建模

RT－flex48柴油機高壓共軌燃油系統主要包括高壓油泵、燃油共軌管、噴油控制單元（injection control unit，ICU）及噴油器［3］（見圖1），建模主要基于質量守恒和動量守恒，不考慮能量守恒.

圖1 高壓共軌燃油系統原理圖

1.1 高壓油泵

柱塞腔內燃油連續性方程［4］

1.2 高壓燃油共軌管

共軌管建模存在2種方法：大容積模型和管路模型.大容積模型將共軌管簡化成具有單一壓強的大容積，忽略慣性引起的壓力波傳遞.本文采用管路分段集中參數模型方法［5］，充分考慮壓力波傳遞：把管分為多段，每段內等壓，由連續性方程求解；每2相鄰管路段間取兩管路段內側各一半長度，合成一個管路段，該段內流量相同，建立動量守恒方程.

該系統包含6個氣缸，所以把共軌管分成6段，見圖1.第n段管路連續性方程

式中：qn－1為第n－1段到第n段的流量，pn為第n段的油壓，QICUn為第n段管路到相對應的ICU的流量.

考慮壓力波傳遞時，由Navier－Stokes方程及達西公式推得動力守恒方程

式中：A，D和L分別為共軌管的橫截面積、直徑和長度；f為摩擦因數；ρ為燃油密度.

1.3 噴油控制單元（ICU）

ICU包括共軌閥、噴射控制閥和油量活塞，用于控制燃油噴射，見圖2.

圖2 ICU結構

共軌閥是兩位三通電磁閥，TA通路和AP通路分別通入和泄放伺服油.噴射控制信號為Y，因電磁閥的動態特性（自振頻率為f0，阻尼比為δ），故實際作用信號為yreal：

yreal決定TA和AP開度.

噴射控制閥包括液壓腔、閥芯及噴射和返回通路.閥芯動力方程為

式中：Fend1和Fend2為對閥芯的限位作用力；P為液壓腔油壓.

油量活塞包括2個液壓腔和1個活塞.右側和左側液壓腔油壓P1和P2由連續性方程計算.活塞動力方程為

式中：x為活塞位移；A1和A2為右側和左側液壓腔的液壓作用面積；Fend3和Fend4為左右缸壁對活塞的限位作用力；Ff為粘滯摩擦力.

1.4 噴油器

噴油器由針閥、盛油槽和噴油嘴等組成，其結構如圖1所示.

針閥動力學方程：

式中：poil＿c和A3為盛油槽油壓及作用面積；pinject和A4為噴油嘴油壓及作用面積；pback和A5為回油背壓及其作用面積；Fend5，Fend6和Fend上端、下端和頂桿對針閥的限位作用.

盛油槽連續性方程［6］

式中：Voil＿c和Vinject為 盛 油 槽 和 噴 油 嘴 容 積；Q 為高壓燃油管到盛油槽的流量；Qout為從盛油槽流到噴油嘴的流量；Qback為回油量；Qinject為噴射流量.Qout，Qback和Qinject都采用節流孔模型.

2 模型仿真與驗證

本文高壓共軌燃油系統建模與仿真基于的前提與假設主要有：（1）不實時計算燃油的粘度、密度、體積模量等特性參數.燃油進入主機后溫度變化很小，壓力處于2個狀態：設定軌壓附近和泵入口油壓附近，因此獲得這2個狀態的特性參數便可基本滿足仿真需求；（2）忽略泄漏（泄漏計算簡單，但難獲得準確泄漏參數）；（3）單個閥件的流量系數Cq取平均經驗值.

圖3是用Simulink搭建的共軌管、ICU和噴油器模型（僅以ICU＿n和Injector＿n示意，代表所有6個ICU和6個噴油器）.限于篇幅，凸輪和油泵模型未列出.

本文將該模型與由SimulationX建立的同一高壓共軌燃油系統的面向物理對象的模型進行對比驗證.SimulationX是一款多學科領域建模、仿真和分析工具，其建立的模型具有較高的可靠性［7］.2個模型都以額定工況的參數進行仿真，油泵齒條拉倒最大位移.

圖4表明，2個模型的軌壓波動相當一致，考慮燃油慣性引起的壓力波傳遞之后，軌壓波動頻率很高.供油階段，軌壓迅速上升；噴油階段，軌壓迅速下降；其他時候，軌壓也不穩定，存在明顯波動.對比驗證表明，本文建立的共軌管模型較接近真實情況.

圖3 共軌管、ICU和噴油器模型

圖4 共軌管壓力比較

本文燃油系統的噴油器共有5個噴孔，其中2個噴孔直徑是一樣的.圖5是2個模型4個噴孔流量的對比，通過比較發現，兩個模型噴孔流量變化趨勢相當一致，噴孔流量偏差小于2%.噴射通路開啟之后，高壓燃油進入盛油槽，盛油槽油壓上升頂起針閥，噴油器噴油；噴射通路切斷之后，高壓燃油不再進入盛油槽，盛油槽依靠殘余油壓繼續噴油，此階段噴孔流量下降，當盛油槽油壓下降到一定程度后，針閥落座，噴油結束.

圖5 噴孔流量比較

雖然由SimulationX建立的面向物理對象的高壓共軌燃油系統不能完全代表實際系統，但是其模型已經相當接近實際系統.通過SimulationX模型驗證表明，本文用Simulink建立的數學模型能夠較好地表征實際高壓共軌燃油系統.

3 仿真結果分析

3.1 軌壓控制可行性分析

軌壓穩定是對燃油系統的基本要求.共軌管的軌壓波動由供油引起的波動、噴油引起的波動及壓力波傳遞引起的壓力波動三部分構成.

圖6 不同設置下軌壓波動情況

圖6 是不同的噴油量和齒條位移下軌壓波動情況.RT－flex48機是通過調節油泵齒條位移來控制油泵進油量的，所以齒條位移可以表征油泵供油量.

由圖6可見，壓力波動的大致趨勢：隨著供油量的增加，供油引起的壓力波動加強，壓力升高更多；隨著噴油量的增加，噴油引起的壓力波動加強，壓降變大；隨著供油量或噴油量的增加，壓力波傳遞引起的波動變大.在供油和噴油量最大時，其引起的壓力波動是最大的，供噴油引起的最大壓力波動在25bar左右（供／噴油前軌壓的平均值與供／噴油后軌壓的平均值的差值），壓力波傳遞引起的最大振幅在12bar左右，一般情況下一次供油或噴油前后，軌壓最大波動不超過37bar.

對于軌壓控制要求是：波動幅度不超過設定值的±3%，對于設定壓力900bar時就是不超過±27bar.因此一次供油或噴油后的軌壓波動最大幅值略大于最大允許波動的60%，控制進油來實現穩壓就很可行.從自身結構而言，軌壓波動還跟共軌管長度、尺寸有關，以上分析也從側面說明該燃油系統共軌管的設計是比較合理的.只要軌壓控制策略根據噴油后的軌壓能準確控制油泵齒條的位移，從而精確調節供油量，那么就能實現穩定軌壓的目的.

3.2 噴油控制可行性分析

對于RT－flex48機，油量活塞位移表征了噴油量.圖7從高到底依次是相同軌壓下100%、70%和40%噴油量對應的油量活塞位移.RT－flex48機在100%負荷下的功率約為8 730kW，油耗約為171g／（kW·h），主機轉速為127r／min，因此折算出單缸每循環噴油量約為34mL，再加上回油量，對應的油量活塞位移約為19.6 mm，這與仿真結果較吻合.

圖7 不同負荷下油量活塞位移

由圖7可見，設定軌壓相同（同以工況）情況下，在不同噴油量情況下油量活塞的噴射速度和返回速度幾乎是相等的，這樣就為噴油控制帶來了極大的可行性.噴射速度為定值，因而噴油量取決于油量活塞的運動時間，只要控制油量活塞的運動時間就能準確控制噴油量.主機控制單元通過電流信號控制共軌閥的啟閉時間以實現控制噴油量的目的，從共軌閥開啟到噴油開始以及從共軌閥關閉到噴油結束都存在一定的死區時間（延遲）.在建立噴油控制策略時，調速器根據實際轉速與設定轉速之差計算出需要的噴油量，由該噴油量折算出活塞的運動時間，再根據噴射死區時間和返回死區時間對這個時間加以修正，便可以得到控制噴油量的控制信號.在變工況的過程中，因為噴射速度是變化的，所以噴油量的控制可能存在微小的偏差，不過一旦工況又一次穩定后，精確控制噴油量就容易實現了.

3.3 軌壓對柴油機性能的影響

圖8從高到低依次是噴射相同油量時軌壓900、700和500bar對應的噴孔流量.從圖中可以看出，軌壓越高，噴孔流量峰值越大，噴射持續時間越短.

圖8 不同軌壓下的噴孔流量

軌壓變高，燃油的噴射壓力也隨之變高，因此燃油的霧化質量更好.另外，隨著軌壓的提高，噴孔流量明顯提高，噴射時間明顯縮短，燃油更快速地噴入氣缸，并且在急燃期內快速燃燒.更好的霧化質量和快速燃燒使得缸內爆壓和最高溫度變高［8］，因此同樣的噴油量能夠做更多的功，柴油機的經濟性能更好.不過隨著爆壓的升高，零部件受到強烈沖擊，柴油機運轉粗暴，振動加強，影響柴油機壽命.

4 結 論

1）基于Simulink建立的燃油系統數學模型與SimulationX軟件搭建的模型相當一致，集中參數模型法建立的共軌管模型能表征出真實的軌壓波動，從某種程度上說明該數學模型較好地刻畫了高壓共軌燃油系統.

2）共軌管內存在明顯的壓力波傳遞，單次供油或噴油導致的軌壓波動最大幅值略大于最大允許波動的60%，油泵供油可迅速緩解噴油帶來的壓力降.因此，通過調節油泵齒條位移進行軌壓控制具有可行性.

3）在設定軌壓下，噴油速度是恒定的，不隨噴油總量的變化而變化.因此只要控制噴射時間就能準確控制噴油量，這是噴油控制的關鍵.

4）軌壓越高，噴油速率峰值越大，霧化質量越好，燃油進入氣缸快速燃燒，柴油機做功效率更高，經濟性能更好，但運轉粗暴，影響壽命.

［1］李曉波，史鏡海.柴油機高壓共軌式燃油噴射系統的仿真研究［J］.哈爾濱工程大學學報，2008，29（5）：465－468.

［2］BALLUCHI A，BICCHI A，MAZZI E.Hybrid modeling and control of the common rail injectuion system［J］.Int.Journal of Control，2007，80（11）：1780－1795.

［3］李斯欽.船用電控柴油機燃油共軌系統建模與仿真研究［D］.廈門：集美大學，2011.

［4］李晶晶.柴油機電控高壓共軌燃油噴射系統控制策略及仿真研究［D］.北京：北京交通大學，2011.

［5］李成功，和彥淼.液壓系統建模與仿真分析［M］.北京：航天工業出版社，2008.

［6］王永堅，李斯欽，王海燕.大型低速船用智能柴油機燃油共軌噴射系統的建模與動態仿真［J］.船舶工程，2011，34（4）：45－48.

［7］劉寶生.SimulationX多學科建模和仿真工具［J］.軟件世界，2009（9）：34－36.

［8］潘軍如，施 祥.軌壓對高壓共軌發動機性能的仿真與試驗［J］.內燃機與動力裝置，2011（2）：1－3，24.